(太原市水利科學(xué)研究所，山西 太原 030002)

1 概 述

海綿城市的建立可以有效防止城鎮(zhèn)化進(jìn)程中所出現(xiàn)的資源環(huán)境過度耗竭、環(huán)境污染嚴(yán)重和生態(tài)系統(tǒng)退化等問題，當(dāng)前海綿城市的概念模式已經(jīng)在國外許多城市得到成功運用，如美國的綠色建筑、澳大利亞的水敏感城市、英國的可持續(xù)排水系統(tǒng)、荷蘭的水廣場、新加坡的活躍美麗潔凈水項目、日本的雨水儲留滲透計劃等。我國的海綿城市建設(shè)理論與實踐方面都略顯滯后與薄弱，當(dāng)前主要停留在借鑒和引用國外模式階段。本文主要探討了海綿城市規(guī)劃的技術(shù)方法及在太原市城區(qū)建設(shè)中的應(yīng)用情況。

2 海綿城市規(guī)劃方法與技術(shù)

2.1 城市雨洪模擬技術(shù)

雨洪模擬技術(shù)是進(jìn)行海綿城市規(guī)劃設(shè)計的核心技術(shù)，也是城市水文規(guī)劃領(lǐng)域的難點問題之一，城市地表情況錯綜復(fù)雜，產(chǎn)匯流過程更是復(fù)雜多樣，結(jié)合HIMS分布式模擬系統(tǒng)便可建立包括地表產(chǎn)流、坡面匯流、管網(wǎng)匯流、地表三維水動力匯流等模塊在內(nèi)的城市雨洪模型，詳見下圖。

基于HIMS分布式模擬系統(tǒng)的城市雨洪模型圖

下圖中的城市雨洪模型基于城市自然產(chǎn)匯流特征，結(jié)合城市雨洪設(shè)計需求與用地類型，以最小計算單元為單位進(jìn)行不同用地類型城市產(chǎn)流方式、坡面、管道、河道及道路等的匯流過程，可以作為海綿城市規(guī)劃的基本模型工具，該模型包括以下幾方面內(nèi)容。

a.確定計算單元和不同類型匯流拓?fù)潢P(guān)系。城市下墊面情況異常復(fù)雜，所以傳統(tǒng)模型中單位的劃分方式并不適用于城市，本文基于自然水系分區(qū)結(jié)合管網(wǎng)排水分區(qū)的方式進(jìn)行計算單元的劃分，再具體到各種類型的產(chǎn)匯流單元。通過GIS和CAD軟件進(jìn)行DEM、影像數(shù)據(jù)和管網(wǎng)布設(shè)數(shù)據(jù)等的分析與量化計算，進(jìn)而準(zhǔn)確劃分計算單元。步驟如下：先結(jié)合項目區(qū)產(chǎn)匯流自然特征，利用高精度DEM數(shù)據(jù)獲取自然水系，并依據(jù)行政區(qū)劃和斷面控制情況進(jìn)行城市河湖水系匯水單元的初步劃分；在此基礎(chǔ)上根據(jù)城市排水管網(wǎng)的規(guī)劃情況、用地類型和整體規(guī)劃情況，進(jìn)行排水區(qū)劃分；在所劃分的排水區(qū)，建立道路(或管網(wǎng))邊界，并根據(jù)排水口位置、道路規(guī)劃布局、用地類型和高精度DEM影像等，準(zhǔn)確劃分盛水產(chǎn)匯流計算單元。

b.城市用地類型產(chǎn)匯流和產(chǎn)污過程的模擬。基于上述城市雨洪模型，對城市人工降雨進(jìn)行大量實驗并結(jié)合小流域暴雨徑流經(jīng)驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了降水-入滲公式，該公式根據(jù)城市用地類型分別計算不同地域范圍的產(chǎn)匯流量，最終加總求和得到某一計算單元內(nèi)的產(chǎn)匯流總量，適用范圍廣泛。公式如下：

(1)

式中Q——城市地塊類型徑流總量,m3/s；

Yi——城市第i種用地類型產(chǎn)流量,mm；

fi——城市第i中用地類型入滲量,mm；

Ai——根據(jù)項目區(qū)實際情況所劃分的城市第i種用地類型的占地面積,km2；

P——降水量,mm；

E——蒸散發(fā)量,mm；

t——研究時間,s；

Ri和ri——城市第i種用地類型的下滲系數(shù)。

地面污染物的變動呈指數(shù)變動趨勢，則根據(jù)類似研究成果所得產(chǎn)污系數(shù)測算產(chǎn)污量，公式如下:

(2)

式中W——地面污染物面源輸出總量,t/s；

B——地面污染物面源輸出累積量,t/s；

Ci——第i種用地類型地面污染物濃度,mg/L；

M1——最大累積量,[t/(s·km2)]；

M2——累計速率。

c.產(chǎn)匯流耦合與模擬。城市自然產(chǎn)匯流特征受到建筑物攔蓄、管網(wǎng)收集等因素的影響，匯流類型可分為坡面匯流、管網(wǎng)匯流、河道水系匯流和道路排水匯流等。其中坡面匯流是對不同城市用地類型產(chǎn)匯流移至雨水口過程的模擬，管網(wǎng)匯流是對雨水口所收納的雨水在管網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)性運行并最終流入排洪防澇設(shè)施全過程的模擬，河道水系匯流是對于排水管道所排雨水和河道來水等疊加演進(jìn)過程的模擬，道路排水匯流是對超過現(xiàn)有城市排水管道排水能力的雨水沿管道運移并最終流入低洼水系過程的模擬。根據(jù)上述不同類型的模擬過程和對匯排水區(qū)及產(chǎn)匯流計算單元的劃分，結(jié)合城市管網(wǎng)等相關(guān)數(shù)據(jù)，便可進(jìn)行不同類型區(qū)域地表與管網(wǎng)水力系數(shù)的量化計算，并確定城市雨洪模型的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)。

城市不同類型計算單元徑流轉(zhuǎn)化的過程形成地表坡面匯流，地形平坦的城市匯流主要由屋面、道路、場院等表面、排水管道等匯集而成，鑒于此，可以將不穩(wěn)定坡面匯流連續(xù)方程加以簡化：

(3)

(4)

(5)

式中qm——坡面單寬流量,m2/s；

L2——匯水坡面長度均值,km；

F——流域面積,km2；

I2——坡面坡度均值；

Qm——斷面洪峰流量,m3/s；

A2——坡面流量流失系數(shù)；

V2——匯流流速,m/s；

τ——時間,s。

排水管網(wǎng)中的徑流流態(tài)近似于明渠均勻流，可以按照曼寧公式連續(xù)方程所構(gòu)成的非恒定流方程加以計算：

(6)

式中Q——排水管道流量,m3/s；

v——流速,m/s；

A——過水?dāng)嗝婷娣e,m2；

H——水頭,m；

Sf——摩擦坡度；

x——流動距離,m。

可以考慮采用三維水動力學(xué)模型進(jìn)行道路產(chǎn)匯流模型的模擬，既能將海綿城市建設(shè)過程中所可能出現(xiàn)的緩流、急流、混合流、間斷流等復(fù)雜的流態(tài)問題充分考慮在模型中，也符合河道產(chǎn)匯模擬所采用的馬斯京根等方法，而運用一維水動力學(xué)模型進(jìn)行海綿城市建設(shè)過程中對管網(wǎng)、道路、河段等概化及各個計算單元的劃分與模擬。

2.2 LID措施優(yōu)化技術(shù)

將海綿城市開發(fā)建設(shè)過程中源頭削減、中途調(diào)蓄、末端處理等集滲、滯、蓄、凈、排等多種技術(shù)于一體，通過構(gòu)建城市水資源良性循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)徑流雨水充分滲透、調(diào)蓄、凈化、多次利用，并維持、恢復(fù)和實現(xiàn)城市“海綿”功能及良性循環(huán)的措施統(tǒng)稱為LID措施，具體而言，該措施優(yōu)化技術(shù)包括透水鋪裝、綠色屋頂、下沉式綠地、滲透井、雨水濕地、蓄水池、植草溝、雨水棄流設(shè)施、人工土壤雨水管、滲灌等。海綿城市規(guī)劃的LID措施其主要目的是借助地表產(chǎn)流量的降低，控制年徑流量，進(jìn)而控制不同降水情況下城市不同地塊類型的流量，可以將海綿城市規(guī)劃的LID措施目標(biāo)函數(shù)表示為：

minfobj(c1,c2,…,cj,…cn) (j≤n)

(7)

式中fobj——海綿城市規(guī)劃的LID措施目標(biāo)函數(shù)，是城市不同類型地塊c的加權(quán)和或乘積；

cj——第j個地塊徑流系數(shù)；

n——總地塊數(shù)。

上述目標(biāo)函數(shù)的約束條件如下：

其中Area——城市不同類型地塊的面積,km2；

Area下沉式綠地——下沉式綠地面積，面積,km2；

Area透水鋪裝——透水鋪裝面積,km2；

Area綠色屋頂——綠色屋頂面積,km2；

Area綠地——綠地面積,km2；

Area不透水路面——不透水路面面積,km2；

Area屋頂——屋頂面積,km2；

η綠地——綠地，分別采用LID措施的面積占總面積的閾值；

η不透水路面——不透水路面，分別采用LID措施的面積占總面積的閾值；

η屋頂——屋頂，分別采用LID措施的面積占總面積的閾值。

構(gòu)建起目標(biāo)函數(shù)和約束條件后通常采用包括隨機(jī)優(yōu)選、遺傳算法和粒子群算法等在內(nèi)的計算機(jī)優(yōu)化方法進(jìn)行求解。

3 應(yīng)用實例

3.1 區(qū)域概況

太原市是山西省省會城市，是我國優(yōu)秀旅游城市、國家歷史文化古城、園林城市，太原市包括六個市轄區(qū)、三個縣和一個縣級市，整個城市位于山西省中北部的太原盆地。屬于北溫帶大陸性氣候，夏季炎熱且降水豐富，冬季寒冷干燥，年氣溫均值在9.5℃左右，無霜期為200天左右，年降水量均值為450mm，地形復(fù)雜多樣，海拔高度差異較大，晝夜溫差大。太原城區(qū)排水系統(tǒng)主要包括地下管網(wǎng)、護(hù)城河水系、污水處理廠等部分，城區(qū)范圍內(nèi)排水管道長度約600km，按照雨污分流原則設(shè)計，排水設(shè)備涉及范圍共48km2左右，當(dāng)前，城區(qū)范圍內(nèi)已有的雨污水管網(wǎng)設(shè)施已經(jīng)陳舊，無法滿足城市雨污水排放的要求，再加上城市的快速發(fā)展，城區(qū)面積不斷拓展，極端天氣導(dǎo)致暴雨事件頻發(fā)等都增加了城市防洪排澇壓力。

2015年10月，太原市規(guī)劃網(wǎng)站公示《太原市排水防澇設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，指出：太原市著力構(gòu)建海綿城市，通過制定并執(zhí)行內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)，提高城市雨污管網(wǎng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并對城市排水系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，確保城市涵水與自潔能力大力提升，新建并完成雨污分流計劃，力爭到2020年成功入圍全國“海綿城市建設(shè)試點城市”。

3.2 城市年徑流控制率計算與徑流模擬

根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》的相關(guān)規(guī)定，太原市年徑流位于控制Ⅲ區(qū)，控制率在75%～85%范圍內(nèi)，結(jié)合太原市氣象站近年來的降水量資料，可以確定城區(qū)內(nèi)徑流控制率為78%，對應(yīng)的3小時降水量為21mm，最大降水強度為0.98mm/min。根據(jù)太原市用地類型規(guī)劃和LID措施的設(shè)計原則，將太原市城區(qū)劃分為水系、平屋頂、坡屋頂、敞開區(qū)、集中式綠地及小區(qū)綠地等6種地類型、9個計算單元和200個具體的計算單元?！督ㄖc小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》所提供的徑流系數(shù)參數(shù)取值詳見下表。

徑流系數(shù)參數(shù)取值

雨量徑流系數(shù)受降雨時間及強度影響較大，為確保結(jié)論的科學(xué)性與合理性，應(yīng)采用與總量控制有關(guān)的流量徑流系數(shù)。

LID措施優(yōu)化模型參數(shù)主要有匯水區(qū)、管段、節(jié)點和低影響設(shè)施等，其中降雨、設(shè)計圖、滲透性能等均取實測數(shù)據(jù)；匯水區(qū)域面積、坡度、透水性能、管道尺寸、節(jié)點等參數(shù)均取自項目設(shè)計資料，其他參數(shù)依據(jù)《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》而定。結(jié)合參數(shù)取值并利用城市雨洪模型(1)進(jìn)行降水條件下不同用地類型徑流過程及水文效應(yīng)模擬，根據(jù)連續(xù)模擬結(jié)果，太原市3年內(nèi)徑流總量控制率在70%以內(nèi)，3年雨量徑流系數(shù)平均值為0.29，完全符合低影響開發(fā)示范城市年徑流總量控制率目標(biāo)的要求。

3.3 LID措施的優(yōu)化

在進(jìn)行海綿城市降雨水文過程分析及雨洪管理措施分析的基礎(chǔ)上，太原市必須根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤晏卣鳎x擇恰當(dāng)?shù)恼嫉爻叨纫约熬哂行钏δ芎途坝^效果的雨洪管理措施。太原市海綿城市的構(gòu)建采取LID滲和滯為主，蓄為輔的措施，通過下沉式綠地、綠色屋頂和滲透鋪裝等工程措施進(jìn)行產(chǎn)流量的消納，并輔之以蓄水池?！逗＞d城市建設(shè)技術(shù)指南》對雨水系統(tǒng)開發(fā)措施影響污染物去除率的指標(biāo)范圍作出了明確規(guī)定：下沉式綠地削減徑流量為150～300mm，透水鋪裝削減徑流量為30mm，綠色屋頂削減量為14mm。為了保證太原市20mm降水量條件下的年徑流總量控制率指標(biāo)，LID措施實施后對于年徑流量的控制率為68%～78%，基本達(dá)到海綿城市建設(shè)的年徑流控制目標(biāo)，模型分析的有效范圍為太原市城區(qū)面積的90%。

4 結(jié) 論

海綿城市的創(chuàng)建理念是對傳統(tǒng)的城市雨水處理模式的創(chuàng)新，基于雨水對城市自然水系和地下水的補充與涵養(yǎng)作用的考慮，進(jìn)行充分的雨水蓄存及循環(huán)利用。文章考慮到城市地表情況錯綜復(fù)雜，產(chǎn)匯流過程更是復(fù)雜多樣等客觀情況，結(jié)合HIMS分布式模擬系統(tǒng)建立起包括地表產(chǎn)流、坡面匯流、管網(wǎng)匯流、地表三維水動力匯流等模塊在內(nèi)的城市雨洪模型，并以太原市為例，進(jìn)行其城市低影響開發(fā)模式下海綿城市的創(chuàng)建設(shè)計與探討?？傊＞d城市的創(chuàng)建是一項系統(tǒng)性、綜合性、歷史性工程，有利于徹底解決城市發(fā)展與水資源開發(fā)利用之間的矛盾，實現(xiàn)水資源長期可持續(xù)發(fā)展。