楊冬冬 曹 易 曹 磊

1 生態(tài)化雨洪管理思想的產(chǎn)生

近年來，城市化進程迅猛發(fā)展，城市下墊面硬質化率增大、水域面積減少、水文循環(huán)過程破壞等給城市防洪排澇帶來巨大壓力。海綿城市建設的提出引發(fā)了多領域對于新型城市雨洪管理模式的思考。

中國雨洪管理歷程大致經(jīng)歷了以下階段。1)城市早期建設采用雨污合流制的明溝或管道系統(tǒng)。2)1953年北京率先確定了城市新建排水系統(tǒng)采取分流制的規(guī)劃設計原則[1]。上述2種管道式雨水治理方式，均以直接“排放”為主，這是由當時將“雨水”視為“廢水”的態(tài)度所決定的。3)1992年，中國簽署了環(huán)境與發(fā)展宣言，構建資源可持續(xù)發(fā)展型社會的目標由此確立。北京、上海等地結合綠色建筑的實踐進行了場地尺度新型雨洪控制模式的嘗試[2]，采用了綠色屋頂收集雨水回用灌溉、透水鋪裝促進雨水下滲等生態(tài)措施。該階段是我國城市將雨水作為資源加以管控的萌芽時期。4)近年來，國外先進經(jīng)驗不斷引入，我國提出建設海綿城市的目標。其一個首要任務就是在我國現(xiàn)有單純依靠市政工程設施進行城市雨洪管理的基礎上，充分利用綠地、開放空間補充構建生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)，并實現(xiàn)綠、灰2套雨洪管理系統(tǒng)的耦合[3]。因此，如何系統(tǒng)化、科學化構建城市生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)成為目前我國雨洪管理模式轉型、構建海綿城市的關鍵。

2 城市生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)構建的體系框架

城市生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)的構建是一項涉及多學科、多技術、多部門的綜合性系統(tǒng)工程。其不僅與水文循環(huán)系統(tǒng)中的產(chǎn)匯流過程、時間效應直接相關，而且還涵蓋了城市規(guī)劃、風景園林設計中的多項內(nèi)容。水文循環(huán)在整個城市生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)中起主導作用，是系統(tǒng)構建的內(nèi)在基礎；空間布局和規(guī)模等則是對應于水文循環(huán)過程的空間策略和優(yōu)化；景觀要素則成為系統(tǒng)構建的外在表現(xiàn)。綜上所述，城市生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)構建的體系框架可細化為水文單元、景觀單元以及規(guī)劃單元三部分(圖1)。

2.1 水文單元

水文單元是在城市現(xiàn)狀水文環(huán)境的基底上，由多種單項雨洪管理措施(以綠色基礎設施為主，灰色基礎設施為輔)組成構建的，旨在彌補、調(diào)整或修正城市現(xiàn)狀水文循環(huán)過程中存在的問題或缺失，重塑城市新的、健康的水文循環(huán)過程，達到雨洪資源管理利用的目的。

具體而言，水文單元是城市生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)的基礎，是系統(tǒng)運行的功能載體，可以獨立應用并存在。一般情況下，能夠起到降低雨水徑流量峰值、減緩徑流下泄速度、延長徑流下泄時間、緩解面源污染等作用的各單項雨洪管理措施是該單元的技術核心。

水文單元的功效則由多種雨洪措施所構成的某種控制利用流程或模式所決定。針對不同城市或區(qū)域的突出問題和主導目標，可以組合成多種不同的技術模式。模式中，對應于突出問題的解決措施應予以強調(diào)。

需要指出的是，對城市、區(qū)域或地塊現(xiàn)狀水文情況分析的全面性和深入程度是準確了解城市現(xiàn)狀雨洪管理突出問題、制定合理目標的關鍵，因此其對于水文單元的設計構建至關重要。通常包括了城市或區(qū)域流域劃分、產(chǎn)匯流過程模擬分析、區(qū)域內(nèi)河道行洪過程模擬等。

2.2 景觀單元

景觀單元以水文單元為基礎框架，運用景觀設計元素對各措施加以外化和展示，在保障甚至強化雨洪管理功能的前提下，豐富雨洪管理措施的外在形式，賦予其地域性特點。換言之，城市生態(tài)化雨洪管理利用系統(tǒng)的生態(tài)性主要通過景觀單元加以實現(xiàn)和具體化，是不同城市或地塊地域特性的載體。

需要指出的是，傳統(tǒng)的雨洪治理思路和方法僅關注水文調(diào)節(jié)功能的實現(xiàn)，而將生態(tài)系統(tǒng)分割在外，不同地域的水文化內(nèi)涵更無從談起。生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)嘗試借助地形、植物、材質、空間等景觀要素實現(xiàn)對城市水循環(huán)、水生態(tài)乃至水文化的融合和集中體現(xiàn)，跨學科、多領域地對雨洪控制利用所有相關子內(nèi)容進行綜合協(xié)調(diào)和融合，這也是雨洪控制利用的最佳方式。

2.3 規(guī)劃單元

規(guī)劃單元介于水文單元和景觀單元之間，一般由城市用地性質、道路交通系統(tǒng)模式、空間布局結構以及文化背景等城市規(guī)劃層面的相關內(nèi)容組成，是水文管控過程或模式的空間載體，決定了各單項雨洪措施在空間中的位置、規(guī)模，同時作為風景園林設計的上游環(huán)節(jié)，它還是景觀單元外在形式的基底，決定了各景觀要素的設計風格和地域特點。

生態(tài)化雨洪管理利用系統(tǒng)構建的復雜性、模糊性以及相對性[4]集中體現(xiàn)在這一環(huán)節(jié)中。與水文單元關注的匯流速度、徑流量有所不同，規(guī)劃單元中涉及的大部分與城市規(guī)劃相關的內(nèi)容或要素不易于量化。各因素的影響程度不同，且影響因素權重值的確定亦存在較大的主觀性和不確定性。而且因城市空間布局的多變性，各單項雨洪措施類型形制的選擇、尺度的確定不僅是一個復雜的決策過程，而且難于直接推廣。

3 城市生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)構建的方法和途徑

3.1 基礎內(nèi)容

城市生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)構建的基礎內(nèi)容是建立在城市水文信息獲取的基礎上，并涉及城市中的用地性質、空間組織方式等城市規(guī)劃層面的要素。其關注城市水文過程與城市用地情況間的相互聯(lián)系及影響，進而為下一步城市水文循環(huán)過程數(shù)學模擬模型的建立做準備。具體內(nèi)容如下。

3.1.1 數(shù)據(jù)采集與篩選

圖1 城市生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)構建的體系框架模式圖

區(qū)域尺度上，搜集匯總區(qū)域內(nèi)的降雨資料、蒸發(fā)和下滲情況、地下水資源情況。將用地圖、地形圖、下墊面情況、排水管線布局圖及其豎向設計等轉換成計算機兼容的數(shù)字形式。場地尺度上，了解獲得河道、湖泊典型年的洪水過程線，平水年、枯水年的水位、水量情況；河道、湖泊的水源；河道沿線匯水口、分水口位置和流量、泵站的運行方式以及水質指標等。從河道以往的防洪規(guī)劃設計報告中讀取河道、湖泊斷面信息。若無相關信息，建議組織河道測繪，掌握間距在100～500m之間的各斷面情況，同樣轉換成計算機可兼容的數(shù)字形式。

3.1.2 流域劃分

城市流域劃分包含2個層次。宏觀層次依據(jù)城區(qū)總體地形地貌進行自然流域劃分。傳統(tǒng)自然流域的劃分方法是根據(jù)地形圖上的等高線進行人工勾繪。隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)字高程模型在地形地貌描述中的應用越來越廣，可利用ArcGIS軟件從DEM數(shù)據(jù)中提取流域數(shù)字河網(wǎng)，進行自然流域劃分，并獲得平均坡度、匯流長度以及流域面積等要素信息。由于城市主要依靠地下排水系統(tǒng)匯集、排泄雨水，因此在宏觀自然流域劃分的框架下，還需在微觀尺度上依據(jù)場地內(nèi)的地下排水管線布局進行人工子流域劃分。

3.1.3 用地分析與公眾調(diào)研

對城區(qū)內(nèi)各子流域的用地性質、硬質化程度、建筑密度、綠化率進行統(tǒng)計，并結合對相應地塊內(nèi)澇情況、雨洪問題的公眾調(diào)研結果，了解其中布設生態(tài)化雨洪管理措施的需求和潛力，并對各片區(qū)進行歸類。

3.2 技術內(nèi)容

3.2.1 產(chǎn)匯流分析

為城市生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)構建提供規(guī)劃設計依據(jù)的產(chǎn)匯流分析，其關注的核心是城區(qū)各子流域內(nèi)地面匯流洪峰流量與管道出流洪峰流量的差值，以此判定各子流域的積水情況，推求各子流域的平均積水時間、積水量、平均積水深度等指標。通過比較各子流域積水時長、積水深度，將城區(qū)各子流域按照內(nèi)澇嚴重程度的不同劃分為若干等級，最終為雨洪措施的類型、形制、位置的選擇和尺寸的確定提供依據(jù)(圖2)。

3.2.2 河道行洪排澇能力評估

河道是城市防洪排澇的重要通道，是城市生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)中的重要末端環(huán)節(jié)之一，彼此聯(lián)系緊密。因此準確評估和掌握城市河道行洪排澇能力，對于城市生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)的構建至關重要。評估內(nèi)容涉及水位過程線、河道壅水高度、流速變化模擬，以及橋梁、堰等水利工程對河道水面線的影響等，其中最基本的是對河流水面線的計算與模擬。HECRAS(Hydrologic Engineering Center's River Analysis System)軟件由美國陸軍工程兵團水文工程中心開發(fā)，包含多個一維水力分析模型，適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流的一維水力計算，水面線模擬能力突出[5]。設計者可根據(jù)研究基礎階段獲得的河道水系斷面、地形、水閘、泵站和調(diào)蓄水域信息，利用HEC-RAS軟件構建目標河段的行洪排澇模擬模型。在此基礎上，以河段沿線洪澇水匯入、排出位置、流量和水利控制工程布置作為模型邊界，依據(jù)理論經(jīng)驗和模擬復核設定模型參數(shù)，根據(jù)不同設計暴雨標準加載模型初始運行條件，獲得目標河段的水面線及其他相關模擬結果(圖3)。模擬結果對于河道自身的設計形式、生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)近河區(qū)域的規(guī)劃設計具有重要的指導意義。

3.3 關鍵內(nèi)容

3.3.1 生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)的流程設計

在產(chǎn)匯流分析和河道行洪排澇能力評估的基礎上，可以準確了解城市或區(qū)域現(xiàn)狀雨洪管理問題，明確生態(tài)化雨洪控制利用目的，進而提出生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)的針對性設計。典型的系統(tǒng)流程有雨洪調(diào)蓄、促進下滲、徑流污染控制、綜合目標控制等(圖4～7)。

但是，一方面，單項生態(tài)化雨洪措施應用于不同的管理系統(tǒng)中，其所承擔的功能存在差異，例如植草溝多作為一種雨水傳輸?shù)木€性裝置，但在用地緊張的區(qū)域，經(jīng)過改造也可以兼顧初期過濾沉淀、滲透減排的作用；另一方面，受場地條件的制約，包括場地降雨、地下水位、下墊面情況等，相同雨洪措施所能發(fā)揮的功效存在較大差異。這些都給生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)的流程設計提出了難題，要求對各單項措施、管理模塊靈活運用，嘗試多樣化組合流程，以適應不同場地條件。在有些地區(qū)需要進行先期模型實驗，以對規(guī)劃設計的系統(tǒng)流程進行校核驗證。

3.3.2 生態(tài)化雨洪管理措施的構造設計

水文分析和河道行洪排澇能力評估的結果表明了城區(qū)現(xiàn)狀雨洪管理的薄弱點(如城內(nèi)內(nèi)澇區(qū)域)以及欠缺程度(如內(nèi)澇程度、面源污染程度)。這些信息表明了實施生態(tài)化雨洪措施的位置和問題所在。

但是往往現(xiàn)狀用地情況制約著雨洪措施的“落地”，主要包括用地性質、空間規(guī)模、地形坡度等。在類似情況下，設計者應在遵循雨洪自然水文過程的基礎上，對雨洪措施的類型、形式加以調(diào)整，借助風景園林設計手法靈活處理、巧妙設計。

例如植草溝，其縱向坡降有較為嚴格的限制要求，允許值在0.5%～3%之間，且溝內(nèi)水流速度一般不允許超過0.5m/s，以避免流速過快造成侵蝕。但若由于場地地形或可利用長度限制導致草溝坡降大于3%，則可通過沿線設置小堆石壩控制流速，也可在溝底散布碎石、木屑，增加糙率，減緩流速，豐富景觀效果。在用地緊張的商業(yè)區(qū)，可將蓄水池與常見的旱噴地下結構相結合等。因地制宜的設計要求給生態(tài)化雨洪措施的景觀效果帶來了多種可能[6-7]。

此外，需要指出的是，如若內(nèi)澇區(qū)域的現(xiàn)狀用地情況限制了本區(qū)內(nèi)生態(tài)化雨洪措施的落地及功效發(fā)揮，可將工作重點向內(nèi)澇區(qū)域的上游區(qū)塊遷移，減少上游區(qū)塊雨洪徑流亦可起到緩解本區(qū)雨洪管控壓力。

4 福州江北城區(qū)生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)構建

4.1 福州江北城區(qū)概況

圖2 產(chǎn)匯流分析流程

圖3 河道行洪排澇能力模擬流程

圖4 雨洪調(diào)蓄流程

圖5 促進下滲流程

圖6 徑流污染控制流程

圖7 綜合目標控制流程

福州江北城區(qū)位于福州盆地的中心地帶，西北東三面群山環(huán)抱，南臨閩江北港，是福州市主城區(qū)和政治、經(jīng)濟、文化中心。但該區(qū)在水文環(huán)境上北受山洪威脅，南有海潮托頂，內(nèi)有自產(chǎn)徑流，城區(qū)排水壓力很大。隨著城市化進程的加快，區(qū)內(nèi)硬質化率大幅提高，原有的河流、坑塘被部分填埋，管網(wǎng)改造跟不上城市發(fā)展步伐，暴雨產(chǎn)匯流時間不斷縮短，洪澇水量大幅增加，城市水文過程和功能嚴重喪失，許多重要地段“逢雨必澇”現(xiàn)象突出[8]?；诖?，改善福州江北城區(qū)水文環(huán)境、降低內(nèi)澇災害發(fā)生概率已成為福州市“十二五”規(guī)劃的重點[9]。結合福州城市環(huán)境建設，借鑒國外雨洪管理理念，對福州江北城區(qū)生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)的構建進行深入探討，可為江北城區(qū)水文自調(diào)節(jié)能力的恢復、城區(qū)內(nèi)澇問題的緩解提供科學、系統(tǒng)化建議。

4.2 福州江北城區(qū)水文環(huán)境分析

福州市江北城區(qū)可劃分為白馬河、晉安河、鳳坂河、浦東河和光明港5個流域，將各流域進一步劃分為若干排水分區(qū)。采用推理公式法對各流域的排水分區(qū)進行產(chǎn)匯流計算，即由柯爾皮茨公式計算匯流時間，用暴雨公式進行不同歷時暴雨間的轉換，利用洪峰流量推理公式求出洪峰流量，以及暴雨產(chǎn)生的洪量(注：由于城區(qū)匯流速度較快，一般在幾分鐘到幾十分鐘，故可認為最大1h降雨出現(xiàn)時間即為地面徑流峰出現(xiàn)時間)。然后，根據(jù)各排水分區(qū)的管網(wǎng)出流條件，計算管道出流過程。通過對各子片區(qū)的地面匯流和管道出流洪峰流量進行比較，最終獲得各流域排水分區(qū)的平均積水時間和積水量[10](圖8)。

由此可見，5年一遇標準下，積水時間超過10h的排水分區(qū)有白馬河流域b4，鳳坂河流域f5，晉安河流域j9、j17、j18及浦東河流域p4。此外，利用HEC-RAS軟件模擬了5年一遇設計降雨標準下，江北城區(qū)各河道水系的淹沒情況。河道淹沒和道路積水均主要集中在晉安河流域五四路、華林路附近(圖9)。

4.3 福州江北城區(qū)生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)的構建

根據(jù)江北城區(qū)不同流域的水文環(huán)境特點進行生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)的針對性設計。從圖10中不難看出，晉安河流域內(nèi)澇問題突出，流域內(nèi)河流特別是上游河段過流能力不足，“堵塞”現(xiàn)象嚴重。因此該流域內(nèi)的生態(tài)化雨洪管理以調(diào)蓄為主要目標，采用雨洪調(diào)蓄流程。而鳳坂河、浦東河流域為工業(yè)區(qū)，徑流污染河道問題顯著，故該流域內(nèi)的生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)以徑流污染控制流程為核心。白馬河流域經(jīng)過近年的環(huán)境整治，河道防洪排澇能力提高，景觀環(huán)境改善。上游西湖作為江北區(qū)重要的市民活動空間，其右側內(nèi)澇片區(qū)的雨洪管理系統(tǒng)應兼顧徑流污染控制和調(diào)蓄功能。由于文章篇幅的限制，本文僅以晉安河流域為例，闡述該流域內(nèi)的雨洪管理系統(tǒng)構建。

圖8 5個流域各排水分區(qū)的積水量[10]

圖9 5年一遇標準下江北城區(qū)水文環(huán)境

晉安河流域調(diào)蓄型生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)(圖10)，以“源頭為先，全過程跟蹤”為規(guī)劃設計理念，流域內(nèi)大面積居住區(qū)內(nèi)散布的諸多小型綠地為生態(tài)化雨洪調(diào)蓄系統(tǒng)的構建提供了基礎條件。由于流域上游河流水道密集，在雨洪調(diào)蓄基本流程的基礎上還增加了盲腸河段滯留雨洪和行洪河段與雨水花園結合的模塊設計。針對晉安河流域現(xiàn)狀構建的雨洪調(diào)蓄系統(tǒng)具體內(nèi)容如下：1)針對流域內(nèi)上游河道受城區(qū)產(chǎn)匯流影響，5年一遇暴雨標準下大范圍淹沒的問題，在流域內(nèi)上游片區(qū)(j1、j2、j3)布設生物滯留池、地下儲水箱以及景觀水池等，并建議新建樓宇增建屋頂花園、豎向綠化，從源頭滯納雨水徑流，減少下游壓力；2)由于湖前河下游、樹兜河、五四河單側有可利用空間，建議單側退堤，擴大河道斷面，塑造復式駁岸，在提高防洪排澇能力的同時增加沿河綠道走廊，輔以濕生植物種植凈化水質；3)針對流域內(nèi)琴亭河、華林河、龍峰河及淌洋河4條盲腸河流坡降低、水流不暢的特點，提出清淤后置換底泥、置石曝氣、種植功能性植物的設計建議，賦予這類隱藏在密集居住區(qū)后的河段滯納洪峰、凈化水質的功能；4)考慮晉安河流域內(nèi)j17、j18片區(qū)積水嚴重的問題，沿晉安河自上而下分別利用高架橋下空間、片區(qū)現(xiàn)狀水域以及晉安河與鳳坂河交口處的規(guī)劃綠地營建面狀雨水花園。在滯納雨洪、解決片區(qū)積水問題的同時，改變晉安河直線石砌溝渠面貌，塑造豐富自然的河流系統(tǒng)。j9片區(qū)由于沒有足夠集中空間來建雨水花園，故該區(qū)做法與j1、j2等上游片區(qū)相同。

圖10 晉安河流域生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)

5 結語

本研究通過對水文、規(guī)劃、景觀三要素在生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)中的內(nèi)在聯(lián)系進行分析和整合，提出城市生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)構建的方法和技術途徑。研究顯示：水文過程模擬分析結果直接決定了生態(tài)化雨洪管理系統(tǒng)的設計目標和策略，但目標與策略的落地實施卻受到規(guī)劃系統(tǒng)的限制或啟發(fā)。面對雨洪管理的功能需求和城市空間制約的現(xiàn)實條件，景觀中多樣的設計元素、功能空間和表現(xiàn)手法，可將雨洪措施與城市景觀融合起來，不僅提高了雨洪管理措施在復雜、擁擠城市空間內(nèi)的可實施性和可推廣性，而且有助于城市綠色與灰色雨洪管理設施的耦合聯(lián)動，對于城市生態(tài)環(huán)境建設、防災減災及水資源供需矛盾的緩解具有極高的價值。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。

致謝：感謝清華大學建筑學院劉海龍老師依托福州江北城區(qū)內(nèi)河水系整治與人居環(huán)境研究項目對本研究的指導。