楊冬冬 韓軼群 曹磊（加）布魯斯·安德森

“十二五”期間，中國(guó)被調(diào)查的351座城市中80%的城市發(fā)生過(guò)不同程度的內(nèi)澇災(zāi)害[1]。伴隨城市快速發(fā)展[2]，硬化道路面積的激增成為導(dǎo)致洪澇災(zāi)害頻發(fā)的內(nèi)因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1981—2011年的30年間，中國(guó)城市建成區(qū)道路面積率從不足4%增長(zhǎng)至13.8%[3]；而中國(guó)大城市典型街區(qū)中，道路面積率（包含公共道路和內(nèi)部道路）已達(dá)到36%[4]。因此，如何在城市道路建設(shè)穩(wěn)定增長(zhǎng)的同時(shí)，又能夠緩解路面增加而造成的過(guò)量雨水徑流問(wèn)題已成為中國(guó)城市雨洪管理的難點(diǎn)。

空間布局對(duì)于城市雨水的產(chǎn)匯流過(guò)程具有結(jié)構(gòu)性作用。研究已表明：優(yōu)化綠地布局利于海綿城市建設(shè)[5-6]。而道路作為城市硬化下墊面最主要的組成要素，其布局對(duì)城市洪澇災(zāi)害的影響貫穿整個(gè)水文過(guò)程中，但相關(guān)研究較少。本研究聚焦居住小區(qū)道路布局，通過(guò)量化不同降雨強(qiáng)度下居住小區(qū)典型道路布局模式與其產(chǎn)匯流過(guò)程間的關(guān)系，明確不同道路布局模式對(duì)產(chǎn)流量、匯流量、匯流速度的影響，進(jìn)而提出以雨洪韌性提升為目標(biāo)的小區(qū)道路系統(tǒng)布局優(yōu)化策略。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

從天津市中心城區(qū)20世紀(jì)90年代后建成的居住小區(qū)中篩選出46個(gè)道路布局模式特點(diǎn)清晰且路網(wǎng)密度和道路面積比相似性高的居住小區(qū)為樣本。參考Southworth[7-8]等提出的居住小區(qū)道路分類方法，將樣本劃分為網(wǎng)格型、盡端型、環(huán)型3種模式，其數(shù)量占比分別為60%、25%、15%。調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)，道路環(huán)型結(jié)構(gòu)常與網(wǎng)格型或盡端型結(jié)合，形成環(huán)網(wǎng)型和環(huán)盡型，在調(diào)研樣本中數(shù)量相近。

上述4類道路模式和代表案例信息如圖1、表1所示。網(wǎng)格型小區(qū)道路平面上呈現(xiàn)橫縱交叉的網(wǎng)格形態(tài)，網(wǎng)格四周由交叉互通的道路圍合；盡端型小區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)中存在較多單向的、不回環(huán)的斷頭路，道路間連通性較差；環(huán)型道路布局具有明顯的環(huán)型結(jié)構(gòu)，作為主干與其他道路連接。環(huán)網(wǎng)型由作為主干路的環(huán)型結(jié)構(gòu)和作為附屬部分的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組合而成，道路間交叉互通；環(huán)盡型則由環(huán)型結(jié)構(gòu)與盡端路組成，除與主環(huán)連接的部分外，大部分道路呈不回環(huán)特性。

1.2 研究區(qū)域降雨情況

天津市地處華北平原，海河支流匯流處，四季分明，年均降雨量574.9 mm。中心城區(qū)2年一遇24 h降雨量為89.0 mm，10年一遇24h降雨量為166.8 mm。另?yè)?jù)氣象記錄，近10年該市每年都會(huì)遭受單次降雨150 mm以上的重大暴雨事件（圖2）。

1.3 研究方法

1.3.1 圖像數(shù)字化技術(shù)及典型居住小區(qū)空間信息概化模型提取

天津典型居住小區(qū)概化模型由住宅建筑、住宅組團(tuán)級(jí)道路（3～5 m）以及綠地組成。假設(shè)住宅建筑均為6層普通居民樓，規(guī)模為常見(jiàn)尺寸75 m×15 m×20 m；道路為4 m寬的住宅組團(tuán)級(jí)道路；綠地占據(jù)場(chǎng)地內(nèi)除建筑和道路以外的全部空間。

概化模型提取過(guò)程包括3步。1）確定居住小區(qū)概化模型的面積規(guī)模。天津中心城區(qū)居住小區(qū)面積多在16 hm2左右，故概化模型為400 m×400 m的正方形場(chǎng)地。2）提取路網(wǎng)布局。采用圖像數(shù)字化技術(shù)，以小區(qū)衛(wèi)星影像為對(duì)象，提取道路矢量空間布局信息，選取能夠反映居住小區(qū)道路布局特點(diǎn)的“長(zhǎng)短邊特征值”“平均長(zhǎng)寬比”“平均路網(wǎng)密度”“交叉點(diǎn)比值”“環(huán)面積比”等作為描述居住小區(qū)道路平面形態(tài)的幾何參數(shù)。利用ArcGIS，分別計(jì)算分屬4類道路布局模式的46個(gè)居住小區(qū)路網(wǎng)的幾何參數(shù)，獲得不同道路布局模式的空間幾何指標(biāo)（表2），據(jù)此在400 m×400 m正方形場(chǎng)地中繪制4種路網(wǎng)模式的概化模型，并進(jìn)一步采用網(wǎng)絡(luò)分析法，利用表示拓?fù)潢P(guān)系的道路指數(shù)連接度指數(shù)J、回路性指數(shù)α、節(jié)點(diǎn)通達(dá)度β驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。3）確定居住小區(qū)內(nèi)建筑的空間布局。參考GB 50180—1993《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》，6層住宅樓的樓間距最小為9 m，側(cè)面樓間距最小為6 m。以排布最多建筑數(shù)為原則進(jìn)行建筑空間布局繪制。最終獲得網(wǎng)格型、盡端型、環(huán)盡型和環(huán)網(wǎng)型居住小區(qū)的概化模型（圖3）。

表1 部分居住小區(qū)基本情況表Tab.1 Basic information of the investigated communities

表2 居住小區(qū)道路布局概化模型的幾何指標(biāo)Tab. 2 Geometric indicators of community road layout generalized model

1 4種典型居住小區(qū)道路布局模式Four typical road layout modes in communities

2 天津24 h設(shè)計(jì)降雨雨型分配[9]24-hour design rainfall distribution map in Tianjin [9]

由概化模型可知，不同道路布局模式的道路密度不同。但由于相同場(chǎng)地中較少的道路面積可以產(chǎn)生較多的建筑占地，故4個(gè)場(chǎng)地內(nèi)總硬化面積差異較小，場(chǎng)地綜合徑流系數(shù)值相近。

1.3.2 SWMM產(chǎn)匯流過(guò)程模擬技術(shù)及典型居住小區(qū)水文過(guò)程模擬模型建立

暴雨洪水管理模型（storm water management model，簡(jiǎn)稱SWMM）是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)降水—徑流模擬模型，廣泛應(yīng)用于城市某單一降水事件的水文過(guò)程模擬[10-12]。

為便于橫向比較，研究為概化場(chǎng)地的水文過(guò)程模擬設(shè)定了相同的地形水文條件：

1）模型地勢(shì)北高南低，中部軸線沿線低而東西邊緣線高，其中南部邊緣中心點(diǎn)高程最低，設(shè)為整個(gè)場(chǎng)地對(duì)外的排水口，其高程設(shè)為基準(zhǔn)點(diǎn)。南北與東西兩側(cè)坡度均為0.1%（圖4）。

2）設(shè)定模型場(chǎng)地內(nèi)非道路區(qū)域地勢(shì)高于道路地勢(shì)；道路路牙高度為0.1 m。

3）模型中曼寧系數(shù)取值分別為不滲透性粗糙系數(shù)0.012，滲透性粗糙系數(shù)0.6，滲入?yún)?shù)均選用horton算法。

4）聚焦道路布局對(duì)產(chǎn)匯流過(guò)程的影響，不考慮雨水管網(wǎng)信息，且各模型硬質(zhì)化率相同，綜合徑流系數(shù)值相近。

基于以上設(shè)定，建立典型居住小區(qū)水文過(guò)程模擬模型（圖5）。

上述4種道路布局SWMM模型的連續(xù)性誤差均在允許誤差區(qū)間內(nèi)，故上述模型模擬結(jié)果可信。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 10年一遇暴雨工況

10年一遇24 h降雨情況下，產(chǎn)匯流過(guò)程模擬結(jié)果顯示，4種場(chǎng)地的地表產(chǎn)流量均在2.59×106l地表產(chǎn)流量范圍之間，這與4個(gè)場(chǎng)地綜合徑流系數(shù)相近直接相關(guān)。在產(chǎn)流總量基本相同的情況下，分別對(duì)場(chǎng)地對(duì)外出流量、內(nèi)部積水量以及匯流速度進(jìn)行比較，探討道路布局對(duì)居住小區(qū)產(chǎn)匯流過(guò)程的影響。

2.1.1 場(chǎng)地對(duì)外出流量分析

強(qiáng)降雨情況下，場(chǎng)地產(chǎn)流一部分向場(chǎng)地外排出，另一部分滯留場(chǎng)地內(nèi)形成積水。在產(chǎn)流量相同的情況下，外部出流量越大，場(chǎng)地的排水能力越強(qiáng)，則說(shuō)明強(qiáng)降雨情況下具有較好的適應(yīng)性。筆者提出適應(yīng)度指標(biāo)，即外部出流量與場(chǎng)地總產(chǎn)流量的比值，來(lái)表征強(qiáng)降雨情況下4種道路布局的適應(yīng)性。計(jì)算公式如下：

3 居住小區(qū)4種道路類型的概化模型Generalized models of four road types in communities

4 1 000倍放大效果的場(chǎng)地地形示意圖Site topography diagram with 1,000 times magnification effect

5 居住小區(qū)4種路網(wǎng)布局的SWMM模型The SWMM model of four road system layouts in communities

6 4種道路布局內(nèi)部積水節(jié)點(diǎn)與路段積水分布The distribution of water accumulation spots and road sections in four road layouts

表3 SWMM模型計(jì)算結(jié)果Tab. 3 The calculation results of SWMM model

式中，F(xiàn)n為第n種路網(wǎng)布局類型的適應(yīng)性指數(shù)，Vn外為場(chǎng)地外部出流量；Vn總為場(chǎng)地總產(chǎn)流量。

結(jié)果顯示，4種道路布局概化場(chǎng)地的外部出流量排序?yàn)椋壕W(wǎng)格型＞環(huán)網(wǎng)型＞環(huán)盡型＞盡端型，表明強(qiáng)降雨情況下網(wǎng)格型路網(wǎng)的排水能力明顯強(qiáng)于盡端型，環(huán)型的排水能力處于二者之間。環(huán)網(wǎng)型與網(wǎng)格型二者的排水能力相差不大，相較之下，環(huán)型路網(wǎng)的加入可有效提高盡端型路網(wǎng)布局的排水能力（表3）。

2.1.2 場(chǎng)地內(nèi)部積水情況分析

本文作者以節(jié)點(diǎn)積水指數(shù)和路段積水指數(shù)表征不同類型道路布局場(chǎng)地內(nèi)部的積水情況。

節(jié)點(diǎn)積水指數(shù)反映道路交叉口處的積水程度。該值為正，說(shuō)明該道路交叉口存在積水情況，數(shù)值越大則積水越嚴(yán)重；若該值為負(fù)，說(shuō)明該道路交叉口不積水。計(jì)算公式為：

式中，Ei為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的洪流指數(shù)，Vi為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)流量，Vc為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的出流量。

路段積水指數(shù)綜合考慮路段積水時(shí)長(zhǎng)和積水深度來(lái)反映路段積水情況。數(shù)值越大說(shuō)明路段積水情況越嚴(yán)重。其計(jì)算公式為：

式中，Sn為路段積水指數(shù)，tn為路段n的超載時(shí)間，總降雨時(shí)長(zhǎng)t0取24 h，Vn為路段n的積水量，V0為場(chǎng)地產(chǎn)流總量，a、b分別為路段積水時(shí)長(zhǎng)和積水深度對(duì)居民出行影響程度的權(quán)重值。筆者假定上述兩因素具有相同的影響程度，權(quán)重取值0.5。

在SWMM模擬結(jié)果基礎(chǔ)上，計(jì)算4種概化場(chǎng)地中各路段和各道路交叉點(diǎn)的路段超載指數(shù)和節(jié)點(diǎn)流指數(shù)（圖6）。

從積水點(diǎn)、路段的空間布局看，受地形影響，網(wǎng)格型和盡端型場(chǎng)地的積水集中于中部軸線；而環(huán)網(wǎng)型和環(huán)盡型的積水則集中于環(huán)型結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步對(duì)網(wǎng)格型、盡端型中軸線上節(jié)點(diǎn)積水指數(shù)和路段積水指數(shù)與環(huán)網(wǎng)型、環(huán)盡型中環(huán)型結(jié)構(gòu)上的指數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，環(huán)型結(jié)構(gòu)具有明顯的“坦化效應(yīng)”，可有效降低網(wǎng)格型和盡端型軸線上的排水壓力，顯著緩解強(qiáng)降雨條件下，積水對(duì)居民生活和出行的影響。

從積水點(diǎn)、路段的積水程度看，受累積效應(yīng)影響，無(wú)論網(wǎng)格型、盡端型的軸線還是環(huán)網(wǎng)型、環(huán)盡型的環(huán)型結(jié)構(gòu)，越靠近場(chǎng)地出水口的交叉點(diǎn)、路段其指標(biāo)值越高，排水壓力越大。節(jié)點(diǎn)積水指數(shù)和路段積水指數(shù)共同表明，環(huán)盡型數(shù)值最高，盡端型最低，環(huán)網(wǎng)型和網(wǎng)型數(shù)據(jù)居中。由此可見(jiàn)，環(huán)型結(jié)構(gòu)具有緩解小區(qū)內(nèi)部積水情況，同時(shí)加大小區(qū)對(duì)外排水流量的能力，并在與盡端型路網(wǎng)組合時(shí)作用突出。

7 10年一遇降雨事件下模型排放口流量Model discharge outlet flow diagram under a 10-year rainfall event

8 中小降雨事件下（30.4 mm降雨）模型排放口流量Model discharge outlet flow diagram under the light and moderate rainfall event(30.4 mm rainfall)

表4 10年一遇降雨事件下模型匯流特征Tab. 4 Model runoff concentration characteristics under a 10-year rainfall event

表5 中小降雨事件下模型匯流特征總結(jié)Tab. 5 Model runoff concentration characteristics under the light and moderate rainfall event

2.1.3 匯流速度分析

以場(chǎng)地排水口處的峰值大小、峰值起始時(shí)間和峰值持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為指示指標(biāo)，表征場(chǎng)地道路的匯流速度。模擬結(jié)果顯示（圖7、表4），峰值大小方面，網(wǎng)格型的峰值流量明顯大于盡端型，且環(huán)型結(jié)構(gòu)的加入對(duì)峰值大小的影響較?。环逯灯鹗紩r(shí)間方面，盡端型最早出現(xiàn)峰值，網(wǎng)格型和環(huán)網(wǎng)型滯后；峰值持續(xù)時(shí)長(zhǎng)方面，則盡端型＞環(huán)盡型＞網(wǎng)格型＞環(huán)網(wǎng)型。由此可知，強(qiáng)降雨條件下，網(wǎng)格型道路布局不僅能夠延緩峰值流量的出現(xiàn)，而且一旦達(dá)到峰值流量，可以較大的出流流速在較短的時(shí)間內(nèi)完成外排水過(guò)程，表現(xiàn)出較好的雨洪管理彈性。此外，模擬發(fā)現(xiàn)，環(huán)型結(jié)構(gòu)無(wú)論與網(wǎng)格型還是盡端型路網(wǎng)疊加均表現(xiàn)出減少峰值持續(xù)時(shí)間、延緩峰值出現(xiàn)時(shí)間的作用。

綜上所述，在強(qiáng)降雨條件下，相較盡端型布局，網(wǎng)格型布局具有對(duì)外排水量大、排水速度快的特點(diǎn)，利于減輕場(chǎng)地內(nèi)部排水壓力；而環(huán)形道路結(jié)構(gòu)因具有坦化場(chǎng)地內(nèi)部排水壓力的特點(diǎn)，無(wú)論與網(wǎng)格型還是與盡端型路網(wǎng)結(jié)合，均具有增強(qiáng)場(chǎng)地雨洪管理彈性的作用。

2.2 中小降雨工況

以天津市80%年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度30.4 mm作為常降雨工況進(jìn)行SWMM模擬可知，4種道路布局概化場(chǎng)地的地表產(chǎn)流量均在0.417×106l范圍之間，且地表產(chǎn)流量與外部出流量相等，即內(nèi)部積水量為零，場(chǎng)地內(nèi)不存在積水現(xiàn)象。4個(gè)模型出水口峰值流量大小排序?yàn)椋罕M端型＞網(wǎng)格型＞環(huán)盡型＞環(huán)網(wǎng)型（圖8）。

進(jìn)一步對(duì)道路匯流速度進(jìn)行比較（表5），峰值起始時(shí)間方面，各類型間差異很小。而在持續(xù)時(shí)長(zhǎng)方面，峰值持續(xù)時(shí)長(zhǎng)排序?yàn)?，環(huán)網(wǎng)型＞環(huán)盡型＞網(wǎng)格型＞盡端型。環(huán)型結(jié)構(gòu)的加入，可有效延長(zhǎng)網(wǎng)格型和盡端型道路布局場(chǎng)地峰值持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)，即可以較低的峰值流量在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)排除，滯水效果較好，為中小降雨強(qiáng)度下“滲”“滯”“凈”等低影響開(kāi)發(fā)雨洪管理策略創(chuàng)造了條件和可能。

綜上，中小強(qiáng)度降雨條件下，網(wǎng)格型和盡端型道路布局對(duì)場(chǎng)地產(chǎn)匯流過(guò)程的影響差異很小。但是環(huán)型結(jié)構(gòu)無(wú)論與網(wǎng)格型還是與盡端型路網(wǎng)的結(jié)合，均具有促進(jìn)雨水滯留場(chǎng)地的效果，為雨水徑流的“就地處理”創(chuàng)造了有利條件。

3 雨洪韌性提升導(dǎo)向下的居住小區(qū)道路系統(tǒng)布局優(yōu)化策略

3.1 新建居住小區(qū)道路系統(tǒng)布局的優(yōu)化策略

1）新建居住小區(qū)的道路系統(tǒng)布局盡可能采用環(huán)網(wǎng)型，融合“小社區(qū)、密路網(wǎng)”的建設(shè)模式，增大城市中環(huán)型、環(huán)網(wǎng)型居住小區(qū)比例；2）鑒于環(huán)網(wǎng)型布局結(jié)構(gòu)在強(qiáng)降雨情況下，外排水量大的產(chǎn)匯流特點(diǎn)，建議環(huán)網(wǎng)型居住小區(qū)對(duì)外排水口處應(yīng)配置與排水需求相符的排水管道或泵站；3）環(huán)網(wǎng)型居住小區(qū)，應(yīng)充分利用環(huán)形結(jié)構(gòu)沿線的可利用空地，布設(shè)分散化雨洪管理措施，包括灰色與綠色基礎(chǔ)設(shè)施。綠色基礎(chǔ)設(shè)施利于中小降雨強(qiáng)度下促進(jìn)雨水滯留、凈化、下滲；灰色基礎(chǔ)設(shè)施可在強(qiáng)降雨情況下收集過(guò)量雨水徑流，降低出水口排水壓力的同時(shí)以備它用；4）在城市中密集的居住區(qū)內(nèi)，少量居住小區(qū)可采用環(huán)盡型。在強(qiáng)降雨情況下，環(huán)網(wǎng)型與環(huán)盡型峰值出現(xiàn)時(shí)間和峰值時(shí)長(zhǎng)的差異，可有效降低大規(guī)模居住區(qū)給城市排水管網(wǎng)帶來(lái)的排水壓力。

9 盡端型路網(wǎng)（利德公寓）布局平面改造The layout transformation for the cul-de-sac type road network

10 居住小區(qū)主路斷面改造The transformation of the main road section in community

3.2 城市既有居住小區(qū)道路系統(tǒng)的優(yōu)化策略

3.2.1 平面布局改造

針對(duì)盡端型道路布局的既有居住小區(qū)，建議盡可能充分利用小區(qū)道路綠地、閑置空間構(gòu)建綠色環(huán)型結(jié)構(gòu)，提高盡端型居住小區(qū)的雨洪管理韌性（圖9）。

3.2.2 道路橫斷面改造

居住小區(qū)主路排水壓力大，而支路排水壓力較小，且其排水能力未得到有效發(fā)揮。故提出“主排次滯”的改造原則，主干路可以采用加大排水坡度、道路兩側(cè)設(shè)置排水溝的改造方法（圖10）；支路則貫徹“路牙斷接”策略，降低道路沿線局部綠地高程，促使道路徑流匯入兩旁綠地，進(jìn)行滯留下滲處理。

4 討論與展望

居住小區(qū)道路系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)通常是一個(gè)在包含有“交通安全高效、雨洪安全、空間使用合理”的多目標(biāo)權(quán)衡中優(yōu)選出最佳方案的過(guò)程。規(guī)劃設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)具體項(xiàng)目中道路設(shè)計(jì)的具體需求、主要問(wèn)題和特點(diǎn)等方面綜合考慮，對(duì)不同目標(biāo)下的布局方案進(jìn)行比較、疊加和調(diào)整，從而獲得多目標(biāo)兼顧的設(shè)計(jì)方案。本研究為居住小區(qū)道路設(shè)計(jì)的雨洪安全管理提供參考，并將在今后的研究中，嘗試將本模型與道路交通仿真模型耦合，以期為居住小區(qū)道路系統(tǒng)多目標(biāo)設(shè)計(jì)提供更為全面的支撐。

圖表來(lái)源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～10均為作者自繪；表格數(shù)據(jù)為作者整理。