馬念，徐永新，韓璐，楊海瑞，吳歡，張亮

（1 林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶 401121；2 西開普大學(xué) 自然科學(xué)學(xué)院地球科學(xué)系，南非開普敦 7535）

0 引言

首先必須明確的是，“海綿城市”問題是關(guān)于雨水的問題。自然界的水循環(huán)包括蒸發(fā)散（包括蒸發(fā)與植物蒸騰作用）、水汽輸送、降水、地表徑流、地下徑流等過程[1]，而降雨過程是降水的一部分，僅為自然界水循環(huán)的環(huán)節(jié)之一。 對于一個區(qū)域來說，由于各種因素影響，雖然水循環(huán)中各個環(huán)節(jié)年際間的水量是波動的，但長期來看則具有相對穩(wěn)定的數(shù)量關(guān)系。然而人類活動，特別是城市化過程對水循環(huán)過程影響巨大。

《2020年世界城市報(bào)告》指出，目前 56.2% 的世界人口居住在城市，未來10年將進(jìn)一步城市化，2030 年世界城市化率將達(dá)到60.4%，預(yù)計(jì)到 2050年，世界近70%的人口將居住在城市[2]。我國是城市化速度較快的國家之一，從2000年的 36.1%上升至 2020年的63.9%，隨著城鄉(xiāng)一體化戰(zhàn)略的實(shí)施，未來我國的城市化率將進(jìn)一步提升?，F(xiàn)代城市化的內(nèi)涵是指伴隨著城市人口的不斷增加，城市的建成區(qū)面積不斷擴(kuò)大，地域景觀發(fā)生改變，市政設(shè)施不斷完善，最終使城市居民的生活方式、組織結(jié)構(gòu)和文化氛圍等發(fā)生改變[3]。城市化帶來的最大變化在于土地利用方式的變化，以及人口聚集效應(yīng)的產(chǎn)生?？焖俪鞘谢瘞淼耐恋毓δ?、地形地貌、下墊面改變將改變徑流路徑，同時人口增長和人類活動將給城市帶來一系列水文效應(yīng)，對城市水循環(huán)以及水安全造成深刻的影響[4-5]（圖1）。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市區(qū)域人類活動更為頻繁，城市化水文效應(yīng)愈演愈烈，已引起全世界范圍的廣泛關(guān)注[6]。

圖1 城市化對水文過程的影響示意圖

土地利用改變了原來的地形和下墊面特性，因而改變了水文條件和水文過程。雨水時空分布的改變造成雨水分布的不平衡，帶來不確定性?！昂＞d城市（LID）”建設(shè)的目的就是要盡量維持或恢復(fù)原有的水文條件，以尋找適宜的平衡和確定性，通過管控“使城市開發(fā)建設(shè)后的水文特征接近開發(fā)前”[7]（圖2），以避免或減小開發(fā)對環(huán)境和生態(tài)帶來的系列負(fù)面影響。因此設(shè)計(jì)中對水文過程及其變化的研究非常重要，但在實(shí)際工程中，往往更多注重管控指標(biāo)和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，忽視了“水文過程”這一關(guān)鍵線索，因而帶來了一系列的問題。

圖2 低影響開發(fā)水文原理示意圖[7]

1 城市雨水水文過程分析

1.1 城市雨水過程關(guān)鍵環(huán)節(jié)影響分析

開發(fā)后雨水過程將發(fā)生改變，如圖3所示。分析中應(yīng)關(guān)注幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

（1）降雨與徑流的形成過程：包括匯流范圍大小的變化和匯流流程長短的變化（圖3①）；

（2）排水系統(tǒng)及出流過程：管道過程時間較原有徑流時間縮短，由于排水系統(tǒng)的缺陷可能導(dǎo)致內(nèi)澇問題風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)（圖3②）；涉及對下游水體的影響，包括出流峰值增大，雨水出流攜帶的污染負(fù)荷對水體造成的沖擊（圖3③）；

（3）地下水補(bǔ)給及排泄：雨水下滲減小造成地下水補(bǔ)給減少（圖3④），最終導(dǎo)致地下水排泄減少，因而降低了對河流等水體基流的供給（圖3⑤）。

圖3 開發(fā)前后城市雨水過程的改變

1.2分析的基本內(nèi)容

不同層次的分析內(nèi)容包括以下幾個方面：

（1）匯水區(qū)（Catchment）層次：分析開發(fā)地所在匯水分區(qū)開發(fā)前后完整的水文過程，以及開發(fā)地塊在此過程中的位置和環(huán)節(jié)；

（2）場地（Site）層次：以目標(biāo)開發(fā)地塊為對象，分析雨水的來源、中間過程、去向。開發(fā)地開發(fā)后雨水的來源方面，除了設(shè)計(jì)區(qū)內(nèi)各種下墊面接納的雨水，需特別關(guān)注是否有外來的雨水（客水）進(jìn)入；開發(fā)前后雨水徑流各自經(jīng)歷的過程；設(shè)計(jì)區(qū)雨水最終的接納是否可靠，對下游的雨水系統(tǒng)或水體會造成什么影響；

（3）設(shè)施（Facility）層次：各種LID設(shè)施的進(jìn)水、出水和設(shè)施內(nèi)部水流過程及水力條件。

分析的成果包括以下內(nèi)容：

（1）變化及趨勢。對雨水過程的分析更關(guān)注開發(fā)后帶來的變化和影響，特別是不利的影響，以及這些影響是否將持續(xù)存在；

（2）問題識別。上述“不利影響”即為需要識別的問題，包括環(huán)境問題、生態(tài)問題、安全問題及其它社會、經(jīng)濟(jì)問題。海綿城市設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持問題導(dǎo)向，以解決問題為目標(biāo)，而不僅僅是符合規(guī)劃指標(biāo)，必要時應(yīng)對規(guī)劃指標(biāo)的合理性進(jìn)行復(fù)核并提出適應(yīng)性方案，且應(yīng)注意每個項(xiàng)目的具體問題可能不一樣。

2 “海綿城市（LID）”系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)分析

一個具體項(xiàng)目（片區(qū)、地塊）的“海綿城市”工程設(shè)計(jì)，由于范圍的限制，可能其雨水系統(tǒng)并不構(gòu)成一個完整的水文過程，因此可能不完全包含上文所述全部內(nèi)容。就具體項(xiàng)目而言，設(shè)計(jì)前分析應(yīng)注意：

（1）按項(xiàng)目開發(fā)用地設(shè)計(jì)，分析開發(fā)后區(qū)域的水文過程及項(xiàng)目在這個水文過程中所處的位置；

（2）變化及趨勢。對于項(xiàng)目本身及周邊環(huán)境，開發(fā)后將帶來的變化和不利影響；

（3）有何可利用的空間，可采取何種工程措施消除不利影響。

2.2 海綿城市規(guī)劃及指標(biāo)

海綿城市設(shè)計(jì)的重要原則是規(guī)劃引領(lǐng)，即“先規(guī)劃后建設(shè)，體現(xiàn)規(guī)劃的科學(xué)性和權(quán)威性，發(fā)揮規(guī)劃的控制和引領(lǐng)作用”[7]。規(guī)劃控制目標(biāo)一般包括徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制、雨水資源化利用等。針對各地區(qū)的實(shí)際情況，不同地區(qū)可能有不同的控制重點(diǎn)，但大多數(shù)情況下徑流總量控制、徑流污染控制是主要關(guān)注目標(biāo)，而徑流污染控制目標(biāo)、雨水資源化利用目標(biāo)一般也可通過徑流總量控制實(shí)現(xiàn)，因此徑流總量控制常常作為首要的規(guī)劃控制目標(biāo)。在此目標(biāo)下規(guī)劃制定相應(yīng)的控制指標(biāo)，作為開發(fā)的前置條件和工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2.3 海綿城市設(shè)計(jì)案例

本文以一個小項(xiàng)目為例說明“海綿城市”設(shè)計(jì)的具體過程。

2.3.1 設(shè)計(jì)條件

項(xiàng)目為一校園，占地面積24942m2，建設(shè)前為一坡地，東高西低，南高北低。由于規(guī)劃周邊有市政道路，周邊雨水均進(jìn)入市政雨水系統(tǒng)，因此地塊內(nèi)部雨水系統(tǒng)自成一體。地塊有三處市政雨水檢查井作為項(xiàng)目最終雨水接納點(diǎn)。

2.3.2 設(shè)計(jì)過程

根據(jù)原始地形圖及建筑場地豎向設(shè)計(jì)圖，劃分雨水排水單元，確定雨水走向。成果包括：①匯水分區(qū)圖（圖4），根據(jù)豎向設(shè)計(jì)劃分為三個匯水分區(qū)，最后雨水分別排至三個雨水市政接口；②匯水分區(qū)圖面積表（表1）。

表1 匯水分區(qū)圖面積表

圖4 匯水分區(qū)圖

（2）用地分析：確定下墊面類別

根據(jù)場地設(shè)計(jì)圖和下墊面劃分標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)下墊面類別和數(shù)量。成果包括：①下墊面分布圖（圖5）；②下墊面分類面積匯總表（表2）；③計(jì)算綜合徑流系數(shù)。

表2 下墊面分類面積匯總表

圖5 下墊面分布圖

綜合雨量徑流系數(shù)由各單項(xiàng)下墊面的徑流系數(shù)和面積加權(quán)所得，各下墊面雨量徑流系數(shù)取值如表3所示。經(jīng)計(jì)算得C1、C2和C3分區(qū)的綜合雨量徑流系數(shù)分別為0.33、0.30和0.40。

表3 雨量徑流系數(shù)取值表

（3）工程措施：LID設(shè)施布置

根據(jù)地塊功能分布和場地設(shè)計(jì)圖（含豎向，帶地形）布置LID設(shè)施，計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)并與規(guī)劃參數(shù)對照是否滿足。設(shè)計(jì)成果包括：①LID設(shè)施布置圖（圖6）；②LID設(shè)施參數(shù)表（表4）。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：LID設(shè)施布置不但要注意場地功能布置和豎向設(shè)計(jì)，還應(yīng)注意建筑屋面雨水的落水位置，確保有效收水、容量足夠、適應(yīng)環(huán)境，不造成環(huán)境危害和安全隱患。

2）構(gòu)建綠色，安全的環(huán)境。旅游養(yǎng)老目的地內(nèi)供老年旅游者游覽、休憩的設(shè)施、相關(guān)的建設(shè)物必須保持完好、無殘墻斷壁。以及所有供老年旅游者食用的食物、所使用的器具都要是綠色、無公害的，在此基礎(chǔ)上還要進(jìn)行消毒。

圖6 LID設(shè)施布置圖

表4 LID設(shè)施參數(shù)表

（4）徑流組織：明確徑流過程和設(shè)施銜接

根據(jù)“LID設(shè)施布置圖”和“場地設(shè)計(jì)圖”繪制徑流組織圖，用箭頭表示徑流走向及與設(shè)施關(guān)系。為確保地塊受控全覆蓋，應(yīng)保證設(shè)施的有效收水，注意徑流的三個過程，即地面過程、設(shè)施內(nèi)部過程、管道（出流）過程。成果主要為“雨水徑流組織圖”，如圖7、圖8所示。

圖7 雨水徑流組織圖

圖8 雨水徑流組織路徑圖

（5）設(shè)施大樣：設(shè)施中的雨水過程

“海綿城市”設(shè)計(jì)最終要落實(shí)到雨水管控（LID）設(shè)施上，以保證管控目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。設(shè)施過程具體包括：入口——進(jìn)水設(shè)施、內(nèi)部——設(shè)施內(nèi)部雨水過程、出口——與排水系統(tǒng)的銜接。雨水LID設(shè)施多種多樣，結(jié)構(gòu)模型圖如圖9所示。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：①進(jìn)水能力滿足場地控水要求；②設(shè)施內(nèi)水流過程清晰；③下游與排水系統(tǒng)銜接清晰（物理連接）；④上下游水流水位銜接清晰（水力連接）；⑤下游環(huán)節(jié)過流能力不低于上游環(huán)節(jié)（水力驗(yàn)算）。

圖9 LID設(shè)施結(jié)構(gòu)模型

（6）控制指標(biāo)核算

分區(qū)年徑流總量控制率=受控區(qū)域面積1×LID設(shè)施徑流控制率1+受控區(qū)域面積2×LID設(shè)施徑流控制率2+……；場地年徑流總量控制率為各匯水分區(qū)年徑流總量控制率的加權(quán)平均值；場地年徑流污染去除率=年徑流總量控制率×單項(xiàng)低影響開發(fā)設(shè)施的污染物去除率。

指標(biāo)核算為迭代過程，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)場地開發(fā)前后的指標(biāo)計(jì)算如表5所示。開發(fā)建設(shè)前的自然地貌按照原始綠地考慮，年徑流總量外排率取20%，綠地徑流污染去除率取70%，則開發(fā)建設(shè)前年徑流總量控制率為80%，年徑流污染去除率為56%。從表5可以看出，開發(fā)建設(shè)前后的年徑流總量控制率和年徑流污染去除率指標(biāo)較為接近，場地內(nèi)通過海綿設(shè)施的滲、滯、蓄、凈、排多種技術(shù)手段結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)后外排量不大于開發(fā)前外排量的基本要求，保證了城市良性的水文循環(huán)。

表5 開發(fā)建設(shè)前后控制指標(biāo)表

2.3.3 水文過程模擬

海綿城市設(shè)計(jì)的水文過程模擬，既可用于設(shè)計(jì)前的規(guī)劃，也可以用于設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證或設(shè)計(jì)優(yōu)化。2014年頒布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中強(qiáng)調(diào)通過水文模型計(jì)算從而優(yōu)化城市控制性詳細(xì)規(guī)劃涉及的各項(xiàng)指標(biāo)[7]。城市水文過程模擬模型研究主要集中在城市產(chǎn)匯流與暴雨內(nèi)澇過程方面[8]，一般而言，城市水文過程模擬計(jì)算結(jié)果主要包括地表平均徑流量、平均入滲量、峰值流量及平均徑流系數(shù)，水質(zhì)模擬方面主要以地表徑流雨水中常見污染物 SS、COD、TN、TP 為控制效果分析，并通過實(shí)例數(shù)據(jù)來驗(yàn)證模型水文水質(zhì)模擬的可靠性，校正后的模型可用于評估不同海綿體雨洪控制效果。目前，國內(nèi)發(fā)展較為成熟且應(yīng)用比較廣泛的常用模擬軟件包括SWMM、MIKE、InfoWorks CS、SUSTAIN等[9]。

3 海綿城市設(shè)計(jì)問題及討論

3.1 設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)的問題

由于對雨水水文過程認(rèn)識不到位或分析不清晰，設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)一些比較普遍的問題。

（1）割裂水文過程。重視指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)而忽視上下游水文關(guān)系，對設(shè)計(jì)區(qū)域孤立分析。造成要么忽視上游客水的影響，要么忽視項(xiàng)目雨水管控對下游的影響，前者可能造成項(xiàng)目洪澇風(fēng)險(xiǎn)，后者可能造成下游補(bǔ)給不足而導(dǎo)致負(fù)面生態(tài)影響。

（2）水文過程不清晰。地塊內(nèi)部徑流組織不合理，LID設(shè)施設(shè)置不合理，要么上游雨水進(jìn)不去，要么下游雨水出路不清楚，如接不進(jìn)市政管道或水體。

（3）“海綿”設(shè)施與豎向設(shè)計(jì)不匹配。滯留設(shè)施或者轉(zhuǎn)輸設(shè)施豎向分析不清，滯留設(shè)施設(shè)置在高點(diǎn)，轉(zhuǎn)輸設(shè)施出現(xiàn)倒坡或者深度過大，導(dǎo)致徑流雨水不能自然匯入海綿設(shè)施，造成局部積水無法外排。

（4）“海綿”設(shè)施構(gòu)造不完整。進(jìn)水、水位管控、出水等設(shè)施不完整或不規(guī)范，比如：進(jìn)口簡單一根管道接入LID設(shè)施（雨水花園等），未設(shè)進(jìn)水堰、進(jìn)水井等，甚至直接從屋面落水管接入，造成設(shè)施受沖刷；出水溢流口高程、構(gòu)造設(shè)計(jì)不合理，造成設(shè)施容量不夠或者澭水；出口端溢流水沒有順暢接入下游排水管道，造成澭水甚至內(nèi)澇等。

（5）量上不匹配。原則上下游設(shè)施（或設(shè)施的出口）的過水能力應(yīng)不低于上游設(shè)施（或設(shè)施的入口）過水能力，否則造成積水、澭水，甚至引起內(nèi)澇。

3.2 關(guān)于量化

工程設(shè)計(jì)中定量化是必須的手段，但量化設(shè)計(jì)不等于唯指標(biāo)化，更要分析水文過程及其效應(yīng)，最終目標(biāo)是對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的“低影響”。

3.3 山地城市的水文過程

山地城市由于地形、地貌、地質(zhì)特點(diǎn)，雨水水文過程比平原城市更加復(fù)雜。地形坡度及高差既帶來排水的便利，但也造成雨水管理的難度[10-11]，特別是高差帶來的水勢能管控，幾乎還沒有得到重視。

3.4 氣候變化

海綿城市設(shè)計(jì)主要關(guān)注徑流過程，但徑流過程是降雨和地理因素綜合作用的結(jié)果。隨著全球城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市水文過程演化及其伴生效應(yīng)日益凸顯，城市水循環(huán)機(jī)理發(fā)生了深刻變化。氣候變化加劇了極端暴雨事件的發(fā)生[4]，城市“雨島效應(yīng)”“干/ 濕島效應(yīng)”等現(xiàn)象日益明顯[8]，加大了城市水文過程的不確定性，使雨水管理面臨更大的挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)留有余量始終是有益的。

4 結(jié)語

（1）水文過程分析是“海綿城市”低影響開發(fā)系統(tǒng)構(gòu)建的最重要一環(huán)，應(yīng)予以重視。應(yīng)關(guān)注水文過程的完整性，工程范圍與周邊場地上下游水文關(guān)系和工程內(nèi)上下游關(guān)系，也應(yīng)避免只考慮設(shè)計(jì)范圍的雨水管控指標(biāo)，而忽視了對上下游的影響，特別是對下游的影響。

（2）雨水水文過程的時空變化較為復(fù)雜，但是設(shè)計(jì)始終考慮的是一種“標(biāo)準(zhǔn)工況”，因此有必要采用動態(tài)思維，特別是極端情況下的特殊工況，在水文過程分析的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行復(fù)核，并留有余地，以降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性。

（3）在山地城市條件下，雨水的管理不僅包括水量、水質(zhì)的管理，還應(yīng)包括水能量的管理，即不同高程的水，其效用是不一樣的，畢竟能量也是一種資源。

（4）氣候變化加大了城市水文過程的不確定性，因此需要更智慧的管理來增強(qiáng)城市的韌性，以應(yīng)對挑戰(zhàn)。基于此，智慧海綿城市的建設(shè)十分必要。