海绵城市背景下agMDrain系统在规划审批方面的应用研究

王皓

（广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州510660）

海绵城市背景下agMDrain系统在规划审批方面的应用研究

王皓

（广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州510660）

agMDrain系统结合海绵城市理念和地理信息技术（GIS），集成了雨洪管理模型（SWMM），可模拟小区的地表水力模型。通过向模型输入如建筑面积、不透水地表面积、降雨强度、频率等参数，可以分析和计算该小区范围内地表径流量、汇流时间、水污染负荷等指标。agMDrain系统可以判断上述指标是否达到国家及地方法规的要求，能有效地提高政府对新建、改建、扩建项目在规划方面的审批效率。

海绵城市；雨洪管理；规划审批；地理信息技术

1 广州城市内涝的现状和主要成因

城市内涝一直是困扰广州城市发展的难题之一。广州内涝频发，近几年有愈演愈烈之势，特别是2010年5月7日凌晨的特大暴雨，导致全市102个镇（街）受水浸之灾，109间房屋倒塌，约25.68万亩农田被淹，受灾人口3万余人。暴雨造成局部交通瘫痪，部分临时商铺遭到水淹，同时有超过1 400台地下停车场中的车辆受淹或受到影响。据初步统计，全市经济损失约5.4亿元［1］。其实，城市内涝并非只发生在降水量大的广州，北京、昆明、天津等地也经历了严重的内涝。由此可见，城市内涝在中国是一种普遍现象。据住建部对351个城市在2008-2010年间的排涝能力专项调研结果可以发现，62%的城市发生过内涝，而53%的城市没有达到国家防洪标准，这一数字在非农业人口达到150万以上的特大城市中上升到惊人的79%［2］。

造成广州市内涝的原因固然有地处于亚热带季风气候区、降水强度大、频率高等自然因素，但其人为因素同样无法忽视。广州的城市发展长期重地上轻地下，排水管网历史欠账太多。首先是表现在老城区排水管网破旧，存在“超期服役”的现象；其次是排水管网设施缺乏长远规划，多数管网采用前苏联的设计标准，只能达到“一年一遇”的排水量，远远低于“20年一遇”的国家防洪城市标准［3］；再次是部分排水设施配套不齐全，导致地表径流不能及时汇入管道；最后是城市不透水面积的增加，导致绿地、湿地、湖泊的面积缩小，从而加大了排水管网的压力。另一个内涝问题长期得不到解决的原因是广州市地下管线的改造难度之大超乎想象，主要体现在建设周期长导致的建设标准不一致以及城市高层建筑过于密集等方面。

2 国家和广州市地方政府的对策

针对以上严峻形势，国家陆续出台了一系列文件来规范和指导城市排水防涝的工作，如国办发〔2013〕23号文《关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》中要求的“2014年底前，要在摸清现状基础上，编制完成城市排水防涝设施建设规划，力争5年时间完成排水管网的雨污分流改造，用10年左右的时间，建成较为完善的城市排水防涝工程体系”［4］，国发〔2013〕36号文《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》中提到的“全面提高城市排水防涝、防洪减灾能力，用10年左右时间建成较完善的城市排水防涝、防洪工程体系”［5］。同时《城镇排水与污水处理条例》以及《室内排水设计规范（2013版）》等相关条例规范也陆续颁布。

作为国家级防洪城市之一的广州市也积极响应国家号召，同时提出了一系列解决问题的新思路。一是构造“双排水系统”，包括针对城市常见雨情的小排水系统和针对城市超常雨情的大排水系统。广州市效仿欧美国家的先进经验，试点建设国内首个深层隧道排水系统，深隧系统一般位于地下50 m深处，可以避开浅层排水系统进行施工，不需要对房屋或公共设施进行大量拆迁，对市民生活影响小，并可以和浅层排水系统进行有效衔接，实现互补。建成之后，可以将广州市的排水防涝能力提升到“10年一遇”［6］。该系统是真正意义上的城市内涝防治体系。

二是改变传统思维，运用低影响开发（LID）技术对雨洪实施源头控制。在建设深隧工程的同时，广州市也意识到仅仅依靠传统的以末端为主的雨洪管理措施是无法跟上广州城市发展的步伐。在市政府出台的《广州市排水管理办法实施细则》，《广州市水务管理条例》等政策中多次提到要对雨洪问题进行源头控制，就近利用，从而减少地表径流，减轻排水网管的负担。这些政策还明确规定要把地表径流量是否达标作为城市规划项目的前置审批条件之一，从而从根本上杜绝了新建、改建和扩建项目中增加地表径流量的可能性［7-8］。

三是引入海绵城市理念指导城市的规划与建设，让城市像“海绵”一样，能够吸收和释放雨水，弹性地适应环境变化。粤府办〔2016〕53号文《广东省人民政府办公厅关于推进海绵城市建设的实施意见》中要求“最大限度减少城市开发建设对生态环境的影响，将70%以上的降雨就地消纳和利用。到2020年，城市建成区20%以上的面积达到目标要求”［9］。“海绵城市”建设还被写进了2016和2017年广州市政府工作报告。

3 低影响开发（LID）与海绵城市

从国家和广州市出台的一系列措施可以看出，现代雨洪管理的重心已经从末端处理转移到了通过源头控制减少地表径流的新思路上。这正是低影响开发（Low Impact Development）的核心理念。低影响开发从20世纪90年代开始在美国马里兰州使用，该模式是通过分散的、小规模的源头控制来使得雨水汇聚的时间尽量延长、流速尽量减缓，从而减少人类开发建设对自然环境的影响，使已开发区域的水文循环尽量接近开发前状态［10］。LID的主要措施包括生物滞留池、草地渠道、绿色屋顶、透水性路面等。相比于传统的雨洪管理模式，LID具有诸多优势，比如：1）不需要大块土地资源，使得LID能够在城市中间得到较好应用；2）能将雨水径流的大部分留在原地补充地下水，变废为宝；3）LID能结合景观设计对面源污染进行处理，能有效去除氮、磷、油脂还有重金属的污染；4）理论上，LID技术可以使暴雨径流减少30%～99%，从而使降雨峰值延迟5～20min［10］。

海绵城市则是LID的中国化成果，由习近平总书记在《中央城镇化工作会议》的讲话中提出，其理念是通过加强城市规划建设管理，充分发挥建筑、道路和绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗、缓释作用，有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式。使城市在应对自然灾害时，做到“小雨不积水，大雨不内涝，水体不黑臭”，同时缓解城市“热岛效应”。广州对海绵城市建设也进行了探索与实践，其第一个试点——“大观湿地公园”已于2015年落成，是集水质净化、雨洪调蓄生态循环城市设施以及休憩科普旅游基地于一体的多功能生态湿地公园。

4 SWMM模型

《广州市水务管理条例》、《广州市排水管理办法实施细则》均规定项目建设后的地表径流量不得超过建设前的地表径流量［7-8］，《室外排水设计规范（2013）版》更是要求要严格执行规划控制的综合径流系数，综合径流系数高于0.7的地区应采用渗透、调蓄等措施［11］。由此可见，如何快速而准确地计算建设项目的综合径流系数等水文数据成为建设海绵城市、提高政府相关部门行政审批效率的关键之一。

计算综合径流系数需要模拟极其复杂的城市雨洪模型。出于排水、防洪等方面的需求，国内外研究机构和学者从1960年代起开始研究城市内涝模型，1970年代城市雨洪模型被正式提出并逐步发展和完善。这些模型包括雨洪管理模型（SWMM），蓄水、处理与溢流模型（STORM），沃林福特模型（WALLINFORD）等。其中SWMM（Storm Water ManagementModel）是由美国环保署提出的，并经过佛罗里达大学及美国水资源有限公司合作完成的城市水文模型。SWMM模型具有良好的适用性，对城市规模、气候条件、降雨时间、排水管网规模等参数均没有严格的限制，而且在精度控制、难易程度等方面有着其他水文模型无法比拟的优势。SWMM模型在世界范围内都得到了广泛的应用和验证，也是本文选择的城市雨洪模型。

SWMM模型主要用于研究城市内涝的三个特征。1）水文模型特征：SWMM模型主要用于处理城市流域径流发生的各种水文过程，包括降水量、地表水蒸发、洼地对降水的截留损失、不饱和土壤的降水下渗损失、降水下渗对地下水的补给等，可以模拟使降水和径流量减少或延缓的各种细微影响过程；2）水力模型特征，SWMM模型包括水力学模块，该模块能用来模拟径流水量在排水管道、自然渠道、蓄水设施和处理单元中的流动过程，其重要功能包括：处理无规模限制的排水网、模拟自然河道中的水流、模拟封闭式排水管道和明渠中的水流量等。该模块可以接受外部水流数据和水质数据的输入，包括地表径流、地下交换水流、土壤的渗透率等参数来对各种形式的水流，例如回水、溢流、逆流和积水进行汇流计算和模拟；3）水质模型特征，SWMM模型能模拟由汇流过程所产生的水污染负荷量，可选择以下的水质进行模拟：不同类型土壤污染物的堆积、暴雨对特定土壤污染物的冲刷、降雨沉积中的污染物等［12］。

综上所述，使用SWMM模型不仅可以计算综合径流系数，还可以进行诸如管网负荷、溢流峰值、汇流时间、水污染负荷量等多种重要数据的计算，从而为建设项目的规划审批提供科学的参考。

5 agM Drain系统的应用研究

agMDrain全名是奥格智慧排水系统，是建立在地理信息技术（GIS）的基础上，并结合城镇排水设施规划、建设、维护和管理全生命周期的智慧排水数字信息化管控平台。“管”在于排水设施的普查、规划、建设、养护、管理以及易涝点和应急抢险管理；“控”在于对排水设施的在线监控、应急调度指挥、科学分析和源头规划控制。agMDrain系统融合了七大子系统，包括设施普查系统、设施管理系统、业务审批系统、养护管理系统、在线监控系统、应急调度系统、水力分析系统，是响应国家关于建设排水防涝系统工程的新一代的排水数字化平台。其水力分析子系统集成了SWMM模型，可以为模拟城市内涝模型提供解决方案。

GIS技术与SWMM模型在城市内涝研究中都有独特的优势，但在实际应用中又各有不足，例如GIS的水文分析模块仅限于宏观范围内的水文模拟，缺乏城市小范围短时间的微观水文模拟能力，而SWMM在地理数据处理、水文模型构建、内涝模拟结果展示等方面表现欠佳。通过agMDrain平台可以很好地将GIS技术与SWMM模型进行融合，三者关系见图1，优势表现在:1）数据融合：GIS可将矢量数据与SWMM城市内涝模型融合，可保证管网数据的连通性、一致性及完整性，可提高模型构建效率及精度；2）可视化模拟：GIS提供了二维及三维的模拟能力，与SWMM模型结合之后可以提供可视化的展示效果，可以动态地表现城市内涝过程。3）专题分析：SWMM模型的内涝模拟结果融合GIS在城市人口与经济分布状况等方面的空间数据分析能力，可以进行各种内涝专题研究，更加全面和综合地分析内涝的成因及解决方案［12］。

图1 GIS、SWMM、agM Drain三者关系示意图

下面以综合径流系数来具体说明建立水力模型的过程。假设某新建小区的项目方案待审批，认为该小区的综合径流系数（c）与以下参数有关：1）自然因素，包括该区域的降雨强度（i）、频率（f）、坡度（p）、土地下渗率（r）；2）人为因素，包括规划小区的户数（h）、建筑面积（a）、绿化面积（g）、不透水地表面积（s）。假设综合径流系数与以上8个参数有一定程度上的线性关系，可以建立以下多元线性回归方程来求解

在方程式（1）中，上述8个参数为该多元一次方程的解释变量，β0为常数项，β1～β8为各解释变量的回归系数，μ为常变量。通过采集样本带入该方程，可以得出各回归系数的值。在此基础上，根据新建小区所在地的自然参数和小区本身的人为参数，可以估算出该小区的综合径流系数（注：若发现综合径流系数与上述参数呈非线性关系，则通过非线性方程组求解，此处略）。同理，管网负荷、溢流峰值、均值、水污染负荷量等重要数据也可以通过多元线性回归方程模拟得到。

通过agMDrain运算得出的数据，不仅可以和国家及广州市相关条例中的综合径流系数等指标进行对比，从而确认行政审批的前置条件。同时可以利用GIS技术实现对该方案的可视化展示，更加直观而全面地对其进行分析。之后需要和业务审批子系统进行对接，规范业务审批流程，结合在线查询GIS地图、排水管网等资料，快速、科学地给出处理意见，告别传统低效的纸质审批流程，实现电子化审批，大大提高行政审批业务办理效率。

6 总结和展望

本文归纳了广州市城市内涝问题的由来以及现状，引出了内涝问题形势严峻，刻不容缓的事实，同时分析了国家和广州市政府出台的一系列对应政策。通过奥格自主研发的基于GIS技术和海绵城市理念的agMDrain智慧排水系统，可以较好地模拟城市内涝模型，并计算综合径流系数等重要数据，为政府进行城市规划的新建、扩建、改建项目的规划审批提供科学参考，提高审批效率。

实际工作中存在的问题也不可忽视，城市内涝模型还处在研究的阶段，如何更加快速而精确地建模一直是研究人员不懈努力地目标。在接下来的研究中，需要进行更多试点，不断修正模型参数，使其更加符合广州市的实际情况。同时，应该更加重视对于模型产生的其他数据的分析和应用，如水污染负荷量等数据，在现有的成果基础上研究和发展解决城市内涝问题的新思路。

［1］曾妮,朱丹.一夜豪雨,广州5.4亿元“泡汤”［N］.南方日报,2010-5-12（A01）.

［2］新华网.2008年至2010年我国351个城市62%发生过内涝［N/OL］.（2012-7-24）［2017-3-21］.http://news.xinhuanet. com/politics/2012-07/24/c_123458067.htm.

［3］张维,欧阳里程.广州城市内涝成因及防治对策［J］.广东气象,2011,33（3）:49-53.

［4］国务院办公厅.国务院办公厅关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知［EB/OL］.（2013-3-25）［2017-3-21］.http: //www.gov.cn/zwgk/2013-04/01/content_2367368.htm.

［5］ 国务院.国务院关于加强城市基础设施建设的意见［EB/OL］.（2013-9-6）［2017-3-21］.http://www.gov. cn/zwgk/2013-09/16/content_2489070.htm.

［6］人民网.国内外专家把脉广州深邃规划:要试点先行同步论证浅层排水改造［N/OL］.（2013-10-21）［2017-3-21］. http://gd.people.com.cn/GB/123947/356895/index.html.

［7］广州市人民政府.广州市排水管理办法实施细则［EB/OL］.（2013-2-1）［2017-3-21］.http://www.gz.gov.cn/GZ17/2. 2/201301/d14989dc14f049ceaf1fccb9596fb031.shtml.

［8］广州市人民政府.广州市水务管理条例［EB/OL］.（2012-5-1）［2017-3-21］.http://www.gz.gov.cn/GZ17/2. 4/201202/a92d1296066242258380a5929bf6c763.shtml.

［9］广东省人民政府.广东省人民政府办公厅关于推进海绵城市建设的实施意见［EB/OL］.（2016-6-2）［2017-3-21］.http: //zwgk.gd.gov.cn/006939799/201607/t20160703_661695.html.

［10］邸文正.LID技术——北京模式［C］//第七届中国城镇水务发展国际研讨会论文集·S13:城市防洪排涝与雨洪利用.宁波：中国城镇供水排水协会,2012:40-45.

［11］上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司.GB50014-2006室外排水设计规范［S］.2013版.北京：中国计划出版社,2014.

［12］张杰.基于GIS及SWMM的郑州市暴雨内涝研究［D］.郑州:郑州大学,2012.

【责任编辑：周绍缨 410154121@qq.com】

The applied research of agMDrain system inurban planning approval of sponge city

WANG Hao
（Guangzhou Urban Planning&Design Survey Research Institute,Guangzhou 510660,China）

This paper will introduce agMDrain system on the basis of Sponge City concept,Geographic Information System (GIS)Technology and Storm Water Management Model(SWMM).By simulating the hydraulic model with parameters including area of construction,area of impervious surface,rainfall intensity, rainfall frequencywithin a specific community,agMDrain can calculate surface runoff,flow concentration time, water pollution load and determine if these indexesmeet the requirements of national and local regulations. Therefore,the system can enhance the efficiency ofgovernment in urban planning approvalofnew construction, reconstruction and extension project.

sponge city;storm watermanagement;urban planning approval;Geographic Information System(GIS) technology

TU992

A

2017-05-02

王 皓（1989-），男，浙江丽水人，广州市城市规划勘测设计研究院助工，硕士。

1008-0171（2017）04-0075-05