基于模型分解法的海绵城市控制目标分解方法研究

程诗东,　刘　锋,　张远兵,　张　伟

(1.安徽科技学院 农学院，安徽 凤阳　233100；2.蚌埠规划设计研究院，安徽 蚌埠　233000；3.安徽科技学院 建筑学院，安徽 凤阳　233100)

在全面建设生态文明城市的背景下，如何面对和解决城市内涝、水生态、水环境、水资源等诸多的城市问题。2013年12月习近平总书记在中央城镇化工作会议上提出建设海绵城市的发展理念，2014年10月，住房和城乡建设部发布《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建 (试行)》(以下简称《指南》)。《指南》中明确提出，海绵城市规划控制目标中首要的选择年径流总量控制率(控制性指标)，在规划中，可将年径流总量控制率目标分解为单位面积控制容积(综合性控制指标)[1]。这表明海绵城市控制目标在规划设计中的重要地位，也奠定了海绵城市规划实施的基础。正确理解控制目标内涵，在总规、专项规划阶段，如何制定控制目标；在控规、修规阶段，用何种方法并结合各类用地指标组合、分解控制目标，成为海绵城市重要的研究内容。

1　控制目标内涵及分解方法

1.1　控制目标内涵解析

海绵城市控制目标是指在规划编制过程中设计一系列的控制目标，一般分为控制性指标、综合性指标、引导性指标[2]，通过目标间的相互组合综合控制雨水径流，使得城市开发建设后的水文特征接近开发前。

年径流总量控制率是根据多年日降雨量统计数据分析计算，通过自然和人工强化的渗透、储存、蒸腾等方式，场地内累计全年得到控制(不外排)的雨量占全年总降雨量的百分比[1]。控制目标一般以年径流总量控制率为主要目标。

基础因子是指统计规划地区近30年日降雨数据，反映该地区的降雨规律与气候变化。影响因子是指在确定年径流总量控制率与分解时应考虑自然因素和城市因素等的影响。关联因子是指在海绵城市规划控制目标选择时，除年径流总量控制率外，在规划各个阶段选择对应的控制目标，以达到刚与弹结合的控制目的。

《指南》根据对城市日降雨量统计，划定我国大陆地区五大分区[3]。每一分区内年径流总量控制率受多重因子影响，包括基础因子、影响因子和关联因子(表1)，造成了年径流总量控制率在五大分区数值取值范围不尽相同。

表1　多重因子分类

1.2　控制目标分解思路与方法

1.2.1控制目标分解思路《指南》指出构建低影响开发雨水系统技术路线，要求控制目标的分解应与城市总规(专项)、控规、修规(设计)等阶段相结合，指导总规及相关专项规划的修订，提出相关规划设计的目标与指标落实审查等。

在不同规划阶段，控制目标组合与分解有所不同。总规(专项)阶段，根据城市多年日降雨资料基础因子、影响因子(包括地形地貌、水文地质、植被覆盖率、城市下垫面、径流污染、经济条件、城市开发强度等)，结合相关规划综合分析，确定年径流总量控制率与设计降雨量，作为城市总体控制性目标。控规阶段，将总规所确定年径流总量控制率值，分解到每一管控单元，以满足总体控制目标；以年径流总量控制率作为每一管控单元的控制性指标，以单位面积控制容积为综合性指标进行弹性指导。修规(设计)阶段，根据控规中控制性指标和综合性指标，确定地块的低影响开发设施的类型、规模及布局等单项指标[4]即引导性指标，确保项目的落地。

1.2.2控制目标分解方法《指南》提出在海绵城市建设规划过程中，控制目标分解可以采用的具体方法试算分解法和模型分解法等。

试算分解法：《指南》中对其分解控制目标流程有详细说明。但方法存在一些难点，一是在实际规划编制过程中，由于规划的面积较大，多数以一个城市的中心城区为基础，其面积达到几十平方公里至几百平方公里，而控制目标都需要分解到几公顷至十几公顷的地块上，最终进行反复加权平均核算，达到总体控制目标。由于计算量十分巨大，易造成误差。二是在实际规划编制过程中难以获取地块的基础资料，其雨量径流系数加权计算存在误差。三是海绵城市专项规划的编制过程中，由于基础资料获取难度大、技术滞后、相关技术人员严重缺乏等，造成专项规划难以与总规、控规、修规相结合。王文亮等分别对年径流总量控制率分解方法进行了分析研究，具有一定的借鉴意义[5～7]。

模型分解法：模型分解法是基于低影响开发雨水模拟发展而来。目前，美国、英国、澳大利亚等国家研发了低影响开发雨水模拟技术体系，具有代表性的是美国环保署(EPA)开发的SWMM和SUSTAIN模拟模型，该模型核心是最佳管理实践(Best Management Practice ,BMP)[8]和低影响开发(Low Impact Development ,LID)[9]技术模块的运用。通过对规划区的BMP和LID设施类型、规模、布局的设置实现源头控制、截流、滞留和渗透等，有效控制雨水径流总量。相关学校分别对暴雨管理模拟进行了概述、应用、评估等方面研究，并取得了一定的成果[10-15]。

模型分解法的优点在于较大提高了分解的效率、科学性以及可推广性。在使用的过程中，总规阶段各地可结合规划区的基础因子与影响因子进行软件参数设定，确定总体控制目标，在控规阶段结合管控单元地块的建筑密度、绿地率、道路比例、铺装比例等相关用地指标，合理灵活分解，组合海绵城市控制目标。

本文作者以《怀远县城海绵城市专项规划(2017～2030)》为例，在怀远县城规划区范围内，运用国内鸿业科技开发的鸿业暴雨排水及低影响开发模拟系统V3.0模拟软件，以分解怀远县城海绵城市提出72%的年径流总量控制率目标，模拟其雨洪管理过程。

2　控制目标分解案例

2.1　规划区概况

怀远县是蚌埠市副中心城市，位于安徽省北部、淮北平原南部，地处东经116°45′～117°09′，北纬32°43′～33°19′之间。县域总面积2 192 km2，县城区总面积50 km2。地形以平原为主，县域内河沟纵横，为淮河、茨淮新河、芡河、涡河、北淝河交界之处。内有芡河湖，四方湖两大湖泊，境内总体生态环境良好，适宜海绵城市建设。怀远县多年平均降雨量为874 mm，但由于降雨量年际变化较大，年内分配不均，造成城区部分区域出现洪涝灾害等问题。为更好落实国家海绵城市建设，解决城市洪涝问题，特编制《怀远县城海绵城市专项规划(2017～2030)》(以下简称本规划)。

2.2　管控单元划分

依据《怀远县城市排水(雨水)防涝综合规划(2016～2030年)》规划要求，划分为老城、涡北和涡西三个分区；结合《怀远县城控制性详细规划通则》行政区划等对排水分区进行细化；最后参考路网、给水排水管网规划，考虑地块完整性，对管控单元边界进行调整。将规划区划分为21个管控单元，中其LC01、LC02两个单元属于老城。

2.3　指标分解思路

在分解过程中以年径流总量控制率为控制性指标，单位面积控制容积为综合性指标，LID设施类型的比例为引导性指标。

2.3.1总体控制目标设定在详细分析规划区基础因子和影响因子的基础上，提出总体控制目标。

2.3.2现状评估结合现状用地类型及下垫面比例。设置模型参数，构建规划区整体模拟模型，通过模型设置现状用地类型及下垫面比例和各类用地中的LID设施类型及比例，推算各管控单元现状年径流总量控制率。

2.3.3控制单元目标设定基于各个管控单元的用地现状、用地规划、绿地系统规划、水系规划、内涝点分布、黑臭水体分布等资料，评估各管控单元径流控制能力和需求，按照一定的调整幅度，设定各个管控单元规划目标，分解总体目标。

2.3.4各类用地目标设定设定各类用地目标，并根据规划用地类型及下垫面比例和各类用地LID设施类型，使用容积法推算LID设施比例。

2.3.5目标核算根据第三阶段结果，推算各个管控单元的年径流总量控制率，与管控单元规划目标比，若达标，则满足目标要求；若不达标，则对各种用地初设年径流总量控制率进行调整，直至满足要求。

2.4　分解步骤

2.4.1确定年径流总量控制率目标根据《安徽省海绵城市规划技术导则》中蚌埠市径流总量控制率曲线和怀远县城区基础因子和影响因子，确定怀远县城区年径流总量控制率总体目标为72%,对应设计降雨量为24.8 mm，作为专项中控制性总体目标。

2.4.2用地类型分类根据海绵城市设施设计要点，按不同用地性质制定分类类型。怀远县建设用地类型分为4大类7小类。具体为建筑与小区、市政道路、公园绿地与广场和城市水体4大类；用地类型划分为居住用地(R1、R2)、商业服务业设施用地(B)、公共管理与公共服务用地(A)、工业仓储用地(M、W、U)、道路广场(S、G3)、公园绿地(G1)和防护绿地(G2)7小类(表2)。

表2　建设项目分级分类指引划分

2.4.3现状年径流总量控制率评估(1)年径流总量控制率与设计降雨量的对应关系采用软件进行控制管理(见图1)。(2)模型参数设置：设置模拟参数。包括汇水区面积、坡度、宽度、不透水比例、洼蓄量、曼宁系数、土壤渗入参数等。其中，汇流区曼宁系数、洼蓄量需要根据文献资料，确定出取值范围。根据怀远县实际选择规划区的参考特征值，渗入模型选用霍顿模型，土壤类型为湿润沙土，最大渗入速率为84 mm/hr，最小渗入速率为80 mm/hr，不渗透性洼地蓄水1.27 mm，渗透性洼地蓄水5 mm。根据管控单元现状土地利用情况，设置各类用地现状下垫面比例和LID设施类型(透水铺装、下沉式绿地(广义)、雨水花园、生态屋顶)及比例设置(图2 )。(3)构建模型：对规划区构建低影响开发模拟模型。推算现状每个地块的年径流总量控制率，核算每个管控单元现状年径流总量控制率(表3)。

图1　年径流总量控制率管理图

图2用地类型管理图

表3　各管控单元现状年径流总量控制率

2.4.4管控单元目标设定根据规划区现状分析得到指标调整因素，并根据调整原则(表4)，设定各个管控单元规划目标值。

表4　控制目标调整原则

2.4.5各类用地目标设定通过分析《怀远县城控制性详细规划通则》建设用地下垫面构成(表5)，根据新城以目标为导向，老城以问题为导向的思路，将各类用地分为新建/新区提升、老城改造两种类型，在软件中设置各类用地目标(表6)。同时设置各类用地LID设施类型，使用容积法推算LID设施比例。

表5　各类建设用地下垫面构成

表6　分类用地低影响开发指标

2.4.6目标核算根据2.4.5的结果，推算各个管控单元的年径流总量控制率，与各管控单元规划目标比较，若达标，则满足目标要求；若不达标，则对各类用地设定的年径流总量控制率目标值进行适当调整，并重复2.4.5操作，直至满足要求。

其模拟结果以GY01单元为例示意(表7)。

表7　GY01管控单元控制指标

3　结论与讨论

我国海绵城市的理论研究与实践如雨后春笋，在各类城市中不断得到应用和完善。海绵城市规划编制与建设过程中，在总规(专项)、控规、修规(设计)中控制目标选择与逐步分解是重要依据与考核标准。基于上述研究，可得出以下结论：

3.1　正确理解控制目标的内涵，是选择组合控制与分解的基础

在规划编制过程控制目标的选择组合控制与分解，应建立在正确理解海绵城市的控制目标内涵，综合考虑多重影响因子，确保海绵城市规划编制科学性与项目可实施性。

3.2　运用模型分解法分解控制目标是行之有效的

通过模型分解法高效，科学的分解了怀远县海绵城市年径流总量控制率72%的总体规划目标，在每个管控单元中结合综合性指标、引导性指标精确计算出各种LID设施的具体面积。将模型分解法应用到海绵城市规划中，并结合城市自然地理、水文过程，有助于提高海绵城市控制目标分解的效率和可推广性。

3.3　模型分解法能使控制目标与规划各个阶段结合

运用模型分解法，在怀远县海绵城市专项规划阶段通过对现状年径流总量控制率的模拟以及结合怀远县基础因子和影响因子确定年径流总量控制率72%的总体规划目标。在控规阶段通过对总体规划目标分解以及控制目标间的组合，计算出各个管控单元各项控制目标的数值。在修规(设计)阶段，根据管控单元中的引导性指标可进一步确定地块中LID设施的类型、规模以及布局。各种类型的控制目标可在规划不同阶段中对海绵城市建设进行有效的控制与体系构建。

3.4　海绵城市模拟的技术与内容需要进一步完善与充实

由于目前海绵城市建设大都处于探索阶段，新技术的运用其数据需求与传统基础资料有所不同，数据缺少以及模型参数的不确定性造成模拟结果有所偏差。同时，模拟结果难以及时反馈与模型参数修正等，凸显了该方法存在一定的缺陷，需要进一步完善。海绵城市模拟技术，不仅仅只需要模拟低影响开发雨水系统，还需要统筹城市雨水灌渠系统、超标雨水径流排放系统等，进一步充实模拟内容。因此，对模拟技术的研究还需进一步加强，以便更好地指导海绵城市规划建设。