海绵城市规划方法与技术的相关探讨

(太原市水利科学研究所，山西 太原 030002)

1 概 述

海绵城市的建立可以有效防止城镇化进程中所出现的资源环境过度耗竭、环境污染严重和生态系统退化等问题，当前海绵城市的概念模式已经在国外许多城市得到成功运用，如美国的绿色建筑、澳大利亚的水敏感城市、英国的可持续排水系统、荷兰的水广场、新加坡的活跃美丽洁净水项目、日本的雨水储留渗透计划等。我国的海绵城市建设理论与实践方面都略显滞后与薄弱，当前主要停留在借鉴和引用国外模式阶段。本文主要探讨了海绵城市规划的技术方法及在太原市城区建设中的应用情况。

2 海绵城市规划方法与技术

2.1 城市雨洪模拟技术

雨洪模拟技术是进行海绵城市规划设计的核心技术，也是城市水文规划领域的难点问题之一，城市地表情况错综复杂，产汇流过程更是复杂多样，结合HIMS分布式模拟系统便可建立包括地表产流、坡面汇流、管网汇流、地表三维水动力汇流等模块在内的城市雨洪模型，详见下图。

基于HIMS分布式模拟系统的城市雨洪模型图

下图中的城市雨洪模型基于城市自然产汇流特征，结合城市雨洪设计需求与用地类型，以最小计算单元为单位进行不同用地类型城市产流方式、坡面、管道、河道及道路等的汇流过程，可以作为海绵城市规划的基本模型工具，该模型包括以下几方面内容。

a.确定计算单元和不同类型汇流拓扑关系。城市下垫面情况异常复杂，所以传统模型中单位的划分方式并不适用于城市，本文基于自然水系分区结合管网排水分区的方式进行计算单元的划分，再具体到各种类型的产汇流单元。通过GIS和CAD软件进行DEM、影像数据和管网布设数据等的分析与量化计算，进而准确划分计算单元。步骤如下：先结合项目区产汇流自然特征，利用高精度DEM数据获取自然水系，并依据行政区划和断面控制情况进行城市河湖水系汇水单元的初步划分；在此基础上根据城市排水管网的规划情况、用地类型和整体规划情况，进行排水区划分；在所划分的排水区，建立道路(或管网)边界，并根据排水口位置、道路规划布局、用地类型和高精度DEM影像等，准确划分盛水产汇流计算单元。

b.城市用地类型产汇流和产污过程的模拟。基于上述城市雨洪模型，对城市人工降雨进行大量实验并结合小流域暴雨径流经验数据的基础上提出了降水-入渗公式，该公式根据城市用地类型分别计算不同地域范围的产汇流量，最终加总求和得到某一计算单元内的产汇流总量，适用范围广泛。公式如下：

(1)

式中Q——城市地块类型径流总量,m3/s；

Yi——城市第i种用地类型产流量,mm；

fi——城市第i中用地类型入渗量,mm；

Ai——根据项目区实际情况所划分的城市第i种用地类型的占地面积,km2；

P——降水量,mm；

E——蒸散发量,mm；

t——研究时间,s；

Ri和ri——城市第i种用地类型的下渗系数。

地面污染物的变动呈指数变动趋势，则根据类似研究成果所得产污系数测算产污量，公式如下:

(2)

式中W——地面污染物面源输出总量,t/s；

B——地面污染物面源输出累积量,t/s；

Ci——第i种用地类型地面污染物浓度,mg/L；

M1——最大累积量,[t/(s·km2)]；

M2——累计速率。

c.产汇流耦合与模拟。城市自然产汇流特征受到建筑物拦蓄、管网收集等因素的影响，汇流类型可分为坡面汇流、管网汇流、河道水系汇流和道路排水汇流等。其中坡面汇流是对不同城市用地类型产汇流移至雨水口过程的模拟，管网汇流是对雨水口所收纳的雨水在管网内系统性运行并最终流入排洪防涝设施全过程的模拟，河道水系汇流是对于排水管道所排雨水和河道来水等叠加演进过程的模拟，道路排水汇流是对超过现有城市排水管道排水能力的雨水沿管道运移并最终流入低洼水系过程的模拟。根据上述不同类型的模拟过程和对汇排水区及产汇流计算单元的划分，结合城市管网等相关数据，便可进行不同类型区域地表与管网水力系数的量化计算，并确定城市雨洪模型的相关参数指标。

城市不同类型计算单元径流转化的过程形成地表坡面汇流，地形平坦的城市汇流主要由屋面、道路、场院等表面、排水管道等汇集而成，鉴于此，可以将不稳定坡面汇流连续方程加以简化：

(3)

(4)

(5)

式中qm——坡面单宽流量,m2/s；

L2——汇水坡面长度均值,km；

F——流域面积,km2；

I2——坡面坡度均值；

Qm——断面洪峰流量,m3/s；

A2——坡面流量流失系数；

V2——汇流流速,m/s；

τ——时间,s。

排水管网中的径流流态近似于明渠均匀流，可以按照曼宁公式连续方程所构成的非恒定流方程加以计算：

(6)

式中Q——排水管道流量,m3/s；

v——流速,m/s；

A——过水断面面积,m2；

H——水头,m；

Sf——摩擦坡度；

x——流动距离,m。

可以考虑采用三维水动力学模型进行道路产汇流模型的模拟，既能将海绵城市建设过程中所可能出现的缓流、急流、混合流、间断流等复杂的流态问题充分考虑在模型中，也符合河道产汇模拟所采用的马斯京根等方法，而运用一维水动力学模型进行海绵城市建设过程中对管网、道路、河段等概化及各个计算单元的划分与模拟。

2.2 LID措施优化技术

将海绵城市开发建设过程中源头削减、中途调蓄、末端处理等集渗、滞、蓄、净、排等多种技术于一体，通过构建城市水资源良性循环系统，实现径流雨水充分渗透、调蓄、净化、多次利用，并维持、恢复和实现城市“海绵”功能及良性循环的措施统称为LID措施，具体而言，该措施优化技术包括透水铺装、绿色屋顶、下沉式绿地、渗透井、雨水湿地、蓄水池、植草沟、雨水弃流设施、人工土壤雨水管、渗灌等。海绵城市规划的LID措施其主要目的是借助地表产流量的降低，控制年径流量，进而控制不同降水情况下城市不同地块类型的流量，可以将海绵城市规划的LID措施目标函数表示为：

minfobj(c1,c2,…,cj,…cn) (j≤n)

(7)

式中fobj——海绵城市规划的LID措施目标函数，是城市不同类型地块c的加权和或乘积；

cj——第j个地块径流系数；

n——总地块数。

上述目标函数的约束条件如下：

其中Area——城市不同类型地块的面积,km2；

Area下沉式绿地——下沉式绿地面积，面积,km2；

Area透水铺装——透水铺装面积,km2；

Area绿色屋顶——绿色屋顶面积,km2；

Area绿地——绿地面积,km2；

Area不透水路面——不透水路面面积,km2；

Area屋顶——屋顶面积,km2；

η绿地——绿地，分别采用LID措施的面积占总面积的阈值；

η不透水路面——不透水路面，分别采用LID措施的面积占总面积的阈值；

η屋顶——屋顶，分别采用LID措施的面积占总面积的阈值。

构建起目标函数和约束条件后通常采用包括随机优选、遗传算法和粒子群算法等在内的计算机优化方法进行求解。

3 应用实例

3.1 区域概况

太原市是山西省省会城市，是我国优秀旅游城市、国家历史文化古城、园林城市，太原市包括六个市辖区、三个县和一个县级市，整个城市位于山西省中北部的太原盆地。属于北温带大陆性气候，夏季炎热且降水丰富，冬季寒冷干燥，年气温均值在9.5℃左右，无霜期为200天左右，年降水量均值为450mm，地形复杂多样，海拔高度差异较大，昼夜温差大。太原城区排水系统主要包括地下管网、护城河水系、污水处理厂等部分，城区范围内排水管道长度约600km，按照雨污分流原则设计，排水设备涉及范围共48km2左右，当前，城区范围内已有的雨污水管网设施已经陈旧，无法满足城市雨污水排放的要求，再加上城市的快速发展，城区面积不断拓展，极端天气导致暴雨事件频发等都增加了城市防洪排涝压力。

2015年10月，太原市规划网站公示《太原市排水防涝设施建设规划》，指出：太原市着力构建海绵城市，通过制定并执行内涝防治标准，提高城市雨污管网设计标准，并对城市排水系统进行升级改造，确保城市涵水与自洁能力大力提升，新建并完成雨污分流计划，力争到2020年成功入围全国“海绵城市建设试点城市”。

3.2 城市年径流控制率计算与径流模拟

根据《海绵城市建设技术指南》的相关规定，太原市年径流位于控制Ⅲ区，控制率在75%～85%范围内，结合太原市气象站近年来的降水量资料，可以确定城区内径流控制率为78%，对应的3小时降水量为21mm，最大降水强度为0.98mm/min。根据太原市用地类型规划和LID措施的设计原则，将太原市城区划分为水系、平屋顶、坡屋顶、敞开区、集中式绿地及小区绿地等6种地类型、9个计算单元和200个具体的计算单元。《建筑与小区雨水利用工程技术规范》所提供的径流系数参数取值详见下表。

径流系数参数取值

雨量径流系数受降雨时间及强度影响较大，为确保结论的科学性与合理性，应采用与总量控制有关的流量径流系数。

LID措施优化模型参数主要有汇水区、管段、节点和低影响设施等，其中降雨、设计图、渗透性能等均取实测数据；汇水区域面积、坡度、透水性能、管道尺寸、节点等参数均取自项目设计资料，其他参数依据《建筑与小区雨水利用工程技术规范》而定。结合参数取值并利用城市雨洪模型(1)进行降水条件下不同用地类型径流过程及水文效应模拟，根据连续模拟结果，太原市3年内径流总量控制率在70%以内，3年雨量径流系数平均值为0.29，完全符合低影响开发示范城市年径流总量控制率目标的要求。

3.3 LID措施的优化

在进行海绵城市降雨水文过程分析及雨洪管理措施分析的基础上，太原市必须根据当地降雨特征，选择恰当的占地尺度以及具有蓄水功能和景观效果的雨洪管理措施。太原市海绵城市的构建采取LID渗和滞为主，蓄为辅的措施，通过下沉式绿地、绿色屋顶和渗透铺装等工程措施进行产流量的消纳，并辅之以蓄水池。《海绵城市建设技术指南》对雨水系统开发措施影响污染物去除率的指标范围作出了明确规定：下沉式绿地削减径流量为150～300mm，透水铺装削减径流量为30mm，绿色屋顶削减量为14mm。为了保证太原市20mm降水量条件下的年径流总量控制率指标，LID措施实施后对于年径流量的控制率为68%～78%，基本达到海绵城市建设的年径流控制目标，模型分析的有效范围为太原市城区面积的90%。

4 结 论

海绵城市的创建理念是对传统的城市雨水处理模式的创新，基于雨水对城市自然水系和地下水的补充与涵养作用的考虑，进行充分的雨水蓄存及循环利用。文章考虑到城市地表情况错综复杂，产汇流过程更是复杂多样等客观情况，结合HIMS分布式模拟系统建立起包括地表产流、坡面汇流、管网汇流、地表三维水动力汇流等模块在内的城市雨洪模型，并以太原市为例，进行其城市低影响开发模式下海绵城市的创建设计与探讨。总之海绵城市的创建是一项系统性、综合性、历史性工程，有利于彻底解决城市发展与水资源开发利用之间的矛盾，实现水资源长期可持续发展。