海绵城市年径流总量控制指标分解方法优化研究

阳 烨

沈 敏

何俊超

朱 江

曹 盼*

城市雨洪灾害和水污染管理是制约城市生态发展的核心问题之一[1]。中国大力提倡“海绵城市”建设理念，旨在减轻城市排水负担的同时，缓慢恢复城市地表自然入渗能力，重新构建城市“绿色海绵”[2]。海绵城市“指的是城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害方面具有良好的‘弹性’，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将续存的水‘释放’并加以利用”[3]。作为海绵城市建设的首要目标，年径流总量控制率是以径流体积控制为核心，是恢复开发前自然水文状态和控制径流污染的有效方法，是综合实现水环境、水生态、水安全和水资源的重要手段[4-5]。在技术层面，年径流总量控制率目标通过“源头-过程-系统”3个层次实现；在规划管控层面，年径流总量控制率目标的实施通过规划、设计方案进行指标分解的方式得以落地。

2014年10月《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》[6](以下简称《指南》)发布后，年径流总量控制指标分解在实践中基本采用《指南》中的方法进行逐层分解(包括容积法和模型计算法)。相关研究人员在容积法和模型计算法的基础上，对年径流总量控制率的确定和分解提出不同层次的研究和应用，如康丹等提出从总规层面确定年径流控制率总目标、分区或专项规划明确各级排水子系统的控制目标、修建性详细规划完成街区和道路的控制目标分解的三级分解法[7]；刘绪为等对容积法和模型计算法的年径流总量控制率分解方法进行探讨，提出应根据基础资料和工程内容采用不同的方法，并在基础资料齐全的情况下，建议采用以年为单位的模型法[8]；邹寒等提出利用“对数处理＋多项式拟合”方法，得到拟合度和准确度均较高的年径流总量控制率与设计降雨量计算模型，从而分析确定年径流率控制总目标[9]。

上述研究在早期阶段为海绵城市的发展奠定了良好的理论基础，但经国内先后2批海绵城市试点项目实践后，笔者发现无论容积法、模型法或其他分解方法往往容易忽略各类影响因素对海绵城市建设年径流总量控制率目标落地实施的制约性，以致后续落地项目在平衡和解决绿色与灰色、地上与地下、分散与集中设施的关系的同时，难以满足上位规划的目标要求。如专项规划阶段目标取值较高，控制性规划或系统性方案则无法执行上位指标，需进一步调整；控规阶段指标取值不合理，方案设计或工程建设则难以落地实施。因此，指标分解是落实海绵城市建设的关键环节，分解方法的科学性关乎指标分解的合理性和指标落地的可操作性。笔者在现有指标分解方法基础上，结合西宁市海绵城市试点区的建设经验，提出相关优化思路与方法。

图1 年径流总量控制目标分解步骤流程(何俊超绘)

1 年径流总量控制指标分解方法

《指南》对年径流总量控制目标分解给出了详细的步骤内容和说明，主要采用2种方法：容积法和模型计算法。在控制目标和综合控制指标、各地块具体条件和单项控制指标的指导下，容积法通过加权平均试算进行分解；模型计算法则通过水文、水力模拟计算进行分解。《指南》提供了容积法的详细步骤流程[6]。随着行业内模型工具的广泛使用，模型计算已普遍应用于规划阶段年径流总量控制指标的分解，并通过明确各用地类型地块的单项指导性指标，减少指标分解试算过程。

在规划阶段，采用上述2种方法进行年径流总量控制目标的三级分解过程中，容易出现2个问题，致使分解指标落地可实施性差：一是指标分解时，提出的单项控制指标大多基于理想化的典型地块计算，以下垫面条件为核心考量，很难顾及其他影响因素(如地下空间覆土深度不够、湿陷性黄土、地质灾害以及建筑屋面雨水内排等)的制约，看似合理的分解指标，在实际建设过程中难以落地；二是年径流总量控制目标分解时，往往忽略地块的社会属性影响(如改造难度、性价比、居民满意度等)，理论上可达的分解指标，落地的可操作性和经济合理性较难以实现。在建设过程中，不合理的指标分解方式，致使部分项目为衔接上位硬性指标，大量使用灰色末端处理设施，与海绵城市建设理念背道而驰。

2 年径流总量控制指标分解方法优化

2.1 优化思路与方法

在容积法或模型计算法的指标分解基础上，增加问题因子调整过程，建立影响因子指标调整体系，对初设的分解指标进行系统调整，提出“双导向法”，即以目标导向分解、问题导向调整相结合，解决指标指导性不强、落地可行性差的问题。

双导向法：目标导向——采用容积法或模型计算法对指标初步分解，问题导向——进行影响因子的指标体系调整。目标导向是以达到年径流总量控制总目标为基础，仅考虑各用地类型及下垫面详情，设定各分区或地块单项控制指标，将总目标分解至各分区或地块；问题导向是以确立除用地类型和下垫面情况以外，梳理对海绵城市建设产生重要影响的制约因子(建设难度、地质灾害和污染控制等)，建立影响因子指标调整体系，对初设的各分区或地块指标进行调整。

2.2 双导向法步骤

双导向法是对容积法和模型计算法的优化(图1)，具体步骤如下。

1)确定规划区域提出的年径流总量控制目标，即年径流总量控制率及其对应的设计降雨量。年径流总量控制目标可依据“未开发前自然水文本底状况、径流污染控制”等统筹确定。

2)结合区域实地调研与基础资料，对区域内存在的主要问题和影响因子归纳总结，为后续海绵规划指标调整优化提供依据。诸如可利用的自然调蓄空间、土壤地质条件、内涝风险情况、建设难度情况、生态本底条件及污染控制区域等基础资料都在调研之列。

3)依据区域河流水系流向、地表高程坡向、排水管渠系统和相应的行政区划，划定海绵管控片区。

4)梳理统计各海绵管控片区各类建设用地及下垫面详情，用地类型包括居住用地、公共设施用地、工业用地和公园绿地等，下垫面包括绿地、铺装、道路、建筑、裸地和水域等。

5)利用容积法计算或构建典型地块模型，确定各用地类型地块的单项指导性指标，包括下沉式绿地率、透水铺装率、屋顶绿化率、不透水下垫面径流控制比例和其他调蓄容积等。

6)初步确定各管控片区控制指标。通过容积法或模型计算法，得出各分区年径流总量控制率和对应的控制容积，若计算结果不达标，可调整各地块初设的单项控制指标体系，最终使计算结果与年径流总量控制目标接近。

7)确定各影响因子对年径流总量控制率的调整幅度值。结合城市区域特点、突出问题、经济能力以及核心目标等因素，选取具备自身特点的主要影响因子，并定量分析各影响因子对指标落实的影响程度，进而合理确定影响因子调整幅度值。

8)调整与复核各管控片区控制指标。在初步确定的各管控片区控制指标基础上，结合影响因子指标调整体系，通过分布面积比例因子计算，对各管控单元指标进行系统合理的幅度调整，同时复核计算结果是否满足年径流总量控制目标，最终得出调整后的分解指标。

3 应用实例

西宁市地处青海省东部，黄河支流湟水上游，四面环山，西高东低，属高原丘陵城市；中心城市开发区域总面积为186km2，现状人口约230万人，属高原大陆性半干旱气候，全年平均降雨量为410mm，以中小雨为主，地势高程平均在2 261m，多以厚黑黏淤土为主，属湿陷性黄土区域[10]。

根据西宁市城市总体规划，可得知区域各地块用地类型详情；通过测绘部门提供的用地现状遥感图，按照屋顶、道路、广场和铺装、绿地、水系以及裸地6种类型对区域现状下垫面进行解析，面积占比分别为15%、8%、25%、24%、3%和25%，得出区域现状年均雨量径流系数为0.51[10]。

试点区域位于西宁中心城区西部，涉及海湖新区、城西区和城北区三大行政区域，总面积21.63km2，其中老城区5.40km2、海湖新区12.26km2，以及城市郊野森林公园绿化区3.97km2。区域综合径流系数为0.53，截至2018年7月，试点区海绵城市建设已完成近70%。试点区作为西宁市“山-水-城”骨架的一个典型单元，是西宁城市水问题最集中和最具代表性区域。

3.1 年径流总量控制指标目标确定

控制年径流总量对实现城市水生态功能、改善水环境质量、调节城市水源结构等方面具有重要意义，是实现多目标达标的有效路径。根据开发前自然水文状况和径流污染控制，参照《指南》中我国大陆地区年径流总量控制率分区，西宁市位于I区(a≥85%)，确定西宁海绵城市年径流总量控制率目标为85%，对应设计降雨量为13mm。

3.2 年径流总量控制指标分解

本案例采用模型计算法(SWMM水力模型)进行分解，并通过自然调蓄空间、建设难度、特殊用地、地质灾害、文物埋葬、污染控制和内涝风险7项影响因子对初步分解的指标进行问题导向调整，具体技术流程如下。

3.2.1 目标导向分解

根据模型计算法，将西宁城市开发区域划分为38个管控片区，并搭建SWMM水文模型，建模面积约186.04km2，子汇水区38个，排出口1个。模型选用西宁近30年连续日降雨量，用于降雨情景参数；蒸发量、温度等参数通过气象数据获取；子汇水区面积、汇水宽度、坡度等特征参数，通过地形数据计算获取；不透水率通过透水、不透水下垫面数据和低影响开发设施面积计算获取；曼宁系数、地表洼蓄量和入渗模型参数等则根据模型手册典型值和测试值调试获取；单项控制指标通过模型中低影响开发控制模块中的生物滞留设施、透水铺装等来实现，设施主要参数参照西宁样板设施实际设计规划确定[11-13]。

通过对各管控片区分配布置单项控制指标——下沉绿地率、透水铺装率和硬化地块径流控制比例，并重复调试模型指标体系，直至模拟结果与控制目标相接近。根据目标导向分解，初步得出各管控片区相对应的控制指标(图2)。

3.2.2 指标调整体系构建

根据西宁实施情况，选取自然调蓄空间、建设难度、用地性质、地质灾害、文物埋葬、污染控制及内涝风险作为指标调整影响因子，并结合实地调研和相关数据资料，通过ArcGIS提取出各影响因子的空间分布(图3)。各影响因子调整幅度依据西宁海绵城市建设试点区实践经验获取。

1)自然调蓄空间：对城区水源涵养、径流控制、水质净化等都起着重要作用，是年径流总量控制率指标分解最重要的影响因子。结合片区内自然生态调蓄空间的大小，按比例调整相应的年径流总量控制幅度。西宁试点区自然调蓄空间占试点区总面积的10%，如作为市政雨水总排口末端调蓄空间(调蓄容积按30%下凹绿地率取值计算)，可使试点区的85%年径流控制率提升至93%，提升幅度为8%，调整幅度取值0.8。

2)建设难度：据试点区经验，新建区域(裸地)最易满足海绵建设要求，调整幅度值取0.5；新城区由于建筑排水方式多为外排水且地下空间多为整体开发，绿地覆土深度不足，不易开展海绵改造建设，有效改造面积为新建区域总面积的80%。故可使试点区的85%年径流控制率下降至76.5%，调整幅度取值-0.15；老城区和棚户区由于绿地率低、设施陈旧等阻碍，有效改造面积占比分别为70%和50%，调整幅度取值-0.3与-0.4。

3)特殊用地：特殊用地多为军事用地，牵涉较广，实际难以进行海绵改造建设，试点区有效改造面积为特殊用地面积的10%，调整幅度取值-0.8。

4)地质灾害：从当地相关地质数据资料中提取出地质灾害等级分布，按比例幅度降低相应片区的年径流总量控制率。在试点区中，地质灾害高发区有效改造面积占比30%，地质灾害中发区有效改造面积占比40%，地质灾害低发区有效改造面积占比50%，调整幅度取值分别为-0.5、-0.45与-0.4。

5)文物埋葬：文物埋葬保护区域同样给海绵城市建设带来相应的限制性，将其从用地性质中提取出来按比例幅度降低相应片区的年径流总量控制率。在本案中，文物埋葬区有效改造面积为50%，调整幅度取值为-0.4。

6)污染控制：污染控制区域可通过海绵城市建设，对相应的管控片区加以控制和治理。结合片区内污染控制区域分布，按比例幅度提高相应片区的年径流总量控制率，调整幅度取值为0.3。

7)内涝风险：内涝高风险区可通过海绵城市建设的水量调蓄、管网改造和峰值延迟作用，对相应的管控片区加以控制和治理。在进行指标调整时，结合片区内涝高风险区域分布，按比例幅度提高相应片区的年径流总量控制率，调整幅度取值为0.3。

根据以上7种影响因子的分析结果与试点区实践经验，西宁各影响因子的具体调整幅度值如表1所示。

3.2.3 问题导向调整

在初步确定的控制指标基础上，结合7种影响因子的调整幅度体系和所占片区的分布面积比例，对各管控片区进行控制指标的计算调整。以第六管控片区为例，总面积540.38hm2，初设的年径流总量控制指标为81.60%，依据以上计算方法对初设指标进行调整，具体调整过程如表2所示。经调整后的年径流总量控制指标为70.06%，更贴合第六管控片区的海绵城市建设实际，为项目落地提供更好的依据。

3.2.4 控制指标确定

通过以上目标导向分解和问题导向调整过程后，重复核算指标体系，最终满足给定的控制总目标，从而确定各管控片区调整后的控制指标，具体如图4所示。

表1 各影响因子对年径流总量控制率的调整幅度表

表2 第六管控片区各影响因子对年径流总量控制率的调整幅度计算表

4 结论

基于海绵城市指标分解过程中的不合理性和难以落地实施的问题，应用影响因子调整方式对《指南》中指标分解方法进行了探索性优化研究，并结合实际案例分析，得出以下结论。

1)在指标分解的容积法和模型计算法基础上，通过优化年径流总量控制率指标分解过程，增加影响因子指标调整环节，对城市规划分区初步指标分解方案进一步优化，构建双导向法，能提高分解指标值的可指导性和落地可行性。

2)将目标导向分解和问题导向调整有机结合来确定年径流总量控制率分解指标，一定程度上避免单一分解指标所带来的偏差和不合理性，体现出不同指标对多目标绩效实现的重要性，使指标分解方案更加科学合理。

目前，西宁海绵城市试点区建设已如火如荼开展，此方法已应用于制定的《西宁市海绵城市建设专项规划(2016—2030年)》和《西宁海绵城市建设试点区系统化方案(2016—2018)》年径流总量控制率指标分解方案中，并通过试点区项目建设的实践，指标分解结果对区域水问题的系统解决以及项目落地可实施性具有良好的效果。下一步拟将选取多个片区样本，对地块指标赋值进行进一步研究，完善影响因子指标调整体系，增强双导向法的科学性及应用价值。

图2 各管控片区年径流总量控制指标初步分解图(熊筱绘)

图3 各影响因子空间分布图(熊筱绘)

图4 各管控片区年径流总量控制指标分解图(阳烨绘)