南京市鼓楼区LID空间配置与雨洪调控效益研究
2019-08-06李沐寒尹海伟孔繁花
李沐寒， 尹海伟， 孔繁花， 刘 佳， 仇 是
(1.南京大学 建筑与城市规划学院， 江苏 南京 210093； 2.南京大学 国际地球系统科学研究所，江苏 南京 210023； 3.宁夏大学 土木与水利工程学院， 宁夏 银川 750021
1 研究背景
快速城市化导致区域气候与自然地表发生明显变化，引起更为频繁的降雨，不仅增加了城市洪涝灾害发生的风险，也加剧了城市水污染程度，已严重影响城市居民的生活品质[1]。为应对城市雨洪带来的一系列生态环境问题，反思基于灰色基础设施(Gray Infrastructure)“以排为主、视雨洪为灾害”的传统管理理念，许多国家提出了“将雨水转化为资源”的新型城市雨洪管理理念[2-5]。其中，LID因具有规模小、布置分散、种类丰富和可行性高等特点和模仿地表天然水文状态、增加透水面、减少地表径流、增加城市水系统弹性的功能[6-8]，目前已在美国、加拿大和我国等许多国家得到广泛应用与发展[9-10]。
大量研究均表明，通过减少不透水面规模可有效调控城市地表径流[11-13]。Kong等[14]基于SWMM模型对巴中新城多种开发建设情景下雨洪径流的模拟表明，减少直接连接不透水面(Directly Connected Impervious Area, DCIA)可有效降低地表径流量，但难使地表径流特征恢复到未开发水平。李春林等[15]研究发现随着降雨重现期增大，LID措施对径流的削减量逐渐增加。Tredway等[16]分析了LID建设方案对地表径流的渗透、蒸发和储存作用，结果表明适当的LID措施可显著减少洪峰流量。我国海绵城市研究历程较短，且相关研究多关注于实验场地或街区尺度的LID工程实施及水文环境效益评价，尚缺乏对较大尺度上LID雨洪调控效应的深入理解。美国环境保护署(USEPA)于2009年研发的城市降雨径流控制的模拟与分析整合系统(System for Urban Stormwater Treatment and Analysis Integration, SUSTAIN)内置BMP选址工具，可根据LID/BMP环境约束条件对用地空间进行适应性选择，实现LID措施的空间优化配置[17]，解决了多数研究按照用地性质来确定LID的面积占比的不精确和难以有效指导空间规划的弊端[18-19]。
此外，海绵城市建设涉及到工程、技术、预算、材料等多方面[20]，进入21世纪后关于LID建设成本与效益之间的讨论逐渐增多。李俊生等[21]通过生命周期法计算了屋顶绿化的成本效率和费效比分别为12.51元/m3和5/12，由此证明了屋顶绿化的建设潜力与价值。Huang等[22]将算法与SWMM模型结合，通过水文模拟和经济优化分析得到各LID技术的平均效率(单位成本的径流削减量)顺序为：屋顶绿化>生物滞留池>乔木箱>透水铺装>雨水桶>植草沟>渗透沟渠。然而，大多数研究局限于单个LID设施的成本效益对比，对于城市片区LID组合应用的成本效益缺乏探讨。
基于此，本研究以南京市鼓楼区为例，根据研究区现状情况和LID实施的难易程度，选取了屋顶绿化(Green Roof)、生物滞留池(Biorentention)、透水铺装(Porous Pavement)和植草沟(Grass Swale)4种LID措施，并基于GIS平台和SUSTAIN BMP选址工具，采用内置与自定义相耦合的约束条件设计了4种LID措施的空间优化配置方案，进而利用SWMM模型模拟分析了不同降雨事件下不同LID组合方案的雨洪调控效应，最后基于费效比(Return On Investment, ROI)方法评估了LID方案的成本效益，以期为城市尺度上的海绵城市建设和城市雨洪管理提供决策参考和案例借鉴。
2 研究区概况与研究方法
2.1 研究区概况
鼓楼区位于南京市区西北部，总面积54.18 km2。根据研究区现状与研究目的，研究区下垫面被划分为水域、绿地、建筑、道路和其它用地5类(图1)，其中透水面面积(绿地和水域)占35.3%，不透水面面积(建筑、道路和其它用地)占64.7%。作为开发较早的城区之一，鼓楼区可利用土地资源十分紧张且现状各类用地高度混合。随着气候变化和不透水面积持续增加，研究表明鼓楼区洪涝风险发生机率将会同步增加[23]。因而，既能节约土地资源、提高城市景观品质，又可降低建设成本的LID措施成为缓解城市洪涝灾害问题的重要选择。
2.2 数据来源与预处理
研究数据主要包括BMP选址工具所需的各项基础数据(表1)，SWMM模型水文模拟所需的降雨数据(表2)，以及南京市鼓楼区总体规划(2013-2030)中的道路和雨水管网等。
首先，基于ArcGIS软件平台，将表1中的相关数据进行配准、格式转换和数字化，建立具有统一坐标系的地理数据库。然后，为保证降雨数据的真实性，本研究采用自设的HOBO U30小型自动气象观测站2016年5月至2017年4月的实测降雨数据(原始数据存储间隔为1 min，为缩短模拟计算的时间，将降雨数据采样步长处理为10 min)。根据降雨事件间隔超过6 h作为独立降雨事件的划分标准[24]，观测时段内共有79个降雨事件。最后，根据南京市城市管理局公布的南京市暴雨强度公式(式1)，计算每场降雨的重现期(P)，并综合考虑总降雨量、降雨强度、降雨历时和重现期等降雨特征，遴选了5个降雨事件作为本文的降雨情景：S1(P<1a)、S2(2a
(1)
式中：i为降雨强度，mm/min；t为降雨历时，min；P为重现期，a。
表1 模型所需的数据及来源[17]
表2 降雨情景及降雨特征
2.3 研究方法
2.3.1 基于BMP选址工具的LID空间配置方案选择 SUSTAIN中的BMP选址工具内嵌在ArcGIS软件平台中运行，因而其本质上是基于GIS空间分析技术的用地适应性分析。首先，将研究区基础数据按照模型所需格式加载到BMP选址工具中。然后，采用模型内置参数和约束条件，进行4种LID措施的空间用地适宜性评价，得到其空间位置和用地规模分布图。最后，根据鼓楼区实际情况与相关研究，设置了3种自定义的约束条件(单体面积、单体宽度、用地性质)[25-26]，利用GIS空间分析工具对4种LID措施的空间配置进行进一步优化(表3)，实现内置与自定义约束条件的耦合，得到4种LID措施的最终空间优化配置方案(图2(a)～2(d)。为了更清晰地说明空间优化配置方案对研究区具体LID措施规划建设的指导作用，选取汉中路与虎踞路交叉口地块作为案例进行了LID空间优化配置方案的详细说明(图2(e))。
表3 LID位置选择适宜性特征参数
图1 研究区下垫面概况图
2.3.2 SWMM模型构建与参数率定 传统的城市开发建设方式会显著改变地表的微地形特征，进而对子汇水区的划分与地表径流特征产生重要影响。因而，科学划定汇水分区、快速提取相关水文参数是城市水文模型构建的重要基础。首先，由于长江与秦淮河的划分可将研究区分为4个汇水区(图3a)，基于研究区1∶10000地形图制作的DEM，采用ArcGIS中的水文分析工具进行流域分析，得到子汇水区初步划分结果。然后，综合考虑道路和排水管网建设(图3(b))对微地表汇流特征的潜在影响，进一步细化和优化调整汇水区的初步划分结果，最终得到230个子汇水区(图3(c))。其次，进行研究区SWMM水文模型的构建以及时间序列、汇水区属性和管网等参数的设置。模型下渗模式选择Horton，汇水区汇流模式采用Outlet模式。最后，进行模型相关参数的率定。由于缺少降雨径流的实测数据而无法通过排放口出流实测值与模拟值进行参数校准和验证，因而本研究参考刘兴坡[27]基于径流系数的城市降雨径流模型参数率定方法。根据《室外排水设计规范(2006)》[28]，建筑较密的居住区不透水面积百分率的参考值为50%～70%，综合径流系数的参考值为0.5～0.7。鼓楼区不透水面占64.7%，故本文取0.6作为综合径流系数校准结果。具体参数率定过程为：首先根据SWMM使用手册和相关文献的经验值预设参数初始值[29]；然后用S3情景的降雨数据进行模型模拟，将模拟后的径流系数与校准参数值进行对比，并不断调整参数至理想值(本文为0.6，表4)；最后，为验证参数的稳定性，进行其余4个降雨情景的模拟，得到的径流系数分别为0.525(S1)、0.592(S2)、0.610(S4)和0.614(S5)，均在参考值范围内，表明校准后的参数具有较好的稳定性和合理性。
图2 4种LID措施的空间优化配置方案
图3 研究区汇水区划分
参数类型参数初始值第一次校准值第二次校准值第三次校准值最终校准值子汇水区不渗透面积的曼宁系数0.010.010.010.0150.015渗透面积的曼宁系数0.150.20.250.30.3不渗透性洼地蓄水深度/mm1.271.51.61.71.8透性洼地蓄水深度/mm2.542.52.83.53.8最大下渗速率/(mm·h-1)59.560606060最小下渗速率/(mm·h-1)3.53.02.52.52.2衰减常数33222排干时间/d77777管段曼宁系数0.010.010.010.010.01模拟径流系数0.7930.7540.6850.6510.601
2.3.3 不同LID组合方案的雨洪调控效应模拟与评价 首先，根据BMP选址得到的研究区LID空间优化配置方案，结合不同LID措施的主要功能和研究区LID措施实施的难易程度，构建了4种LID措施的组合方案：(1)屋顶绿化+透水铺装、(2)屋顶绿化+生物滞留池+植草沟、(3)透水铺装+生物滞留池+植草沟、(4)全部LID。然后，结合SWMM用户手册、相关文献及实际工程[30-31]，进行4类LID措施的参数设置(表5)。最后，基于水文模型，进行不同降雨情景下4种LID组合方案的降雨径流模拟，并分析了其径流响应过程(图4)，同时对总径流削减量和径流峰值削减量进行了统计分析(图5～6)。
2.3.4 基于费效比方法的LID方案成本效益计算 费效比(Return on Investment, ROI)方法在国内外研究中较常见，通过分别计算LID建设成本和效益进而根据比值评估其成本效益。本文费效比的计算公式如下[32]：
ROI=C/B
(2)
式中：C为LID方案的建设成本；B为项目的产出效益。
表5 LID措施主要参数设置
首先，根据海绵城市建设指南及地方建设实例核算各类LID设施的建设成本，进而得到LID组合方案的建设成本。然后，根据文献中的传统灰色基础设施估算方法[21]使用蓄水池概化地下调蓄设施，建设蓄水池的费用参考江苏省水利厅关于发布江苏省水利工程人工预算工时标准的通知(苏水基[2015]32号)及2017年省水利工程施工机械台费概算基价预算表等资料。然后将相同径流削减量下蓄水池与LID建造成本的差值作为产出效益，最终得到各LID组合方案的费效比。
3 结果分析
3.1 4种LID措施的空间优化配置方案及其规划建设指导
本文采用内置与自定义相耦合的约束条件得到了研究区LID措施的空间优化配置方案(图2(a)～2(d))，可得LID适建面积共计8.8 km2，占研究区总面积的16.33%。其中：屋顶绿化2.56 km2，占鼓楼区屋顶总面积的18%，占研究区总面积的4.77%；透水铺装2.23 km2，占研究区总面积的4.16%；生物滞留池2.98 km2，占研究区总面积的5.54%；植草沟1.03 km2，占研究区总面积的1.91%。
图2(e)所示地块的建设环境复杂多样，包含教育、医疗、公园、商业和居住等用地。本文根据LID空间优化配置方案的模拟结果，将该地块作为案例提出以下具体规划建议：(1)屋顶绿化：地块西南侧教育用地因建筑层数较低，建设年代较近，适宜在体育馆、综合楼及教学楼顶铺设屋顶绿化(区域I)，可达到节约土地资源与调控雨洪的双重效果。(2)透水铺装：地块北侧医院的停车场现状全为硬质铺地，透水铺装作为城市停车场常用的LID措施适宜在此建设(区域II)，有切断城市透水面连接、延长雨水滞留时间和减少地表径流量的作用。(3)生物滞留池与植草沟：地块东侧沿街为临街商业建筑群，可在裙房设置屋顶绿化，同时沿街建设生物滞留池吸收屋面及地面径流，既增加景观效果又可减轻内涝风险(区域III)；西北角公园的临街绿地，可进行生物滞留池建设，吸收过滤道路雨水径流(区域IV)；东北角的居住社区绿化率较低，植草沟占地面积小，可结合生物滞留池在路旁设置(区域V)。
由此可见，本文模拟所得LID空间配置结果与鼓楼区现状基本吻合，具有合理性，故可为LID空间规划建设作指导。
3.2 不同LID组合方案的雨洪调控效应评价
由图4～5可见，不同LID组合方案均对总径流量和洪峰流量具有明显的削减作用，但不同LID方案下的雨洪调控效果差异显著，5个降雨情景下的地表总径流量为现状>方案①(屋顶绿化+透水铺装)>方案②(屋顶绿化+生物滞留池+植草沟)>方案③(透水铺装+生物滞留池+植草沟)>方案④(全部LID)。现状情景下的地表总径流量最大，5个降雨情景下(S1～S5)的总径流量分别为16.8×106、33.4×106、42.2×106、44.0×106、50.2×106m3，径流系数分别为0.525、0.592、0.601、0.610、0.614；进行LID措施空间配置之后，由于植被截留、透水面增加，使得地表渗透吸纳雨水的能力变强，总径流量和径流系数显著减小(径流总量平均削减率为32.68%，径流系数平均减小0.26)。例如，方案④(全部LID)在5个降雨情景下的总径流量分别为9.1×106、20.1×106、24.1×106、25.0×106、30.0×106m3，径流系数分别为0.296、0.357、0.346、0.347、0.369，均显著小于现状情景，基本达到城市化初期的径流水平，表明LID组合方案能够有效应对研究区10年一遇以内的降雨事件。
尽管随着降雨重现期的增加，不同LID组合方案的径流削减量有逐渐增加的趋势(图5(a))，但在降雨情景S3处存在明显拐点，表明LID组合方案的雨洪调控能力存在一定的阈值，当降雨量和降雨强度较大导致地表径流较大、超过了LID措施的雨洪吸纳能力时，其调控能力趋于饱和，地表径流的削减量将趋于稳定，致使随着降雨重现期的增加，LID的径流削减率总体上呈递减趋势，5个降雨情景下(S1～S5)的平均径流削减率分别为35.7%、30.5%、33.3%、33.1%、30.8%，(见图5(b))。S2的平均径流削减率最低，这与此次降雨的降雨时间短、高度集中、雨强大等降雨特征有关(图4(b)，表2)，表明降雨特征特别是雨强会对LID的径流削减率产生重要影响，由于在雨强较大时，降雨量远超植被、土壤和LID的瞬时截留和下渗能力，致使未吸纳的降雨快速形成了地表径流。
5个降雨情景下的LID径流峰值削减量总体上随最大降雨强度的增加而增加(图6(a))，而径流峰值削减率则随降雨重现期的增加总体上呈缓慢下降的趋势，且LID措施应用越多其削减率越大(图6(b))，表明峰值削减量主要受降雨雨强(降雨雨强又与总降雨量和降雨历时相关)的影响，而削减率则主要受降雨重现期(降雨重现期又与降雨强度和降雨历时相关)以及LID措施的数量和面积的影响。这与LID的径流削减能力具有一定的累积效应且吸纳能力存在阈值有关，当雨强未达到LID的最大吸纳能力时，LID的洪峰流量削减率相对较大，但当雨强明显高于其吸纳能力时，其洪峰的削减率则会降低。其中，S3降雨情景下LID的径流峰值削减率最低，这与此次降雨雨型呈双峰分布且峰时降雨量较为集中有关，在第一次洪峰时LID就已接近其吸纳能力的阈值，致使在第二次洪峰时其已无法起到较好的削峰效果(图4(c))。由此可见，LID的径流峰值削减量与削减率受到雨强、降雨重现期、降雨历时、总降雨量和降雨雨型等诸多降雨特征的多重与交互影响。
3.3 基于费效比的LID方案的成本效益分析
由图5(a)可得，LID组合方案的平均总径流量削减量为：屋顶绿化+透水铺装10.0×106m3；屋顶绿化+生物滞留池+植草沟11.1×106m3；透水铺装+生物滞留池+植草沟11.5×106m3；全部LID 15.7×106m3。通过计算得出不同LID方案相对应的蓄水池建设所需费用与费效比(表6)。结果可知，同样的径流调控效果下传统灰色基础设施(蓄水池)的建设成本明显高于LID措施。费效比大小表示LID措施投入与产出的关系，费效比越低则成本效益越高。通过对比不同LID组合方案的费效比，可知屋顶绿化+透水铺装的组合较经济且成本效益最好(费效比为0.197)，而包含生物滞留池和植草沟的方案成本效益相对偏低，这是由于生物滞留池建设成本较高造成的(达500元/m2)。结合图5和6中LID组合方案的径流调控效果比对，屋顶绿化+透水铺装+生物滞留池+植草沟的组合即全部LID效果最好且经济性优于②、③方案，故建设潜力较好。
图4 不同降雨情景下LID布置方案的地表径流过程曲线
图5 不同降雨情景下LID方案的总径流量削减量和削减率
图6 不同降雨情景下LID方案的径流峰值削减量和削减率
4 结论与讨论
研究结果表明：(1)利用GIS与SUSTAIN内置的BMP选址工具并采用内置与自定义相耦合的约束条件，得到的城市尺度下LID空间配置方案具有合理性，可为研究区LID的空间规划提供重要的科学依据；(2)LID对总径流量和洪峰流量具有明显的削减作用，但不同LID方案下的雨洪调控效果差异显著；随着降雨重现期的增加，不同LID组合方案的径流削减量有逐渐增加的趋势且在降雨情景S3处存在明显拐点，而LID的径流削减率总体上则呈递减趋势；LID径流峰值削减量总体上随最大降雨强度的增加而增加，且LID措施应用越多其削减率越大，而径流峰值削减率则随降雨重现期的增加总体上呈缓慢下降趋势；(3)LID的雨洪调控效应受到降雨强度、降雨重现期、降雨历时、降雨量和降雨雨型等诸多降雨特征的多重与交互影响，同时也受到LID的面积、空间分布、截留与渗透率等自身属性特性的重要影响。(4)屋顶绿化+透水铺装的组合成本效益最好，包含生物滞留池的方案成本效益相对偏低，综合来看屋顶绿化+透水铺装+生物滞留池+植草沟方案建设潜力最大。
本文基于研究区的真实降雨数据，在较大尺度上构建了LID具体措施的空间优化配置方案，解决了目前多数研究中普遍存在的以设计降雨数据、尺度过小、采用用地性质来确定LID的面积占比等问题，有助于对较大尺度上LID雨洪调控累积效应的深入理解；对城市区域LID组合方案进行了成本效益分析，研究结果可为我国城市尺度上LID的空间规划、海绵城市建设和城市雨洪管理提供决策参考和案例借鉴。
