城市生态化雨洪管理系统构建技术方法和途径

杨冬冬 曹 易 曹 磊

1 生态化雨洪管理思想的产生

近年来，城市化进程迅猛发展，城市下垫面硬质化率增大、水域面积减少、水文循环过程破坏等给城市防洪排涝带来巨大压力。海绵城市建设的提出引发了多领域对于新型城市雨洪管理模式的思考。

中国雨洪管理历程大致经历了以下阶段。1)城市早期建设采用雨污合流制的明沟或管道系统。2)1953年北京率先确定了城市新建排水系统采取分流制的规划设计原则[1]。上述2种管道式雨水治理方式，均以直接“排放”为主，这是由当时将“雨水”视为“废水”的态度所决定的。3)1992年，中国签署了环境与发展宣言，构建资源可持续发展型社会的目标由此确立。北京、上海等地结合绿色建筑的实践进行了场地尺度新型雨洪控制模式的尝试[2]，采用了绿色屋顶收集雨水回用灌溉、透水铺装促进雨水下渗等生态措施。该阶段是我国城市将雨水作为资源加以管控的萌芽时期。4)近年来，国外先进经验不断引入，我国提出建设海绵城市的目标。其一个首要任务就是在我国现有单纯依靠市政工程设施进行城市雨洪管理的基础上，充分利用绿地、开放空间补充构建生态化雨洪管理系统，并实现绿、灰2套雨洪管理系统的耦合[3]。因此，如何系统化、科学化构建城市生态化雨洪管理系统成为目前我国雨洪管理模式转型、构建海绵城市的关键。

2 城市生态化雨洪管理系统构建的体系框架

城市生态化雨洪管理系统的构建是一项涉及多学科、多技术、多部门的综合性系统工程。其不仅与水文循环系统中的产汇流过程、时间效应直接相关，而且还涵盖了城市规划、风景园林设计中的多项内容。水文循环在整个城市生态化雨洪管理系统中起主导作用，是系统构建的内在基础；空间布局和规模等则是对应于水文循环过程的空间策略和优化；景观要素则成为系统构建的外在表现。综上所述，城市生态化雨洪管理系统构建的体系框架可细化为水文单元、景观单元以及规划单元三部分(图1)。

2.1 水文单元

水文单元是在城市现状水文环境的基底上，由多种单项雨洪管理措施(以绿色基础设施为主，灰色基础设施为辅)组成构建的，旨在弥补、调整或修正城市现状水文循环过程中存在的问题或缺失，重塑城市新的、健康的水文循环过程，达到雨洪资源管理利用的目的。

具体而言，水文单元是城市生态化雨洪管理系统的基础，是系统运行的功能载体，可以独立应用并存在。一般情况下，能够起到降低雨水径流量峰值、减缓径流下泄速度、延长径流下泄时间、缓解面源污染等作用的各单项雨洪管理措施是该单元的技术核心。

水文单元的功效则由多种雨洪措施所构成的某种控制利用流程或模式所决定。针对不同城市或区域的突出问题和主导目标，可以组合成多种不同的技术模式。模式中，对应于突出问题的解决措施应予以强调。

需要指出的是，对城市、区域或地块现状水文情况分析的全面性和深入程度是准确了解城市现状雨洪管理突出问题、制定合理目标的关键，因此其对于水文单元的设计构建至关重要。通常包括了城市或区域流域划分、产汇流过程模拟分析、区域内河道行洪过程模拟等。

2.2 景观单元

景观单元以水文单元为基础框架，运用景观设计元素对各措施加以外化和展示，在保障甚至强化雨洪管理功能的前提下，丰富雨洪管理措施的外在形式，赋予其地域性特点。换言之，城市生态化雨洪管理利用系统的生态性主要通过景观单元加以实现和具体化，是不同城市或地块地域特性的载体。

需要指出的是，传统的雨洪治理思路和方法仅关注水文调节功能的实现，而将生态系统分割在外，不同地域的水文化内涵更无从谈起。生态化雨洪管理系统尝试借助地形、植物、材质、空间等景观要素实现对城市水循环、水生态乃至水文化的融合和集中体现，跨学科、多领域地对雨洪控制利用所有相关子内容进行综合协调和融合，这也是雨洪控制利用的最佳方式。

2.3 规划单元

规划单元介于水文单元和景观单元之间，一般由城市用地性质、道路交通系统模式、空间布局结构以及文化背景等城市规划层面的相关内容组成，是水文管控过程或模式的空间载体，决定了各单项雨洪措施在空间中的位置、规模，同时作为风景园林设计的上游环节，它还是景观单元外在形式的基底，决定了各景观要素的设计风格和地域特点。

生态化雨洪管理利用系统构建的复杂性、模糊性以及相对性[4]集中体现在这一环节中。与水文单元关注的汇流速度、径流量有所不同，规划单元中涉及的大部分与城市规划相关的内容或要素不易于量化。各因素的影响程度不同，且影响因素权重值的确定亦存在较大的主观性和不确定性。而且因城市空间布局的多变性，各单项雨洪措施类型形制的选择、尺度的确定不仅是一个复杂的决策过程，而且难于直接推广。

3 城市生态化雨洪管理系统构建的方法和途径

3.1 基础内容

城市生态化雨洪管理系统构建的基础内容是建立在城市水文信息获取的基础上，并涉及城市中的用地性质、空间组织方式等城市规划层面的要素。其关注城市水文过程与城市用地情况间的相互联系及影响，进而为下一步城市水文循环过程数学模拟模型的建立做准备。具体内容如下。

3.1.1 数据采集与筛选

图1 城市生态化雨洪管理系统构建的体系框架模式图

区域尺度上，搜集汇总区域内的降雨资料、蒸发和下渗情况、地下水资源情况。将用地图、地形图、下垫面情况、排水管线布局图及其竖向设计等转换成计算机兼容的数字形式。场地尺度上，了解获得河道、湖泊典型年的洪水过程线，平水年、枯水年的水位、水量情况；河道、湖泊的水源；河道沿线汇水口、分水口位置和流量、泵站的运行方式以及水质指标等。从河道以往的防洪规划设计报告中读取河道、湖泊断面信息。若无相关信息，建议组织河道测绘，掌握间距在100～500m之间的各断面情况，同样转换成计算机可兼容的数字形式。

3.1.2 流域划分

城市流域划分包含2个层次。宏观层次依据城区总体地形地貌进行自然流域划分。传统自然流域的划分方法是根据地形图上的等高线进行人工勾绘。随着地理信息系统的发展，数字高程模型在地形地貌描述中的应用越来越广，可利用ArcGIS软件从DEM数据中提取流域数字河网，进行自然流域划分，并获得平均坡度、汇流长度以及流域面积等要素信息。由于城市主要依靠地下排水系统汇集、排泄雨水，因此在宏观自然流域划分的框架下，还需在微观尺度上依据场地内的地下排水管线布局进行人工子流域划分。

3.1.3 用地分析与公众调研

对城区内各子流域的用地性质、硬质化程度、建筑密度、绿化率进行统计，并结合对相应地块内涝情况、雨洪问题的公众调研结果，了解其中布设生态化雨洪管理措施的需求和潜力，并对各片区进行归类。

3.2 技术内容

3.2.1 产汇流分析

为城市生态化雨洪管理系统构建提供规划设计依据的产汇流分析，其关注的核心是城区各子流域内地面汇流洪峰流量与管道出流洪峰流量的差值，以此判定各子流域的积水情况，推求各子流域的平均积水时间、积水量、平均积水深度等指标。通过比较各子流域积水时长、积水深度，将城区各子流域按照内涝严重程度的不同划分为若干等级，最终为雨洪措施的类型、形制、位置的选择和尺寸的确定提供依据(图2)。

3.2.2 河道行洪排涝能力评估

河道是城市防洪排涝的重要通道，是城市生态化雨洪管理系统中的重要末端环节之一，彼此联系紧密。因此准确评估和掌握城市河道行洪排涝能力，对于城市生态化雨洪管理系统的构建至关重要。评估内容涉及水位过程线、河道壅水高度、流速变化模拟，以及桥梁、堰等水利工程对河道水面线的影响等，其中最基本的是对河流水面线的计算与模拟。HECRAS(Hydrologic Engineering Center's River Analysis System)软件由美国陆军工程兵团水文工程中心开发，包含多个一维水力分析模型，适用于河道稳定和非稳定流的一维水力计算，水面线模拟能力突出[5]。设计者可根据研究基础阶段获得的河道水系断面、地形、水闸、泵站和调蓄水域信息，利用HEC-RAS软件构建目标河段的行洪排涝模拟模型。在此基础上，以河段沿线洪涝水汇入、排出位置、流量和水利控制工程布置作为模型边界，依据理论经验和模拟复核设定模型参数，根据不同设计暴雨标准加载模型初始运行条件，获得目标河段的水面线及其他相关模拟结果(图3)。模拟结果对于河道自身的设计形式、生态化雨洪管理系统近河区域的规划设计具有重要的指导意义。

3.3 关键内容

3.3.1 生态化雨洪管理系统的流程设计

在产汇流分析和河道行洪排涝能力评估的基础上，可以准确了解城市或区域现状雨洪管理问题，明确生态化雨洪控制利用目的，进而提出生态化雨洪管理系统的针对性设计。典型的系统流程有雨洪调蓄、促进下渗、径流污染控制、综合目标控制等(图4～7)。

但是，一方面，单项生态化雨洪措施应用于不同的管理系统中，其所承担的功能存在差异，例如植草沟多作为一种雨水传输的线性装置，但在用地紧张的区域，经过改造也可以兼顾初期过滤沉淀、渗透减排的作用；另一方面，受场地条件的制约，包括场地降雨、地下水位、下垫面情况等，相同雨洪措施所能发挥的功效存在较大差异。这些都给生态化雨洪管理系统的流程设计提出了难题，要求对各单项措施、管理模块灵活运用，尝试多样化组合流程，以适应不同场地条件。在有些地区需要进行先期模型实验，以对规划设计的系统流程进行校核验证。

3.3.2 生态化雨洪管理措施的构造设计

水文分析和河道行洪排涝能力评估的结果表明了城区现状雨洪管理的薄弱点(如城内内涝区域)以及欠缺程度(如内涝程度、面源污染程度)。这些信息表明了实施生态化雨洪措施的位置和问题所在。

但是往往现状用地情况制约着雨洪措施的“落地”，主要包括用地性质、空间规模、地形坡度等。在类似情况下，设计者应在遵循雨洪自然水文过程的基础上，对雨洪措施的类型、形式加以调整，借助风景园林设计手法灵活处理、巧妙设计。

例如植草沟，其纵向坡降有较为严格的限制要求，允许值在0.5%～3%之间，且沟内水流速度一般不允许超过0.5m/s，以避免流速过快造成侵蚀。但若由于场地地形或可利用长度限制导致草沟坡降大于3%，则可通过沿线设置小堆石坝控制流速，也可在沟底散布碎石、木屑，增加糙率，减缓流速，丰富景观效果。在用地紧张的商业区，可将蓄水池与常见的旱喷地下结构相结合等。因地制宜的设计要求给生态化雨洪措施的景观效果带来了多种可能[6-7]。

此外，需要指出的是，如若内涝区域的现状用地情况限制了本区内生态化雨洪措施的落地及功效发挥，可将工作重点向内涝区域的上游区块迁移，减少上游区块雨洪径流亦可起到缓解本区雨洪管控压力。

4 福州江北城区生态化雨洪管理系统构建

4.1 福州江北城区概况

图2 产汇流分析流程

图3 河道行洪排涝能力模拟流程

图4 雨洪调蓄流程

图5 促进下渗流程

图6 径流污染控制流程

图7 综合目标控制流程

福州江北城区位于福州盆地的中心地带，西北东三面群山环抱，南临闽江北港，是福州市主城区和政治、经济、文化中心。但该区在水文环境上北受山洪威胁，南有海潮托顶，内有自产径流，城区排水压力很大。随着城市化进程的加快，区内硬质化率大幅提高，原有的河流、坑塘被部分填埋，管网改造跟不上城市发展步伐，暴雨产汇流时间不断缩短，洪涝水量大幅增加，城市水文过程和功能严重丧失，许多重要地段“逢雨必涝”现象突出[8]。基于此，改善福州江北城区水文环境、降低内涝灾害发生概率已成为福州市“十二五”规划的重点[9]。结合福州城市环境建设，借鉴国外雨洪管理理念，对福州江北城区生态化雨洪管理系统的构建进行深入探讨，可为江北城区水文自调节能力的恢复、城区内涝问题的缓解提供科学、系统化建议。

4.2 福州江北城区水文环境分析

福州市江北城区可划分为白马河、晋安河、凤坂河、浦东河和光明港5个流域，将各流域进一步划分为若干排水分区。采用推理公式法对各流域的排水分区进行产汇流计算，即由柯尔皮茨公式计算汇流时间，用暴雨公式进行不同历时暴雨间的转换，利用洪峰流量推理公式求出洪峰流量，以及暴雨产生的洪量(注：由于城区汇流速度较快，一般在几分钟到几十分钟，故可认为最大1h降雨出现时间即为地面径流峰出现时间)。然后，根据各排水分区的管网出流条件，计算管道出流过程。通过对各子片区的地面汇流和管道出流洪峰流量进行比较，最终获得各流域排水分区的平均积水时间和积水量[10](图8)。

由此可见，5年一遇标准下，积水时间超过10h的排水分区有白马河流域b4，凤坂河流域f5，晋安河流域j9、j17、j18及浦东河流域p4。此外，利用HEC-RAS软件模拟了5年一遇设计降雨标准下，江北城区各河道水系的淹没情况。河道淹没和道路积水均主要集中在晋安河流域五四路、华林路附近(图9)。

4.3 福州江北城区生态化雨洪管理系统的构建

根据江北城区不同流域的水文环境特点进行生态化雨洪管理系统的针对性设计。从图10中不难看出，晋安河流域内涝问题突出，流域内河流特别是上游河段过流能力不足，“堵塞”现象严重。因此该流域内的生态化雨洪管理以调蓄为主要目标，采用雨洪调蓄流程。而凤坂河、浦东河流域为工业区，径流污染河道问题显著，故该流域内的生态化雨洪管理系统以径流污染控制流程为核心。白马河流域经过近年的环境整治，河道防洪排涝能力提高，景观环境改善。上游西湖作为江北区重要的市民活动空间，其右侧内涝片区的雨洪管理系统应兼顾径流污染控制和调蓄功能。由于文章篇幅的限制，本文仅以晋安河流域为例，阐述该流域内的雨洪管理系统构建。

图8 5个流域各排水分区的积水量[10]

图9 5年一遇标准下江北城区水文环境

晋安河流域调蓄型生态化雨洪管理系统(图10)，以“源头为先，全过程跟踪”为规划设计理念，流域内大面积居住区内散布的诸多小型绿地为生态化雨洪调蓄系统的构建提供了基础条件。由于流域上游河流水道密集，在雨洪调蓄基本流程的基础上还增加了盲肠河段滞留雨洪和行洪河段与雨水花园结合的模块设计。针对晋安河流域现状构建的雨洪调蓄系统具体内容如下：1)针对流域内上游河道受城区产汇流影响，5年一遇暴雨标准下大范围淹没的问题，在流域内上游片区(j1、j2、j3)布设生物滞留池、地下储水箱以及景观水池等，并建议新建楼宇增建屋顶花园、竖向绿化，从源头滞纳雨水径流，减少下游压力；2)由于湖前河下游、树兜河、五四河单侧有可利用空间，建议单侧退堤，扩大河道断面，塑造复式驳岸，在提高防洪排涝能力的同时增加沿河绿道走廊，辅以湿生植物种植净化水质；3)针对流域内琴亭河、华林河、龙峰河及淌洋河4条盲肠河流坡降低、水流不畅的特点，提出清淤后置换底泥、置石曝气、种植功能性植物的设计建议，赋予这类隐藏在密集居住区后的河段滞纳洪峰、净化水质的功能；4)考虑晋安河流域内j17、j18片区积水严重的问题，沿晋安河自上而下分别利用高架桥下空间、片区现状水域以及晋安河与凤坂河交口处的规划绿地营建面状雨水花园。在滞纳雨洪、解决片区积水问题的同时，改变晋安河直线石砌沟渠面貌，塑造丰富自然的河流系统。j9片区由于没有足够集中空间来建雨水花园，故该区做法与j1、j2等上游片区相同。

图10 晋安河流域生态化雨洪管理系统

5 结语

本研究通过对水文、规划、景观三要素在生态化雨洪管理系统中的内在联系进行分析和整合，提出城市生态化雨洪管理系统构建的方法和技术途径。研究显示：水文过程模拟分析结果直接决定了生态化雨洪管理系统的设计目标和策略，但目标与策略的落地实施却受到规划系统的限制或启发。面对雨洪管理的功能需求和城市空间制约的现实条件，景观中多样的设计元素、功能空间和表现手法，可将雨洪措施与城市景观融合起来，不仅提高了雨洪管理措施在复杂、拥挤城市空间内的可实施性和可推广性，而且有助于城市绿色与灰色雨洪管理设施的耦合联动，对于城市生态环境建设、防灾减灾及水资源供需矛盾的缓解具有极高的价值。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。

致谢：感谢清华大学建筑学院刘海龙老师依托福州江北城区内河水系整治与人居环境研究项目对本研究的指导。