基于产汇流模拟分析的城市居住小区道路系统布局优化策略研究

杨冬冬 韩轶群 曹磊（加）布鲁斯·安德森

“十二五”期间，中国被调查的351座城市中80%的城市发生过不同程度的内涝灾害[1]。伴随城市快速发展[2]，硬化道路面积的激增成为导致洪涝灾害频发的内因之一。据统计，1981—2011年的30年间，中国城市建成区道路面积率从不足4%增长至13.8%[3]；而中国大城市典型街区中，道路面积率（包含公共道路和内部道路）已达到36%[4]。因此，如何在城市道路建设稳定增长的同时，又能够缓解路面增加而造成的过量雨水径流问题已成为中国城市雨洪管理的难点。

空间布局对于城市雨水的产汇流过程具有结构性作用。研究已表明：优化绿地布局利于海绵城市建设[5-6]。而道路作为城市硬化下垫面最主要的组成要素，其布局对城市洪涝灾害的影响贯穿整个水文过程中，但相关研究较少。本研究聚焦居住小区道路布局，通过量化不同降雨强度下居住小区典型道路布局模式与其产汇流过程间的关系，明确不同道路布局模式对产流量、汇流量、汇流速度的影响，进而提出以雨洪韧性提升为目标的小区道路系统布局优化策略。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

从天津市中心城区20世纪90年代后建成的居住小区中筛选出46个道路布局模式特点清晰且路网密度和道路面积比相似性高的居住小区为样本。参考Southworth[7-8]等提出的居住小区道路分类方法，将样本划分为网格型、尽端型、环型3种模式，其数量占比分别为60%、25%、15%。调查中还发现，道路环型结构常与网格型或尽端型结合，形成环网型和环尽型，在调研样本中数量相近。

上述4类道路模式和代表案例信息如图1、表1所示。网格型小区道路平面上呈现横纵交叉的网格形态，网格四周由交叉互通的道路围合；尽端型小区道路网络中存在较多单向的、不回环的断头路，道路间连通性较差；环型道路布局具有明显的环型结构，作为主干与其他道路连接。环网型由作为主干路的环型结构和作为附属部分的网格结构组合而成，道路间交叉互通；环尽型则由环型结构与尽端路组成，除与主环连接的部分外，大部分道路呈不回环特性。

1.2 研究区域降雨情况

天津市地处华北平原，海河支流汇流处，四季分明，年均降雨量574.9 mm。中心城区2年一遇24 h降雨量为89.0 mm，10年一遇24h降雨量为166.8 mm。另据气象记录，近10年该市每年都会遭受单次降雨150 mm以上的重大暴雨事件（图2）。

1.3 研究方法

1.3.1 图像数字化技术及典型居住小区空间信息概化模型提取

天津典型居住小区概化模型由住宅建筑、住宅组团级道路（3～5 m）以及绿地组成。假设住宅建筑均为6层普通居民楼，规模为常见尺寸75 m×15 m×20 m；道路为4 m宽的住宅组团级道路；绿地占据场地内除建筑和道路以外的全部空间。

概化模型提取过程包括3步。1）确定居住小区概化模型的面积规模。天津中心城区居住小区面积多在16 hm2左右，故概化模型为400 m×400 m的正方形场地。2）提取路网布局。采用图像数字化技术，以小区卫星影像为对象，提取道路矢量空间布局信息，选取能够反映居住小区道路布局特点的“长短边特征值”“平均长宽比”“平均路网密度”“交叉点比值”“环面积比”等作为描述居住小区道路平面形态的几何参数。利用ArcGIS，分别计算分属4类道路布局模式的46个居住小区路网的几何参数，获得不同道路布局模式的空间几何指标（表2），据此在400 m×400 m正方形场地中绘制4种路网模式的概化模型，并进一步采用网络分析法，利用表示拓扑关系的道路指数连接度指数J、回路性指数α、节点通达度β验证模型的准确性。3）确定居住小区内建筑的空间布局。参考GB 50180—1993《城市居住区规划设计规范》，6层住宅楼的楼间距最小为9 m，侧面楼间距最小为6 m。以排布最多建筑数为原则进行建筑空间布局绘制。最终获得网格型、尽端型、环尽型和环网型居住小区的概化模型（图3）。

表1 部分居住小区基本情况表Tab.1 Basic information of the investigated communities

表2 居住小区道路布局概化模型的几何指标Tab. 2 Geometric indicators of community road layout generalized model

1 4种典型居住小区道路布局模式Four typical road layout modes in communities

2 天津24 h设计降雨雨型分配[9]24-hour design rainfall distribution map in Tianjin [9]

由概化模型可知，不同道路布局模式的道路密度不同。但由于相同场地中较少的道路面积可以产生较多的建筑占地，故4个场地内总硬化面积差异较小，场地综合径流系数值相近。

1.3.2 SWMM产汇流过程模拟技术及典型居住小区水文过程模拟模型建立

暴雨洪水管理模型（storm water management model，简称SWMM）是美国环境保护署（EPA）开发的动态降水—径流模拟模型，广泛应用于城市某单一降水事件的水文过程模拟[10-12]。

为便于横向比较，研究为概化场地的水文过程模拟设定了相同的地形水文条件：

1）模型地势北高南低，中部轴线沿线低而东西边缘线高，其中南部边缘中心点高程最低，设为整个场地对外的排水口，其高程设为基准点。南北与东西两侧坡度均为0.1%（图4）。

2）设定模型场地内非道路区域地势高于道路地势；道路路牙高度为0.1 m。

3）模型中曼宁系数取值分别为不渗透性粗糙系数0.012，渗透性粗糙系数0.6，渗入参数均选用horton算法。

4）聚焦道路布局对产汇流过程的影响，不考虑雨水管网信息，且各模型硬质化率相同，综合径流系数值相近。

基于以上设定，建立典型居住小区水文过程模拟模型（图5）。

上述4种道路布局SWMM模型的连续性误差均在允许误差区间内，故上述模型模拟结果可信。

2 模拟结果分析

2.1 10年一遇暴雨工况

10年一遇24 h降雨情况下，产汇流过程模拟结果显示，4种场地的地表产流量均在2.59×106l地表产流量范围之间，这与4个场地综合径流系数相近直接相关。在产流总量基本相同的情况下，分别对场地对外出流量、内部积水量以及汇流速度进行比较，探讨道路布局对居住小区产汇流过程的影响。

2.1.1 场地对外出流量分析

强降雨情况下，场地产流一部分向场地外排出，另一部分滞留场地内形成积水。在产流量相同的情况下，外部出流量越大，场地的排水能力越强，则说明强降雨情况下具有较好的适应性。笔者提出适应度指标，即外部出流量与场地总产流量的比值，来表征强降雨情况下4种道路布局的适应性。计算公式如下：

3 居住小区4种道路类型的概化模型Generalized models of four road types in communities

4 1 000倍放大效果的场地地形示意图Site topography diagram with 1,000 times magnification effect

5 居住小区4种路网布局的SWMM模型The SWMM model of four road system layouts in communities

6 4种道路布局内部积水节点与路段积水分布The distribution of water accumulation spots and road sections in four road layouts

表3 SWMM模型计算结果Tab. 3 The calculation results of SWMM model

式中，Fn为第n种路网布局类型的适应性指数，Vn外为场地外部出流量；Vn总为场地总产流量。

结果显示，4种道路布局概化场地的外部出流量排序为：网格型＞环网型＞环尽型＞尽端型，表明强降雨情况下网格型路网的排水能力明显强于尽端型，环型的排水能力处于二者之间。环网型与网格型二者的排水能力相差不大，相较之下，环型路网的加入可有效提高尽端型路网布局的排水能力（表3）。

2.1.2 场地内部积水情况分析

本文作者以节点积水指数和路段积水指数表征不同类型道路布局场地内部的积水情况。

节点积水指数反映道路交叉口处的积水程度。该值为正，说明该道路交叉口存在积水情况，数值越大则积水越严重；若该值为负，说明该道路交叉口不积水。计算公式为：

式中，Ei为第i个节点的洪流指数，Vi为第i个节点的进流量，Vc为第i个节点的出流量。

路段积水指数综合考虑路段积水时长和积水深度来反映路段积水情况。数值越大说明路段积水情况越严重。其计算公式为：

式中，Sn为路段积水指数，tn为路段n的超载时间，总降雨时长t0取24 h，Vn为路段n的积水量，V0为场地产流总量，a、b分别为路段积水时长和积水深度对居民出行影响程度的权重值。笔者假定上述两因素具有相同的影响程度，权重取值0.5。

在SWMM模拟结果基础上，计算4种概化场地中各路段和各道路交叉点的路段超载指数和节点流指数（图6）。

从积水点、路段的空间布局看，受地形影响，网格型和尽端型场地的积水集中于中部轴线；而环网型和环尽型的积水则集中于环型结构。进一步对网格型、尽端型中轴线上节点积水指数和路段积水指数与环网型、环尽型中环型结构上的指数比较发现，环型结构具有明显的“坦化效应”，可有效降低网格型和尽端型轴线上的排水压力，显著缓解强降雨条件下，积水对居民生活和出行的影响。

从积水点、路段的积水程度看，受累积效应影响，无论网格型、尽端型的轴线还是环网型、环尽型的环型结构，越靠近场地出水口的交叉点、路段其指标值越高，排水压力越大。节点积水指数和路段积水指数共同表明，环尽型数值最高，尽端型最低，环网型和网型数据居中。由此可见，环型结构具有缓解小区内部积水情况，同时加大小区对外排水流量的能力，并在与尽端型路网组合时作用突出。

7 10年一遇降雨事件下模型排放口流量Model discharge outlet flow diagram under a 10-year rainfall event

8 中小降雨事件下（30.4 mm降雨）模型排放口流量Model discharge outlet flow diagram under the light and moderate rainfall event(30.4 mm rainfall)

表4 10年一遇降雨事件下模型汇流特征Tab. 4 Model runoff concentration characteristics under a 10-year rainfall event

表5 中小降雨事件下模型汇流特征总结Tab. 5 Model runoff concentration characteristics under the light and moderate rainfall event

2.1.3 汇流速度分析

以场地排水口处的峰值大小、峰值起始时间和峰值持续时长为指示指标，表征场地道路的汇流速度。模拟结果显示（图7、表4），峰值大小方面，网格型的峰值流量明显大于尽端型，且环型结构的加入对峰值大小的影响较小；峰值起始时间方面，尽端型最早出现峰值，网格型和环网型滞后；峰值持续时长方面，则尽端型＞环尽型＞网格型＞环网型。由此可知，强降雨条件下，网格型道路布局不仅能够延缓峰值流量的出现，而且一旦达到峰值流量，可以较大的出流流速在较短的时间内完成外排水过程，表现出较好的雨洪管理弹性。此外，模拟发现，环型结构无论与网格型还是尽端型路网叠加均表现出减少峰值持续时间、延缓峰值出现时间的作用。

综上所述，在强降雨条件下，相较尽端型布局，网格型布局具有对外排水量大、排水速度快的特点，利于减轻场地内部排水压力；而环形道路结构因具有坦化场地内部排水压力的特点，无论与网格型还是与尽端型路网结合，均具有增强场地雨洪管理弹性的作用。

2.2 中小降雨工况

以天津市80%年径流总量控制率对应的设计降雨强度30.4 mm作为常降雨工况进行SWMM模拟可知，4种道路布局概化场地的地表产流量均在0.417×106l范围之间，且地表产流量与外部出流量相等，即内部积水量为零，场地内不存在积水现象。4个模型出水口峰值流量大小排序为：尽端型＞网格型＞环尽型＞环网型（图8）。

进一步对道路汇流速度进行比较（表5），峰值起始时间方面，各类型间差异很小。而在持续时长方面，峰值持续时长排序为，环网型＞环尽型＞网格型＞尽端型。环型结构的加入，可有效延长网格型和尽端型道路布局场地峰值持续的时长，即可以较低的峰值流量在较长的时间内排除，滞水效果较好，为中小降雨强度下“渗”“滞”“净”等低影响开发雨洪管理策略创造了条件和可能。

综上，中小强度降雨条件下，网格型和尽端型道路布局对场地产汇流过程的影响差异很小。但是环型结构无论与网格型还是与尽端型路网的结合，均具有促进雨水滞留场地的效果，为雨水径流的“就地处理”创造了有利条件。

3 雨洪韧性提升导向下的居住小区道路系统布局优化策略

3.1 新建居住小区道路系统布局的优化策略

1）新建居住小区的道路系统布局尽可能采用环网型，融合“小社区、密路网”的建设模式，增大城市中环型、环网型居住小区比例；2）鉴于环网型布局结构在强降雨情况下，外排水量大的产汇流特点，建议环网型居住小区对外排水口处应配置与排水需求相符的排水管道或泵站；3）环网型居住小区，应充分利用环形结构沿线的可利用空地，布设分散化雨洪管理措施，包括灰色与绿色基础设施。绿色基础设施利于中小降雨强度下促进雨水滞留、净化、下渗；灰色基础设施可在强降雨情况下收集过量雨水径流，降低出水口排水压力的同时以备它用；4）在城市中密集的居住区内，少量居住小区可采用环尽型。在强降雨情况下，环网型与环尽型峰值出现时间和峰值时长的差异，可有效降低大规模居住区给城市排水管网带来的排水压力。

9 尽端型路网（利德公寓）布局平面改造The layout transformation for the cul-de-sac type road network

10 居住小区主路断面改造The transformation of the main road section in community

3.2 城市既有居住小区道路系统的优化策略

3.2.1 平面布局改造

针对尽端型道路布局的既有居住小区，建议尽可能充分利用小区道路绿地、闲置空间构建绿色环型结构，提高尽端型居住小区的雨洪管理韧性（图9）。

3.2.2 道路横断面改造

居住小区主路排水压力大，而支路排水压力较小，且其排水能力未得到有效发挥。故提出“主排次滞”的改造原则，主干路可以采用加大排水坡度、道路两侧设置排水沟的改造方法（图10）；支路则贯彻“路牙断接”策略，降低道路沿线局部绿地高程，促使道路径流汇入两旁绿地，进行滞留下渗处理。

4 讨论与展望

居住小区道路系统的规划设计通常是一个在包含有“交通安全高效、雨洪安全、空间使用合理”的多目标权衡中优选出最佳方案的过程。规划设计者应根据具体项目中道路设计的具体需求、主要问题和特点等方面综合考虑，对不同目标下的布局方案进行比较、叠加和调整，从而获得多目标兼顾的设计方案。本研究为居住小区道路设计的雨洪安全管理提供参考，并将在今后的研究中，尝试将本模型与道路交通仿真模型耦合，以期为居住小区道路系统多目标设计提供更为全面的支撑。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1～10均为作者自绘；表格数据为作者整理。