山地小城镇多尺度雨洪管理研究——以彭州市为例

刘恩熙 王倩娜 罗言云

中国山地城市众多且大多都属于中小型城镇，其地质地貌复杂、气候环境多变、生态敏感脆弱，山洪、崩塌、滑坡、泥石流等突发性山地灾害频繁发生[1]。随着近期山地旅游的大力开发建设，众多山地小城镇依托当地独特景观资源发展旅游业，但在开发时片面追求开发速度与经济效益，缺少对山地特殊环境要素特征的系统性分析，导致当地水环境生态失衡，排水防涝压力超出负荷，雨洪等自然灾害频发。山地小城镇的雨洪灾害与诸多水问题发生的本质原因主要体现在水生态系统的整体功能失调，而水环境与水生态问题是跨尺度、跨地域的，是系统性、关联性、综合性的问题[2]，解决出路并不只是在于河流、水体本身，更在于水体之外的环境。因此雨洪管理也必定是跨尺度的，其体系构建需不同尺度的承接与配合。

1 研究背景

韧性（resilience）最早由克劳福德·斯坦利·霍林（Crawford stanley Holling）引入生态学学科，他将生态韧性定义为生态系统受到干扰后恢复稳定状态的能力，并提出系统具有多重平衡模式[3]。2002年“城市韧性”被引入城市防灾研究中，近年来在生态学、社会学、灾害学、城市规划学等领域有了广泛应用[4]，在城市水系统中主要强调洪水风险的管理，提升城市水系统韧性被认为是提升城市生态韧性的关键。生态韧性强调变化中的持续性，利于培养城市对洪水的适应性，更适合雨洪管理体系的构建。为了长期适应防洪需求，城市的雨洪管理需向韧性雨洪管理转变[5]，例如澳大利亚水敏感性城市设计（Water Sensitive Urban Design, WSUD），就是强调城市自然水循环过程，以提升应对城市内涝的韧性。中国于2013年首次提出“海绵城市”，指城市像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具备良好的韧性，以应对雨洪灾害与水环境问题，提高城市承洪韧性，实现对雨水有效吸纳、储蓄、渗透、净化以及可持续利用，达到城市雨水可持续综合管理的需求[6]。

目前国内学者多是从不同尺度和维度对山地城市洪涝的成因、总体城市规划、工程性与非工程性设施规划以及技术模型模拟验证等方面出发，通过运用地理信息系统（ArcGIS）、暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model, SWMM）等软件对山地城市的降雨排水进行模型构建模拟，以展开山地城市雨洪的量化研究。如丁兰馨[7]将海绵城市体系建设与山地城市相结合，以重庆市为例，提出山地城市雨洪管理体系；黄敏[8]从健康水循环视角研究山地城市雨洪调控技术；李云燕、赵万民等[9]提出了西南山地城市雨洪灾害防治多尺度空间的规划研究。而山地小城镇的雨洪管理研究较少，目前多是基于排水工程规划层面的山洪防治措施建议，如高均海等[10]根据山地小城镇特点分析了排水防涝存在的主要问题和影响因素，从构筑防洪工程、构建城镇水系、加强管网建设、重视竖向规划等方面提出了山地小城镇的海绵建设要点；周飞祥等[11]利用SWMM对山地小城镇开展雨洪淹没动态模拟实验，达到实现管网布局优化、构建可持续排水系统等目的。

总体而言，山地小城镇在职能特征的划分、地貌特征和集镇布局上较山地城市更复杂，一般依山就势而建，其多具地势高、坡度陡、水系交错密布等特点，易形成潜在的孕灾环境，地表结构平衡也易受到砍伐植被、开山采石等人类活动的影响；经济基础薄弱、建设规模小，雨洪管理技术相对粗放，缺少防洪防涝专项规划，水利工程和排水管网的建设受标准限制，暴雨时难以起到调蓄作用。目前山地小城镇的雨洪管理研究多强调排水工程类措施建设，缺少生态基础设施的结合应用，且研究尺度和规模较为单一片面，因此山地小城镇雨洪管理技术的研究亟待加强和完善。

本研究旨在解决山地小城镇与雨洪灾害频发的内在矛盾，明确山地小城镇安全生态要素及其构成的不同尺度空间载体与韧性的内在联系，提高雨洪调蓄能力和承洪韧性，增强抵抗雨洪的内部动态平衡能力，提出了多尺度环境下雨洪的调控措施与策略，并以四川省彭州市、彭州市湔江龙门山镇河段、龙门山镇场镇为例，展开案例应用研究。

2 研究方法

借助ArcGIS、水土评价模型（Soil and Water Assessment Tool, SWAT）、SWMM等工具，结合层次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP）、径流曲线模型（Soil Conservation Service,SCS）等理论基础，以宏观尺度空间下的海绵生态敏感性评价分析、中观尺度空间下的水文过程模拟、微观尺度空间下的地表径流过程模拟为依托，判析出山地小城镇的水文特征与雨洪灾害发生机制的关键性问题，从宏观、中观、微观尺度依次推衍出海绵安全格局构建、汇水网络布局、海绵设施调控的雨洪管理措施与策略。

基于海绵城市建设视角下的生态敏感性分布规律，构建不同安全水平的生态安全格局；进一步针对低安全格局内重要流域进行水文模型构建，分析各汇水单元地表径流量等参量，梳理水系结构；最后通过控制子汇水单元内场地在不同暴雨重现期下的洪峰和径流效果，因地制宜布设海绵设施，构建场地海绵网络景观体系。依据韧性理论，通过建立内部系统的适应性网络机制，进行自我防洪功能的及时调动和补充，以达到雨洪管理的目的。各尺度技术路线如图1所示。

1 技术路线图Technical roadmap

2.1 宏观尺度：基于AHP的海绵生态安全格局构建

中国城市规划设计研究院等联合编制的《对海绵城市专项规划的若干认识》[12]明确提出，在海绵空间格局构建中，海绵生态敏感性分析是海绵城市规划的科学基础，可指导海绵城市开发建设布局。目前因雨水开发系统化难度较大，相关研究多基于有关生态敏感性分析的定性评价指导水生态格局的构建[12-14]。本研究首先建立生态敏感性评价体系，采用AHP、专家打分法与加权叠加法，对各敏感因子赋予权重，再通过ArcGIS进行空间叠加，获得综合生态敏感性评价结果与分布规律。其次基于分布规律构建生态安全格局，判别出对水源保护、洪涝调蓄、水质管理等水生态功能有重要影响的安全生态要素，明确各要素间关系及其空间位置，建立等级分明的安全格局，并针对不同安全水平的安全格局提出韧性雨洪管控策略，指导山地小城镇的海绵城市建设，同时为后续中观、微观尺度的雨洪研究奠定空间基础。

其中，安全生态要素中的雨洪淹没区模拟分析结果是雨洪灾害风险评估的一个重要危险性因子指标数据，便于直观掌握区域暴雨内涝风险状况，识别出内涝灾害易发区和流域周边高风险区[15-16]。通过SCS计算曲线数值（Curve Number, CN），得出不同降雨重现期的径流量，并借助ArcGIS模拟得出暴雨内涝积水淹没范围，来实现洪涝风险区划分与雨洪淹没的模拟分析。

2.2 中观尺度：基于SWAT的汇水网络布局

以“流域—子流域—水文响应单元”空间结构模拟构建低安全格局区域的水文过程，基于数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）栅格数据，借助SWAT模拟下垫面水文过程[17]，依据土地利用布局、土壤类型、水文气象等数据，生成流域河网、划分出子流域以及流域边界，生成水文响应单元（Hydrologic Response Units, HRUs）。通过分析HRUs内的水文参量，探索雨洪灾害发生与各汇水单元要素之间的内在关系，综合性解决区域内的水土流失、水量平衡、生态斑块失联等问题，促进自然环境与水系网络的高度耦合，组织优化汇水网络空间的整体布局，构建更加利于排洪防灾的汇水网络结构。

2.3 微观尺度：基于SWMM的径流控制

针对汇水单元中雨洪灾害发生频次较高的流域两侧的集水单元，进行海绵技术应用的细化研究，实践小尺度场地雨水调蓄的海绵设施设计。通过SWMM对不同暴雨情景下场地内“降水—径流”动态过程[18]进行模拟，分析场地降雨径流和管网排水系统中超载管道及溢流节点等情况。以子汇水区为基本研究单元，结合场地下垫面条件和用地功能分布情况，依据海绵设施控制指标的计算取值，布设不同功能、不同渗透比的海绵设施，评估海绵设施布设后的雨洪调控效果。

3 案例应用——四川省彭州市

3.1 研究区概况

彭州市位于四川省成都平原的西北部，地形地貌较为复杂，市域内西北部为山地，中部为丘陵，东南部为冲积平原，呈阶梯状分布；市域总面积1 421 km2，其中山地面积664 km2、丘陵面积334 km2、平原面积423 km2，分别约占市域面积的46.7%、23.5%、29.8%；土地利用类型主要包括农业用地、建设用地和其他用地三大类，分别占市域总面积的36.2%、8.8%、5.0%。彭州市是典型亚热带气候，四季分明、夏季高温多雨，多年平均气温15.6℃，极端最高气温36.9℃，极端最低气温-6.2℃；平均年降水量998.7 mm，降雨主要集中于5—9月，约占全年降水的83.6%[19]（图2）。

2 彭州市行政区划图Administrative map of Pengzhou

龙门山镇是彭州北部山地旅游资源富集区，毗邻沱江上游三大支流之一的湔江。湔江处于暴雨区和暴雨区向盆地腹部的过渡地区，雨洪灾害频频发生，普遍集中在山地、小山丘、坡地等地势陡峭的地区。龙门山镇场镇位于龙门山镇中东部，紧邻湔江河谷，地处龙门山山前门户区（图2）。

从地理空间数据云[20]获取彭州市2019年7月、空间分辨率为18 m的数字高程模型DEM数据、30 m精度的Landsat 8卫星影像图。采用遥感图像处理平台（The Environment for Visualizing Images, ENVI）对卫星影像图作定标、校正和裁剪处理，得到彭州市遥感影像图；利用ArcGIS处理DEM数据，得到彭州市域市内的高程、坡度和坡向分析图；从地理国情监测云平台[21]获取全国土地利用数据，提取出彭州市土地利用分类图（图3）。

3 彭州市地理信息与土地利用分类图Geographic information and land use classification map of Pengzhou

3.2 宏观尺度：彭州市域海绵生态安全格局构建

3.2.1 生态敏感性评价指标体系的构建

生态敏感因子的选择秉承“关联性、独立性、可量化性”[22]的原则，以及通过相关文献[23-25]的分析参考，从自然条件、生态安全、社会经济3方面因素依次选取11个生态环境因子作为AHP指标层要素，并对单生态因子生态敏感程度进行等级划分（表1）。

表1 彭州市生态敏感性评价指标体系Tab. 1 Ecological sensitivity evaluation system of Pengzhou

其中，雨洪淹没区模拟分析流程为：1）基于彭州市DEM数据，通过GIS水文分析划分为23个汇水单元；2）参照《美国国家工程手册》[26]第9章和第7章AMCⅡ状态下的CN值检索表和分类标准，通过SCS模型确定CN值，再将土壤类型监督重分类；3）将土地利用重分类图与土壤水文分类图叠加赋予CN值；4）据成都暴雨强度公式[27]，设计历时60 min，计算出彭州市重现期为10年一遇、50年一遇、100年一遇（P=10 a、50 a、100 a）的降雨量分别为103 mm、124 mm、131 mm；5）计算不同重现期下各汇水单元的面积加权平均CN值，得出径流量和总水量，通过GIS体积模块进行雨洪淹没分析，得出雨洪淹没范围（图4）。

4 彭州市23个汇水单元的雨洪淹没区图Flooded area of 23 catchment units in Pengzhou

3.2.2 综合水生态敏感性评价

为保证权重赋值的合理性，邀请风景园林从业者，生态学、风景园林学等相关专业专家12名进行问卷打分，通过AHP法，按照主观经验与客观规律相统一的原则，将同一层指标构成比较矩阵，进行两两比较，结果通过了一致性检验，得出各层级评价因子的权重值和评价因子总权重表（表2）。

表2 评价因子总权重表Tab. 2 Total weight of evaluation factors

按表1～2对各因子进行分级及权重赋值叠加，获得3个指标层要素的敏感性评价图（图5）。三者赋值叠加后获得市域综合生态敏感性评价结果（图6）。

5 彭州市市域自然条件要素、生态安全要素、社会经济要素敏感性评价图Sensitivity evaluation map of natural condition, ecological security and socioeconomic factors of Pengzhou

6 彭州市市域综合生态敏感性评价图Comprehensive ecological sensitivity evaluation of Pengzhou

3.2.3 海绵生态安全格局的构建

基于市域敏感性分析结果，对其进行反向赋值并重分类，构建海绵生态安全格局。将极高与高敏感度、中敏感度、低与非敏感度区域，依次划分为低安全格局、中安全格局、高安全格局（图7，表3）。

7 彭州市市域海绵生态安全格局图Sponge ecological security pattern of Pengzhou

表3 彭州市域海绵生态安全格局的面积、划分依据Tab. 3 Area and division basis of sponge ecological security pattern in Pengzhou

3.3 中观尺度：湔江龙门山镇河段汇水网络结构空间布局

针对低安全格局内的湔江龙门山镇河段区域，通过建立水文模型，对湔江水系及其主要支流的汇水网络进行分析研究。

3.3.1 土壤数据库的构建

采用联合国粮农组织（The Food and Agriculture Organization, FAO）的世界土壤数据库（Harmonized World Soil Database, HWSD）中1∶100万土壤数据集[28]，在SWAT中构建彭州市土壤数据库，运用土壤水特性软件（Soil Plant Atmosphere Water, SPAW）计算饱和导水率。通过土壤侵蚀和生产力影响估算模型（Erosion-Productivity Impact Calculator,EPIC）[29]计算土壤可蚀性K值。

土壤水文学分组根据表层土壤的渗透属性分为A、B、C、D型[30]。参考《SWAT用户手册》[31]和彭州市土壤分类相关文献[32-34]，得出基于饱和导水率的土壤水文分组，土壤属性参数参照FAO1990土壤分类系统。

3.3.2 水文响应单元的生成

通过DEM流向分析生成流域河网，指定关口水文站为该研究区流域出口，生成流域边界，完成子流域参数计算（图8）。

8 湔江流域分布图Distribution of Jianjiang River Basin

3.3.3 输出变量分析

子流域参数计算完成后，对每个子流域内土地类型、土壤类型以及坡度进行重分类，将三者叠加即刻生成HRUs，阈值大小参考李硕[17]、刘闻[30]等取值10%，最终生成36个流域、36个子流域和192个HRUs。

HRUs分布建立完成后，载入气候预报系统再分析（Climate Forecast System Reanalysis,CFSR），其全球大气分辨率约为38 km，时间序列为1979—2014年36年期间耦合状态的最佳估计值[35]；同时将2008—2017年彭州关口水文站湔江实际监测的月径流量和月降雨量数据，作为补充和变量参照，最后运行模型。模拟时间步长以月为单位，输出时间段选择2016年1月1日—2017年1月1日。由于当地每年7月的降水量和流域流量最大，雨洪发生频次高，选择2016年7月的HRUs进行输出参量的可视化分析（图9）。

9 HRUs输出参量的可视化分析图Visual analysis diagrams of output parameters of HRUs9-1 HRUs产生的地表径流量Surface runoff generated by HRUs9-2 从HRUs进入主河道的总水量Total water flow from HRUs to the main channel9-3 HRUs的土壤流失量Soil loss of HRUs

结果表明：龙门山镇境内的白水河与金河、湔江以及白鹿河等流域两侧的地表径流量较大，土壤流失量较严重，普遍集中于土层较薄、裸岩地块与中低度覆盖度的草地与林地。主要原因在于龙门山镇山脉海拔落差大，上游地表破碎、季节性冲沟众多，雨水降落地表形成大量径流后快速朝地势较低的山间河谷汇集，诱发洪涝灾害，威胁河岸的乡镇和农田。

3.4 微观尺度：龙门山镇场镇海绵网络景观体系构建

3.4.1 地块概况

场镇位于彭白路以东，湔江河谷以西，地形地貌为狭长形带状空间，东西向呈台阶状，局部有台地高差，紧邻彭白路有高差约30 m的山坡，高差较大（图10）。总面积为12.8万m2，其中不透水面积为9.2万m2，占总面积的71.69%，不透水地表为混凝土与沥青等硬化道路、建筑屋面等。场镇不透水地表占比大，地表可下渗量少，周边地形高差大、坡度陡峭，雨水排放环境亟须重点改造。

10 场镇总平面图General layout of the site

3.4.2 场地雨洪模型的建立

根据成都市暴雨强度公式[27]设计场地2 a、5 a、10 a的降雨情景，参照傅新忠[36]、张大伟等[37]的经验取值，降雨历时t设为120 min，雨峰系数r一般都在0.3～0.5之间，r取值为0.4。场镇下垫面经概化后有管渠10条、汇接点10个和排放口2个，子汇水区20个。地表下渗模型采用Horton入渗模型[38]，水文水力参数通过《SWMM模型手册》[18]及相关参考文献[38-39]取推荐值，最大入渗率为25.4 mm/h，最小入渗率为5mm /h，衰减常数为4，排干时间为7天，采用运动波模拟演算。

由模拟结果可知，随着降雨量增加，地表径流总量陡升至峰值后再缓慢下降，且峰值随着重现期的增加而呈现变大的趋势。遇到特大暴雨时极易造成节点溢流，加大管道负荷，使得排水口超过防洪标准线。因此亟须适宜的海绵布设来削减雨洪风险。

表5 LID调控前后综合模拟结果比较Tab. 5 Comparison of comprehensive simulation results before and after LID regulation

3.4.3 海绵方案总体规划设计

基于场镇下垫面条件，综合设施建设成本与景观效果的效益，参考《海绵城市建设技术指南》[6]中的低影响开发（Low Impact Development, LID）设施比选说明以及相关文献[38-40]，选择生物滞留设施、透水铺装、下沉式绿地这3种“源头滞留”的LID布设组合形式，并进行参数设置。

海绵设施控制指标以径流总量为控制目标时，设计调蓄容积须满足“单位面积控制容积”的指标要求，一般采用容积法，公式如下所示：

式中，V为单位面积调蓄容积，单位为m3；H为设计降雨量，单位为mm；ψ为综合雨量径流系数。

参照《成都市海绵城市规划建设管理技术规定（试行）》[41]，年径流总量控制率需达到70%，对应H为21.2 mm，依据雨量径流系数表[6]加权平均计算得出ψ为0.624，则V为132.288 m3。根据各自汇水区不渗透面积确定硬化面积调蓄容积，再依据LID设施控制指标要求，确定各LID设施占比。最后通过SWMM模拟以进行LID布设前后的效果对比。

3.4.4 模拟结果对比分析

最后将2 a、5 a、10 a 3种重现期下、LID调控前后的2个方案模拟结果进行综合对比（表4～5），可明显看出LID设施布设后，节点数和管渠超载情况都明显改善，地表径流和径流系数显著降低，最终地表蓄水增加。综合说明通过海绵调控，增加了地表下渗量，有效控制了地表径流，利于抗衡短时间内大量径流的产生，减少了城镇排水管网的压力，改善了场镇水文循环过程，降低了雨洪风险。

表4 LID调控前后节点积水与管渠超载模拟结果对比Tab. 4 Comparison of node ponding and pipe canal overload simulation results before and after LID regulation

4 雨洪管理措施和策略

4.1 宏观市域——安全格局构建

1）低安全格局实行生态保护措施。通过水源敏感区涵养、山体保护、绿地系统规划、管制山地旅游景区等措施，保护与修复区域生态系统，形成完整的山地小城镇生态基底，保障生态系统的稳定性。

2）中安全格局实行生态控制措施。管制湔江流域沿岸线的乡镇用地建设开发，规避水土流失严重的水敏感区；低山丘陵混合农林管制，鼓励退耕还林；纳入禁限建区范围，以限制城镇开发建设向北部山区的无序扩张。

3）高安全格局实行生态引导措施。规划城市绿地系统建设，界定绿线范围，协调组织绿色生态空间；建设新型生态乡镇聚居点，作为城乡统筹的示范区域；纳入限建区范围，可进行一定的开发建设活动。

4.2 中观镇域——汇水网络布局

以龙门山脉为背景，湔江流域为主脉，各支流为次脉，延伸至各绿色斑块形成蓝绿空间交织的生态网络。疏通河网障碍，连通水生态斑块，提高区域雨洪调蓄功能；对于裸岩地和低覆盖度的林地、草地等，培育生态保护林，增加地表入渗量；对湔江上游原垂直断面式岸线进行生态断面重建，打造台阶式或斜坡式断面[42]，减少岸线硬化率。

4.3 微观场地——海绵设施调控

海绵设施根据地块特征进行针对性、差异性地单一或组合式布设，从而增强可渗透表面对径流、汇流的滞蓄消纳作用，达到缓解下游径流控制压力、增强雨水管网的暴雨承载力的目的；同时注重海绵体系与景观的结合，达到美学、生态、功能兼具的效果。

5 总结与讨论

基于韧性理论，以多尺度空间下山地水文过程为依托，建构山地小城镇雨洪管理理论框架体系，并以实例论证的形式推衍出各尺度雨洪管控手段与方法，提出雨洪调控策略，实现不同尺度的承接与配合，形成多层次、系统化的山地韧性雨洪管理框架体系。

山地地区的雨水径流是一个复杂的系统，大多数据和参数需向有关部门申请批示才能获取，因此仅采用经验值参数设置，模拟评判结果会有一定误差。此外，雨洪管理是一个长期的过程，需长时间的雨水管理监测机制以验证模型运行的精度。因此本研究旨在直观化、可视化地比较模拟结果，对模型的参数率定和校准工作不做深入的评价验证。此外，后续的研究工作期望获得精度完善的基础数据，以提高模型精准度，同时加强水文学、地质学等知识的整合，考虑点源污染、农业生产污染等因素，将径流污染控制纳入分析。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

文中图表均由作者绘制；其中图2底图来源于彭州市地图，审图号：图川审（2016）027号；图10底图截取自百度地图（2018年8月18日）。