灰绿雨水基础设施协同规划——美国山地城市匹兹堡“绿色优先计划”之借鉴

宫 聪

吴 竑*

胡长涓

1 城市更新背景下山地城市雨水管理挑战

山地城市由于地形地貌、建设布局和气象水文机制的复杂性与特殊性，较平原城市更易形成洪涝灾害。尤其是高密度且基础设施陈旧的老城区，雨天大量不透水地表所产生的径流往往超出排水系统的承受能力，导致内涝频发和雨污合流污染。由于对滞后灰色基础设施的整体升级复杂度高、造价高昂，且对城市生产生活扰动巨大，单纯依赖灰色基础设施更新已被证实不是最有效的雨水管理策略[1]。近20年间，由于小型分散式绿色雨水基础设施(Green Stormwater Infrastructure，GSI)除减排源头雨水、改善水质之外，还提供包括增加绿量、改善空气质量、减少能耗、恢复栖息地、提供休闲娱乐机会和刺激经济增长等多种功能[2]，因此在世界范围内有众多城市开始采用GSI作为城市更新的催化剂，结合升级管网系统管理城市雨洪，以减轻内涝、控制合流制溢流(Combined Sewage Overflow，CSO)污染，并刺激当地经济发展与提升社区活力。事实上，许多受极端暴雨天气影响较大的城市(如丹麦哥本哈根[3]、美国纽约[4])已将渗透功能主导且包含多种功能的GSI作为重要工具纳入其暴雨管理计划。

近年来，中国海绵城市建设迅速发展，2014—2019年，2批试点城市积累了宝贵的实践经验。然而，30个试点城市中仅有重庆和青岛呈典型山地特征，旧城改造背景下的山地海绵城市研究与实践仍十分匮乏。在发展生态文明的宏观背景下，国内城市建设重点逐渐向以内涵提升为核心的城市更新转移，如何经济有效地实现旧城区的基础设施更新、改善人居环境、提升城市活力已成为亟待解决的问题。因此在城市尺度，山地城市可采用怎样的技术方法规划协调灰绿雨水基础设施并评估其综合效益？在中观尺度，如何进一步将GSI融入城市设计以发挥其多重社会经济服务功能？

国内现阶段研究对山地海绵城市建设已有初步探讨，如水系规划路径[5]、海绵城市规划方法与系统构建策略[6-7]，以及道路低影响设计[8]等，但对灰绿基础设施协同管理雨水及其多效能定量评估的研究较少，并缺乏大尺度规划进一步指导城市设计等方向的探讨。首先，现有文献多注重社区或场地尺度灰绿耦合设计方法[9]、城市雨水管网与绿地系统关联要素[10]等，但借助各类雨洪管理模型(如美国环保署开发的Storm Water Management Model，SWMM)辅助城市尺度灰绿雨水基础设施协同规划的案例稀少，尤其缺乏城市雨洪管理效益的整体评价研究。其次，现有案例重视GSI方案的对比[11-12]，忽略了灰色雨水基础设施升级的联动影响。再次，对各规划方案的效益评估偏重缓解内涝、削减CSO等有限水文指标[13]，缺失对其他环境、社会和经济效益的衡量。最后，城市尺度雨洪综合管理规划的缺失导致中观尺度城市设计缺乏规划引领，因此，城市设计的相关讨论目前仍局限在水敏城市与韧性城市设计理念[14-15]及雨洪管理规划中的城市设计多领域关联性建构[16]等方面。

本文以美国宾夕法尼亚州山地城市匹兹堡(Pittsburgh)的“绿色优先计划”(The Green First Plan)[17]为例，探索总结灰绿雨水基础设施协同规划的方法和经验。“绿色优先计划”以排水分区①(sewershed)为研究单元，借助水文模型，对城市尺度不同灰绿雨水基础设施规划方案进行效益评估，并在中观尺度定量优化GSI后将其融入排水分区尺度下的城市设计框架，强调其在促进绿色交通、公共服务、街区活力和经济复苏等方面的社会与经济效益[18]。由于美国土地私有制政体下GSI规划的实施过程与国内迥异，因此本文重点讨论“绿色优先计划”中可为国内山地海绵城市提供直接参考的规划和城市设计技术方法。

2 匹兹堡灰绿雨水基础设施协同规划研究

2.1 项目背景与规划框架

匹兹堡是美国宾夕法尼亚州的第二大城市，市区面积约144km2，人口约33万；地形起伏大，大部分街道坡度超过20%；呈温带大陆性湿润气候特征，年均降水量约1 010mm；矿产丰富，20世纪初至80年代工商业发展迅猛，曾有“世界钢都”之称；其排水管道建设始于1900年间工业及人口迅速增长之时，雨污合流，年久失修，大雨期间雨污溢流及局部内涝时有发生[19]。2008年，美国环保署要求阿勒格尼县环境卫生局及其所服务的以匹兹堡为首的83个城市与乡村对排水系统进行整改，以达到CSO水质要求。2013年，匹兹堡雨污水管理局对纯灰色雨水基础设施升级方案进行估算后发现其造价高昂(16.5亿～18.2亿美金)[20]，遂于2016年提出“绿色优先计划”草案，探索城市尺度的GSI建设可能带来的水文、经济及其他社会效益。

“绿色优先计划”主要包含城市尺度GSI评估与GSI融入城市设计框架两部分(图1)。第一部分基于城市地理信息系统(GIS)基础数据库及当前规划项目，依据城市CSO削减潜能和地区洪涝程度，从91个现存排水分区中筛选出30个优先分区(图2)，利用水文模型，对各个分区内不同灰绿雨水基础设施相结合的方案进行CSO、洪涝削减和成本效益评估。第二部分进一步筛选出6处CSO产量最高的试点分区，在社区尺度将GSI融入城市设计框架。

图1 匹兹堡“绿色优先计划”框架(作者绘)

图2 30个优先分区与6个高度城市化试点分区范围[17]

2.2 灰绿雨水基础设施规划及评估

“绿色优先计划”的第一部分以削减CSO为主要目标。基于ArcGIS定位各排水分区内的目标GSI后，将其整合至市域SWMM模型，模拟城市尺度及各排水分区在各灰绿结合方案下的CSO削减性能，并对洪涝高发地段进行雨洪缓解性能评估，最后估算各方案成本和环境、社会及经济三方(Triple Bottom Line，TBL)效益。

2.2.1 灰绿结合方案削减CSO的性能评估

1)确立GSI雨水管理目标。

依据环保署至少收集85%CSO的要求，确立30个排水分区的GSI雨水管理目标。使用市域SWMM模型，模拟4种灰色基础设施改造预景下各排水分区中须使用GSI管理的“有效不透水地表区域”(DCIA)②。4种预景包括：A污水处理厂容量保持现状0.95bL/d(1bL/d=10亿L/d)；B污水处理厂容量扩至1.82bL/d；C污水处理厂容量扩至2.27bL/d；D优化排水管网水力至足以降低雨天水力坡降线③。以尼格利区为例，在B或D预景下，需使用GSI管理的DCIA比率分别为73%和58%(图3-1)。

2)GSI定位识别。

定位高效GSI。使用ArcGIS中的Arc Hydro模块整合数据，如高精度数字高程模型、道路、建筑物、停车场等不透水区域，以及各类边界(道路、桥梁、水体等)、排水口等，划定各排水分区内已知雨水口的服务面积，计算相应的不透水面积(图3-2)。将各雨水口服务的总不透水面积由高到低排列，排名最高(即最“高产”)的雨水口则为实施GSI的最有效位置。

3)将高效益GSI整合到SWMM模型。

在各分区的高产雨水口处增设GSI，将其纳入市域SWMM模型并测算其CSO削减效益。仍以尼格利区为例，依据第一步中D预景下管理58%DCIA的目标，将第二步中识别出的高产雨水口的汇水区设为GSI实施区，设置独立子流域，采用SWMM中的低影响开发(Low Impact Development，LID)工具进行模拟。为提升模型效率，统一使用渗水沟(Infiltration Trench)为拟实施的GSI类型，标准化其设计参数(如设计降雨深度、长度、宽度、深度、渗透率、暗管高度、暗管排空时间及排水系数等)，假设各GSI可有效收集服务区中所有雨水，而未能下渗或蒸发的径流会在72h内被缓慢释放回雨污合流系统。依此方法将30个含LID参数的排水分区全部集成至市域模型中，在上述4种灰色基础设施改造预景下，模拟其CSO削减量随污水处理厂容量和排水系统水利优化而变化的结果。

4)验证CSO削减结果。

CSO削减效益评估包括排水分区和城市2个尺度。在排水分区尺度，为实现每处分区削减85%CSO的目标，在B预景下，30个排水分区共需使用GSI管理7.43km2的DCIA；而在D预景下，需管理约5.20km2的DCIA。2种GSI方案因仅涉及规划总面积的13%和9%，所以均可行。在城市尺度，进一步验证2种GSI方案的总CSO削减率，结果显示，有5种灰绿结合方案可实现85%或更高的总CSO削减率(表1)。该评估结果进而被用于指导各排水分区GSI配置和灰色基础设施升级方案。

2.2.2 场地尺度洪涝管理性能评估

除评估城市和排水分区2个尺度的CSO削减效果外，“绿色优先计划”还对规划范围内4处高洪涝风险区进行了场地尺度洪涝管理方案评估。以尼格利区的法兰克斯敦大道为例，其洪涝与CSO污染问题主要源自峰值流量涌入局部容量与坡度严重不足的管道。由此利用SWMM模拟1～25年一遇的24h设计暴雨下的3种雨水基础设施配置方案：1)仅由GSI移除上游所有不渗透地表；2)将沿法兰克斯敦大道的下水管直径从38cm增加到76cm；3)加大下水管径并同时实施GSI。模拟结果显示，纯GSI方案并不能缓解洪涝，而下水道扩容也仅能应对2年一遇的洪水。若需缓解5年一遇及更大洪水，则须移除至少80%的上游不透水地表，这在高密度市区中难以实现。因此，必须同时实施GSI并提升管道系统(如加大管径和管道坡度)才可有效减轻该区域的洪涝灾害。

2.2.3 成本估算和三方效益评估

除水文效益评估外，“绿色优先计划”对表1中的12种方案进行了成本估算和TBL三方效益评估。其中，GSI成本估算以25年为典型设施寿命，衡量规划设计、建造及运行维护全生命周期成本；TBL效益评估则使用Envision框架和AutoCASE工具[21]，计算提升空气质量及减少碳排放、削减城市热岛死亡率、增加娱乐休闲、缓解洪涝、地产升值和提升水质等带来的多重经济效益。结果显示，各灰绿结合方案的总成本为13.6亿～15.6亿美元，其中灰色基础设施升级建造成本为3.3亿～8.3亿美元，2种GSI方案建造成本为4.9亿～9.2亿美元，GSI 50年运营维护成本为2.0亿～2.9亿美元，TBL效益为3.9亿～8.5亿美元。如果仅以CSO削减标准来衡量，85%CSO削减率的优化排水管网水力方案(表1中“D且无GSI”)的建造成本为8.0亿～8.3亿美元，成本收益较其他灰绿结合方案略高。然而，受本地数据所限，GSI方案的TBL效益计算未包含所有效益类型，如GSI项目所带来的就业及绿色产业效益，以及其所规避的房产贬值等损失。依据以上结果，短期来看，对关键灰色基础设施进行升级的CSO削减效益较好，因此城市应首先对污水厂进行扩容，并清理淤积的深埋管道以提升系统传输能力。但从长远来看，灰绿协同方案相较于单纯升级灰色系统，能提供多重、可观的TBL效益。事实上，2017年由国际著名研究机构RAND主持的“匹兹堡区域雨洪韧性管理”[22]后续研究在融入未来气候变化等情景后，证实了灰绿协同系统在极端降雨条件下CSO的削减效益更高。

表1 典型雨情下各基础设施升级预景总CSO削减率

2.3 GSI融入城市设计框架

继城市尺度GSI规划和效益分析后，“绿色优先计划”从30个排水分区选出6个CSO高产分区[19]，将雨洪管理融入中观尺度城市设计(图4)，以实现GSI的生态功能及其他社区效益。

图4 GSI融入城市设计框架(作者绘)

各区城市设计框架采用了促进城市战略规划与社区更新的7项基本原则[23]，包括协调各规划部门，对公共地块进行投资并最大化其改造效益；利用GSI建设为贫困社区创造劳动力发展机会，以支持GSI研究、建造和维护；优先改造可重建滨河连接的地段；将GSI建设融入现存的完整街区(complete streets)④规划[24]；关注居民健康，提升社区步行适宜性；利用GSI建设协调灰色基础设施改造、提升整体系统韧性以应对未来极端天气；以人、环境、场所、经济四重效能指标⑤指导GSI建设。本节以尼格利区为例阐述基于上述原则下GSI融入城市设计的规划方法。

1)基础数据整合。首先基于数据库分析排水分区内有利和不利条件，确定高产GSI位置。除分析自然条件、建成环境和排水系统现状外，重点排除陡坡、滑坡易发区和地下采空区等。此外，结合其他绿色街道、社区和公园规划项目，尽力将GSI集成到多个基础设施系统中。

2)确定城市设计框架。基于7项指导原则，确定并连接有助于GSI网络发展的社区资源、空间节点及廊道，形成城市设计框架。节点可以是各廊道的重要交叉点，也可以是社区内的关键区域，如处于有效截洪地段的商业区、公共机构或开放空间。此外，设计框架应优先纳入完整街区、滨河区和已有改造计划的社区。

以尼格利区为例，结合现有规划设计项目，优先筛选出雨水处理潜力较大的6个重要节点、1条河流及4条道路廊道(图5)。其中，西南退伍军人中心周边的舒曼少年拘留所、就业组织、前退伍军人医院等节点均可为GSI的发展提供劳动力，对加速社区振兴起关键作用。

图5 尼格利区中利于GSI发展的重要廊道、节点、改造策略及其效能[23]

3)创建GSI概念规划。通过公众参与了解居民意愿，并借助技术分析深化社区尺度GSI子项目概念规划。首先依据各廊道、节点的优势和限制，以及其在排水分区内的相对位置，确定其核心雨水管理策略为收集、传输和储存下渗(图5)。如上游的比奇伍德大道可用完整街区收集雨水并传输至附近的梅隆公园进行储存下渗，而下游华盛顿大道则须结合完整街区传输、透水停车场和地下蓄水池，以及道路绿带储存下渗等多种方式管理雨水。对各GSI子项目的具体位置、尺寸和类型(透水地面、生态洼地或滞留设施)进行概念性规划后，使用水文模型对各项目进行测算，生成GSI项目雨水处理量列表，以指导后续子项目设计。如西区高中和华盛顿大道2处节点及廊道的年雨水处理量最高，分别为52 700和51 500kL/年(图5)，应优先实施GSI。

为加速GSI建设并减少重复投入，优先排水分区内的GSI概念规划必须紧密结合当前社区更新规划。尼格利区的霍姆伍德社区(图5-E)对于催化城市更新具有巨大潜能，其于2014年开始启动社区更新[25]，设立了激活社区资产、改善居民健康、提升步行及公共交通可达性等愿景。此轮GSI概念规划促进了其雨洪管理目标与其他愿景的融合(图6)。具体策略为以雨水处理潜能最大的西区高中为改造核心，通过其向外辐射的赫米塔奇街和默特兰大道等收集雨水，并传输至高中运动场及附近面积宽广、地势平坦的银湖工业废弃地进行储蓄和处理，且可将银湖地块恢复为休闲娱乐空间。此外，西区高中5min步行范围内的173处闲置场地可依洪涝风险排序结合GSI逐渐进行再开发。除社区规划，场地尺度的GSI设计和实施也在同步推进。如图7所示的西区高中运动场GSI规划[26]除确定了GSI尺寸、位置、最大汇水区范围、年雨水处理量及相关造价外，也制定了潜在的雨水管更新策略，体现了场地尺度的灰绿耦合。总之，由关键廊道和节点带动的社区再开发可分阶段促进环境、交通系统及闲置场地的更新，增加就业机会，提升社区活力[27]。

图6 结合GSI雨洪管理与社会服务功能的西区高中街区更新愿景[23]

图7 西区高中运动场GSI规划[26]

3 分析与讨论

1)基于水文模拟的规划技术方法。

匹兹堡案例的最直接贡献之一在于其基于水文模拟的普适性规划技术方法。以“流域-子流域-排水分区-街区-场地”为规划尺度阶梯，“绿色优先计划”在排水分区尺度跨越了用地、社区和机构边界，与山地自然排水过程和灰色基础设施联系更加紧密。由于山地城市汇水迅速，分层次理清各级GSI源头控制、中间传输、末端控制的主导角色尤为重要，以排水分区为单元的模拟是制定分级措施的前提。此外，在城市尺度对排水分区进行优先级评估，并以实现全域雨水管控指标为前提定点定量设置GSI，为后续社区及场地尺度GSI规划设计提供了直接、精细化的指导。

目前国内已有400多个城市出台了海绵城市建设专项规划，制定了分区管控指标体系，并对海绵设施进行系统布局[28]，在宏中观层面，规划与执行体系方面较西方国家具有显著优势。然而，在借助大尺度水文模型指导规划设计方面，由于基础数据收集、排水分区数据库建立及水文模型整合等方面的技术瓶颈，城市尺度雨洪管理效益的评价研究有所缺失，因此应充分协调好政府部门、雨污水企业与其他机构的监测与开源数据，为GSI建模与评估奠定基础。此外，应加强对灰绿基础设施协同规划的多方案与多效能评估。

2)城市设计中发挥GSI多种功能。

“绿色优先计划”将GSI纳入城市更新，利用GSI的生态与社会服务功能将洪涝高发区转变为GSI多功能发展的潜力区域，实现点对点的精细化城市设计。此过程不仅注重生态与社会效益，更追求资产提升、基础设施成本缩减及控制洪涝损失等经济效益，最终实现环境、经济与社会三方效益的良性循环[29]。中国早期海绵城市建设主要重视水质与水量的管控目标，而未能充分利用GSI作为城市景观更新催化剂的多元功能。城市更新背景下的近期海绵城市建设已显示出多目标融合的良好趋势，应以提升环境生态功能、宜居性及经济活力为宗旨，精进行业GSI设计技术，使之真正为社会福祉做出重要贡献。

3)灰绿雨水基础设施系统配置。

全球已有大量研究和实践从多角度论证了单一灰色系统应对气候变化等挑战时的脆弱性[11，30]，利用城市更新契机，恢复城市自然水文功能，才能形成高韧性的雨水管理系统，而多功能、灵活性强的GSI是恢复城市自然水文功能的重要工具。因此，城市雨水基础设施更新的相关讨论应跨越灰绿对立的阶段，重点关注如何实现科学有效的灰绿系统组件配置。

海绵城市建设的灰绿系统协同规划应立足于城市自身环境、现状雨水设施特征和社会经济状况等，依据当地雨洪管理目标，纳入关键环境、社会和经济指标，并采取适用于中国国情的效益计算方法对潜在方案进行比较。全球数载的GSI实践已积累大量经验教训及可供借鉴的优秀范例，各城市也提供了多种成本效益测算方法及相应的不同结果。如纽约和哥本哈根市的评估显示，灰绿结合方案较单一灰色计划具有明显成本优势[3-4]，而匹兹堡市则只有在考量气候变化的情况下灰绿结合才凸显出成本优势[26]。因此，各城市均应通过严谨的循证研究来确定适宜当地的雨水管理策略。

本文以匹兹堡市为例，详细介绍了基于CSO与洪涝削减及促进城市更新等目标的灰绿基础设施规划评价方法，以及评价后GSI融入城市设计的策略。国内山地海绵城市研究中缺少对灰绿结合规划的多效能评价，对GSI的社会、经济功能也鲜有涉及。本文对匹兹堡经验的总结丰富了山地城市雨洪生态管理的理论体系，并为旧城更新背景下的山地海绵城市建设提供借鉴。

注释：

①排水分区：所有下水道系统流向同一终点的用地区域。

②有效不透水地表区域：与排水系统或水体直接相连的连续不透水覆盖面。

③水力坡降线(hydraulic grade line)是一种理论线，表示相对于基准流量的压力高度之和。对于均匀流动明渠水流，水力坡降线与水面相同。

④完整街区：一种对于街道及公共空间的生态设计策略，其内容包含街区结构平衡、网络公平合理、环境生态宜居和空间活力复兴。

⑤四重效能指标(p4 Performance Measures)指融合人(people)、地球(planet)、场所(place)和绩效(performance)四重指标，打造创新、包容和可持续的城市增长和发展新模式。