多尺度海绵城市系统雨洪控制研究

陈秋伶，林凯荣，陈文龙，胡晓张

(1.中山大学 土木工程学院，广东 广州 510275；2.珠江水利委员会 珠江水利科学研究院，广东 广州 510611；3.广东省海洋土木工程重点实验室，广东 广州 510275；4.广东省华南地区水安全调控工程技术研究中心，广东 广州 510275)

1 研究背景

我国暴雨频发，城镇化进程迅猛，天然雨洪调蓄功能衰减，排水治涝能力建设滞后，城市洪涝灾害在造成人们生命财产严重损失的同时，也制约着我国城市生态、经济、社会的有序发展，对此，采取合理的雨洪防治措施与探索城市适宜的发展模式，是应对城市洪涝问题并使城市得以可持续发展的关键。借鉴于国外的城市雨水管理经验，我国提出海绵城市建设理念，以期实现对城市内涝的防控及对城市生态环境的保护与改善，使城市获得可持续发展，其建设也一直是现阶段我国城市雨洪领域研究的重点。然而，海绵城市试点建设实践中仍存在一些问题[1-2]，如海绵试点建设区域的相对独立性使海绵城市建设在城市中呈碎片化分布，从整体角度看，海绵城市建设率较低，且各海绵城市建设与改造区之间尚未形成相互联通的整体，致使海绵城市发挥的功能受限。

随着诸多问题的出现，关于我国海绵城市系统构建与城市洪涝治理理论方法的研究逐渐增多，更加科学、全面、适于我国国情且具有系统性与可行性特征的海绵城市建设的相关政策被提出。2015 年，车伍等[3]首先对海绵城市的基本概念、内涵与综合目标，以及狭、广义低影响开发系统与海绵城市的关系等基础问题进行了详尽的阐述，澄清了海绵城市规划设计与建设中的一些模糊认识。2017年，王浩等[4]从城市水问题的基本判断与海绵城市建设存在的问题出发，综合提出海绵城市的系统构建模式，为海绵城市的研究、规划与建设提供了基础理论支撑。随着我国海绵城市建设从前期试点阶段到示范阶段的推进，2021年国务院办公厅在发布的《关于加强城市内涝治理的实施意见》(以下简称《意见》)中提出到2025年，各城市因地制宜基本形成“源头减排、管网排放、蓄排并举、超标应急”的城市排水防涝工程体系的工作目标。总体上，在海绵城市雨洪控制系统构建，即海绵城市防涝体系建设方法方面，可归纳为“系统统筹”、“分级规划控制”与“灰-绿-蓝空间协同作用”，而以上“统筹”、“分级”与“协同”等的概念离不开围绕空间尺度的讨论。

一方面，雨水开放性与流动性使城市洪涝灾害产生的原因具有多尺度性[5]；另一方面，尺度效应的存在也使不同流域水文尺度的土地利用承载着不同的雨水管理目标[6]，同时，应对不同量级降雨的城市雨洪管理措施及水文控制指标也有所不同[7]。住房和城乡建设部颁布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》(以下简称《指南》)中规定阐述了海绵城市雨水系统的三种尺度与功能。对于海绵城市规划空间尺度，朱钊[7]对水文过程空间尺度的划分、流域水文尺度视角下的水资源管理重点及包含各空间尺度的海绵城市规划整体框架进行了较为详细的总结，并提出各尺度的海绵城市规划目标与任务的制定，应基于自然流域单元与城市土地利用单元重构而成的不同空间规划尺度的汇水单元。在此基础上，目前针对不同单一空间尺度的海绵城市优化布局设计与构建途径的研究已有一定数量：周倩倩等[8]对地块尺度下的LID设施布局优化配置进行了研究；余薇薇等[9]对地区的景观公园进行了小尺度的海绵设计；朱玲等[10]对在排水分区尺度上组织地表径流和通过共建共享海绵设施实现地块间的径流协调的方法进行了探讨；贺弋桓等[11]对流域尺度下的城市雨水管理体系进行了探讨，并提出了水量、水质多目标控制的流域尺度雨水管理途径。然而，为了揭示和明确海绵城市的内涵与构建及建设途径，系统化地全域推进海绵城市建设，需要将多个空间尺度区域作为研究对象进行系统性的讨论与研究。

焦胜等[12]以泸阳镇为例，较为详细地提出了基于雨水廊道的城镇多尺度海绵系统构建思路与方法；许杰玉等[13]以昆明市为例，提出了多空间尺度下海绵城市规划的实现路径。目前，对于多空间尺度下的海绵城市系统构建方法仍多存在于城市规划研究领域，相对而言，缺乏使用模型对规划方案进行模拟，以验证规划的效果与合理性。班雪松等[14]根据不同尺度海绵措施的特性和研究区域的防洪排涝需求，设计了“小海绵”“大海绵”“综合海绵”三种改造方案，并利用SWMM模型，模拟了三种方案在不同重现期降雨下的雨洪控制效果。但若能系统性地增加海绵改造方案的设计与对比，将更有利于发现与明确各空间尺度下施行区域性海绵改造的关键点。因此，对不同尺度海绵系统提出多种建设方案，通过模型对各方案进行模拟并对比分析，在能够保持海绵城市系统各层次建设要点的同时，有利于发现区域现状及设计方案的问题并予以解决，从而保证设计方案的合理性与优势性。

本文结合现有关于海绵城市系统尺度的研究，简要梳理各尺度海绵城市系统建设在径流雨水方面的控制要点，建立位于广州市内的三个不同空间尺度研究区域的SWMM模型，从“微观-中观-宏观”尺度递进的角度，依据“问题-诊断-解决”[4]的思路，以模拟发现的局域集水单元、城市汇水区及城区小流域三种空间尺度的区域现状问题为导向，因地制宜地设计符合《指南》中对海绵城市规划建设要求下的、适宜于解决区域问题的海绵城市建设方案，实践研究各尺度海绵城市系统建设雨洪控制工程的措施及效果，对实现《意见》中的城市排水防涝与海绵城市建设的综合控制目标，和为海绵城市的统筹规划建设与不同单一尺度区域的海绵城市规划设计与研究提供明晰的参考。

2 多尺度海绵城市系统与空间尺度划分

目前，已有诸多针对海绵城市的内涵与系统构建模式及建设层级系统与构建思路的研究，其中，车伍等[3]较为全面地梳理了《指南》中的海绵城市与低影响开发系统的关系，本文改绘如图1。

关于海绵系统尺度的划分，国内外尚无统一标准[12]，本文依据城市规划编制体系，结合流域水文的视角与相关研究[7，15-16]，考虑雨水汇流的区域特征，将所研究的海绵系统尺度与研究区域空间尺度分别界定与划分为：小尺度——局域集水单元，中尺度——城市汇水区，大尺度——城区小流域。其中，小尺度局域集水单元包含建筑单体及周围的道路及绿化带；中尺度城市汇水区包含多个建筑、道路、绿化及小型景观水体；大尺度城区流域包含多个中尺度的系统，包括建筑群、道路、大型绿化空间与河涌等(表1)。且各尺度区域下的雨水管网分别对应着市政的三级排水管网[17]。

图1 海绵城市不同规划尺度低影响开发系统的关系[3]

表1 本文界定的海绵系统与空间尺度所包含的要素

3 实例分析研究

3.1 研究方法与数据来源基于所界定划分的三种海绵系统与空间尺度，本文的研究方法为：分别建立三个研究区域的SWMM模型(建模数据来源见表2)，输入设计降雨，依据所掌握研究区域资料情况，采用径流系数法[18-20]率定验证模型的参数，依据各尺度区域的海绵城市重点控制要素，设计海绵改造方案，并将方案置入模型中进行模拟、分析与研究。

径流系数法是估算流域内降雨-径流产生量的经验方法，校准时可采用典型形式的合成降雨[17]。本文以依据各研究区域下垫面情况所计算出的综合径流系数作为目标函数(各类下垫面的雨量径流系数值取自《指南》)，率定验证了各模型的参数。在模型中，选用经典霍顿方程进行下渗过程的计算，选用动力波法进行管网中水流的计算。各方案的设置在SWMM模型中可通过改变各子汇水区的排出口、添加LID模块和添加蓄水单元等操作完成。

表2 各空间尺度区域模型数据来源

3.2 设计降雨对于城市区域，常选用短历时的设计降雨进行研究，依据严正宵等[21]对中小流域设计暴雨雨型的研究，本文选择芝加哥雨型，设计暴雨强度公式依《广州市中心城区暴雨公式及计算图表》取得(见表3)，不同尺度研究区域的设计降雨历时t均取120 min，雨峰系数r取0.5，模拟时间步长取1 min，总模拟时间12 h。取2 a的设计降雨作为各尺度研究区域模型进行参数率定与验证时的输入降雨。

不同规划尺度的海绵城市雨水系统设计，对应着不同大小重现期的设计降雨(图1)，同时，本着海绵城市雨水系统在规划建设中通过“适度超前”设计规模以应对超标暴雨洪水的理念，本文针对不同尺度的海绵系统提出了相应需要重点分析研究的设计降雨重现期(表4)。

表3 不同重现期暴雨强度公式

表4 不同空间尺度重点分析研究的设计降雨重现期

3.3 小尺度局域集水单元——场地要素控制

3.3.1 研究区概化与模型建立 小尺度研究区域位于广州市天河区，总占地面积4002.62 m2，呈矩形，区域内主要为单体建筑楼，其余面积为硬化地面道路及草地。区域地面平坡设计(坡度0.5%～1%)，路面单向排水，横坡坡度1.5%，纵坡坡度0.5%，屋面坡度1%，雨水管道排水能力较大(管径DN300～400)。

区域雨水径流路径清晰，故手动对其进行较为细致的子汇水区划分，将研究区域概化为54个子汇水区，子汇水区代表的下垫面性质单一，将雨水管网概化为1个排水口、16个节点和15段管道，模型概化如图2，模型参数率定结果见表5。

3.3.2 现状解析与改造方案 城市土地利用格局与地形的复杂性使城市的地表汇流模式具有多变性，在城市雨洪管理模型中，申红彬等[22]与班玉龙等[23]围绕汇流模式进行了不同程度的研究，前者提出低影响开发措施与不透水地表之间存在串联和并联两种汇流方式；后者提出应在小尺度上实现城市区域用地空间布局与地表汇流模式的协同优化。基于此，本文在对小尺度区域进行的海绵改造方案设计中，集中于场地雨水径流路径的改造与低影响开发措施的布局设计。场地现状雨水出流路径的解析与设计海绵改造方案汇总如表6，场地初始径流路径如图3。

图2 小尺度研究区域模型概化图

图3 小尺度研究区初始径流路径图

表5 小尺度局域集水单元SWMM模型参数率定结果

其中，“屋面雨水直接出流至排放口”实践为：设置专门排放屋面雨水的塑料管道，其上游承接建筑雨水立管中的屋面雨水，下游与区域排放口相连，实现屋面雨水的直接排放；“改变地面雨水汇流方式” 实践为：通过竖向改造，使道路及地面雨水经附近的草地再流至检查井。雨水桶设计设置尺寸为高1.5 m、直径1.5 m、排水滞后6 h；考虑屋面或存有设备，对屋面设置70%面积的绿色屋顶改造。

3.3.3 结果分析 利用SWMM模型对以上小尺度局域集水单元的不同设计方案进行模拟，统计并计算在分析重现期下区域的径流、出流总量与峰值、及各设计方案相对于区域现状的削减率，结果见图4—5。其中，径流总量为地表产流汇水总量，出流总量为雨水管网排放口排出雨水总量(下文同)。

表6 小尺度区域现状解析与海绵改造方案设置

图4 0.25～2 a分析重现期设计降雨下各方案径流总量、峰值及削减率对比图

图5 0.25～2 a分析重现期设计降雨下各方案出流总量、峰值及削减率对比图

分析统计对比结果，所设置的方案1，将屋面雨水直接排入至市政雨水管道，因既没有改变场地下垫面的产、汇流方式，也没有增加影响系统出流量的因素，故在数值方面，所设置的改造措施对区域系统的径流、出流情况没有明显的影响(方案3与方案5对比同此)。相比于方案1，方案2汇流方式的改变使原本道路地面径流的雨水直接入流至检查井，变为先流经透水面再入流至检查井，增加了系统的下渗水量，从而使出流总量及峰值削减率均值分别从方案1的0.09%和0.00%提升至35.49%和27.30%。

对于方案3、4，道路与地面的渗透性改造和对草地的下凹式处理，及不透水屋面的绿化改造，在一定程度上增大了区域的透水性和持水性，不同程度的减小系统径流、出流总量及峰值。同时，绿色屋顶的添加使区域海绵设施的面积与种类增多，从而进一步提升了海绵设施对系统径流、出流总量及峰值的削减率：系统径流、出流总量削减率提升了14%，系统径流、出流峰值削减率提升了18%。海绵设施面积的增加与多种海绵设施的组合应用能够提升对区域径流、出流雨水量的控制效果。

与方案1、2的对比结果不同，对比方案5与6，在设置地面海绵设施的条件下，相比于方案5，方案6对汇流方式的改变没有使系统的径流、出流总量及峰值削减率发生变化。分析认为，设置海绵设施的区域在表2小尺度海绵系统对应的0.25～2 a重现期设计降雨下没有产生径流，系统的主要径流来源于未设进行海绵改造的硬化屋面，本文所设计改变的地面汇流方式不影响屋面雨水的出流，因此方案5、6径流模拟结果相同。

对比方案6、7，相较于屋面的雨水直接排出至市政管网，设置雨水桶可以在一定程度上减小系统出流总量，但由于雨水桶的容积较小且数量有限，其对区域系统出流峰值的削减作用不明显。雨水桶的设置不改变下垫面的产、汇流关系，因此，两方案的径流总量和峰值模拟结果在数值上相同。

对于方案8，其是所有考虑方案的组合，由模拟结果，所设置的海绵措施能够较好地对系统雨水径流、出流进行控制：对道路、地面、草地、屋顶进行海绵改造，能够有效地控制产流；对于地面，海绵设施的改造与汇流方式改变的结合，能够进一步对地面径流、出流进行控制；对于屋面，雨水桶的添加能够在一定程度上收集和控制进行绿色屋顶改造后仍然发生的出流。

同时，为研究以上下垫面的改造对区域雨水管网排水的作用情况，对2 a重现期下的区域雨水管道能力(即充满度)的峰值进行统计，结果见下图6、7。

图6 2 a重现期下不同方案的管道能力峰值时刻统计图

图7 2 a重现期下不同方案管段能力峰值统计图

由统计结果，相比于区域现状，方案1下的管道能力相对高值段数有明显的减小，即所做的将屋面径流雨水直接排入至区域排出口的雨水出流方式的改变，有效缓解了区域雨水管网的排水压力，这有助于在更高重现期的降雨下，降低因区域排水能力受限导致的区域发生积水内涝的风险。对比于方案1，方案2增加了汇流方式的改变，这在一定程度上减小了地表排至管网的径流雨水，从而减小了管道的排水压力。方案3、4对区域进行的不同程度的海绵改造控制了地表径流，在一定程度上也减小了区域雨水管网的排水压力，但相比于方案1与2(将屋面雨水直排区域排出口)，对雨水管网排水压力的缓解程度不大。方案5、6将海绵改造与屋面雨水排放路径的改变结合，使区域的雨水管网在整个降雨-径流-排水的过程中，排水压力均处于相对较小的状态。方案6、7中所做的海绵改造、汇流方式的改变与雨水桶的设置相结合，也对区域雨水管网排水压力的缓解有着较好的促进作用。总结以上，对于雨水排水管网，有效地降低各管段的入流雨水量有助于降低管道的排水压力，从而减小因管道排水能力限制导致的区域发生积水内涝风险。

3.4 中尺度城市汇水区——出流峰值控制

3.4.1 研究区域概化与模型建立 中尺度研究区域位于广州市南沙区，总建设面积49.00 hm2，地形相对平坦(地面坡度0～0.12%)，管道排水能力较大(雨水管径多为DN1200及以上)。区域中心区存在1处人工水体，面积7.76 hm2，由水闸控制与区域周围的自然水体相连。

对区域下垫面情况掌握清晰，故依据地势坡度、建筑分布及管道流向，将研究区域划分为5个排水分区和146个子汇水区，每个子汇水区内包含1至3种类型下垫面，将雨水管网概化为5个排出口、40个节点检查井及37段管道，模型概化如图8，模型参数率定结果见表7。

图8 中尺度研究区域模型概化图

图9 中尺度研究区海绵设施应用面积比率

表7 中尺度城市汇水区SWMM模型参数率定结果

3.4.2 现状解析与改造方案 目前，已有较多针对不同设置比例的单项或组合狭义海绵设施，在不同重现期设计降雨下对径流调控效果的研究，这些研究结论总体的规律是：径流雨水的控制率与设施设置的面积比率呈正相关关系。本文在此不再重复以上类似的狭义海绵设施的组合方案对径流调控的设计模拟，而着眼于通过狭义低影响开发措施与常规雨水径流蓄排系统的组合，对系统径流、出流总量及峰值的控制效果进行研究。区域现状解析及方案设置如表8，其中，人工水体常水深设计为0.5 m，设计为水泵抽排模式，开泵水深1.6 m。截留式及分流式调蓄池的设置依研究[19]确定，研究区域已存在有满足广州市海绵城市建设文件规定要求的海绵设施的设计，其应用比例显示如图9。

表8 中尺度区域现状解析与海绵改造方案设置

3.4.3 结果分析 统计在中尺度区域对应的1～10 a设计降雨条件下，各方案的系统出流总量和峰值的模拟结果见图10。由于设置的各方案相对于区域现状条件，均设有狭义海绵设施，且所设置各方案的不同之处在于灰色基础设施的改造与水体的利用，各方案下的场地雨水径流情况相同，为：在各分析重现期下，相对于区域现状，仅设置狭义海绵设施对区域的径流有着一定的控制效果，径流总量与峰值的削减率均值分别为34.96%和35.75%(本文不再对各方案绘制区域径流总量与峰值情况的统计图)，但结合研究[19]，狭义低影响开发设施的蓄水容积有限，系统仍存在较大的出流量，需要依靠调蓄设施对系统出流进行进一步的控制。

图10 1～10 a分析重现期设计降雨下各方案出流总量、峰值及削减率统计对比图

根据区域系统出流模拟结果统计，相较于方案1，方案2、3所设置的截流式调蓄池可以有效控制系统的出流总量与峰值，且其对出流总量与峰值的削减率与其容积呈正比关系，以每万平方米硬化面积400与500 m3容积标准设置的截流式调蓄池，分别能够将系统的出流总量削减率均值从35.36%提升至56.62%和60.35%，将出流量峰值削减率均值从33.55%提升至41.72%和49.52%。对于方案4至7，设置不同容积设置标准与偏移量的分流式调蓄池，对出流总量与峰值有着不同的控制效果，且相较于设置容积的差异，所设置的偏移量的差异对分流式调蓄池控制系统出流的效果影响显著，这是由于在相同管道充满度的条件下，分流式调蓄池的偏移量影响着调蓄池的进流量。

比较本研究中所设置的4种调蓄池，在该尺度所分析的4种降雨重现期下，方案3，即以每万平方米硬化面积500 m3的容积标准设置的截流式调蓄池，对系统的出流控制效果较好。

对于方案8，因水体面积较大，且能够在短时间内接纳周围区域更多的雨水径流，从而使水体作调蓄利用后对雨水径流峰值的削减效果更好。在各分析重现期下，其对系统出流总量与峰值的削减率均值分别为53.34%和49.73%。

对于区域雨水的径流、出流控制，仅在城市汇水区尺度上设置狭义的海绵设施只能在一定程度上控制径流雨水，而在更高的重现期下，需要在区域中设置一定的调蓄设施控制出流，大容积截流式调蓄池的设置与区域景观水体的利用是控制系统出流效果较好的方式。

3.5 大尺度城区小流域——区域积水缓解

3.5.1 研究区域概化与模型建立 大尺度研究区域为位于广州市天河区的猎德涌流域，其是天河区城区排水的主要河涌之一，流域集雨面积15.8 km2，河涌全长约4.3 km，河道比降2.02%，流域内有6个湖泊，现状湖泊调蓄容积6万m3，流域范围及湖泊水系见图11。区域现状雨水排水管网管径相对较小，DN700～1000的雨水管道数占比90%以上。

据地形资料，利用GIS对子汇水区进行划分，将研究区域划分为16个排水分区和41个子汇水区，每个子汇水区内的下垫面较为复杂，包含3种及以上类型的下垫面。将雨水管网概化为16个排出口、40个节点和40段排水管道。模型概化如图12，模型参数率定结果见表9。

表9 大尺度城区小流域SWMM模型参数率定结果

图11 猎德涌流域范围及湖泊水系图

图12 大尺度研究区域模型概化图

3.5.2 现状解析与改造方案 对于该尺度，本文的方案设计集中于大型调蓄设施的设置，或对现存水体的利用、及雨水系统的组织设计，构建超标雨水排放系统，对区域内涝缓解进行研究。区域海绵设施的布置比率按照广州市对下沉式绿地率、透水铺装率及绿色屋顶率等的指导性指标进行确定，即下沉式绿地率50%、透水铺装率70%、绿色屋顶率60%(以下方案中统称狭义海绵设施)，在模型中所设置为小单元面积，多单元总数的LID控制。对于区域内的6处水体，考虑对水体采取相关工程措施后(如湖泊清淤或拆除水体周围占容违建设施等)，将原总调蓄容积6万m3提升25%，即扩容至7.5万m3。区域现状的解析及方案设置如表10，方案5所设置的调蓄池的形式及容积规模依研究结果[19]选定。

表10 大尺度区域现状解析与海绵改造方案设置

3.5.3 结果分析 统计该尺度下设计的海绵城市改造方案，在所分析的10～100 a重现期设计降雨下的系统径流、出流情况，所设计的5种方案相对于区域现状下垫面变化相同，5种方案下的狭义海绵设施的设置对系统径流总量与峰值的削减率均值均为69.31%与82.03%。

溢流量是定量描述积水情况的物理量，统计各方案在10～100 a分析重现期设计降雨下的节点溢流总量、节点总溢流时间与发生溢流节点数及对应的削减率，分别见表11及图13。并将各方案对区域积水缓解情况可视化，统计100 a设计降雨下各方案发生溢流节点数峰值时刻如图14。

表11 10～100 a分析重现期下各方案积水情况统计表

图13 10～100 a分析重现期下各方案积水情况削减率统计对比图

图14 100 a设计降雨下各方案发生溢流节点数峰值时刻图(仅考虑管道系统节点)

所设计设置的方案1，即仅对区域下垫面进行狭义海绵设施改造，能够较为明显地减少区域的溢流总量与时间，在100 a下，将区域节点溢流总量减少了74.9%，将溢流时间减少了0.4 h。研究区域在初始条件下为高度城市化地区，区域综合径流系数较大，因此在大重现期的降雨下，区域产生的溢流总量较大，对区域进行狭义的低影响开发改造可以增加区域的透水与蓄水面面积，对径流进行控制，尤其对于分散式，高密度的LID措施[24]可以显著减小区域的溢流总量与时长。但出现溢流节点的数目显示：进行狭义的低影响开发改造无法有效地减少区域出现溢流节点的数目。一方面，狭义的低影响开发系统控制的雨水径流量有限(由LID设施的设置对区域积水的缓解情况，其对雨水径流的控制又是有效的)，当在保持管道能力且雨水管网仍处于近乎满负荷压力流排水的条件下，LID设施的添加将使节点发生溢流的总量减小，而发生溢流管道数仍处于高值，只有当LID设施能够很有效地控制住地表径流时，使雨水管网的大部分管段处于非满负荷重力流的条件下，管道节点溢流的总量与发生溢流的数目才得以有效的减小。而正因为“LID对高重现期暴雨的改造效果有限”，在大空间尺度大重现期降雨的情况下，使节点溢流总量与发生溢流节点数两者之间的关系不协调；另一方面，在保持区域下垫面情况不变的条件下，增大区域雨水管网排水能力将有效减小区域的节点溢流总量与发生溢流节点的数目，即雨水管道排水能力的增加可以使节点溢流总量与发生溢流节点数两者之间的关系协调。

方案2在方案1的基础上对广义的低影响开发系统中的常规雨水径流排放系统进行了改造，即对区域的雨水管网进行扩容，使区域的节点溢流总量与溢流时长得到进一步削减的同时，发生溢流节点的数目也有明显的减少，相比于方案1，方案2消减了区域30%的发生溢流节点数。可见，增大区域雨水管网的排水能力可以有效缓解区域整的体积水情况。

对于方案3、4与5，在狭义低影响开发措施与常规雨水径流排放系统的基础上，增设了不同规模及类型的超标雨水径流排放措施，即使区域内湖泊水体发挥调蓄功能，或使湖泊水体与调蓄池发挥调蓄功能并举。由统计结果，对进一步减小区域的节点溢流总量、溢流时间与发生溢流节点的数目有着不同程度的促进作用，且调蓄容积越大，区域积水情况得到缓解的程度越大。

由以上对城区小流域的雨水径流、出流分析与积水分析，对于高重现期降雨，将狭义与广义低影响开发系统结合，绿色基础设施、灰色基础设施与蓝色措施结合，调蓄与排放结合，源头与终端排放的控制结合。一方面，可以有效控制区域的雨水径流；另一方面，可以及时将径流雨水进行排放，降低区域发生积水内涝的风险，同时，也可以削减区域出流量峰值，既可缓解区域积水内涝，也可缓解猎德涌的堤防与下游地区的防洪压力，这对防止洪涝风险向下游转移现象的出现有着促进作用。

3.6 分析讨论对于在小尺度海绵系统中进行地表径流的控制，一方面，可以考虑通过竖向设计改变径流雨水的汇流方式，使区域透水面对不透水面径流的阻断最大化，以增加区域的下渗总量，降低区域的径流总量；另一方面，由于空间尺度较小，区域内的产汇流机制与径流路径可以得到较为清晰的分析。因此，针对小尺度区域的雨水控制问题，即以问题为导向，采取一定的改造措施，如对场地进行竖向设计改变区域雨水的径流、出流路径或采取“绿色”海绵改造的方式控制径流，这在本研究中体现为：分析场地下垫面情况，屋面面积占比较大且场地内的雨水管道承接屋面产生的径流雨水，导致雨水管道的排水压力主要来自于屋面径流。因此，为缓解雨水管道的排水压力，对屋面雨水的径流排放路径进行改变，同时采取一定的地面径流控制措施即可。

对于中尺度海绵系统对雨水流量的控制与峰值的削减，一方面，海绵城市设计中对狭义低影响开发设施规模的计算是基于当地海绵文件规定的区域径流总量控制率所对应的设计降雨量，通过模拟发现，仅满足于海绵文件的规定通常不能将区域的水文条件恢复至场地开发建设前的状态；另一方面，常规的海绵改造仅对区域的地表径流进行控制，未达到该尺度下的海绵系统雨洪控制目标。在该空间尺度下，不仅要通过“绿色”手段对区域的径流产生进行控制，也要在保证区域排水能力的情况下，通过“灰色”、“蓝色”或“灰-蓝”结合的手段对区域的出流进行控制，并通过适当的方法验证海绵设施的设置效果，这在本研究的该尺度研究区域中体现为：所在区域中设置的绿色屋顶、透水铺装、下沉式绿地与雨水花园的规模符合地区海绵文件的相关设计要求，但模拟发现，在本尺度重点分析的重现期设计降雨下，其未达到海绵城市的建设理念的目标，也未达到该空间尺度下的雨水管理目标，系统仍存在较大的出流总量与峰值。因此，考虑采取设置调蓄池或多功能调蓄设施(本文体现为区域内人工景观水体的利用与截留式调蓄池的设置)的方式控制出流。

对于大尺度海绵系统对区域积水的控制与缓解，其在规划设计中所应注重的是各尺度海绵系统的系统性组织。对于城区小流域，在大重现期设计降雨下，中、小规模的“绿色”海绵措施因设计重现期的限制，无法对雨水径流进行保障城市安全性的控制。因此，区域的蓄排水能力在一定程度上影响着区域应对降雨的能力，进而影响着区域在超标降雨下的积水产生情况。可以考虑通过扩大“灰色”基础设施实现“排”，通过“灰色”、“蓝色”或“灰-蓝”结合的工程措施实现“蓄”，这在本研究的该尺度研究区域中体现为：依地区海绵城市规范文件，对城区流域尺度的下垫面进行一定比例的狭义低影响开发措施的改造，可以在一定程度上削减系统的径流、出流、节点溢流总量与时间，但区域发生溢流节点数仍较多，相比于初始条件没有明显的减少。因此，建议采取扩大雨水管径的方式解决，同时，为进一步控制区域的积水情况与出流雨水量，考虑采取利用区域内湖泊水体的方式实现“蓄”，从而缓解区域积水内涝情况和防止洪涝风险向下游转移。综合以上，本文提出多尺度海绵城市系统雨洪控制框架如表12所示。

表12 适应于本文研究区的多尺度海绵城市系统雨洪控制框架

流域是一个“纵向”与“横向”来水互相交错，使“洪”“涝”灾害具有交织性的有机整体[25]。结合以上“微观-中观-宏观”递进的空间尺度和对“源头-中端-终端”的各尺度海绵城市系统对雨水径流和系统出流控制措施的实例研究与分析讨论，从流域整体性的视角：对于城市内涝，“地上”“绿色”雨水径流控制措施与“蓝色”调蓄水体的利用，在于控制径流，减少雨水管网的入流量，从而缓解区域雨水管网的排水压力，降低区域积水内涝风险，增加区域的调蓄容积，在一定程度上减小系统出流，缓解下游雨水管网的排水压力。“地下”“灰色”雨水管网与调蓄设施，在于减小因排水能力不足导致的城市内涝风险和控制本区域系统对下游地区或水体的出流，从而降低下游地区因外洪入侵导致的城市内涝风险。

4 结论

本文考虑海绵城市系统中存在的多种规划建设尺度与其内涵及雨洪控制目标，利用SWMM模型，以位于广州市的三个不同空间尺度大小的区域为研究对象，通过现状解析、海绵改造方案设计与模拟的方式，因地制宜地对不同尺度海绵城市系统实现相应雨洪控制目标的方法进行了实例研究，总结得出的结论如下：

(1)小尺度海绵系统对雨洪主要需实行微观控制，通过各类绿色雨水基础设施的布局规划，控制微观系统区域的径流、出流要素。在本研究的小尺度区域中，设置狭义低影响开发设施并改变汇流路径与雨水出流路径，在该尺度所分析的4种重现期(0.25 a、0.5 a、1 a和2 a)下，系统径流总量和峰值的削减率均值分别为59.10%和45.27%，系统出流总量和峰值的削减率均值为60.20%和44.02%，且区域雨水管网排水压力缓解情况显著。

(2)中尺度海绵系统主要需通过中观规划，如通过构建绿色廊道与绿色斑块的连接，常规雨水径流蓄排系统的利用，及雨水湿地等大型绿色雨水基础设施与灰色基础设施的应用与组合，对区域系统的径流、出流总量和峰值进行控制。在本研究的中尺度区域中设置狭义低影响开发设施，设置调蓄池，并将区域内景观水体做调蓄利用，在该尺度分析的4种重现期(2 a、5 a、10 a和20 a)下，系统出流总量与峰值的削减率均值为53.34%和49.73%。

(3)大尺度海绵系统对雨洪的控制主要需通过大规模的雨水系统组织协调，从宏观规划层面减轻城市在超标降雨下的雨洪积水严重程度。在本研究的大尺度区域中设置狭义低影响开发设施，扩大区域管网管径，扩容湖泊水体，并设置调蓄池，在该尺度分析的4种重现期(10 a、20 a、50 a和100 a)下，节点的溢流总量、溢流时间与峰值溢流数的削减率均值分别为90.03%、49.75%和36.84%。

海绵城市建设秉承着低影响开发的理念，绿色基础海绵设施控制“小雨”是特色，灰色基础设施的设置与蓝色水体利用是城市面对暴雨洪水时不可或缺最有作用的部分，如何将三者在多尺度的海绵城市系统中合理地组织协调，需要理清各尺度海绵系统的内涵，因地制宜地实践解决。