NbS在城市雨洪韧性规划中的应用研究

2023-08-26刘博新

中国园林 2023年7期

戴伟刘博新

近年来，以优化市政雨水管网为主要切入点的城市防洪排涝工作取得了丰硕成果。然而，全球气候变化与快速城市化加剧了城市雨洪灾害发生的概率，导致中国未来防洪排涝工作仍然面临着巨大挑战[1-3]。因此，将蓝绿基础设施和灰色基础设施相结合，从源头上系统地对城市雨洪进行分散控制确有必要。在此背景下，一种基于自然的解决方案(Nature-based Solutions，NbS)被世界自然保护联盟(IUCN)、欧盟(EU)和世界银行(The World Bank)等组织提出[4-5]。现有文献中，NbS的研究热点主要包括评估指标构建、评估流程制定和社会政治可持续发展等[6-10]。中国基于NbS的雨洪管理研究还处于起步阶段，且多为概念辨析、国外案例评述、生态系统评估和对我国规划的启示等[11-13]。例如，周伟奇等对城市内涝与NbS的结合进行了综述[14]；林伟斌等阐述了NbS对我国城市适应性转型的启示[15]。

在2019年联合国气候变化峰会(UNFCCC)上，我国被确定为全球实施NbS行动的2个牵头国家之一[4]。然而，如何将NbS理念应用到城市雨洪韧性规划之中，尚缺乏系统深入的研究。基于上述思考，本文以阐述NbS理念在城市雨洪韧性规划应用中的切入点为基础，结合“场地现状分析-雨洪风险评估-雨洪韧性规划-规划效果评估”的技术路线，将“师法自然”的理念与MIKE FLOOD雨洪模拟技术相结合，从堤防岸线、水系网络和水位管理3个方面提出NbS在城市雨洪韧性规划中的应用策略，并以实证案例展开论述。

1 NbS理念在城市雨洪韧性规划应用中的切入点

NbS为城市雨洪韧性规划提供了一种新思路。相比于传统的雨洪规划，NbS视角下的城市雨洪韧性规划更凸显“师法自然”这一核心思想，倡导对生态系统的最小干预，维持或改善原有生态系统，顺应水文机制，将城市灰色基础设施与绿色、蓝色网络有机结合，增强城市对雨洪灾害扰动的削减和适应能力，将雨洪灾害扰动对城市的影响控制在可接受的范围，维持其核心功能，提高城市对雨洪灾害扰动的韧性。

笔者认为，NbS理念在城市雨洪韧性规划中的应用可从以下4个关键点切入。

1)立足长远发展。NbS视角下的雨洪韧性规划，首先应从生态环境和社会发展的长远利益考虑，遵循生态系统的演进规律和生态优先原则，尽量避免对生态系统的干扰；倡导整个场地的低影响开发，减少城市开发与市政基础设施建设对水文环境的扰动；将蓝绿网络与灰色基础设施有机结合；对生态资源进行必要重组，充分发挥自然的力量，让自然做功，改善生态环境，提升生态系统的服务效能；从源头消减、过程疏导、末端治理等全过程改善城市雨洪环境，提升城市应对气候变化的适应能力。

2)“点线面”协同。NbS视角下的雨洪韧性规划，强调点、线、面相结合，充分利用自然形成的雨水干廊、支廊、毛细廊，构建以水为媒、多尺度、立体化的生态基础设施，提高水文连通性。这里的“点”指绿色屋顶、小型雨水花园、生物滞留池等点状空间；“线”指生态化河道、自然岸线、顺应水文机理的道路、防洪大堤两侧的缓冲区等线状空间；“面”指公园、绿地、湿地公园和生态斑块等面状空间。通过多层级生态基础设施的建设，优先利用自然排水路径限定雨流去向，让雨洪就地渗、滞、蓄、净，减小地表径流量和径流速度，减缓城市雨洪压力。

3)保护和修复并举。NbS视角下的雨洪韧性规划，遵循自然规律，倡导保护和修复并举；发挥下凹式绿地、生态植草沟、屋顶绿化、透水铺装等小尺度设施的调控作用，实现生态系统的自我修复功能；采用人工环保技术，在大尺度上将潜在的生态斑块、生态踏脚石等节点联系起来，加强自然水体、行泄通道、调蓄池、多功能调蓄水体等水系的相互连通；加强修复与保护的针对性、关联性、系统性和协同性；大力协同蓝绿灰等基础设施的功能，优化用地布局，让蓝绿开放空间功能多样化。

4)全过程全要素。应将场地的全要素融入“场地现状分析-雨洪风险评估-雨洪韧性规划-规划效果评估”的规划全过程中。通过调研历史数据与现场踏勘，充分理解场地的地形地貌、水系、湿地等生态系统现状及其历史变化趋势；预测未来可能发生雨洪风险的主要场所，辨识场地存在的问题。立足于自然基底，顺应生态系统的动态演变，积极利用生态系统的服务功能，因地制宜地协同自然与工程手段。NbS视角下的雨洪韧性规划方案应以堤防岸线、水系网络和水位管理为重点。在堤防岸线中，基于岸线特征评估结果，对岸线进行分段规划设计；因地制宜地运用生态材料，创造多样化的水陆交界面；适当退缩岸线，修复滩涂地，扩大雨洪缓冲范围。在水系网络中，结合自然雨水廊道的识别结果，规划水系廊道、调蓄湖和湿地斑块；提高蓝绿网络密度和关键节点之间的连通性；恪守生态红线，实现场地低影响开发。在水位管理中，利用自然地形高差形成的势能，对场地水位进行精细化调节；加强水位预警，在特大暴雨来临前，将内河涌水位降低到常水位以下，以扩大场地的蓄水容量。

2 案例研究

选取广州琶洲中东区(占地面积5.2km2，以下简称“场地”)为实证对象。该场地位于珠江前航道和广州的黄埔涌之间。根据广州市建设国家中心城市的目标，未来场地将被打造成为与珠江新城、国际金融城并列的广州大CBD地区，成为广东省最具活力、动力和魅力的经济引擎。结合案例研究，进一步详细阐述NbS在城市雨洪韧性规划应用中的特点。

2.1 场地现状分析

场地被珠江前航道、黄埔涌环绕(图1)，平均高程约为8.30m(广州基础高程，下同)，土地沉降2～3mm/年，外围堤坝平均高程为8.36m(图2-1)。现有绿地呈散片状分布，场地内有3条主要水系(图2-2)，雨水管网已部分建成(图2-3)。

图1 场地现状鸟瞰

图2 场地现状分析(2-1 高程；2-2 绿地和水系；2-3 雨水管网；2-4 外河道形态变化)

珠江前航道和黄埔涌的水位变化、河床侵蚀和城市开发影响了外河道与堤防形态。通过区域地理资料分析、卫星图解译和场地实际勘探发现，部分河段“束水归槽”现象严重(图2-4)。

2.2 雨洪风险评估

根据场地《控制性详细规划》[16](图3，以下简称《控规》)《防洪规划》《雨水工程规划》[17]等上位规划要求，防洪排涝标准设定为200年一遇。

图3 场地控制性详细规划[16]

本文在雨洪风险评估中应用了M I K E FLOOD模型，模型运作流程如图4所示。MIKE FLOOD模型由于其强大的推演功能，在雨洪情景模拟与分析研究中得到了广泛应用。例如，Tansar等基于MIKE FLOOD模型对泰国平河洪涝影响进行了评估[18]；Asta等利用MIKE URABN模型，对雷克未雅克(Reykjavik)中心城区地表径流和管网负荷进行了评估[19]；Ramteke等应用MIKE SHE模型，研究了保护措施对岸线水文的影响[20]；Liang等模拟了溃堤条件下的洪水演进情况[21]；王川涛等利用MIKE FLOOD模型模拟了200年一遇暴雨情景下的积水深度与积水时间[22]；高鹏等则采用MIKE FLOOD模型分析了辉发河干流的可能受淹区[23]。

图4 MIKE FLOOD模型运作流程

在本案例中，通过将边界条件及参数、河网数据、河道断面数据等输入MIKE FLOOD模型得到重要物理参数，包括河道水速、河道高潮水位、河道水流向、场地积水深度和场地24h管网累积流量等。

选取2021年7月28—30日大雨期间场地实测水速数据来率定模型参数。将河网数据、河道断面数据、高程数据、雨水管网数据、土地利用和降雨量等场地实测数据输入MIKE FLOOD模型，反复调整模型中表征河床和边壁水流阻力的重要参数——糙率系数(曼宁系数)，直至模型的模拟输出值与实际测量曲线具有较高的贴近度。结果发现，当河床糙率调整到0.035时，实际测量的水速和模型模拟输出值之间达到了最好的拟合(图5)，最大误差为8.1%。通过计算得到纳什效率系数(Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient，NSE)为0.70。为了验证模型的可信度，将2022年7月14日“暹芭”台风登陆广东时的场地实测数据和率定后的河床糙率0.035输入模型，发现模型的模拟输出与实际测量之间的误差均在±10%以内(表1)，说明模拟结果与实际情况较为符合，模型具有较高的可信度(场地编号分布见图2-4)。

表1 2022年7月14日场地实测数据与模拟数据对比

图5 2021年7月28—30日场地O1点实测水速与模拟水速对比

根据上位规划要求，雨洪风险评估基于“200年一遇特大暴雨+200年一遇高潮洪水+2100年海平面”的情景，MIKE FLOOD模型的输入参数如下。以广州市水务局中山站、琶洲站1990—2020年的实测数据为基础，利用芝加哥雨型生成器计算后得到200年一遇特大暴雨24h降雨量为252.4～268.7mm，本文取上限值。200年一遇潮水珠江前航道、黄埔涌高潮位分别为8.35和8.38m，200年一遇潮水河道点水速为9.5m/s(珠江前航道)和9.7m/s(黄埔涌)。2100年海平面上升100～210mm[24]，本文取上限值。河床糙率经模型率定为0.035。根据《室外排水设计标准》(GB 50014—2021)[25]，土地利用径流系数取水域1.0、道路0.75、耕地水田0.50、裸地0.30、防护绿地或公共绿地0.15，考虑到场地的地理位置对源头减排雨水系统的作用和未来雨洪韧性需要适度冗余的性质，商务用地(商业用地/交通设施用地/文化设施用地/安全设施用地)的径流系数取0.90+0.05。河网数据通过现场调研经网络概化后得出(规划后的数据来自叠合《控规》与场地水系网络规划的数据，经网络概化后得出)。河道断面数据和高程数据以测量地形图为基础，利用CAD、ArcGIS软件绘制后得出。土地利用数据通过现场调研得出。现状雨水管网数据来自雨水管网图(图2-3)，规划后的数据来自场地《雨水工程规划》[17]。

将以上数据输入MIKE FLOOD模型，得到场地积水深度分布、雨水管网24h累积流量等模拟结果(图6)。

图6 场地雨洪风险预测(6-1 积水深度分布；6-2 雨水管道24h累积流量)

从模拟结果可以看到，场地现状在面对“200年一遇特大暴雨+200年一遇高潮洪水+2100年海平面”的情景下，主要存在如下问题：

1)内河涌水系网络密度低，内河涌、行泄通道、调蓄池、调蓄水体等水系的连通性差，中心区排水管道24h内累计流量大，拥堵管道(24h累积流量≥750m3/h)长度占38.4%，分布较分散；

2)积水深度在0.30～0.50m的面积占场地总面积的32.5%，积水现象较为严重；

3)场地现状可蓄水量远小于200年一遇24h降雨量，随着未来城市化的推进，硬质化的地面将使这个差距进一步增大。

2.3 NbS理念在城市雨洪韧性规划中的应用

NbS理念在本案例中的应用，主要体现在堤防岸线、水系网络和水位管理3个方面。

2.3.1 堤防岸线

堤岸系统包括大堤外侧河床、大堤及大堤内侧缓冲区，具有重要的防洪与维持生物多样性的意义。结合“200年一遇特大暴雨+200年一遇高潮洪水+2100年海平面”的情景模拟，基于雨洪脆弱性(岸线100m内缓冲区受淹面积比例)、冲淤度(10年内河面宽度增加或减少量占原河道宽度的比例)、缓冲距离(建筑到河岸的平均距离)等客观数据，从防洪需求、河道冲淤和预留用地等方面对岸线进行评估(图7，表2)。

表2 堤岸评估指标

图7 场地堤岸条件评估结果(7-1 防洪需求；7-2 河道冲淤；7-3 预留用地)

针对岸线现状的评估结果，对岸线进行分段规划。因地制宜地退缩岸线，扩大缓冲，修复滩涂地；在综合考虑堤段所在位置的土地沉降、坡度、河道冲淤等自然条件和城市景观需求的基础上，采用相应的大堤截面形态。具体措施如下。

1)EFG、GHI岸线段位于场地岛尖的最前端，受三角洲河口间断式水沙运输作用明显，河道冲刷大，总体防洪要求高，预留用地紧张。规划对岛尖滩涂地进行修复，培育耐淹植物群落，利用日均外河道水位的变化，将珠江三角洲河口营养物输送到土体表面，建立生态栖息地。EF、HI段的大堤形态采用多级斜坡式堤型。FGH段可设置生态丁坝堤型。大堤内侧设置缓冲区，种植具有地域特色的树木花草，促进雨水就地渗、滞、蓄。

2)BCD、JKL岸线段虽然受珠江外河道冲刷，但预留用地总体充裕，且处于中央商务区，是展示未来城市形象的窗口。结合中心商务区的功能需求，大堤形态采用超级堤型，内侧连接高密度中心商务区的地下空间，大堤外侧的阶梯式挡水坡对风浪起到缓冲作用。

3)AB、LM等岸线段的水位条件相对稳定，且具有一定预留用地，可选用下段直、上段斜的混合堤型。

4)在各类堤型的堤顶规划快行和慢行廊道，提供自行车、慢跑和漫步等可多功能场地。堤岸内侧种植灌木、乔木，不仅可以作为特大洪水来临时的缓冲地带，发挥防洪功能，平时还可以作为滨海休闲区，彰显河口景观风貌。

2.3.2 水系网络

顺应自然是NbS城市雨洪韧性规划的核心。本案例运用DEM 8单流向分析法进行水文分析，利用ArcGIS软件识别雨水径流自然廊道并进行分类(图8)。在此基础上，规划场地内河涌网络、调蓄湖和湿地斑块，以提高水系网络的密度和关键节点之间的连通性(图9)，主要措施如下。

图8 场地地表自然径流模拟

图9 场地水系网络系统规划示意

图10 场地规划后积水深度模拟

1)顺应水系自然流向，构建“点线面”结合的鱼骨式蓝色网络。以现有内河涌、湖泊、洼地、沟塘等为基础，结合图6和图8的分析，对积水深度较深、积水面积较大的地块，结合周边土地功能规划，综合考虑防涝需求，拓宽和加深原有内河涌。新增一个绿地公园A(图9)并增加原有人工湖的面积，扩大蓄水容量。在一些水系流动“梗断”且周边积水深度较大的区域，顺应雨水自然流向，新增内河涌BW、NOV、ML、KJ、OP(图9)，连接原有水系，提高网络连通性。所有河涌两岸配以宽15m的河岸绿化带，促进雨水就地渗、滞、蓄。通过新增内河涌、调蓄湖等与原河涌连通，弥补了蓄水容量的不足，提高了水系网络的连通性和网络密度。同时，对调蓄湖、绿地公园和内河涌等进行生态重塑，营造河道顺畅、绿树连绵、景观优美的水系生态环境，提高城市空间品位。

2)优化排水路径。将雨水径流廊道分为3级：一级雨水径流廊道是在大暴雨时形成的地表径流；二级雨水径流廊道是雨季时形成的季节性水沟；三级雨水径流廊道是常年有水的内河涌。根据功能的不同对不同等级雨水廊道进行分类规划：一级雨水廊道以收集地块附近的雨水为主，兼有生态涵养功能；二级雨水廊道兼有蓄滞和净化污水的功能；三级雨水廊道是雨洪排放的主渠道，兼有景观游憩、慢行交通等功能。按照就近就地排放原则，合理划分汇水单元，优化“汇水节点→一、二、三级雨水廊道→市政排水管网→外江水道”的排放路径，延长雨水在地表的自然径流过程，降低径流峰值，净化面源污染。

2.3.3 水位管理

利用地形高差形成的势能，将自然做功与工程做功相结合，对场地水位进行调节；加强水位预警，在特大暴雨来临前，将内河涌水位降低到常水位以下，扩大场地的蓄水容量。主要采取的规划措施如下。

1)在大暴雨来临前，通过打开连接场地内河涌与珠江、黄埔涌间的水闸系统，利用场地内部水位高于外河道水位的势能差，将河涌中的水排放到外河道，增加内河涌的蓄水容量。

2)通过设置起调水位、预降水位、泄洪最高控制水位等，保障内河涌水位高度在规定的区间内。当外河道水位高于内河涌预警水位，通过泵站抽排，将内河涌水位降低至安全水位以下。

2.4 规划效果评估

应用MIKE FLOOD模型，模拟“200年一遇特大暴雨+200年高潮洪水+2100年海平面”情景，规划前后对雨洪灾害的处理能力如图6-1、10所示。

通过对比可知，NbS理念在场地雨洪韧性规划中的应用使场地蓝绿网络得到了明显的优化。绿地率从12.4%提高到16.2%，水面率从7.3%提高到9.6%，水系网络密度从4.3km/km2提高到4.8km/km2。场地绿色网络峰值蓄水体积占比从10%提高到23.3%(图11)，极大地缓解了雨水管网的排水压力，使最高峰时刻城市平均积水深度从0.27m下降至0.06m，积水深度在0.3～0.5m的面积明显减少。同时，由于增加了若干人工调蓄湖、湿地公园、内河涌和绿化带，不仅提高了城市排涝能力，更为城市提供了景观游憩、慢行交通等多功能生态服务，进一步提升了空间品质和土地利用的经济效益。