海绵城市规划设计思路：以永定河生态新区为例 2015-09-11 赵志勇，莫 铠，向文艳 (奥雅纳工程咨询<上海>有限公司，上海200032)

赵志勇，莫 铠，向文艳

(奥雅纳工程咨询<上海>有限公司，上海200032)

摘要：对北京永定河生态新区暴雨径流管理控制方法进行了研究和分析，整理出海绵城市规划设计思路，从地块、街道、流域三个层面考虑实施低影响开发。借助SUSTAIN模型，进行最佳管理措施（BMP）的选型、布置，设置现状、规划后及低影响开发三种工况进行降雨径流管理控制的模拟与分析。结合暴雨地表径流及洪水淹没数学模型的使用，成功论证海绵城市规划设计各种雨水管理措施的使用效果。海绵城市低影响开发设计思路对于研究区域的暴雨径流管理控制起到了至关重要的作用，对今后暴雨径流管理的研究具有指导意义。

随着城市化进程所带来的城市洪涝及面源污染等负面问题逐渐被人们所认知和关注，传统的快排快泄模式已不能满足当前暴雨径流管理的要求，雨水资源化管理逐渐被提上日程。2014年10月，住房和城乡建设部发布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》，大力推进建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”，促进雨水资源的利用和生态环境的保护，并启动了全国16座城市的试点工作，以期能从试点中总结出设计和建设经验，并向全国推广。

目前在区域暴雨管理规划设计阶段，往往就如何确定区域暴雨管理的目标以及需要哪些暴雨管理的措施实现该目标，如何论证通过采取这些工程措施后是否可以有效达到规划设计目标尚在摸索中。笔者通过总结与北京城市规划设计研究院共同完成的丰台区永定河生态新区可持续暴雨规划设计项目中的实际经验，在排水规划设计领域针对“海绵城市”的新理念，梳理出国内具有可操作性的海绵城市雨水系统规划设计思路，旨在为相关领域的科研和工程技术人员提供学习的案例，以更好地进行城市低影响开发的排水设计工作。

1 项目背景

永定河是海河水系最大的一条支流，是北京的母亲河，同时也是北京市河湖水系与防洪的重要组成部分。永定河规划区范围涉及北京市的5个行政区，总面积约为2 450 km²，流域总长度约为170 km，平均宽度约为15 km。规划范围按主要特征分为三个区段。本项目位于第二段，即城市段——三家店水库至南六环路区段，总面积约为156.4 hm²。研究区域为典型的华北平原北温带半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春、秋季节较短。全年温度变化明显，年平均温度为12.6 ℃，1月份气温最低，平均为-4.5 ℃，7月份气温最高，平均为27.3 ℃。降水季节分配很不均匀，全年降水的80%集中在6月—8月；2008年—2012年的统计资料显示，5年的年降雨总量均值为621.2 mm。

2 设计层面

在该规划设计中，主要考虑从地块、街道、流域三个层面来实现规划区域的暴雨管理目标，通过下渗、截留、调蓄、滞留等手段达到开发前后的地表径流不增加。其中，地块层面是生态雨水规划设计的最小单元，通过地块内的最佳管理措施（BMP）从源头上对降雨截留滞蓄，达到削减的目的。街道层面是生态雨水设计的中间单元，主要指相邻地块之间的道路范围，目的是在道路红线内布置生态雨水削减设施，接纳滞蓄道路所产生的地表径流，当降雨超过地块层面BMP的滞蓄能力后，地块所产生的地表径流可漫流至道路，通过街道层面的BMP措施进一步滞蓄。流域层面是生态雨水规划设计的最高层面，其目的是当发生超标准的暴雨，如50年一遇及以上情况时，在流域的排水出口前设置干/湿塘等滞蓄设施进行滞洪。

3 设计流程

结合低影响开发在国际范围内的典型设计流程以及我国海绵城市指南的要求，本项目将全流程的海绵城市雨水排水规划设计分为12个主要步骤，具体见图1。

3.1 场地评估

评估当前场地和设施的不足和问题，是指通过前期实地踏勘调研和背景资料的桌面研究，对研究范围存在的主要问题和症结进行分析和归类，有助于后续规划设计的目标设定。找出主要限制性因素，是指通过前期资料搜集和实地调查，总结出各类规划限制因素，例如生态安全、交通安排、水系流向、污染源分布、土壤地质条件、地下水位埋深等。

本项目根据研究范围进行现场实地踏勘，沿着主要研究范围边界和场地中心点，通过现场踏勘以及从规划、市政、道路、环境等因素收集到了很多一手的资料，并了解到场地现状和之前工业用地类型以及主要经营方式和占地形式，对于后续方案的雨水排水和生态环境的设计起着重要的作用。总结低影响开发雨水管理规划设计的限制条件如下：①规划方面，场地南部预留空间建设雨水调蓄池，总面积约为7 hm²，需要结合规划、竖向设计和景观设计，在50年一遇及以上的设计暴雨情况下，计算其滞蓄的能力和水量；在研究区域南部拟建一条高速铁路，将规划地块划分为两个独立的汇流分区。②土壤方面，考虑当地的冻土层厚度，管道及生态雨水导流系统覆土应至少为1 m。③市政方面，地块外排雨水的峰值不大于规划市政管道的接纳能力。④道路方面，南、北两个区域中间被下穿道路隔断，遇到超标准暴雨时，其地势较低，易引起内涝，设计时需要考虑地形和排水路径。⑤防洪排涝方面，永定河灌渠防洪标准为20年一遇洪水设计，且20年一遇洪水水位不高于出口主要雨水管的管顶高程。⑥环境方面，现状地块内存在首钢等工业厂区，土壤中存在重金属等污染物，要求采取适当的下渗处理工艺以避免雨水下渗而产生地下水污染。⑦植被方面，综合考虑绿化和耗水量，根据北京气候和水资源特点，宜选用耐干旱、节水型的景观植物。

3.2 设计目标

确定规划控制目标和定量分析指标因子，需要根据海绵城市和城市排水防涝的要求，确定具体的控制性目标，例如年径流总量、地表径流污染物控制率、综合径流系数等，并且将这些指标拆解成能够定量统计的指标因子，以便在设计过程中采用数学模型或定量计算的方式进行分析和评价，确定最终符合控制目标的低影响开发排水规划设计方案。

结合海绵城市设计理念及北京市地方标准《雨水控制与利用工程设计规范》（DB 11/685—2013），确定研究区域的主要设计目标如下：①新开发小区地块径流总量、峰值不超过开发前的状态；②新开发小区，1年一遇24 h设计暴雨情况下雨水不外排，5年一遇24 h设计暴雨情况下地块外排雨水流量径流系数不大于0.4；③规划区域50年一遇24 h设计暴雨情况下雨水不外排，减少对流域下游的影响。

3.3 确定规划基准

确定现状基准年是指在综合考虑各方面数据资料的情况下，统一确定现状基准年，即开发前状态，及其对应的研究范围内的基础数据。另一方面，也需要统一确定规划年，即按规划设计建成后实现“海绵城市”的状态，及其对应的各类规划文本、方案、说明、图纸等资料。本项目属于城市改建，确定现状，即2014年搬迁后的情况为现状基准年，作为开发规划基准参照。而规划年即采用规划方案建成后的状态，作为海绵城市的低影响开发雨水规划目标考核基准。

3.4 专项规划对接

在低影响开发雨水排水规划设计初期，需要设计人员一定程度地参与或者掌握研究区域及其周边尽可能详尽的建筑设计、城市设计、景观设计、市政专向设计、水系专向设计、交通专向设计等规划年份的详细设计方案和专项规划方案。

本项目的设计过程中，由于研究区域暂时未进行土地出让和地块详细设计，因而仅获得生态文化新区规划方案、市政排水规划方案、道路规划方案，并在低影响雨水排水规划设计过程中与这3个规划方案进行衔接。其中，生态文化新区规划方案主要用于规划土地类型、绿地率、占地面积、BMP措施布置和设计等方面的研究；市政排水规划方案主要用于管径、人孔、坡向、坡度、支管衔接等方面的研究；道路规划方案主要用于竖向高程、道路断面设计、BMP措施布置和设计、道路坡向和坡度、道路淹没深度和淹没范围等方面的研究。

现有排水规划方案主要采用雨水管道，城市主干路雨水管道采用5年一遇设计重现期，一般地区采用3年一遇设计重现期。场地南端规划新建雨水调蓄池，并在雨水调蓄池的北侧新建排涝泵站1座。规划雨水排入雨水调蓄池，经排涝泵站将雨水排入永定河灌渠或永定河，其中排入永定河需征求水务部门的意见。

规划道路主要包括城市次干道及城市支路。50 m城市次干道为双向六车道；30 m城市次干道为双向四车道；30、20 m支路均为双向两车道。

3.5 确定适合的BMP类型和比例

海绵城市的BMP组合和设施布置需根据当地气象、水文、环境、生态植被物种等影响因素，挑选出最适合的低影响开发雨水生态处理措施，例如下凹式绿地、干草沟、雨水花园等，并在研究范围内经过计算，进行平面布置。BMP的总占地面积应不超过上一步骤中设定的面积上限。由于我国幅员辽阔，因此需要根据当地气候生态和水文特点挑选出综合效应最大的BMP和植被类型，否则将很难起到可持续性的效果。

不同用地类型所适合的BMP类型有所不同，根据工程经验确定适合本项目(北方地区)不同层面、不同用地类型的BMP措施，见表1。其中，对于地块及街道层面，应用最广泛的BMP措施是绿色屋顶、渗透沟、雨水花园、滞留塘/下凹绿地/下渗植被、透水铺装及干草沟等；对于流域层面，为实现流域内对地表径流的截留和蓄滞作用，同时考虑降低对地块的影响，选用面积较大的公共绿地及开放空间布置干塘、湿塘，作为区域暴雨管理的主要措施。

本项目中的地块层面BMP措施布置的基本原则如下：①根据北京市当地气候选择适合的耐旱、低耗水植被，以及适于布置的BMP措施形式；此外，还要考虑用地类型的区别，例如商业用地、居住用地或者市政公共用地。共确定8种适宜的BMP措施类型。②将这8种BMP措施分为水质过滤型、下渗滞留型、存续溢流型三类，根据不同类型BMP对城市地表径流产生的作用，确定BMP措施在不同类型地块配合使用时的上下游串联关系及顺序。③根据各规划用地地块的实际情况，为了达到规划设计的控制性目标，若单一的BMP设施无法满足指标要求，可在地块层面内考虑同时采用多个BMP设施，最终的雨水控制效果是这类组合的综合处理效率。④根据项目经验和BMP产品参数进行尺寸计算，并与绿地率和适宜布置BMP措施的占地面积上限进行比较。根据单位占地面积BMP措施对于地表径流水量和水质的处理效果，对不同的BMP措施进行排序，结合用地类型和占地面积的限制确定每种用地类型的BMP措施组合。

3.6 建立数学模型，验证设计

采用当地典型暴雨模拟基准年及规划年的地表径流、下渗、排水等水量和水质情况，比较基准年和规划年的定量分析指标因子，将规划前、规划后不考虑低影响开发以及规划后考虑低影响开发这3种情况进行对比和分析。

根据上一步的分析结果，与规划设计前确定的控制性目标进行比较，进行控制目标的评估，若评估结果不满足控制性目标的要求，则需要重新对BMP设施的选择、布局及尺寸进行调整，以便能最终达到控制目标。

本项目采用SUSTAIN模型对北京市永定河生态新区的暴雨径流管理进行模拟与分析，以实现研究区域低影响开发暴雨径流管理策略。SUSTAIN模型是建立在ArcGIS平台上，主要用于低影响开发状态下城市降雨径流控制的模拟分析，包含BMP选址模块、地表产汇流模块、BMP类型选择及参数设置模块、成本效益分析模块、后处理模块。

SUSTAIN模型应用的主要流程包括：①确定研究区域低影响开发设计目标；②数据收集及处理，主要包括气象数据、地理信息数据以及水质、水量监测数据；③SUSTAIN模型的建立，主要包括根据已有条件进行BMP选址、布置，设定BMP类型及初始参数，划分子汇水区及汇流网络，模型率定及验证；④方案优化，即通过决策变量对评价点的BMP进行方案优化；⑤结果分析及评价。结合SUSTAIN模型建立流程，整理出海绵城市规划设计模型搭建的技术路线，如图2所示。

图2 海绵城市规划设计模型的技术路线

在规划研究阶段，利用SUSTAIN模型对区域开发前后的水文状态进行模拟评估，对研究区域开发后BMP措施的选择、布局及尺寸优化进一步分析，有利于指导研究区域低影响开发的实施。

同时，在流域层面的研究要结合暴雨地表径流以及洪水模型的耦合使用，以验证在街道及流域层面应规划使用的低影响开发暴雨最佳管理措施的可行性。

① 设计暴雨

采用1、5、50年一遇，时间精度为5 min的24 h设计暴雨数据，总降雨量分别为47、151、340 mm，最大1 h降雨量分别可达21、64、115 mm，设计暴雨雨型如图3所示。

② 暴雨管理子汇水区域划分及参数输入

现状用地尚没有完整的市政雨水管网，规划将区域划分为南、北两个子汇水区，两个子汇水区之间由市政雨水管道连接。规划后用地，将每一个规划地块作为一个子汇水区，共划分为79个子汇水区，平均面积为1.34 hm²。根据市政雨水管网的排布将道路划分为10个子汇水区，平均面积为5.12 hm2。管道平均长度为149 m；管道最小直径为0.6 m，最大直径为2 m；管道最小坡度为0.059%，最大坡度为0.23%，平均坡度为0.11%。SUSTAIN模型参数主要包括地面坡度、曼宁系数、洼蓄深度、土壤参数等。

③ 情景方案模拟

本研究模拟分析指标包括总径流量、峰值流量及外排雨水流量径流系数，设置模拟方案见表2。

表2 情景方案

3.7 确定BMP的布置方案

当上述步骤中的定量分析指标因子和规划控制目标都符合要求，则说明前期设计的低影响开发雨水排水方案可作为最终设计方案，并可同时对规划景观设计方案和市政、交通等专项规划进行反馈和验证，也可进行下一阶段施工图、排水防涝预案设计以及成本—效益分析等工作。

设计方案通过模型的若干次模拟计算和结果分析，最终实现规划设定的目标，即确定最终的低影响开发雨水排水规划设计分别在不同类型用地地块、道路以及公共基础设施三个层面的实施方案。

4 结果与分析

4.1 SUSTAIN模型与传统计算的产流结果对比

研究区域尚处于规划阶段，无实测数据用于模型校核。根据北京市地方标准《雨水控制与利用工程设计规范》（DB 11/685—2013），通过计算得出典型用地类型，包括城市绿地、居住兼公建以及道路的地表径流系数。通过SUSTAIN模拟结果与规范中使用的计算方法对径流系数进行计算，分别对比雨量径流系数以及流量径流系数，结果如表3所示。可知，采用SUSTAIN模拟得到的产水量结果与传统方法估算得到的汇水区产水量数值接近。

表3 地表产流SUSTAIN模型与传统方法的计算结果比较

4.2 地表径流总量

通过SUSTAIN模型分别对1、5、50年一遇的暴雨进行模拟，对整体区域进行水量平衡分析，结果如图4所示。对于5年一遇的暴雨，雨水流量径流系数不大于0.4，经地块及街道层面上使用的暴雨管理措施削减后，规划后的外排径流系数由0.58下降至0.14，符合设计目标。通过流域层面雨水管理措施削减后，干塘及湿塘的设计标准为50年一遇，考虑干塘及湿塘的滞蓄作用，暴雨事件为50年一遇的情况下，流域出流量均为零。

对于不同用地类型，由于可用于实施最佳雨水管理措施的占地面积不同，因此不同用地类型的径流削减效果不同。经过地块层面及街道层面最佳雨水管理措施的削减后，对应地块的BMP滞蓄总量和雨水外排径流系数如图5和图6所示。可以看出，对于1年一遇设计暴雨，经过地块及街道层面的BMP削减后，地块外排量为零；对于5年一遇设计暴雨，经过地块及街道层面的BMP削减后，外排雨水径流系数均可控制在0.2以内；对于50年一遇设计暴雨，部分用地的削减效果较弱，主要是因为不透水区域比例较大，产生的地表径流较多，例如商业金融用地的外排雨水流量径流系数仍然为0.4，因此需要通过流域层面的干塘进一步削减，来达到区域暴雨管理规划的目标。

4.3 场降雨径流过程

对于1、5和50年一遇暴雨，经过地块及街道层面BMP的削减作用后，研究区域汇流曲线如图7所示。可以看出，BMP措施对于降雨过程具有明显的削峰、错峰和滞蓄作用。

对于1年一遇的暴雨，地块及街道层面的BMP对径流的削减效果十分明显，能够将暴雨产生的径流全部滞蓄。对于5年一遇的暴雨，地块及街道层面的BMP对径流的削减效果也比较明显，对于小流量径流可以完全滞蓄，对于大流量径流可以控制在现状水平。

对于50年一遇的暴雨，地块及街道层面的BMP对小流量径流的削减效果明显，但对大流量径流的削减效果相对较差。这是因为50年一遇的暴雨在该时段内的降雨强度大，超过了地块及街道层面BMP的滞蓄能力。地块及街道层面的滞蓄量仅为径流总量的30%左右。因此，50年一遇的暴雨需要通过流域层面的BMP措施即干塘及湿塘来达到削减径流的目的。

5 结论

① 海绵城市规划设计从地块、街道、流域三个层面实施最佳雨水管理措施（BMP），能够从源头、过程、流域有效地滞蓄、削减地表径流的总量和洪峰。研究区域内可以应用的BMP共分为8类，分别是砂滤池、绿色屋顶、透水铺装、渗透沟、雨水花园、滞留塘/下凹绿地/下渗植被、干草沟以及干塘/湿塘。

② 采用SUSTAIN模型分别对1、5和50年一遇的暴雨进行模拟分析，对于5年一遇的暴雨，规划后的外排径流系数可由0.58下降至0.14，符合设计目标。地块及街道层面的BMP措施能够将1年一遇暴雨产生的径流全部滞蓄，年径流总量控制率不少于85%。在海绵城市规划设计中，对小降雨事件的控制与管理，因地制宜地合理规划BMP的尺寸及规模，实现年径流总量控制率的控制目标至关重要。

③ 流域层面的BMP即干塘及湿塘的设计标准为50年一遇暴雨，考虑干塘的滞蓄作用后，暴雨事件达到50年一遇的情况下，流域出流量为零。说明干塘及湿塘能将地块和街道层面截留水量之外的地表径流有效地滞蓄在干/湿塘的库容内。