劉 永 劉 暉

西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院 西安 710055

隨著城市化的快速發(fā)展， 城水問題愈發(fā)顯著，區(qū)域濕地面積減少， 雨洪調(diào)蓄能力減弱[1-2]， 從20 世紀(jì)60 年代至今， 將城市雨洪管理與城市空間布局以及生態(tài)景觀系統(tǒng)相結(jié)合已成為城市發(fā)展的新趨勢(shì)并形成了諸多先進(jìn)的雨洪管理理念[3-5]。城市中30%～40%的綠地率僅僅反映了綠地的占比， 而實(shí)際的城市生態(tài)績(jī)效并不與之匹配。 如何在復(fù)雜的城市空間中通過精準(zhǔn)綠地布局來緩解城水問題， 已成為當(dāng)下協(xié)調(diào)城市發(fā)展與改善生態(tài)環(huán)境的重要切入點(diǎn)。

在城市建設(shè)中， 綠地是協(xié)調(diào)城水關(guān)系的重要載體， 不同尺度下的景觀格局對(duì)生態(tài)過程的影響也不相同[6]， 該影響同樣體現(xiàn)在徑流調(diào)蓄功效上。在海綿城市建設(shè)過程中， 地形與綠地格局是影響場(chǎng)地徑流情況的重要因子。 本文在相同研究尺度下， 對(duì)常規(guī)式綠地分布、 中心貫穿式綠地分布、離散式綠地分布3 類典型的綠地布局模式進(jìn)行模擬分析。

如圖1 所示: 在常規(guī)式綠地分布模式中， 綠地依據(jù)建筑布局及用地性質(zhì)的功能需求而定， 場(chǎng)地在雨水排放過程中， 過多依靠管渠直接排放的方式造成大量的雨水資源浪費(fèi)； 在中心貫穿式綠地分布模式中， 場(chǎng)地中心設(shè)有綠地廊道， 通過周邊地塊匯水， 在雨水排放過程中， 中心綠廊可集中收水、 排水， 可節(jié)約部分敷設(shè)管渠的成本； 在離散式綠地分布模式中， 場(chǎng)地中設(shè)置不同級(jí)別的生態(tài)草溝， 依據(jù)地形連通形成不同級(jí)別的匯水途徑， 匯入周邊的環(huán)狀綠地廊道， 最終到達(dá)末端收集區(qū)域。 對(duì)附屬綠地的有效識(shí)別與利用， 將其有機(jī)地聯(lián)系可作為處理城市中分散的、 小范圍的雨水徑流調(diào)蓄場(chǎng)所， 這不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水的源頭控制， 而且有利于雨水的在地性收集利用[7]。

圖1 城市典型綠地布局模式示意

1 研究方法

1.1 研究尺度及樣方選取

通過對(duì)衛(wèi)星地圖分析， 發(fā)現(xiàn)城市街區(qū)尺度建設(shè)地塊邊長(zhǎng)普遍集中在80～180 m 范圍內(nèi)， 其中80 m主要為老舊街區(qū)和其他邊界不是非常明顯的場(chǎng)地，而新建場(chǎng)地邊長(zhǎng)多在100 m 左右。 為了在盡可能接近實(shí)際場(chǎng)地大小并在模擬過程中減小計(jì)算誤差的基礎(chǔ)上， 對(duì)比不同約束條件對(duì)徑流調(diào)蓄的貢獻(xiàn)， 選取100 m×100 m 作為樣方， 分別對(duì)不同綠地分布類型、 子匯水分區(qū)連通方式、 下墊面不透水連續(xù)程度及徑流入流順序4 類場(chǎng)地條件構(gòu)建水文模型， 通過多組對(duì)照模擬分析以上條件對(duì)徑流的管控效能。

在排水分區(qū)管控單元下的 “源頭—過程—末端” 的體系下， 不同層級(jí)的海綿設(shè)施可在隸屬的匯水單元中相互聯(lián)系， 構(gòu)成各自閉合的 “產(chǎn)匯消” 子體系。 相對(duì)于宏觀層面的地表徑流管控模式， 衍生出的 “產(chǎn)匯消” 子體系可以更系統(tǒng)地在場(chǎng)地、 街區(qū)等中小尺度下協(xié)調(diào)徑流管控， 而中小尺度下該體系的構(gòu)建， 無論在雨水資源的高效在地性利用， 還是設(shè)計(jì)層面均具備較強(qiáng)的可操作性和可重復(fù)性[8]。

1.2 綠地布局模式提取

1.2.1 不同綠地分布類型

在相同綠地率的前提下， 對(duì)綠地分布類型劃分為4 種模式 (圖2): 模式1 (中心集中式) 對(duì)應(yīng)街心公園的建設(shè)類型， 該模式綠地相對(duì)集中；模式2 (分散集中式) 對(duì)應(yīng)居住區(qū)中心綠地的布局， 每個(gè)地塊中心設(shè)置綠地， 對(duì)比中心集中式綠地， 該模式相對(duì)分散； 模式3 (分散邊緣式) 在地塊劃分上與分散集中式類似， 不同的是綠地分布于邊緣； 模式4 (分散條帶式) 中， 綠地呈條帶形分布于場(chǎng)地邊緣。

圖2 不同綠地分布類型模式

模式1 未劃分匯水分區(qū) (規(guī)模為 100 m×100 m)， LID 設(shè)施設(shè)置于場(chǎng)地中心 (規(guī)模為20 m×20 m)。 模式2、 3 為四等分的子匯水分區(qū) (規(guī)模為50 m×50 m)， 兩組模型中均設(shè)置面積相等的LID 設(shè)施 (規(guī)模為10 m×10 m)， 其中， 模式2 中的LID 設(shè)施設(shè)置于子匯水分區(qū)中心， 模式3 中LID 設(shè)施設(shè)置于子匯水分區(qū)邊緣， 模式4 中LID設(shè)施呈條帶狀分布于子匯水分區(qū)邊緣。

1.2.2 不同子匯水分區(qū)連通方式

子匯水分區(qū)的連通方式在一定程度上影響樣方內(nèi)的徑流調(diào)蓄能力。 研究以子匯水分區(qū)串、并聯(lián)及分區(qū)形狀作為變量，概化形成4 種典型模式(圖3)。

圖3 不同子匯水分區(qū)連通方式模式

如圖3 所示: 模式5、 6 中子匯水分區(qū)規(guī)模為100 m×25 m， 呈長(zhǎng)方形； 模式7、 8 中子匯水分區(qū)規(guī)模為50 m×50 m， 呈正方形； 4 種模式對(duì)應(yīng)的LID 設(shè)施均設(shè)置在各子匯水分區(qū)中心。

1.2.3 下墊面連續(xù)程度及徑流入流順序

下墊面的連續(xù)程度可直接影響徑流的強(qiáng)度。在相同的綠地規(guī)模下， 連續(xù)性較強(qiáng)的硬質(zhì)鋪裝會(huì)帶來短時(shí)強(qiáng)徑流， 相反地， 連續(xù)性較強(qiáng)的綠地會(huì)對(duì)徑流進(jìn)行有效地削峰與錯(cuò)峰。 對(duì)下墊面連續(xù)性進(jìn)行概化分類， 形成4 種典型模式 (圖4)。

如圖4 所示: 模式9、 10 中子匯水分區(qū)規(guī)模為100 m×25 m， 模式9 中徑流入流順序自上而下為 “硬質(zhì)-綠地-硬質(zhì)-綠地”， 模式10 中自上而下為 “綠地-硬質(zhì)-綠地-硬質(zhì)”； 模式 11、 12 中子匯水分區(qū)規(guī)模為100 m×50 m， 模式11 中徑流入流順序自上而下為 “硬質(zhì)-綠地”， 模式12 中自上而下為 “綠地-硬質(zhì)”。

圖4 下墊面連續(xù)程度及徑流入流順序模式

1.3 模擬工具選取

研究采用 Storm Water Management Model(SWMM) 作為模擬工具， 相關(guān)學(xué)者在對(duì)該模型進(jìn)行原理及實(shí)踐研究中， 對(duì)其在城市徑流模擬的適用性及準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。 劉俊[9]利用連續(xù)方程與曼寧方程驗(yàn)證了模型在城市防洪與排水規(guī)劃設(shè)計(jì)中的適用性； 蔡凌豪[10]認(rèn)為SWMM 模型在中小尺度的水文模擬中具有更好的準(zhǔn)確性； 陳鑫等[11]通過對(duì)鄭州市主城區(qū)暴雨徑流過程進(jìn)行模擬， 驗(yàn)證了SWMM 模型在城市內(nèi)澇模擬中的適用性。 陳瓊[12]證明了基于 SWMM 模擬應(yīng)用 LID 技術(shù)的實(shí)用性和可靠性。

趙冬泉等[13]、 劉興坡等[14]、 董欣等[15]、 王浩昌等[16]、 陳曉燕等[17]對(duì)SWMM 中的敏感參數(shù)進(jìn)行了率定， 并提出包括非滲透面積比例、 地表滲透能力、 特征寬度與下滲參數(shù)等因子對(duì)模擬結(jié)果的影響。 在SWMM 與LID 設(shè)施配置的研究中， 李家科等[18]、 張勝杰[19]、 馬箐等[20]、 李霞等[21]、 蔣春博等[22]分別對(duì)幾種低影響設(shè)施的徑流量及污染物削減的效果進(jìn)行模擬研究， 證明了對(duì)LID 設(shè)施進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化可提高其徑流管控效能。

1.4 模型參數(shù)選取及修正

1.4.1 特征寬度修正

在SWMM 模型中， 特征寬度 (Width) 由子匯水面積除以平均最大地表匯流長(zhǎng)度給出[23-24，27]， 特征寬度具有較高的敏感性， 影響子匯水分區(qū)的劃分與模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性[25-26]。 目前有4 種關(guān)于特征寬度的計(jì)算方法[28-30]， 本文選“面積/匯流長(zhǎng)度” 的方法， 由于模式中地塊為矩形， 該方法不需要相關(guān)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的修正， 可較為準(zhǔn)確地反應(yīng)特征寬度與地塊的關(guān)系， 同時(shí)減少因經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值不同而帶來的模擬結(jié)果誤差。 為了在模型中客觀反映子匯水分區(qū)中綠地的分布位置及類型， 需要通過修正匯流長(zhǎng)度的方式獲取準(zhǔn)確的特征寬度。 對(duì)模式 1、 2、 3、 4 中子匯水分區(qū)匯流長(zhǎng)度做如下修正 (圖5)。

圖5 模型參數(shù)示意

式 (1) 至式 (4) 中:LN為不同子匯水分區(qū)的徑流匯流長(zhǎng)度 (m)；L為地塊邊長(zhǎng) (m)；L′為 LID 設(shè)施的邊長(zhǎng) (m)。 式 (1) 至式 (4)分別對(duì)應(yīng)模式1 至模式4 中的徑流匯流長(zhǎng)度， 通過子匯水分區(qū)面積與匯流長(zhǎng)度的比值確定其特征寬度。 后文各組模式根據(jù)以上方法確定特征寬度。

1.4.2 土壤及LID 設(shè)施參數(shù)調(diào)整

已有學(xué)者通過模型參數(shù)率定及場(chǎng)地監(jiān)測(cè)的方法對(duì)研究區(qū)土壤特性進(jìn)行研究[31]。 因此， 本研究地表產(chǎn)流模型選用 Horton 入滲模型， 土壤的最大、 最小入滲速率分別限定在0.254 m·h-1和0.010 m·h-1， 霍頓曲線下滲衰減常數(shù)取3 h-1，土壤完全排干時(shí)間為7 d， 不透水性地表和透水性地表的曼寧系數(shù)分別取0.01、 0.1， 不透水和透水區(qū)的洼蓄量分別為2 mm 和4 mm， 坡度取5‰，子匯水演算方式為OUTLET， 水力模塊采用動(dòng)力波進(jìn)行模擬。 為減小變量造成的影響， 模型中的LID 設(shè)施均為Rain Garden， 蓄水深度取150 mm，植物覆蓋比取20%， 表面粗糙系數(shù)取0.1。

1.4.3 設(shè)計(jì)降雨雨型

式(5)中:q為暴雨強(qiáng)度，單位為L(zhǎng)·(s·hm2)-1；C為雨量變動(dòng)參數(shù)， 研究區(qū)為2.297；P為重現(xiàn)期(年)；t為降雨歷時(shí) (min)；A為地方修正系數(shù)，研究區(qū)為6 789.002；b為時(shí)間參數(shù)， 研究區(qū)為30.251；n為衰減指數(shù)， 研究區(qū)為 1.141。

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)計(jì)降雨條件模擬結(jié)果

2.1.1 2 年一遇設(shè)計(jì)雨型下各排放口徑流排放

在2 年一遇設(shè)計(jì)雨型下對(duì)各組模式進(jìn)行模擬，各排放口徑流排放量見表1。

表1 2 年一遇設(shè)計(jì)雨型下各排放口徑流排放量統(tǒng)計(jì) m3·s-1

2.1.2 5 年一遇設(shè)計(jì)雨型下各排放口徑流排放

在5 年一遇設(shè)計(jì)雨型下對(duì)各組模式進(jìn)行模擬，各排放口徑流排放量見表2。

表2 5 年一遇設(shè)計(jì)雨型下各排放口徑流排放量統(tǒng)計(jì) m3·s-1

2.2 不同場(chǎng)地條件徑流調(diào)蓄效能分析

2.2.1 綠地分布類型

在2 年一遇降雨事件中， 模式1 與模式2、 3同時(shí)出現(xiàn)徑流峰值， 但在徑流削減率上， 模式2、3 比模式1 高11.1%， 且比模式1 徑流結(jié)束時(shí)間提前0.5 h， 即模式2、 3 中的綠地布局模式在徑流削峰與錯(cuò)峰上均優(yōu)于模式1； 同時(shí)， 模式2、 3在徑流總量控制上也優(yōu)于模式1。 在5 年一遇降雨事件中， 模式2、 3 出現(xiàn)徑流的時(shí)間晚于模式1， 徑流削減率比模式1 高7.7%， 徑流總量控制優(yōu)于模式1。 值得注意的是， 在2 年及5 年一遇的降雨條件下， 模式4 控制徑流量的表現(xiàn)相對(duì)較差。究其原因， 在該降雨強(qiáng)度條件下， 模式4 (分散條帶式) 綠地分布集中在匯水分區(qū)邊緣， 場(chǎng)地發(fā)生蓄滿產(chǎn)流， 而模式4 中匯流長(zhǎng)度最短， 所以徑流量較大。

2.2.2 子匯水分區(qū)連通方式

在2 年一遇降雨事件中， 模式6 徑流峰值最大。 究其原因: 子匯水分區(qū)的并聯(lián)式出流模式導(dǎo)致徑流只通過各自所在匯水分區(qū)最終排放， 未能與周邊子匯水分區(qū)連通， 所以在徑流峰值的削減上劣于模式 6、 7、 8。 模式 7 由于將各子匯水分區(qū)串聯(lián)， 且漫流長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)， 徑流在流經(jīng)過程中可進(jìn)行一定量的下滲， 所以在錯(cuò)峰與削峰上效果較好。 在5 年一遇降雨事件中， 模式6 在徑流峰值的削減上劣于模式7、 8， 而模式7 在徑流的錯(cuò)峰與削峰能力上最好。 隨著降雨強(qiáng)度的增大，模式8 對(duì)場(chǎng)地徑流總量的控制能力有所降低， 說明子匯水分區(qū)串聯(lián)的方式比并聯(lián)方式更能有效控制場(chǎng)地徑流。 需要注意的是， 模式7 雖然有較好的徑流控制能力， 但由于各子匯水分區(qū)的串聯(lián)，場(chǎng)地下游的子匯水分區(qū)需要接受上游分區(qū)排入的徑流， 所以場(chǎng)地徑流過程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.2.3 下墊面不透水連續(xù)程度及徑流入流順序

在2 年及 5 年一遇降雨事件中， 模式 9、 10在徑流的錯(cuò)峰與削峰上比模式11、 12 效果好， 且隨降雨強(qiáng)度的增大， 該結(jié)論得到驗(yàn)證。 連續(xù)性較高的不透水下墊面缺乏天然地面所具有的土壤和植被對(duì)徑流的吸收滯納能力[32]， 相較于集中式的綠地， 分散的綠地布局降低了不透水下墊面的連續(xù)程度， 從而可較好地對(duì)徑流進(jìn)行控制。

3 西安西咸新區(qū)白馬河公園設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于陜西省西安市西咸新區(qū)灃西新城東部，東臨白馬河路， 北靠永灃路， 隸屬西咸新區(qū)灃西新城海綿示范區(qū)。 規(guī)劃總用地面積3.43 hm2， 東西長(zhǎng)約240 m， 南北長(zhǎng)約156 m， 屬于灃西新城北片區(qū)唯一一塊公園綠地， 對(duì)城市建設(shè)具有重要作用。

3.2 優(yōu)化模式應(yīng)用

如圖6 所示， 場(chǎng)地中心地勢(shì)較低， 形成大型下凹空間， 公園在海綿設(shè)施調(diào)蓄達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上仍有438.25 m3的調(diào)蓄富余量， 可收集公園南側(cè)及西側(cè)地塊的部分雨水。 在綠地分布類型上， 在每個(gè)子匯水分區(qū)內(nèi)部均設(shè)置對(duì)應(yīng)規(guī)模的調(diào)蓄空間進(jìn)行徑流消解， 相對(duì)分散的調(diào)蓄型綠地分布能確保在分區(qū)內(nèi)部控制自身徑流。 在子匯水分區(qū)連通方式上: 首先， 各個(gè)分區(qū)盡可能串聯(lián)， 以提高分區(qū)間的聯(lián)合消解功效； 其次， 場(chǎng)地北部設(shè)置雨水花園，在對(duì)該區(qū)域徑流進(jìn)行收集的同時(shí)， 對(duì)各設(shè)施進(jìn)行串聯(lián)， 將其調(diào)蓄功效最大化 (圖7)。 在下墊面不透水連續(xù)程度及徑流入流順序上， 對(duì)場(chǎng)地需設(shè)置硬質(zhì)鋪裝的區(qū)域， 通過間隔設(shè)置綠地的方式， 減小硬質(zhì)下墊面的連續(xù)程度， 在徑流量與徑流強(qiáng)度上對(duì)雨水進(jìn)行控制。

圖6 方案總平面示意

圖7 項(xiàng)目下墊面格局分層解析

如圖8 所示: 場(chǎng)地北部有大面積硬質(zhì)鋪裝，方案采用透水鋪裝， 滿足游園路徑的前提下降低下墊面徑流系數(shù)； 通過模式9、 10 在徑流錯(cuò)峰、削峰上的良好表現(xiàn)， 對(duì)該區(qū)域場(chǎng)地進(jìn)行分散的“硬質(zhì)-綠地-硬質(zhì)-綠地” 模式優(yōu)化； 場(chǎng)地北側(cè)硬質(zhì)鋪裝較多， 是場(chǎng)地徑流的多發(fā)區(qū)域， 對(duì)該區(qū)域鋪地格局采取透水鋪裝和綠地間隔的布局模式，降低硬質(zhì)鋪裝的連續(xù)程度， 進(jìn)一步調(diào)控該區(qū)域徑流； 沿環(huán)形步道內(nèi)側(cè)布置植被緩沖帶， 對(duì)徑流做短暫滯留， 降低徑流對(duì)下游植被沖刷的同時(shí)凈化水質(zhì)， 最終通過植草溝匯入場(chǎng)地中心的生物滯留區(qū)域。

圖8 項(xiàng)目下墊面徑流組織剖面分析

3.3 優(yōu)化模式模擬驗(yàn)證

3.3.1 模式概化模擬對(duì)比

如圖9 所示， 場(chǎng)地產(chǎn)生徑流的主要區(qū)域?yàn)楸眰?cè)入口區(qū)域， 由于使用功能的需求， 需設(shè)置較大面積的集散場(chǎng)地， 依據(jù)串聯(lián)模式在徑流控制上的良好表現(xiàn)對(duì)北側(cè)與東北側(cè)主入口雨水花園進(jìn)行內(nèi)部串聯(lián)， 其南側(cè)鋪地采用綠地與硬質(zhì)間隔的布局模式。 通過對(duì)場(chǎng)地各模式優(yōu)化前后進(jìn)行模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 在本項(xiàng)目中， 將雨水花園串聯(lián)和對(duì)綠地與硬質(zhì)進(jìn)行間隔分散間隔的布局模式， 在徑流控制率上有較好的表現(xiàn) (表3)。

圖9 優(yōu)化模式概化模擬

表3 不同模式下排放口徑流統(tǒng)計(jì) (m3·s-1)

3.3.2 項(xiàng)目整體模擬對(duì)比

以項(xiàng)目所在地年徑流總量控制率90%的設(shè)計(jì)降雨量 (24.1 mm) 作為模擬條件， 對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行SWMM 模擬計(jì)算。 從子匯水分區(qū)徑流量分布上看， 在9 ∶50， 未添加 LID 設(shè)施的場(chǎng)地有 5 個(gè)區(qū)域出現(xiàn)了徑流外排 (圖10A)， 在本研究相關(guān)結(jié)論的優(yōu)化下， 協(xié)同LID 設(shè)施布置， 場(chǎng)地只有一個(gè)區(qū)域發(fā)生了徑流外排， 時(shí)間為 10 ∶00 (圖 10B)。 通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)， 兩個(gè)模型徑流結(jié)束時(shí)間分別為 10 ∶40 和 10 ∶15， 說明在豎向及綠地格局優(yōu)化的協(xié)助下， 場(chǎng)地LID 設(shè)施的調(diào)蓄功效得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖10 LID 優(yōu)化前后子匯水分區(qū)徑流概化模擬

4 結(jié)語

本研究提取分析的12 種綠地模式代表了城市建設(shè)的典型模式， 由于城市空間的多變性， 實(shí)際建設(shè)中的綠地模式更為復(fù)雜。 在不影響場(chǎng)地使用功能的前提下對(duì)外排徑流的有效管控可為場(chǎng)地水量的優(yōu)化分配提供可能， 最終服務(wù)于生境空間的多樣性營(yíng)造[33-34]。

研究表明， 在街區(qū)中小尺度下， 對(duì)于徑流調(diào)蓄的研究具有較強(qiáng)的可操作性與可復(fù)制性。 不同于規(guī)劃層面大尺度的研究范式， 中小尺度的研究范圍界定可更好地協(xié)同豎向、 地形、 下墊面分布等場(chǎng)地要素， 從設(shè)計(jì)層面精準(zhǔn)應(yīng)對(duì)徑流管控與綠地格局之間的水綠失衡問題。 本研究提出的12 種典型綠地格局模式均在不同程度上對(duì)徑流控制能力產(chǎn)生影響， 因此， 在具體設(shè)計(jì)中可結(jié)合場(chǎng)地條件對(duì)綠地分布類型、 子匯水分區(qū)連通方式及下墊面不透水連續(xù)程度進(jìn)行細(xì)分與排布， 以獲取相應(yīng)的徑流控制優(yōu)化模式。