海綿城市規劃中徑流控制分區及LID控制指標量化研究
——以昆明為例

蘇振宇　郭　濤

海綿城市規劃中徑流控制分區及LID控制指標量化研究
——以昆明為例

蘇振宇郭濤

以昆明市為例，結合城市不同片區的實際情況，采用自上而下的方法對海綿城市建設最主要的控制目標——年徑流總量控制目標進行分解細化。通過對昆明中心城區用地、土壤、地下水等基礎資料的調查分析，提出昆明市海綿城市建設的總體規劃布局和年徑流總量控制方案；結合歷史降雨資料分析，提出不同年徑流總量控制率所對應的設計降雨量，將不同分區LID措施進行量化。研究表明，量化后的LID措施在新開發地塊中實施難度不大，但在現狀地塊中要進行改造則具有較大的難度，需要采取一些靈活控制措施。

海綿城市 ｜ 低影響開發（LID） ｜ 年徑流總量 ｜ 設計降雨量 ｜ 徑流控制分區

蘇振宇

同濟大學建筑與城市規劃學院博士研究生

郭濤

昆明市規劃設計研究院高級工程師，碩士

隨著國內城鎮化的加速，城鎮建成區面積快速擴大，加上全球氣候變化，近年來極端氣候頻發，導致國內不少城市遭遇了內澇淹水的問題。

城市內澇的產生有其外部因素——極端天氣的原因，是不可控因素；也有人為因素，即在城鎮化的過程中，地表硬化加速，使原有區域下墊面水文特征發生了根本性的變化，流域地表徑流的產流特征也相應改變，一方面徑流總量大幅增加，另一方面徑流的流程和產流時間大為縮短，導致河道內的水量在短時間內暴漲直至漫堤，河道下游兩側的雨水無法及時排除，從而產生內澇淹水問題。人為因素屬于可控因素，可以通過海綿城市建設予以控制。

海綿城市作為國家提出的解決城市建設中出現的諸多涉水問題的重要舉措，是國家生態文明建設的重要組成部分。住建部在2014年10月發布了《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建》（試行）（下文簡稱《指南》），提出了海綿城市建設的控制目標要求，包括年徑流總量、峰值流量、面源污染以及雨水資源化利用4個方面，其中首要控制目標為年徑流總量，其它3個控制目標可以通過年徑流總量控制目標來部分實現。2015年10月國務院辦公廳發布了《關于推進海綿城市建設的指導意見》，要求從2015年起，全國各城市新區、各類園區、成片開發區要全面落實海綿城市建設要求。到2020年，城市建成區20%以上的面積達到目標要求；到2030年，城市建成區80%以上的面積達到目標要求。

在《指南》中提出了海綿城市建設年徑流總量控制目標需要在詳細規劃階段進行分解，并提供了目標分解的方法。陳小龍等[1]利用北京清控人居環境研究院自主開發的基于地理信息系統（GIS）和低影響開發理念的海綿城市規劃系統，對某市某地塊的低影響開發（LID）設施規模、布局進行了研究，通過綜合采用下沉式綠地、綠色屋頂、透水鋪裝、雨水塘等措施，模擬結果顯示可以實現不同地塊55%85%的年徑流總量控制率，但其中部分地塊的年徑流總量控制率低于《指南》要求的范圍?？档さ萚2]對武漢市某街區進行了研究，對街區內各地塊和道路采用不同的年徑流總量控制率進行控制，并通過加權平均法核算了研究街區的年徑流總量控制率，分別可達76%和82%，在武漢市年徑流總量控制率的取值范圍以內。劉俊杰等[3]對上海云錦路下沉式綠地年徑流總量控制的研究表明，當下沉式綠地土壤層上方有效蓄水深度達0.6m時，其年徑流總量控制率可達91.5%以上。以上相關研究從道路、地塊或片區的角度對海綿城市建設中年徑流總量控制率這一首要目標實現的可能性進行了分析，是自下而上的方法。

圖1　研究技術路線

本文從昆明市海綿城市建設年徑流總量控制率80%85%的目標出發，結合具體的地下水水位情況、土壤的水位分組情況，將這一總體目標在城市建設區內進行分解，是一種自上而下的任務分解、層層細化的方法。本文對于在規劃層面如何計算不同片區不同用地性質的地塊所需的設計調蓄容積給出了具體的計算方法，不僅有助于昆明海綿城市建設的實施，也可供其他城市參考。

1　研究技術線路

海綿城市建設的總體要求是實現年徑流總量控制率的目標，根據《指南》，昆明市所在區域為Ⅱ區，對應的年徑流總量控制率為80%≤α≤85%。

1.1目標分解

研究的目的是將年徑流總量控制目標分解細化到具體地塊，由于低影響開發（LID）措施與土壤、地下水關系密切，土壤的水文分組[4]對雨水徑流的下滲能力具有決定性的作用。因此，研究首先對土壤質地、地下水埋深等進行調查，在此基礎上，獲得土壤水文分組情況，然后劃分徑流控制適宜性分區，不同的分區采用不同的年徑流總量控制率（圖1），總體要求滿足80%≤α≤85%， 為各分區年徑流總量控制率按面積的加權平均值，計算公式為：

其中：Fi表示第i個分區的面積；αi表示第i個分區的年徑流總量控制率，α≥80%。

1.2設計調蓄容積計算方法

在確定各分區的年徑流總量控制率的條件下，可以通過歷史降雨資料統計分析得到對應的設計降雨量（見2.2節），各分區不同用地性質的地塊單位建設用地面積所需的設計調蓄容積采用《指南》中的容積法進行計算。計算公式為：

其中：V：設計調蓄容積，m3；H設計降雨量，mm；φ：綜合雨量徑流系數；F：匯水面積，hm2。

當匯水面積取1 hm2時，計算得到的結果即為每公頃建設用地所需的設計調蓄容積。

根據《昆明市城鄉規劃管理技術規定》中對居住用地、商務辦公用地、商業娛樂用地等不同類型用地性質的建筑密度上限和綠地率下限的規定，可以計算最不利條件下的綜合雨量徑流系數（表1）。對于各個分區不同的地塊，可以采用分區對應的設計降雨量和地塊性質對應的綜合雨量徑流系數，以及地塊匯水面積計算其所需的設計調蓄容積。

表1　綜合雨量徑流系數

2　海綿城市規劃適宜性分區和徑流控制目標

根據美國農業部（USDA）國家工程手冊水文部分關于水文土壤分組的相關資料，根據土壤質地及地下水水位的不同，可以將土壤分為4類：A類土壤具有較好的滲水能力，徑流量產率很低；B類土壤在飽和時滲水能力不受影響，具有較低的徑流量產率；C類土壤在飽和時具有較高的徑流量產率，滲水能力受到一定限制；D類土壤飽和時入滲能力受到較大的限制，具有很高的徑流產流率。

圖2　昆明市中心城區徑流控制分區

表2　徑流控制分區推薦徑流控制目標及對應設計降雨量

2.1徑流控制分區

根據中國土壤質地空間分布數據[5]，昆明中心城區平壩區土壤中粘土含量主要在25%以上，屬于粘土類土壤，其中平壩區以輕粘土為主，周邊山區以重粘土為主；局部少量在15%至25%，屬于粘壤土，研究區域基本沒有砂土類或壤土類土壤。研究區域內滇池湖濱區地下水埋深在1.0 m以內，湖濱區以外地下水埋深基本都在10 m以上。

圖3　昆明市年徑流總量控制率隨日降雨量的變化

結合土壤質地數據和地下水埋深調查數據，可以確定昆明市中心城區的水文土壤分組情況：濱湖區為D類土壤，平壩區為BC類土壤，低山丘陵區為CD類土壤。按照水文土壤分組，將中心城區劃分為3個不同的徑流控制適宜性分區，即濱湖區、平壩區和低山丘陵區（圖2）。其中濱湖區由于地下水水位偏高，入滲條件最不利；平壩區和低山丘陵區地下水埋深均在1.0 m以上，其中平壩區土壤以輕粘土為主，入滲條件相對較好，低山丘陵區土壤以重粘土為主，入滲條件差于平壩區。

2.2設計降雨量分析

為了提高不同分區年徑流總量控制率選取的靈活性，本研究采用《指南》中提出的年徑流總量控制率對應設計降雨量的統計分析方法，利用1951年至2011年共61年的日降雨量資料[6]，首先扣除日降雨量小于等于2 mm的數據，然后對日降雨量在2 mm以上的降雨數據按從小到大的順序進行排序，依次記為P1，P2，…，Pn，然后分別計算每個日降雨量數據對應的年徑流總量控制率，計算公式如式1所示，并將得到的日降雨量與年徑流總量控制率的對應關系繪制成圖（圖3）。

其中，Ri為日降雨量Pi對應的年徑流總量控制率，%；Pi為日降雨量在2 mm以上的數據進行排序后，排在第i位的日降雨量，mm/dp。

由圖3可以得到不同的年徑流總量控制率對應的設計降雨量，可以為后續徑流控制目標的分解計算提供相應的參數。

2.3目標分解

結合各分區的具體情況，考慮在昆明年徑流總量控制目標的基礎上，對各分區進行差異化控制，單位用地所需低影響開發措施的規模有所差異，要求最高的分區又不會難以達到目標。因此，結合各徑流控制分區中建設用地所占面積比例及其適宜性，在滿足昆明市海綿城市建設總體控制目標的情況下，擬定各分區內的徑流控制目標（表2）。

3　不同分區LID措施規模及目標可達性分析

在確定了不同的分區年徑流總量控制率的情況下，各分區內部不同的用地建議采用統一的年徑流總量控制率，以降低管理成本，即不論哪種用地性質，均統一采用所屬分區的年徑流總量控制率。

考慮到年徑流總量控制率為海綿城市建設的直接控制目標和昆明市以510 min短歷時高強度暴雨為主的降雨特點，而入滲是一個需要相對較長時間才能發揮作用的徑流控制方法，結合國內外低影響開發措施的應用情況，建議優先采用下凹式綠地（廣義的下沉式綠地泛指具有一定調蓄容積、可用于調蓄徑流雨水的綠地，包括生物滯留設施、滲透塘、濕塘、雨水濕地等）和綠化屋頂作為核算徑流調蓄設施的主要措施，調蓄的雨水后續通過入滲、蒸發和蒸騰等多種方式耗散掉；此外，透水鋪裝、雨水收集利用等設施作為鼓勵推廣設施。需要注意的是綠化屋頂調蓄徑流量僅限于屋頂對應降雨部分，按照綠化屋頂面積乘以其有效蓄水深度計算調蓄容積。

表3　濱湖區各類用地徑流控制指標

表4　平壩區各類用地徑流控制指標

表5　低山丘陵區各類用地徑流控制指標

3.1濱湖區徑流控制指標

在合理布局的前提下，濱湖區各類用地所需的設計調蓄容積均為220 m3/hm2與其綜合雨量徑流系數的乘積。以全部綠地（按最低綠地率計算）均采用下凹式綠地考慮，用地控制表中各類用地對應的下凹式綠地有效蓄水深度計算如表3所示。

3.2平壩區徑流控制指標

在合理布局的前提下，平壩區各類用地所需的設計調蓄容積均為 330 m3/hm2與其綜合雨量徑流系數的乘積。以全部綠地（按最低綠地率計算）均采用下凹式綠地考慮，用地控制表中各類用地對應的下凹式綠地有效蓄水深度計算如表4所示。

3.3低山丘陵區徑流控制指標

在合理布局的前提下，低山丘陵區各類用地所需的設計調蓄容積均為243 m3/hm2與其綜合雨量徑流系數的乘積。以全部綠地（按最低綠地率計算）均采用下凹式綠地考慮，用地控制表中各類用地對應的下凹式綠地有效蓄水深度計算如表5所示。

3.4年徑流總量控制方案與極端降雨情況的對比分析

圖4為20082011年4年日降雨量（mm）數據與濱湖區設計降雨量（22.0 mm/d，藍線）和平壩區設計降雨量（33.0 mm/d，紅線）的對比圖，可以看出，相對于大部分降雨，設計降雨量具有很好的徑流控制的效果；但是對于一些極端天氣下的強降雨，設計降雨量對應的調蓄容積能起到一定的削峰效果，但主要需依托提高城市排水管網設計標準來減少城市內澇淹水，調蓄容積的設置，可以降低淹水的程度，但不能發揮決定性的作用。

通過對19512011年日降雨資料的分析，可知平均每年有約12天日降雨量超過22.0 mm，約有5.4天日降雨量超過33.0 mm。

3.5目標可達性分析

城市的河道水系是重要的降雨調蓄空間，城市規劃中應尊重自然水體，減少對原有自然水體的侵占和裁彎取直，盡量保留天然水面。在不影響防洪安全的前提下，對城市河湖水系岸線、加裝蓋板的天然河渠等應進行生態修復，達到藍線控制要求，恢復其生態功能。昆明城市總體規劃中中心城區河流水系面積約1 072.06 hm2，占中心城區建設用地面積的2.49%，本身已可實現對徑流的調蓄與控制，可作為昆明市海綿城市建設的工作基礎。

根據《指南》，狹義的下凹式綠地深度一般在10 cm20 cm，其中有效蓄水深度在5 cm10 cm左右比較理想，3.13.3節中不同分區計算的所需有效蓄水深度絕大部分在10 cm以內，除了部分城市道路和現狀小區改造外，其它用地的全部綠地（按最低綠地率計算）均采用下凹式綠地的建設模式，各分區可分別達到80%、90%和83.2%的年徑流總量控制率。而部分采用下凹式綠地和綠化屋頂、生物滯留設施、滲透塘、濕塘、雨水濕地等組合方案的年徑流總量控制率需要結合各類措施的建設規模進一步核算。對于新開發地塊，結合小區內部綠化景觀進行配置，基本上不會增加開發成本[1]。

對于道路，由于20%的綠地率為最低值，有些道路綠化率實際上高達30%，因此，大部分道路要滿足目標要求是不存在問題的，僅有部分斷面較小的市政道路存在困難，可以在建設下凹式綠化帶的同時，通過應用透水鋪裝人行道的方式來提高其年徑流總量控制率。

對于現狀小區改造，以上核算中是按照15%的綠地率進行計算的，由于歷史遺留問題，部分小區的綠地率很低，建議對實現年徑流總量控制率改造確實存在困難的小區，可以采用硬化地面控制率作為考核指標，鼓勵老舊小區通過改造降低硬化地面比例，提高透水地面比例。對于綠地率較高的現狀小區，其所需下凹式綠地有效蓄水深度實際上要比表中數值更低，也可以綜合采取下凹式綠地、透水鋪裝、雨水收集桶、雨水收集池等臨時措施來實現改造要求。針對建成區的改造，可部分采用下凹式綠地和綠化屋頂、生物滯留設施、滲透塘、濕塘、雨水濕地、滲渠、透水鋪裝、雨水桶、雨水收集池等組合方案的年徑流總量控制率需要結合各類措施的建設規模進一步核算。

圖4　2008—2011年日降雨量與湖濱區和平壩區設計降雨量對比

對于公共綠地，其本身所需調蓄容積很小，但是建議作為片區超標雨水的優先淹沒區和調蓄區，不論是新建還是改造，均應適當提高其有效蓄水深度，按照平均蓄水深度不低于15 cm進行設計。

在小區修建性詳細規劃和設計階段，設計單位應確保按照不同的匯水分區分別核算對應的下凹式綠地和其它組合措施的調蓄容積，并給出各分區不同措施的調蓄規模和總調蓄規模。

綜上，對于新建區域，全面落實國家海綿城市建設要求，實現年徑流總量控制率目標從技術上來說是完全可行的，而且下凹式綠地的建設基本不會增加地塊開發費用，其他措施的建設則會增加一定的費用。對于建成區改造，綠地率較低的現狀小區改造達標存在一定的難度，可以不限制改造所采取的措施，鼓勵靈活應用各種臨時措施，以滿足2020年和2030年分別實現20%和80%的建成區達到年徑流總量控制率的要求。

4　結語

海綿城市建設是一個系統工程，需要在每個地塊予以落實，只有真正在城市建設用地中都實現源頭控制、就地控制的目標才能真正建成海綿城市。研究結果表明，就昆明而言，對于新開發建設用地，全面落實海綿城市建設，并實現以年徑流總量控制為主的建設目標是不存在困難的；但對現狀已建成區域，要進行海綿城市改造，則存在較大的難度，需要采取一些靈活控制措施，來實現年徑流總量控制目標的要求。

將海綿城市建設的總體目標進一步分解細化，并在城市規劃管理工作中予以落實是推動海綿城市建設的必要環節。本研究提出的海綿城市建設任務分解細化方法和不同地塊建設的規模不僅可以為昆明市海綿城市規劃建設提供參考，也可以為其他城市開展海綿城市規劃建設工作提供借鑒。

References

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Study on Runoff Control Zoning and LID Measures Quantifcation in Sponge City Planning: A Case Study of Kunming

This paper takes the real situation of different areas of Kunming into considerations, employs a top-down approach, and decomposes the main target of sponge city construction: annual runoff control rate. Based on the investigations of planned land use, soil components and ground water table, a runoff control zoning is put forward and the corresponding design precipitations for each zone are studied. Quantities of LID measures in different zones are also calculated to meet the runoff control requirements. The study shows that it’s not difficult to implement enough LID measures in new developing area, but in developed area, it is hard and needs more flexible policies to meet the requirements.

Sponge city | Low Impact Development | Annual runoff volume | Design precipitation | Runoff control zoning

1673-8985（2016）04-0115-05

TU981

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