基于功能區差異的海綿城市適宜性研究
----以揚州市為例

許 青，賈忠華，羅 紈，唐雙成，馬曉宇，吳舒然，邵正宵，宋為威

(1.揚州大學水利與能源動力工程學院， 江蘇 揚州 225009 ；2.河海大學水文水資源學院，南京 210098)

隨著城市化的快速發展，原有透水下墊面逐漸被不透水硬化地面所取代，地表硬化比例的增加改變了城市原生態地表吸收雨水的“海綿效應”。暴雨發生時，地表徑流量增大，水質較差的初期雨水攜帶大量的污染物進入城市雨洪管道，成為非點源污染的重要來源[1]。目前國際上積極倡導采用低影響開發(LID)措施，以就地消納的方式從源頭上削減暴雨徑流的洪峰、洪量，從而減少城市化發展對水環境的消極影響[2-9]。我國近年來提出的海綿城市建設理念與上述LID措施是一致的；目前已經開展了2期以LID理念為指導的海綿城市建設試點工作。一些試點城市在持續強降雨情況下，仍然出現了“城市看?！爆F象[10,11]。因此，城市建設面臨著“改與不改”、“局部改還是全面改”或者“如何改”的艱難選擇[12]。

車伍等人[13,14]從多角度解析了海綿城市發展的實質，針對生態城市建設的目標，有重點的“補缺”與合理銜接。夏軍[15]、張建云[16]從城市水文過程角度，深入剖析“城市看?！卑l生的條件與風險，系統布局是海綿城市建設成功的前提。李廣東等[17]則通過構建城市生態-生產-生活空間的功能分類體系，識別了不同地類空間功能匹配及空間集聚性。張善峰[18]從城市景觀學角度闡述了LID的內涵及作用。

現有海綿城市研究中，較少關注城市功能區之間差別，具體表現為：①對城市復雜的功能、景觀、土地利用認識不足，沒有考慮推進海綿城市建設可能存在的差異；②對于不同功能區的分布及特點關注不足，缺乏對于關鍵區域的關注。城市雨洪問題的焦點一般集中在城市中心，尤其是一些大型功能區，如商業中心等；③對于城市不同功能區對景觀的要求不同，影響了LID措施類型的選用。本文選擇最優LID措施來考慮城市功能區間的差異。同時考慮復雜的城市景觀要求、LID建設規模、形狀以及地形選擇不同，不同種類的LID措施所呈現出的景觀效果與城市功能區的契合度。

本文以揚州市海綿城市建設為例，緊緊圍繞目前海綿城市功能區之間差別，確定了城市不同功能區的景觀和地表分布特征，提出了相應的LID措施，得到不同功能區的海綿城市建設效果。通過綜合分析建設難易以及后期維護的要求，確定了海綿城市建設的重點區域。

1 材料與方法

1.1 研究區城市不同功能區的選取

本文研究區-江蘇省揚州市邗江區，位于長江三角洲腹部，長江與淮河交匯處(東經119°16′～119°31′,北緯32°13′～32°40′)，區內年平均氣溫14.8 ℃ ，年平均降水量為1 021 mm?？紤]到城市不同功能區透水與不透水面積之間的差異，本文選取了4個較典型的城市功能區作為研究對象。4個功能區分別是住宅區(金輪星城小區)、教學區(揚州大學揚子津東校區)、工業區(揚州市海信容聲冰箱公司)和商業區(歐尚超市購物中心)。4個功能區均于21世紀初建成并投入使用。其中，教學區、工業區地處城郊位置，遠離市中心；而住宅區及商業區集中位于市中心。

1.2 雨洪管理LID措施及其適宜性

根據LID措施對于雨洪徑流的影響,可以將LID措施概化為以下3種形式：

(1)就地處理方式：若某功能區的透水地面較大，且與不透水地面的水力連通性很好的情況下，可以就地將不透水地面產生的雨水徑流導入透水區，通過滯留、入滲等LID設施將其就地消化；此為最有效、最經濟的方式，后期的維護和管理費用較低；

(2)過流式：在透水地面面積較小，難以建設上述滯留設施的情況下，可以利用有限空間和透水性較好的材料，增加雨水處理能力，這一類措施一般在介質合適的情況下水質效果較好，水文效果一般，且采用人工介質導致造價及后期管理維護費用較高；

(3)就地/異地儲蓄式：當功能區內難以找到足夠的不透水地面或水力連通性不允許就地處理時，可以建設地下儲蓄設施將雨水徑流就地或是通過短距離運輸后儲存起來。這種方式造價和后期維護費用均較高。

2 結果與討論

2.1 不同功能區地表覆蓋類型及分析

采用ARCGIS軟件對研究區土地利用進行解析，表1列出了各功能區的面積土地利用情況。從表1可知，透水地面的存在不僅有利于減少雨水徑流，而且為建設雨水滯留設施，削減由不透水地面產生的徑流提供了條件，如雨水花園、干濕塘等。教學區和住宅區透水面積比例較高，就地處理雨水徑流可能性更大；商業區與工業區不透水面積遠遠大于透水面積，在相當的建設力度下，就地處理的可能性相對較小。

表1 不同功能區面積統計Tab.1 Statistics of different functional areas

教學區、住宅區和商業區中的不透水面積主要是硬化路面(見表2)，其道路面積占各功能區總面積比例從大到小依次為住宅區、商業區、教學區，分別為60%，52%，45%，除了教學區18%面積比例的操場，這三大功能區剩余不透水面積由屋頂構成。而工業區的不透水面積主要是屋頂，約占其總不透水面積的79%。LID措施的選取受到城市功能區的制約。如教育區不僅透水面積比例很大，而且受其他因素的制約較小，選取LID措施的靈活性最大；而住宅區雖然不透水面積也很大，但是受到人文、市政、以及開發商營銷策略等各方面的影響，對景觀要求比較高，在LID設施建設方面難度系數高于教學區。商業區和工業區由于不透水面積較大，雨水徑流進行就地或異地處理的需求量較大。但工業區多位于城郊地段，對景觀要求低于城市中心位置的商業區，LID設施建設相對容易。

教學區，商業區，住宅區和工業區這四大城市主要功能區的不透水面積主要是道路和屋頂，商業區建筑類型單一，屋頂由面積龐大的單體建筑物構成，而教學區屋頂建筑數目居多且分布均勻，工業區中的屋頂面積集中。屋頂面積大且集中給LID設施建設造成一定的障礙。

表2 各功能區不透水面積組成情況統計Tab.2 Statistics on the composition of impervious area of each functional area

各功能區透水地表主要包括草地、水面和裸地(表3)。教學區內綠化面積較大，其中草地是最主要的透水地表覆蓋，占到了總透水面積的90%，其余為人工湖泊。這對雨洪管理非常有利，可就地處理雨水徑流的潛力很大。商業區中透水面積單一，僅有草地；住宅區不透水面積的分布比例及類型均類似于教學區；工業區中透水面積包括草地，湖泊和裸地，但仍以草地為主，面積比例占總面積為94%，水面和裸地面積比例很小。

表3 透水覆蓋面積統計Tab.3 Permeable area coverage statistics

對已建功能區LID設施的規劃來說，草地是主要的LID建設用地來源。由于水面(湖泊)本身具備削減徑流的能力，在現有城市功能區改造及未來LID設施開發前提下，具有一定的改造潛力。對于工業區現存的3%裸地面積，從后期開發角度來看，具備較大的開發及改造潛力，可結合其具體位置，列入LID建設用地的重點。

不同功能區地表下墊面地塊面積大小分布差異顯著(圖1，表4)。從分布比例上看，工業區可改造的透水面積(草地)地塊較多，且面積大于400 m2的地塊占總數的88%，其中面積大于1 200 m2的草地有58塊。商業區透水地面的地塊總數遠小于教學區，面積大小分布主要集中在0～800 m2區間內，改造潛力很小。工業區400～800 m2草地地塊有58塊，易于開發改造。住宅區透水地塊面積大小集中分布在400 m2以內，具有一定的改造潛力。若對各功能區現有透水地面加以改造，仍需根據場地的地形條件，降雨特點，以及透水與不透水區域之間的水力聯系，因地制宜地制定最佳的LID組合措施。充足的透水區域面積為增設LID設施提供了良好的條件，對于現有水體，可進行改建或擴建，將其列入LID措施范圍內，在經濟條件允許下，對雨水徑流進行儲存與調蓄，從而更好地實現雨洪管理控制目標。

圖1 各功能區透水地表土地利用類型分析Fig.1 Analysis of land use types of permeable surface in each functional area

2.2 不同功能區雨洪資源可利用潛力分析

不同功能區地表覆蓋類型不同，直接影響其降雨徑流特征。對于同一場降雨時間，不透水面積越大的功能區，其降雨入滲量越小，且徑流量沿途損失衰減系數也變小，徑流產生及匯流的速度越快[19]。商業區不透水面積比重最大，工業區次之，教學區最小。商業區與工業區地表產生徑流時間較短，匯流速度也較快，土壤截流的降雨量較少，大部分降雨匯成徑流排入城市雨水管網，因此，與教學區與住宅區相比，商業區與工業區產生洪澇災害的可能性較大，這就增加了商業區、工業區推進海綿城市建設的迫切性。除了降雨徑流特性外，雨水資源可利用潛力也是保證海綿城市建設效果的重要因素。城區可收集雨量受多重因素影響，其中包括建筑物的分布狀況，地表下墊面性質，降雨季節分配，氣候特征等。雨洪資源可利用潛力可利用公式(1)計算[20]。

表4 各功能區不同土地利用類型面積分區地塊統計Tab.4 Each functional area of different types of land use area statistics

Ra=PAψα×103

(1)

式中：Ra為不同功能區城市雨洪資源可利用潛力，m3；P為不同功能區的降雨量，mm；A為不同功能區的面積，km2；ψ為平均徑流系數，可通過不同下墊面條件下的徑流系數與面積的乘積加權平均求得 ，本文計算中綠地徑流系數取值0.15，道路取值0.6，屋面取值0.9，操場0.45，裸地0.3[21]。α為季節折減系數，α=汛期平均降雨量/年平均降雨量。

由于研究區均位于揚州市區，因此平均降雨量及季節折減系數取值相同，由計算結果顯示，不同功能區地表構造不同，其雨洪資源可利用潛力也不同。其中，教學區平均徑流系數最小，雨洪資源可利用潛力最大，表明教學區具有較好改造能力，住宅區平均徑流系數次于教學區，但雨洪平均可利用潛力較小，增加其可改造難度系數。其余功能區雨洪可利用潛力相當，但平均徑流系數較高，對其進行海綿城市迫切性提高?？梢?，各類功能區雨洪資源可利用保障率較可觀，但目前海綿城市實施過程中開發利用率尚不足，雨洪資源開發潛力巨大。

表5 不同功能區城市雨洪可利用潛力分析Tab.5 Potential analysis of rainwater utilization in cities with different functional areas

2.3 水力連通性及LID措施適宜性分析

為了實現削減雨水徑流的截流，要求LID措施與匯流區有著適當的水力聯系。以下我們結合典型區分析，調查不同功能區的特點。

(1)教學區。教學區基本可以分為3類(圖2)：不透水面積零星分布型(食堂，圖書館等獨立建筑)、建筑物集中分布型(建筑集中的教學區，操場等)及透水和不透水有規律相間分布型(宿舍區)。典型區域一(a區域)，不透水面積相對較小，且零星分布于透水區域內；該區域水力連通性相對較好，不透水地面產生的雨水徑流可就地處理；典型區域二(b區域)，主要是教學區和操場，建筑物集中且不透水面積大，為人群主要活動區域，對雨洪處理要求較高，該區域內緊鄰建筑物、道路、操場等不透水面積旁，一般配備綠地等透水地表，具有一定的水力連通性，因此，可選取過流式LID措施，例如不透水邊界開挖滲透溝渠，植草溝等措施，通過引導將暴雨徑流輸送到相鄰的透水區域上，并考慮開挖草地興建雨水花園等生物滯留設施，削減雨水徑流中的污染物，保護水環境。典型區域三(c區域)，主要分布著學生宿舍及綠化草地，不透水和透水地面相間分布，水力連通性較好，(c區域)東側有大面積連片的透水地表，可作為過流式處理場所?？梢詫⑺奚釁^步行路面改為滲透鋪裝，并沿道路邊界開挖滲透溝渠，植草溝等措施，將需要處理的徑流輸送到東側草地上，并考慮在草地上興建雨水花園等生物滯留設施。

圖2 教學區內典型區域水力連通性概化圖Fig.2 Simplified map of the typical regional hydraulic connectivity in the Education area

(2)工業區和商業區。工業區與商業區均擁有大面積屋頂(圖3)，不過都有著一定的限制。工業區屋頂多由輕型結構組成，難以進行透水性改造；而商業區人流量大，屋頂多被用于停車。工業區內部建筑表現為集中連片的廠房建筑，外部有一定面積的透水地面，不過距連片的屋頂產流區較遠(圖3)，水力連通性較差；因此，應該考慮多布設雨水管、雨水桶等管道集水裝置，并借助排水溝，地下排水管等系統進行導流，將屋面徑流通過導流裝置排放到綠地上的LID設施。

圖3 工業區與商業區內典型區域水力連通性概化圖Fig.3 Schematic diagram of the hydraulic connectivity of typical areas in industrial and commercial areas

(3)住宅區。住宅區內部規劃構造類似于教學區(圖4)，但住宅區涵蓋的功能類型少于教學區。該區域雨水主要由地表積水及屋頂徑流匯聚而成，透水地表主要由人工水塘，河流，人工草坪，景觀綠化組成，且分散分布于建筑物四周，水力連通性較好，為海綿城市改造提供有利條件。對已建成的住區(以金輪星城為例)，添加綠地面積不切實際，且為了降低改造成本，考慮通過增加透水鋪裝覆蓋量，將普通綠化帶改造成植草溝，生物滯留池，雨水花園的方式，達到生態與景觀效益兼得。對新規劃住宅區，可考慮在地下車庫，地下室等增設地下雨水儲蓄設施，對增量雨水進行收集并儲存，用于住宅綠化區域澆灌，家庭沖廁，洗車等，既削減雨水徑流，又節約水資源[22]。

注：a區域為透水及不透水有規律相分布型；b區域為不透水地表零星分布型圖4 住宅區內典型區域水力連通性概化圖Fig.4 Schematic diagram of typical hydraulic connectivity in residential areas

2.4 LID措施綜合分析與結果討論

城市不同功能區因其服務對象及地理位置差異，總體分析地表覆蓋特征，既有異曲同工之處，局部區域又差異顯著。

工業區-不透水面積大而集中，雖然透水地面也較大，但是水力輸導的困難較大；空閑地較大，可以建設地下儲蓄設施，或改造屋頂結構方式。地處郊區，景觀要求靈活，雨水徑流處理的壓力較小，迫切程度較低，可以在城市建設過程中，穩步推進。

商業區-不透水地面集中，主要為大型單體建筑物屋頂，但景觀要求程度高，服務群體較大，地表和地下情況均較為復雜，可改造屋頂結構，充分利用現有綠地，優化綠地設施，增加透水鋪裝比例。海綿城市LID設施建設迫切度適中，但難度系數較大。

住宅區-透水地面比例較大，作為城市主要占地類型，服務群體大，景觀要求程度很高，且對于造價和后續管理要求較高，但迫切度最大，難度也最大。

教學區-透水地表與不透水地表比例相當，大面積可改造地塊面積充足，改造難度系數較低，最適合建設雨水花園等生物滯留設施，對所有LID設施適應性最高，因此迫切度較高，難度最小。

3 結 語

要保證海綿城市建設效果，首先要從經濟合理性及水力連通性兩大原則出發。經濟合理性即海綿城市量的具體體現，水力連通性則是海綿城市建設效果質的保證。本文以揚州市海綿城市建設為例，充分考慮城市各功能區之間的差異性，有針對性的建設各種LID設施，對穩步高效推進海綿城市建設工作大有裨益。研究選取的功能區特征能夠代表城市同類功能區的基本特征，因此研究成果具有一般適用性。結果表明，教學區透水面積最大，雨洪資源最豐富，地表徑流削減效率最高，住宅區次之，商業區與工業區除了地理位置不同，其內部構造相似，雨洪資源具有一定的可利用潛力，但集中連片的不透水面積增加了海綿措施改造的難度。因此城市各功能區內部構造、水力聯系、降雨徑流及雨洪資源的顯著差異直接影響海綿城市建設方式。針對不同城市功能區的特點，識別其海綿城市建設重點，甄選最佳LID措施單個及組合方式，探究與驗證LID措施技術在不同城市功能區的潛力及可行性將是目前我國海綿城市建設中需解決的重點問題，不僅需要在技術層面考慮，也需要從建設難易、后期維護、維修等經過綜合考慮。本文初步研究認為，針對城市不同功能區，海綿城市推進的迫切性從高到低應當按照住宅區-教學區-商業區-工業區有序進行。海綿城市建設效果按最佳效應排序為：教學區- 住宅區-工業區-商業區；建設難易程度從難到易依次為住宅區-商業區-工業區-教學區。

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