基于GIS和LID的雨水集蓄技術研究
——以山東省濱河小鎮營丘鎮為例

王浩程, 王 琳, 衛寶立

(1.中國海洋大學 海洋環境與生態教育部重點實驗室, 山東 青島266100; 2.青島市勘察測繪研究院, 山東 青島266011)

近年來，我國城市化水平和國民經濟呈高速發展趨勢[1]，但在城市規劃過程中，規劃人員仍依賴于傳統開發模式，居住區、街道、廣場等建筑用地大多采用水泥、瀝青等不透水材料，嚴重破壞了地表物質組成與結構[2]。不透水面面積的增加，大幅度削減了地表徑流停留時間，降低了地下水位，改變了環境原有水文循環過程，給雨洪調蓄造成很大壓力，并進而導致水資源短缺和城市洪澇災害問題[3-6]。傳統的雨水管理方法以“排”作為應對暴雨的指導思想[7]，致使城市排水管網不堪重負的同時，也造成雨水資源極大浪費。因此，2013年，習近平總書記在《中央城鎮化工作會議》的講話中提出：“提升城市排水系統時要優先考慮把有限的雨水留下來，優先考慮更多利用自然力量排水，建設自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”的理論。借鑒美國、英國、澳大利亞等發達國家的雨洪管理技術，如(低影響開發)LID[8]、(英國可持續排水系統)SUDS[9]、(澳大利亞水敏感性城市設計)WSUD[10]等研究，國內也由此進行了大量研究與應用。截止目前，我國現有雨水資源化利用方案的實踐，大多是集中在對城市綠地、街道和居住區等方面的研究，以工程設施探討為主[7，11-12]，缺乏以雨洪和景觀綜合效應為目的的宏觀尺度雨洪管理規劃[7]，針對鎮域、鎮區的研究則更少。本文選擇山東省濰坊市營丘鎮鎮區為研究對象，基于海綿城市理論，運用GIS技術，將低影響開發工程技術與景觀生態相結合，旨在解決山前沖洪積平原濱河中小型鎮區洪澇頻發、排水不暢、雨水資源利用不充分等問題，為雨水集蓄設施在中小型鎮區的合理規劃和應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

營丘鎮由濰坊市昌樂縣管轄，鎮區位于鎮域中部偏西，由馬宋水庫、唐家老莊、河西、南崔、寺后5個村組成。經預測，至2020年營丘鎮區人口規模為2萬人，用地規模為266.44 hm2。鎮區雨水以排河為主，鎮區以北的雨水收集后排到洪福河，鎮區南部雨水以地表徑流形式就近排入溝渠，汛期不能及時排水，容易發生洪澇災害。鎮區居住用地面積大且多以平房為主，路面多以瀝青、混凝土鋪裝，土地硬化程度極高，公共綠地僅占8.06 hm2。隨著鄉村城鎮化建設的發展，土地硬化及屋頂等不透水面積增加，極大改變了環境原有的水文循環過程，潛水含水層水量減少，地下水位降低，徑流雨量增大，徑流時間縮短，峰型陡峻，致使大量雨水流失，地面徑流污染及城鎮洪澇現象頻發，增大了雨污合流排水管網的排水壓力。

1.2 基礎數據獲取與研究方法

研究基礎數據主要來源于遙感、規劃和統計三大類，包括2014年Landsat-TM影像，分辨率30 m；高程模型DEM 30 m數據；研究區營丘鎮土地利用現狀圖(濰坊市昌樂縣國土資源局提供)等地理信息數據；《鄉鎮大事記》及現場調研數據。同時還包括《營丘鎮總體規劃(2014—2030年)》、《昌樂縣統計年鑒》、《營丘鎮志》、《鎮政府工作報告》等數據資料和社會經濟資料。其中Landsat遙感影像用于土地利用分類，因獲得的數據類型不同，使用ArcGIS進行數據處理過程中會出現投影信息丟失或無法匹配的問題，需要通過GIS軟件對取得的數據及圖形進行校準、投影變換和矢量處理，使數據轉化為同一投影坐標下的shapefile格式類型。處理軟件包括ArcGIS 10.3，ENVI 5.1。本研究利用DEM數字高程模型基于“八向法”(D8算法)，運用GIS提取水文要素信息，完成對匯水區邊界的劃分[13]；利用研究區2014年分辨率為30 m的Landsat-TM影像解譯土地利用現狀類型[14]；利用雨量徑流公式計算研究區調蓄庫容[15]；利用研究區DEM數據，運用GIS繪制鎮區地形等高線圖；綜合利用GIS和LID技術進行雨洪水集蓄和利用設施的布局；利用研究區所選擇的低影響開發技術設計參數計算雨水集蓄設施的總雨水調蓄量；利用水文敏感指數計算公式，確定各匯水區建設低影響開發設施的優先實施順序[16]。

2 技術研究方案選取與步驟

按照《海綿城市建設技術指南》的指導方針，以生態優先、可操作性、創新性為原則，參考相關文獻[6-7，17-18]，進行了鎮區的雨水收集利用技術方案的選取與規劃。

2.1 匯水區劃分

匯水區是指收集水資源的自然流域或人為集水的封閉區域，匯水區劃分是進行規劃過程中水文模型計算的重要環節。借助于數字高程模型(DEM)，運用GIS提取水文相關信息進行匯水區劃分。運用GIS工具中水文分析模型處理營丘鎮區遙感影像圖和DEM高程圖，經反復調試選用合適閾值，共得到25個鎮區匯水區(如圖1所示)。

圖1 營丘鎮區匯水區劃分

2.2 用地類型提取

為方便后續雨水徑流量和雨水調蓄容量等指標的計算，借助ENVI軟件對其Landsat遙感影像數據進行土地利用類型提取[14]，得到營丘鎮區林地、居住區建筑用地、耕地、水體、綠地、道路和空地7種土地利用類型，根據《海綿城市建設技術指南》[15]和相關研究[2]確定各匯水區中用地類型及面積，結果如圖2所示。

圖2 研究區土地利用類型分布

2.3 研究區不同地塊的徑流調蓄能力計算

海綿城市低影響開發設施在進行設計時，需要以徑流總量為控制目標，而徑流控制總量的多少對應的是所設計調蓄容積的大小。本研究根據《海綿城市建設技術指南》[15]選擇容積法進行調蓄容積計算，公式為：

V=10×ψ·H·F

式中：V——設計調蓄容積(m3)；ψ——綜合雨量徑流系數，參考《室外排水設計規范(GB50014)》；H——設計降雨量；F——匯水面積(hm2)。

其中研究區設計降雨量，通過多年日降雨量資料統計獲取，通常用日降雨量(mm)表示。不同城市、不同的年徑流總量控制率，對應的設計降雨量不同。同時，年徑流總量控制率的選擇一方面需要考慮區域內綠化、水系等生態性用地與其他開發用地的比例、地形地貌；另外還需考慮當地水體的環境目標、水資源現狀、降雨規律、開發強度等因素，對于單個地塊或建設項目開發，還需結合研究區建筑密度、綠地率及土地利用布局等因素[15-19]。本研究區參考濰坊市年徑流總量控制率為90%時所對應的設計降雨量，以此計算設計調蓄容積，結果詳見表1。

表1 營丘鎮區不同用地類型面積、徑流系數及雨水調蓄容積

2.4 集蓄利用設施布局與LID技術方案

低影響開發技術體系由雨水凈化、雨水滲透和雨水蓄集利用3部分構成。本研究結合匯水區地勢、高程等地形條件及研究區的整體現狀規劃，在滿足實際調蓄容積不小于設計調蓄容積的前提下，對低影響開發技術，生態基礎設施的種類、組合、布局進行科學合理的選擇，進而實現雨水資源有效收集利用。從圖2和表2可以看出，營丘鎮區居住區建筑用地作為主要用地類型，集中分布在鎮區中南部，占鎮區總面積的31.50%；西北和東南部分布少量林地和綠地；耕地主要分布在鎮區北部和西南部；鎮區中空地面積較大，占鎮區總面積28.96%，主要分布在鎮區北部和東南部。從圖3可看出鎮區地勢整體上東高西低，南高北低。

2.4.1 雨水集蓄利用基礎設施建設布局技術方案 雨水收集設施的布置選址可按以下原則：靠近鎮區建筑用地，便于收集建筑用地徑流；靠近地勢低洼區方便雨水匯集；周圍有現狀溝渠。同時，營丘鎮區北部大部分為空地，在此地進行雨水收集設施建設不會破壞周邊環境用地類型，反而可以提升景觀效果，大大減緩鎮區徑流總量。因此，營丘鎮區北部建設雨水生態基礎設施，滿足排水防澇，雨水收集利用以及美化環境景觀的要求。考慮鄉鎮財政支出有限，雨水集蓄利用基礎設施建設宜結合研究區土地利用現狀，同時參考《海綿城市建設技術指南》[15]中各技術措施的特點及其適用范圍，確定不同土地類型的雨洪水集蓄利用設施建設布局技術方案。鎮區針對雨水采取的低影響開發措施主要有雨水濕地、濕塘、透水鋪裝、植草溝和簡易生物滯留池。其中，濕塘、雨水濕地具有儲存降水的功能，有效削減鎮區徑流總量及最大徑流量，減緩鄉鎮排水壓力，同時提升景觀效果，因此在鎮區廣場和公園設計雨水濕地和濕塘；植草溝和簡易生物滯留池用于對道路雨水徑流的蓄集、處理，最終匯入濕塘；停車場、居住區、廣場路面進行透水鋪裝。

圖3 營丘鎮區等高線圖

2.4.2 LID技術方案選擇 本研究區的雨水利用系統設計為“透水鋪裝+下凹式綠地+植草溝、簡易生物滯留池+濕塘、雨水濕地”的雨水綜合蓄集利用系統，綜合方案如圖4所示。鎮區屋頂徑流和路面徑流混合，一部分通過透水鋪裝完成下滲，另一部分通過下沉式綠地，流入植草溝和簡易生物滯留設施，最終匯入濕塘；為優化鎮區景觀，在鎮區廣場、公園設計雨水濕地和濕塘，調蓄凈化后的水資源用來補充景觀水體。同時，濕塘和雨水濕地還應增設溢流裝置，過量的雨水可沿溝渠排入河流。綜上所述營丘鎮區擬采用的技術選擇為：鎮區北部和西部的部分居住區道路、停車場、廣場路面改造為透水性鋪裝；鎮區中原有綠地、部分空地改造為下沉式綠地和雨水花園；靠近水域的廣場公園、濕地公園、部分靠水林地和原有水域周邊改造或新建雨水花園、雨水濕地和濕塘；鎮區居住區、綠地廣場、和部分空地增設蓄水池或雨水罐，沿道路至濕塘建設滲管/渠。選擇的低影響開發技術措施所對應的基本設計參數和雨水調蓄量見表2，布局圖見圖5。從表2可以看出，LID措施實施后，研究區綜合設施的實際雨水調蓄能力為24 582.53 m3大于不同用地類型的原設計雨水調蓄能力。

圖4 雨水利用綜合方案示意圖

圖5 雨水收集利用系統布局

表2 營丘鎮區低影響開發技術參數與雨水調蓄量

2.5 低影響開發實施的優先時序

不同用地類型、不同種類的低影響開發技術措施對徑流雨水的控制效果會有顯著差異。本研究通過引入水文敏感指數 ，以確定各匯水區建設低影響開發設施的優先實施順序[16]。水文敏感指數是指該匯水區易于產生徑流的能力，其計算公式為：

λ=ln(α·L·tanβ·ψ)-ln(Ks·DISA)

DISA=D-D·ISA

式中：α——各匯水區面積與周長比；L——各匯水區徑流寬度；β——徑流坡度角；ψ——各匯水區平均徑流系數；KS——土層導水率；D——土層厚度，DISA——土層深度； ISA——不透水面比例。

通過公式得知，λ值越大，越易產生徑流，所在匯水區的低影響開發設施建設越宜優先進行。因此，匯水區的面積與周長比、匯水區不透水面比例、匯水區徑流寬度、徑流坡度、匯水區平均徑流系數越大，土層導水率、導水層深度越小，越宜優先進行低影響開發技術設施的建設實施。表3計算結果顯示，營丘鎮區25個匯水區進行低影響開發設施建設的先后順序為：23>24>20>18>21>19>…>2。

結合營丘鎮區現狀，綜合考慮低影響技術設施的經濟性與可操作性原則，考慮3，20，22，24，25號等匯水區建設蓄水池/雨水罐所需費用較高，且后期不宜管理；16，21，19，23號等匯水區居住區建筑密度較大施工不便，建議將以上匯水區低影響開發設施建設時序延后。5，12，15，18號等匯水區位于鎮區地勢低洼處，進行透水鋪裝和下沉式綠地建設對減少雨水徑流和污染負荷效果顯著，同時提升了鎮區景觀效果，所以建議將以上匯水區低影響開發設施建設次序前移。

3 結 論

(1) 利用GIS工具中水文分析模型，基于D8算法處理DEM高程圖，得到鎮區25個匯水區。

(2) 利用ENVI軟件對鎮區2014年分辨率為30 m的Landsat-TM影像數據進行土地利用類型提取，得到林地、居住區建筑用地、耕地、水體、綠地、道路和空地7種鎮區土地利用類型，并確定了各匯水區用地類型和布局現狀。

(3) 結合研究區內建筑密度，水資源現狀，降雨規律和土地利用布局等情況，選擇濰坊市年徑流總量控制率為90%時所對應的設計降雨量，計算得到研究區不同用地類型的雨水總調蓄容積為2.15×104m3。

(4) 為使雨洪利用設施與生態景觀規劃相結合，并減少鄉鎮財政支出，提出了LID技術方案，即將鎮區靠近水域的廣場，公園和綠地等基礎設施進行下沉式綠地、雨水花園、雨水濕地和濕塘改造，將鎮區廣場、居住區道路和停車場路面進行透水鋪裝建設，沿道路至濕塘建設滲管/渠。經計算，實施LID措施后，研究區綜合設施的實際雨水調蓄能力擴大為2.46×104m3大于不同用地類型的原設計雨水調蓄能力。

(5) 利用TOPMODEL模型，引入水文敏感指數λ，確定了低影響開發場地的優先實施時序，并綜合考慮后續施工、管理方便，以及提升鎮區景觀效果等因素，對施工時序進行了優化。