灰綠雨水基礎設施協同規劃
——美國山地城市匹茲堡“綠色優先計劃”之借鑒

宮 聰

吳 竑*

胡長涓

1 城市更新背景下山地城市雨水管理挑戰

山地城市由于地形地貌、建設布局和氣象水文機制的復雜性與特殊性，較平原城市更易形成洪澇災害。尤其是高密度且基礎設施陳舊的老城區，雨天大量不透水地表所產生的徑流往往超出排水系統的承受能力，導致內澇頻發和雨污合流污染。由于對滯后灰色基礎設施的整體升級復雜度高、造價高昂，且對城市生產生活擾動巨大，單純依賴灰色基礎設施更新已被證實不是最有效的雨水管理策略[1]。近20年間，由于小型分散式綠色雨水基礎設施(Green Stormwater Infrastructure，GSI)除減排源頭雨水、改善水質之外，還提供包括增加綠量、改善空氣質量、減少能耗、恢復棲息地、提供休閑娛樂機會和刺激經濟增長等多種功能[2]，因此在世界范圍內有眾多城市開始采用GSI作為城市更新的催化劑，結合升級管網系統管理城市雨洪，以減輕內澇、控制合流制溢流(Combined Sewage Overflow，CSO)污染，并刺激當地經濟發展與提升社區活力。事實上，許多受極端暴雨天氣影響較大的城市(如丹麥哥本哈根[3]、美國紐約[4])已將滲透功能主導且包含多種功能的GSI作為重要工具納入其暴雨管理計劃。

近年來，中國海綿城市建設迅速發展，2014—2019年，2批試點城市積累了寶貴的實踐經驗。然而，30個試點城市中僅有重慶和青島呈典型山地特征，舊城改造背景下的山地海綿城市研究與實踐仍十分匱乏。在發展生態文明的宏觀背景下，國內城市建設重點逐漸向以內涵提升為核心的城市更新轉移，如何經濟有效地實現舊城區的基礎設施更新、改善人居環境、提升城市活力已成為亟待解決的問題。因此在城市尺度，山地城市可采用怎樣的技術方法規劃協調灰綠雨水基礎設施并評估其綜合效益？在中觀尺度，如何進一步將GSI融入城市設計以發揮其多重社會經濟服務功能？

國內現階段研究對山地海綿城市建設已有初步探討，如水系規劃路徑[5]、海綿城市規劃方法與系統構建策略[6-7]，以及道路低影響設計[8]等，但對灰綠基礎設施協同管理雨水及其多效能定量評估的研究較少，并缺乏大尺度規劃進一步指導城市設計等方向的探討。首先，現有文獻多注重社區或場地尺度灰綠耦合設計方法[9]、城市雨水管網與綠地系統關聯要素[10]等，但借助各類雨洪管理模型(如美國環保署開發的Storm Water Management Model，SWMM)輔助城市尺度灰綠雨水基礎設施協同規劃的案例稀少，尤其缺乏城市雨洪管理效益的整體評價研究。其次，現有案例重視GSI方案的對比[11-12]，忽略了灰色雨水基礎設施升級的聯動影響。再次，對各規劃方案的效益評估偏重緩解內澇、削減CSO等有限水文指標[13]，缺失對其他環境、社會和經濟效益的衡量。最后，城市尺度雨洪綜合管理規劃的缺失導致中觀尺度城市設計缺乏規劃引領，因此，城市設計的相關討論目前仍局限在水敏城市與韌性城市設計理念[14-15]及雨洪管理規劃中的城市設計多領域關聯性建構[16]等方面。

本文以美國賓夕法尼亞州山地城市匹茲堡(Pittsburgh)的“綠色優先計劃”(The Green First Plan)[17]為例，探索總結灰綠雨水基礎設施協同規劃的方法和經驗。“綠色優先計劃”以排水分區①(sewershed)為研究單元，借助水文模型，對城市尺度不同灰綠雨水基礎設施規劃方案進行效益評估，并在中觀尺度定量優化GSI后將其融入排水分區尺度下的城市設計框架，強調其在促進綠色交通、公共服務、街區活力和經濟復蘇等方面的社會與經濟效益[18]。由于美國土地私有制政體下GSI規劃的實施過程與國內迥異，因此本文重點討論“綠色優先計劃”中可為國內山地海綿城市提供直接參考的規劃和城市設計技術方法。

2 匹茲堡灰綠雨水基礎設施協同規劃研究

2.1 項目背景與規劃框架

匹茲堡是美國賓夕法尼亞州的第二大城市，市區面積約144km2，人口約33萬；地形起伏大，大部分街道坡度超過20%；呈溫帶大陸性濕潤氣候特征，年均降水量約1 010mm；礦產豐富，20世紀初至80年代工商業發展迅猛，曾有“世界鋼都”之稱；其排水管道建設始于1900年間工業及人口迅速增長之時，雨污合流，年久失修，大雨期間雨污溢流及局部內澇時有發生[19]。2008年，美國環保署要求阿勒格尼縣環境衛生局及其所服務的以匹茲堡為首的83個城市與鄉村對排水系統進行整改，以達到CSO水質要求。2013年，匹茲堡雨污水管理局對純灰色雨水基礎設施升級方案進行估算后發現其造價高昂(16.5億～18.2億美金)[20]，遂于2016年提出“綠色優先計劃”草案，探索城市尺度的GSI建設可能帶來的水文、經濟及其他社會效益。

“綠色優先計劃”主要包含城市尺度GSI評估與GSI融入城市設計框架兩部分(圖1)。第一部分基于城市地理信息系統(GIS)基礎數據庫及當前規劃項目，依據城市CSO削減潛能和地區洪澇程度，從91個現存排水分區中篩選出30個優先分區(圖2)，利用水文模型，對各個分區內不同灰綠雨水基礎設施相結合的方案進行CSO、洪澇削減和成本效益評估。第二部分進一步篩選出6處CSO產量最高的試點分區，在社區尺度將GSI融入城市設計框架。

圖1 匹茲堡“綠色優先計劃”框架(作者繪)

圖2 30個優先分區與6個高度城市化試點分區范圍[17]

2.2 灰綠雨水基礎設施規劃及評估

“綠色優先計劃”的第一部分以削減CSO為主要目標。基于ArcGIS定位各排水分區內的目標GSI后，將其整合至市域SWMM模型，模擬城市尺度及各排水分區在各灰綠結合方案下的CSO削減性能，并對洪澇高發地段進行雨洪緩解性能評估，最后估算各方案成本和環境、社會及經濟三方(Triple Bottom Line，TBL)效益。

2.2.1 灰綠結合方案削減CSO的性能評估

1)確立GSI雨水管理目標。

依據環保署至少收集85%CSO的要求，確立30個排水分區的GSI雨水管理目標。使用市域SWMM模型，模擬4種灰色基礎設施改造預景下各排水分區中須使用GSI管理的“有效不透水地表區域”(DCIA)②。4種預景包括：A污水處理廠容量保持現狀0.95bL/d(1bL/d=10億L/d)；B污水處理廠容量擴至1.82bL/d；C污水處理廠容量擴至2.27bL/d；D優化排水管網水力至足以降低雨天水力坡降線③。以尼格利區為例，在B或D預景下，需使用GSI管理的DCIA比率分別為73%和58%(圖3-1)。

2)GSI定位識別。

定位高效GSI。使用ArcGIS中的Arc Hydro模塊整合數據，如高精度數字高程模型、道路、建筑物、停車場等不透水區域，以及各類邊界(道路、橋梁、水體等)、排水口等，劃定各排水分區內已知雨水口的服務面積，計算相應的不透水面積(圖3-2)。將各雨水口服務的總不透水面積由高到低排列，排名最高(即最“高產”)的雨水口則為實施GSI的最有效位置。

3)將高效益GSI整合到SWMM模型。

在各分區的高產雨水口處增設GSI，將其納入市域SWMM模型并測算其CSO削減效益。仍以尼格利區為例，依據第一步中D預景下管理58%DCIA的目標，將第二步中識別出的高產雨水口的匯水區設為GSI實施區，設置獨立子流域，采用SWMM中的低影響開發(Low Impact Development，LID)工具進行模擬。為提升模型效率，統一使用滲水溝(Infiltration Trench)為擬實施的GSI類型，標準化其設計參數(如設計降雨深度、長度、寬度、深度、滲透率、暗管高度、暗管排空時間及排水系數等)，假設各GSI可有效收集服務區中所有雨水，而未能下滲或蒸發的徑流會在72h內被緩慢釋放回雨污合流系統。依此方法將30個含LID參數的排水分區全部集成至市域模型中，在上述4種灰色基礎設施改造預景下，模擬其CSO削減量隨污水處理廠容量和排水系統水利優化而變化的結果。

4)驗證CSO削減結果。

CSO削減效益評估包括排水分區和城市2個尺度。在排水分區尺度，為實現每處分區削減85%CSO的目標，在B預景下，30個排水分區共需使用GSI管理7.43km2的DCIA；而在D預景下，需管理約5.20km2的DCIA。2種GSI方案因僅涉及規劃總面積的13%和9%，所以均可行。在城市尺度，進一步驗證2種GSI方案的總CSO削減率，結果顯示，有5種灰綠結合方案可實現85%或更高的總CSO削減率(表1)。該評估結果進而被用于指導各排水分區GSI配置和灰色基礎設施升級方案。

2.2.2 場地尺度洪澇管理性能評估

除評估城市和排水分區2個尺度的CSO削減效果外，“綠色優先計劃”還對規劃范圍內4處高洪澇風險區進行了場地尺度洪澇管理方案評估。以尼格利區的法蘭克斯敦大道為例，其洪澇與CSO污染問題主要源自峰值流量涌入局部容量與坡度嚴重不足的管道。由此利用SWMM模擬1～25年一遇的24h設計暴雨下的3種雨水基礎設施配置方案：1)僅由GSI移除上游所有不滲透地表；2)將沿法蘭克斯敦大道的下水管直徑從38cm增加到76cm；3)加大下水管徑并同時實施GSI。模擬結果顯示，純GSI方案并不能緩解洪澇，而下水道擴容也僅能應對2年一遇的洪水。若需緩解5年一遇及更大洪水，則須移除至少80%的上游不透水地表，這在高密度市區中難以實現。因此，必須同時實施GSI并提升管道系統(如加大管徑和管道坡度)才可有效減輕該區域的洪澇災害。

2.2.3 成本估算和三方效益評估

除水文效益評估外，“綠色優先計劃”對表1中的12種方案進行了成本估算和TBL三方效益評估。其中，GSI成本估算以25年為典型設施壽命，衡量規劃設計、建造及運行維護全生命周期成本；TBL效益評估則使用Envision框架和AutoCASE工具[21]，計算提升空氣質量及減少碳排放、削減城市熱島死亡率、增加娛樂休閑、緩解洪澇、地產升值和提升水質等帶來的多重經濟效益。結果顯示，各灰綠結合方案的總成本為13.6億～15.6億美元，其中灰色基礎設施升級建造成本為3.3億～8.3億美元，2種GSI方案建造成本為4.9億～9.2億美元，GSI 50年運營維護成本為2.0億～2.9億美元，TBL效益為3.9億～8.5億美元。如果僅以CSO削減標準來衡量，85%CSO削減率的優化排水管網水力方案(表1中“D且無GSI”)的建造成本為8.0億～8.3億美元，成本收益較其他灰綠結合方案略高。然而，受本地數據所限，GSI方案的TBL效益計算未包含所有效益類型，如GSI項目所帶來的就業及綠色產業效益，以及其所規避的房產貶值等損失。依據以上結果，短期來看，對關鍵灰色基礎設施進行升級的CSO削減效益較好，因此城市應首先對污水廠進行擴容，并清理淤積的深埋管道以提升系統傳輸能力。但從長遠來看，灰綠協同方案相較于單純升級灰色系統，能提供多重、可觀的TBL效益。事實上，2017年由國際著名研究機構RAND主持的“匹茲堡區域雨洪韌性管理”[22]后續研究在融入未來氣候變化等情景后，證實了灰綠協同系統在極端降雨條件下CSO的削減效益更高。

表1 典型雨情下各基礎設施升級預景總CSO削減率

2.3 GSI融入城市設計框架

繼城市尺度GSI規劃和效益分析后，“綠色優先計劃”從30個排水分區選出6個CSO高產分區[19]，將雨洪管理融入中觀尺度城市設計(圖4)，以實現GSI的生態功能及其他社區效益。

圖4 GSI融入城市設計框架(作者繪)

各區城市設計框架采用了促進城市戰略規劃與社區更新的7項基本原則[23]，包括協調各規劃部門，對公共地塊進行投資并最大化其改造效益；利用GSI建設為貧困社區創造勞動力發展機會，以支持GSI研究、建造和維護；優先改造可重建濱河連接的地段；將GSI建設融入現存的完整街區(complete streets)④規劃[24]；關注居民健康，提升社區步行適宜性；利用GSI建設協調灰色基礎設施改造、提升整體系統韌性以應對未來極端天氣；以人、環境、場所、經濟四重效能指標⑤指導GSI建設。本節以尼格利區為例闡述基于上述原則下GSI融入城市設計的規劃方法。

1)基礎數據整合。首先基于數據庫分析排水分區內有利和不利條件，確定高產GSI位置。除分析自然條件、建成環境和排水系統現狀外，重點排除陡坡、滑坡易發區和地下采空區等。此外，結合其他綠色街道、社區和公園規劃項目，盡力將GSI集成到多個基礎設施系統中。

2)確定城市設計框架。基于7項指導原則，確定并連接有助于GSI網絡發展的社區資源、空間節點及廊道，形成城市設計框架。節點可以是各廊道的重要交叉點，也可以是社區內的關鍵區域，如處于有效截洪地段的商業區、公共機構或開放空間。此外，設計框架應優先納入完整街區、濱河區和已有改造計劃的社區。

以尼格利區為例，結合現有規劃設計項目，優先篩選出雨水處理潛力較大的6個重要節點、1條河流及4條道路廊道(圖5)。其中，西南退伍軍人中心周邊的舒曼少年拘留所、就業組織、前退伍軍人醫院等節點均可為GSI的發展提供勞動力，對加速社區振興起關鍵作用。

圖5 尼格利區中利于GSI發展的重要廊道、節點、改造策略及其效能[23]

3)創建GSI概念規劃。通過公眾參與了解居民意愿，并借助技術分析深化社區尺度GSI子項目概念規劃。首先依據各廊道、節點的優勢和限制，以及其在排水分區內的相對位置，確定其核心雨水管理策略為收集、傳輸和儲存下滲(圖5)。如上游的比奇伍德大道可用完整街區收集雨水并傳輸至附近的梅隆公園進行儲存下滲，而下游華盛頓大道則須結合完整街區傳輸、透水停車場和地下蓄水池，以及道路綠帶儲存下滲等多種方式管理雨水。對各GSI子項目的具體位置、尺寸和類型(透水地面、生態洼地或滯留設施)進行概念性規劃后，使用水文模型對各項目進行測算，生成GSI項目雨水處理量列表，以指導后續子項目設計。如西區高中和華盛頓大道2處節點及廊道的年雨水處理量最高，分別為52 700和51 500kL/年(圖5)，應優先實施GSI。

為加速GSI建設并減少重復投入，優先排水分區內的GSI概念規劃必須緊密結合當前社區更新規劃。尼格利區的霍姆伍德社區(圖5-E)對于催化城市更新具有巨大潛能，其于2014年開始啟動社區更新[25]，設立了激活社區資產、改善居民健康、提升步行及公共交通可達性等愿景。此輪GSI概念規劃促進了其雨洪管理目標與其他愿景的融合(圖6)。具體策略為以雨水處理潛能最大的西區高中為改造核心，通過其向外輻射的赫米塔奇街和默特蘭大道等收集雨水，并傳輸至高中運動場及附近面積寬廣、地勢平坦的銀湖工業廢棄地進行儲蓄和處理，且可將銀湖地塊恢復為休閑娛樂空間。此外，西區高中5min步行范圍內的173處閑置場地可依洪澇風險排序結合GSI逐漸進行再開發。除社區規劃，場地尺度的GSI設計和實施也在同步推進。如圖7所示的西區高中運動場GSI規劃[26]除確定了GSI尺寸、位置、最大匯水區范圍、年雨水處理量及相關造價外，也制定了潛在的雨水管更新策略，體現了場地尺度的灰綠耦合。總之，由關鍵廊道和節點帶動的社區再開發可分階段促進環境、交通系統及閑置場地的更新，增加就業機會，提升社區活力[27]。

圖6 結合GSI雨洪管理與社會服務功能的西區高中街區更新愿景[23]

圖7 西區高中運動場GSI規劃[26]

3 分析與討論

1)基于水文模擬的規劃技術方法。

匹茲堡案例的最直接貢獻之一在于其基于水文模擬的普適性規劃技術方法。以“流域-子流域-排水分區-街區-場地”為規劃尺度階梯，“綠色優先計劃”在排水分區尺度跨越了用地、社區和機構邊界，與山地自然排水過程和灰色基礎設施聯系更加緊密。由于山地城市匯水迅速，分層次理清各級GSI源頭控制、中間傳輸、末端控制的主導角色尤為重要，以排水分區為單元的模擬是制定分級措施的前提。此外，在城市尺度對排水分區進行優先級評估，并以實現全域雨水管控指標為前提定點定量設置GSI，為后續社區及場地尺度GSI規劃設計提供了直接、精細化的指導。

目前國內已有400多個城市出臺了海綿城市建設專項規劃，制定了分區管控指標體系，并對海綿設施進行系統布局[28]，在宏中觀層面，規劃與執行體系方面較西方國家具有顯著優勢。然而，在借助大尺度水文模型指導規劃設計方面，由于基礎數據收集、排水分區數據庫建立及水文模型整合等方面的技術瓶頸，城市尺度雨洪管理效益的評價研究有所缺失，因此應充分協調好政府部門、雨污水企業與其他機構的監測與開源數據，為GSI建模與評估奠定基礎。此外，應加強對灰綠基礎設施協同規劃的多方案與多效能評估。

2)城市設計中發揮GSI多種功能。

“綠色優先計劃”將GSI納入城市更新，利用GSI的生態與社會服務功能將洪澇高發區轉變為GSI多功能發展的潛力區域，實現點對點的精細化城市設計。此過程不僅注重生態與社會效益，更追求資產提升、基礎設施成本縮減及控制洪澇損失等經濟效益，最終實現環境、經濟與社會三方效益的良性循環[29]。中國早期海綿城市建設主要重視水質與水量的管控目標，而未能充分利用GSI作為城市景觀更新催化劑的多元功能。城市更新背景下的近期海綿城市建設已顯示出多目標融合的良好趨勢，應以提升環境生態功能、宜居性及經濟活力為宗旨，精進行業GSI設計技術，使之真正為社會福祉做出重要貢獻。

3)灰綠雨水基礎設施系統配置。

全球已有大量研究和實踐從多角度論證了單一灰色系統應對氣候變化等挑戰時的脆弱性[11，30]，利用城市更新契機，恢復城市自然水文功能，才能形成高韌性的雨水管理系統，而多功能、靈活性強的GSI是恢復城市自然水文功能的重要工具。因此，城市雨水基礎設施更新的相關討論應跨越灰綠對立的階段，重點關注如何實現科學有效的灰綠系統組件配置。

海綿城市建設的灰綠系統協同規劃應立足于城市自身環境、現狀雨水設施特征和社會經濟狀況等，依據當地雨洪管理目標，納入關鍵環境、社會和經濟指標，并采取適用于中國國情的效益計算方法對潛在方案進行比較。全球數載的GSI實踐已積累大量經驗教訓及可供借鑒的優秀范例，各城市也提供了多種成本效益測算方法及相應的不同結果。如紐約和哥本哈根市的評估顯示，灰綠結合方案較單一灰色計劃具有明顯成本優勢[3-4]，而匹茲堡市則只有在考量氣候變化的情況下灰綠結合才凸顯出成本優勢[26]。因此，各城市均應通過嚴謹的循證研究來確定適宜當地的雨水管理策略。

本文以匹茲堡市為例，詳細介紹了基于CSO與洪澇削減及促進城市更新等目標的灰綠基礎設施規劃評價方法，以及評價后GSI融入城市設計的策略。國內山地海綿城市研究中缺少對灰綠結合規劃的多效能評價，對GSI的社會、經濟功能也鮮有涉及。本文對匹茲堡經驗的總結豐富了山地城市雨洪生態管理的理論體系，并為舊城更新背景下的山地海綿城市建設提供借鑒。

注釋：

①排水分區：所有下水道系統流向同一終點的用地區域。

②有效不透水地表區域：與排水系統或水體直接相連的連續不透水覆蓋面。

③水力坡降線(hydraulic grade line)是一種理論線，表示相對于基準流量的壓力高度之和。對于均勻流動明渠水流，水力坡降線與水面相同。

④完整街區：一種對于街道及公共空間的生態設計策略，其內容包含街區結構平衡、網絡公平合理、環境生態宜居和空間活力復興。

⑤四重效能指標(p4 Performance Measures)指融合人(people)、地球(planet)、場所(place)和績效(performance)四重指標，打造創新、包容和可持續的城市增長和發展新模式。