SWMM辅助海绵城市专项规划的指标分解方法研究

刘 慧，谢水波，曾凡勇，孙 波

(1.南华大学建筑学院，湖南 衡阳 421001；2.南华大学土木工程学院，湖南 衡阳 421001)

0 引 言

建设海绵城市已成为了我国目前解决快速城市化所造成的城市雨水灾害频发、水环境恶化、水生态以及水资源枯竭等问题的主要途径。然而，海绵城市建设在我国尚处于试点阶段，各大规划院同样处在不断学习和探索期间，在对海绵城市专项规划进行编制或者修编过程中如何借助《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》(以下简称《指南》)提供的模型模拟法更好地确定城市各地块的刚性指标及引导性指标，也成为了当前亟待解决的问题。为此，本研究就模型模拟法分解海绵城市年径流总量管控指标展开深入探索，并通过实际案例对指标的分解过程进行详尽说明。

1 海绵城市规划管控指标分解概述

1.1 什么是海绵城市规划管控指标

1.1.1 海绵城市规划管控指标分类

《指南》依据我国的四大治水目标(水安全、水生态、水资源、水环境)提出了四类规划管控指标分别为：径流总量管控、雨水资源利用、径流污染管控以及径流峰值管控，如表1。其中，径流总量管控指标的达成，可同时实现其余三项指标的功能，因此各地在推进海绵城市建设时往往将径流总量管控指标——年径流总量控制率设为首要的刚性指标。海绵城市规划中指标的分解亦主要是对年径流总量控制率的分解,将其分解成下沉式绿地率等引导性指标。

表1 海绵城市规划管控指标分类Tab.1 Classification of control indicators of Sponge City planning

1.1.2 刚性指标与引导性指标简介

(1)刚性指标——年径流总量控制率。意义：将本市近30年以上的日值降水数据由小至大排列并删除小于以及等于2 mm的降水量，推算小于其中某一个设计降雨量的降水总量(大于此降水量的以此降雨量为最大上限累加出其降水总量，而小于此降水量的雨量值则按照其实际值累加得出降水总量，二者相加得到的总和)占其总降水量的百分比[1]，如图1。

图1 年径流总量控制率计算方法Fig. 1 Calculating method of annual total runoff control rate

功能：通过年径流总量控制率实现对雨水径流体积的控制，促使城镇开发后的水文特性接近开发建设前，以缓解径流污染与城市内涝等问题。刚性指标一旦确定即成为当地的强制性规定。适用条件：《指南》通过对我国200座城市降水数据的统计分析，已将中国大陆划分成五个年径流总量管控分区，并给出了各分区年径流总量控制率的下限值与上限值，因此城市总年径流总量控制率的适用不得超过所在分区的最高值且不得低于最低值。

(2)引导性指标——下沉式绿地率、透水铺装率等。意义：单位面积内LID设施的覆盖比例，如下沉式绿地率表示高程低于周边汇流区域的绿地占总绿地面积的比例；透水铺装率表示广场、停车场、人行道使用透水铺装的面积占其总面积的比例。

功能：使年径流总量控制率的落实量化到各个地块的LID设施覆盖率(即下沉式绿地率、透水铺装率等)当中，以便于土地出让后的规划、设计、建设与考核更具可实操性。同一年径流总量控制率往往可由一项或多项不同的LID设施覆盖率共同实现，因此引导性指标通常作为指导建议。

适用条件：引导性指标不适用于存在地质问题的区域，如因雨水的下渗会引起地面的沉降、路面的垮塌等区域；不适用于地表径流不流经的区域，无地表径流的区域LID设施无法发挥其作用。

1.2 推进海绵城市为什么要落实指标分解

指标分解的作用主要体现在两个层面：一个是规划编制层面的“控”、一个是规划管理层面的“管”。在规划编制阶段，将海绵城市规划管控总指标量化，细分为若干个具体的子指标，可以更合理地指导地块中LID设施的规模；在规划管理阶段，细分后的具体子指标亦可作为海绵城市建设后的绩效考核量化标准。因此，在海绵城市专项规划的编制过程中进行指标分解，建立起完善的海绵城市规划管控指标体系，可更好地推进我国的海绵城市建设。《指南》更是明确要求：“规划的行政主管部门要在城乡规划的体系中明确海绵城市专项规划的空间管控内容，编制的城市控制性详细规划要将年径流总量控制率列为首要的规划管控刚性指标并建立起城市各地块的透水铺装率、下凹式绿地率等引导性技术指标”。

1.3 指标分解目前存在的问题

《指南》在其表3-1中提出了试算法与模型模拟法分解年径流总量控制率并给出了应用试算法的详尽计算流程、公式与分解步骤，但各地在实践中反映出其尚存在着一定的不足。

1.3.1 试算法

康丹等[2]认为《指南》提供的试算法分解年径流总量控制率主要存在2个问题。

(1)刚性指标的分解缺乏客观性。实践中，年径流总量管控率大多直接从城市总体规划的地区分解到城市控制性详细规划阶段的各个具体地块，两者体量差距巨大且分解过程中主观随意性较强，致使地区总指标对具体地块的管控指标引导性差，两者较难承接。城市总体规划需要管控的规模可高达数千平方千米，而城市控制性详细规划需要管控的规模多为几十公顷有时更小，所以具体地块的年径流总量管控率经计算后和海绵城市专项规划管控总指标之间易出现偏差，后期的修正工作也十分繁琐。

(2)适宜的引导性指标难以确定。要实现地块的年径流总量管控则需要将指标进一步分解为绿色屋顶率、透水铺装率及下凹式绿地率等一项或多项引导性指标共同实现，但城市控规层面的海绵城市专项规划中如何确定合适的引导性指标尚无统一方法。若提出的引导性指标组合不具有适宜性，必然对城市的土地开发及建设造成约束。

目前，已有不少学者为此作出了科研探索，如康丹等[2]提出的三级分解法、潘笑文等[3]提出的典型年法、姜勇[4]建立的平均分配调整法、柏云[5]提出的GIS辅助分解法。

1.3.2 模型模拟法

《指南》提出有条件的城市亦可应用水文水力模型模拟的方法对年径流总量管控指标进行分解赋值，但由于《指南》尚处于试行阶段未对运用模型法如何进行分解、具体的分解步骤以及使用何种模拟软件进行分解做详尽的解答。目前国内以SWMM为典型代表的模型模拟研究多集中于径流污染特性模拟[6]、排水管网优化[7-9]等领域，与海绵城市相关性较高的研究也仅限于使用SWMM模型对LID设施的雨洪管控效果进行评估及验证[10,11]，较少使用SWMM模型对海绵城市年径流总量管控指标进行分解。

因此，探索SWMM水文水力模型在分解海绵城市年径流总量管控指标中的应用对今后深化海绵城市规划管控指标体系有一定的积极意义。

2 技术路线

针对上述问题，以海绵城市专项规划中的年径流总量控制率为研究对象，提出一套SWMM模型辅助下的指标分解技术路线，该技术路线分为现状评估、刚性指标分解及引导性指标分解三个阶段，各阶段意义见表2，技术路线见图2。

表2 各指标分解阶段意义Tab.2 The significance of each index decomposition stage

图2 指标分解技术路线Fig.2 Technical route of index decomposition

2.1 现状年径流总量控制率评估

首先，通过91卫图助手收集研究区域的DEM数据和遥感影像图并解译，高程数据可在GIS中获取各子汇水区的平均坡度、面积等参数；遥感影像图则可使用ENVI或者CAD解译出各子汇水区的下垫面面积并换算成不渗透百分比；其次，查阅当地的《海绵城市建设技术导则》获取研究区域的雨水蒸发数据及暴雨强度公式，通过暴雨强度公式计算出指定暴雨重现期情景下的逐分钟降雨数据。最后，将各类数据导入SWMM模型中对研究区域的降水、蒸发、径流与下渗过程进行模拟，计算出各地块的现状径流控制容积并将其转换为年径流总量控制率，此值即为现状评估结果。当地5%步长的年径流总量管控率与设计降水量可通过查询相关规范直接获取，5%步长以下的值则需要统计本市近30年日值降水数据获得，无法获取降水数据的情况下可以5%步长的年径流总量管控率与设计降水量为基础，借助线性插值法估算其5%步长以下的值。

2.2 刚性指标分解

根据现状评估结果及当地海绵城市的相关规范为研究区域的各类用地分配适宜的刚性指标，指标赋值需区分新建地块和改建地块。各类用地的刚性指标初步赋值后需验证其是否满足设计调蓄容积的要求，由此借助《指南》第八节2.1容积法对各用地的设计调蓄容积进行核算，若满足规划目标对应的总容积调蓄要求则表明赋值成功；若不满足规划目标的容积调蓄要求则重新对各类用地进行指标赋值与核算直至满足目标要求，确定各类用地的刚性指标。

2.3 引导性指标分解

刚性指标如何通过适宜的各低影响开发技术指标落实则需要借助模型进一步探讨。首先综合考虑当地的经济条件、水污染防治需求、雨水资源化利用等因素选取合适的LID设施，影响因素较多的情况下亦可使用层次分析法(AHP)辅助决策。而后在已建好的SWMM水文模型中设置LID模块进行模拟，核算各子汇水区的设计调蓄容积并将其换算成年径流总量管控率。若不能满足上一个阶段对各类用地提出的指标要求则通过调整LID设施的覆盖比例或参数重新模拟，直至得出能满足刚性指标要求的模拟结果，确定研究区域的引导性指标。

3 指标分解案例

本案例以萍乡市主城片区为研究区域，东至安源中大道-建设东路-萍安北大道，南至康庄路，西至滨河东路，北至武功山中大道，如图3，研究区域总面积为590.8 hm2。依据《指南》的中国内地径流总量管控分区图，萍乡市地处年径流总量管控第Ⅲ区其指标取值区间为75%～85%，结合萍乡实际情况以年径流总量管控率75%作为规划管控总目标，基于SWMM模型对管控总目标进行分解。分解流程包含现状评估、刚性指标分解及引导性指标分解3个步骤。

图3 研究区域Fig.3 Research area

3.1 现状年径流总量控制率评估

首先，对研究区域的各类基础数据进行整理为建立模型做准备。逐分钟降雨数据采用萍乡市暴雨强度公式拟合出芝加哥雨型，重现期为5年一遇，降雨时长120 min，总降雨量62.63 mm；蒸发数据根据《江西省海绵城市建设技术导则(试行)》(以下简称《导则》)附录10.2获得；各子汇水区的平均坡度、面积与特征宽度等参数通过91卫图助手获取DEM数据后在GIS中提取；各子汇水区不透水百分比参数则根据0.53 m分辨率遥感影像图在CAD中描绘并统计建筑、水面、道路、绿化等面积后，依照对应的径流系数加权计算获得，如图4；下渗模型选用霍顿，其他参数参考SWMM使用手册及相关文献[12,13]进行取值。其次，将各项数据导入SWMM后建立起研究区域的雨洪模型，如图5。

图4 建筑不透水面面积解译图Fig.4 Interpretation of impervious surface area of buildings

图5 研究区域SWMM模型概化图Fig.5 Study area SWMM model generalization diagram

最后对研究区域内各地块的降雨、蒸发、径流、下渗过程进行模拟，得出各地块的现状年径流总量管控率如图6。依据《导则》附录10.1中萍乡5%步长的年径流总量管控率与设计降水量，借助线性插值法得出整个研究区域的现状年径流总量管控率为34.7%。研究区域的渗透性能较差，土壤以壤黏土或砂黏土居多，地势较为平坦，总平均坡度为3.9%。该区域东部的商业金融用地及居住用地目前为荒地，径流管控能力有提升空间；西部的公共绿化用地雨水管控能力较强；南部、北部及中部地区以居住用地为主，地表硬化径流管控能力较差。

图6 各地块现状年径流总量控制率评估图Fig.6 Assessment chart of current annual total runoff control rate for each region

3.2 刚性指标分解

根据《导则》及现状评估的结果对研究区域内各类用地进行年径流总量控制率初步分解赋值，借助《指南》容积法核算各个地块的设计调蓄容积；各类用地指标分解结果见表3，经计算得出该指标体系的总年径流总量管控率为75.62%，符合规划要求，同时得出研究区域内各地块的规划年径流总量管控率分布图，如图7。

表3 各类用地刚性指标分解赋值结果Tab.3 Result of decomposition of Rigidity Indicators for various types of land use

图7 各地块规划年径流总量控制率分布图Fig.7 Distribution chart of annual total runoff control rate for each block planning

3.3 引导性指标分解

首先，结合现状评估结果及萍乡市的实际条件选定下沉式绿地与透水铺装作为主要的LID措施。其次，在SWMM中设置LID模块的参数：透水铺装表面滞水深度15 mm、曼宁N值0.013、坡度1.5%；透水铺装层厚度160 mm、孔隙比0.1；蓄水层厚度250 mm、孔隙比0.3；底部排水层排水系数3.3、排水指数0.5。下沉式绿地表面层深度100 mm、植物覆盖系数0.5、曼宁N值0.15、坡度1%；土壤层厚度250 mm、孔隙率0.4、产水能力0.2、枯萎点0.1；蓄水层厚度500 mm、孔隙比0.75；底部排水层排水系数14、排水指数0.5。最后，在模型中对各子汇水区逐个附加LID模块并应用试错法不断调整LID设施的覆盖比例，核算各地块的设计调蓄容积直至得出满足刚性指标要求的引导性技术指标——下沉式绿地率与透水铺装率。本研究区域共107个子汇水区，篇幅所限仅展示其中7个的分解结果见表4。经推算该引导性指标体系的实际控制容积为89 501.71 m3对应的年径流总量管控率为78.7%，符合规划要求,研究区域总下沉式绿地率为42.19%，总透水铺装率为18.47%。

引导性指标实施过程中若某些地块因不可抗力因素无法达到下沉式绿地率的覆盖范围，可通过加深下沉式绿地的深度缩小覆盖比例以达到相同的年径流总量管控要求。

表4 部分子汇水区引导性指标分解结果Tab.4 Decomposition results of Guiding Indicators in partial Subcatchments

4 结语与展望

在SWMM模型的辅助下对萍乡市海绵城市专项规划的管控指标——年径流总量控制率进行了分解赋值，探索了一种更为科学、高效且具有普遍适用性的指标分解赋值方法。当前国内的海绵城市建设与规划工作尚处于探索期间，模拟技术作为一种较新颖的方法对数据的需求也与以往不尽相同，本研究使用SWMM模型模拟了城市的水文过程与LID雨水系统，若在有足够的数据支持下亦可增加对城市雨水管渠系统的模拟，以便在完成海绵城市专项规划指标分解工作的同时对其他专项规划的修编也提供指导。

□