华南湿热多雨地区城市绿地雨水管理设计研究*——以深圳前海自贸区门户公园设计为例

冯娴慧，王琳婷，叶劲枫

引言

伴随中国城市规模超高速扩张，与原有自然环境相比，城市内部已建设可达70%的不透水地面；同时，城市扩张所形成的特殊城市气候，其典型特征之一是极端降雨天气频发[1]；加之城市扩张过程中的基础设施不配套，城市竖向设计失误等等多种因素综合作用[2]，导致近十年来，中国城市面临严重的城市内涝问题。据我国最新水旱灾害公报统计，仅2018年，我国31 省（市、自治区）就有2149 市（县、区）遭受内涝灾害[3]。

城市雨水管理必须通过地面汇集系统和地下管网结合来实现。我国在过去的城市建设中，比较重视城市管网建设，认为雨水管理主要依靠地下管网集雨排放。地面的雨水汇集系统由于情况复杂，容易被忽略。早期地面雨水汇流是通过道路两侧、建筑四周的明沟体系来构建。但是，这种汇集方式并不适用于城市绿地及其他复杂多样的用地来建设雨水地面径流的管理。

当前，各国家和地区针对其国情，分别提出一系列地面雨水径流的管理理念和方法。例如由美国马里兰州乔治王子郡首先提出，后被EPA认可并推广使用的低影响开发理念（Low Impact Development,LID）[4]，我国住房与城乡建设部提出的海绵城市（Sponge City）理念[5]。两者均倡导利用城市的自然生态系统对地面雨水径流进行吸纳、蓄渗和缓释作用，实现雨水的自然积存、自然渗透、自然净化。

我国雨水管理理念的形成、管理方法的应用以及各类相关设施的规划建设发展时间非常短。自2014 年10 月，《海绵城市建设技术指南》（下称“技术指南”）颁布后，全国各城市开展了一系列的建设实践，不断探索的建设经验。随后，住房和城乡建设部发布国家标准《海绵城市建设评价标准》（GB/T51345-2018）（下称“评价标准”）[6]。在2019年8 月开始实施的评价标准中，强调了海绵城市建设的核心是保护自然生态格局，按照“源头减排、过程控制、系统治理”的理念系统谋划，实现海绵城市建设的综合目标。评价标准要求在维系山水林田湖草生态格局的基础上，强化雨水径流管控，最大限度维持城市开发前后水文特征不变，修复水生态、保护水环境、涵养水资源、提高城市防灾减灾能力。2020 年12 月，我国最新发布《海绵城市建设专项规划与设计标准征求意见稿》（索引号000013338/2020-00467）（下称“征求意见稿”）[7]，面向社会广泛征集意见。在征求意见稿中，根据建设经验，针对前期的技术指南的不足之处，进行了许多局部的修订，包括改进提出“竖向规划优化设计策略”、“统筹实现城市防洪排涝安全与发挥绿地生态、游憩、景观美化、文化教育等功能”等等。在过去6 年的发展历程中，我国的海绵城市建设和雨水管理理念正逐步走向完善，在具体的建设过程中，亟需各类因地制宜的具体有效建设方式和方法的研究与建设实践。

1 对我国城市绿地雨水管理设计的思考与应对策略分析

城市绿地作为城市主要建设用地，从海绵城市建设技术指南（2014）、海绵城市建设评价标准（2019）到海绵城市建设专项规划与设计标准征求意见稿（2020）中均明确其应当肩负重要的地面径流集雨管理功能。最新国标《城市绿地设计规范》（GB50420-2016）[8]中明确提出公园绿地需接纳周边区域降雨径流，缓解周边地区内涝压力。

1.1 我国城市绿地雨水管理设计的思考

（1）区域地理条件各异导致绿地设计需求差异显著，设计要求不能一概而论

我国幅员辽阔，不同地域间气候、土壤、地下水等自然地理条件差异较大，基于不同地区的自然气候、地理环境以及公共卫生的不同条件，城市绿地的雨水管理需求不同。例如，在干旱（200mm 年等降水量线）、半干旱地区（400mm 年等降水量线）、半湿润地区（800mm 年等降水量线）等全年降水量较少地区，或者地下水位低的城市，绿地需要尽可能收集、滞纳雨水以起到调节空气湿度，调蓄雨水径流，缓解场地内涝，补充城市地下水的作用，并解决城市缺水问题[9-11]；尤其是面临市政管网建设不完善的情况时，更要注重绿地蓄滞雨水的功能[12]。在湿热多雨、暴雨频发地区的城市，绿地则须快速汇聚雨水，并及时排涝。在华南湿热多雨地区，暴雨过后，雨水长时间在绿地积存将滋生蚊虫，造成热带病传播，影响公众健康；同时造成乔灌木根部呼吸受损，烂根死亡，植物生长严重受损，进而影响场地的生态环境。尤其是在沿海地下水位较高处，则更需引入辅助设施快速排水。因此，对城市绿地进行地面雨水径流管理的具体设计时，必须因地制宜，针对不同气候区域，不同具体问题，进行多元化可行性研究和多样化的建设实施，以解决问题为导向。

例如，针对华南湿热多雨地区的自然地理环境分析其绿地雨水管理需求。据我国一级气象地理区划，华南地区包括广东省、广西壮族自治区、海南省、福建省中南部、香港特别行政区、澳门特别行政区等。华南地区的核心区即为粤港澳大湾区，该地区的气候特征是湿热多雨，年平均气温≥20℃，年平均降水量1400～2000mm 之间，年平均空气湿度在77%～90%之间。由于高温高湿多雨，该地区一直是我国登革热等热带病高发区域。雨水在绿地中过量蓄积将导致蚊虫滋生，进而引发登革热传播，目前各地均发起了雨后“清积水”的倡导。因此，快速排水和尽量不造成雨水24 小时蓄滞是场地雨水管理设计的核心目标。

（2）在雨水管理、景观效果、生态功能多目标要求下，采用研究型系统设计

城市绿地的类型、规模以及绿地设计方式对场地控制雨水径流方向和减少径流量有着显著影响。因此，参考我国现行的标准，各地应当因地制宜，探索适合地域自然气候、地理条件的城市绿地雨水管理设计策略与技术体系，并引入适宜的模拟技术使设计效果得以高效实现。

《海绵城市建设专项规划与设计标准征求意见稿》要求在绿地设计中，绿色海绵城市建设设施的位置、线型应与绿地的景观布局、地形竖向、植物组团有机结合，植物配置应与周边植物融为一体，实现景观效果与生态功能的双重目标。在此目标的要求下，绿地设计要求在保障植物生态景观的条件下，合理布局雨水管理设施，两者之间存在紧密而复杂的联系，如果配合不佳，可能导致雨水管理失效，可能错失能实现多目标的优化方案。

绿地中的雨水径流作为一种不可见的、动态的自然要素，它在传统设计过程中难以被量化。这导致设计过程中难以对雨水量进行针对性的预测和动态调整，如果仅凭总的径流控制量计算来分配各项设施的规格、位置，可能存在未考虑场地限制因素及设计目标合理性的情况，从而导致设计方案难以很好地适应场地条件，后期调整成本较大。因此，需要整合一种强调动态的、可以随时调整的设计过程来进行设计以保证多目标的实现。

1.2 城市绿地雨水管理设计的策略分析

（1）强化绿地竖向设计，引导形成排水分区，实现源头减排

绿地地形对暴雨时雨水径流的流向、流量及雨水的渗透利用有重要影响[13]，我国自古以来的园林设计就有依山形而造水势，通过地形来引导地面径流有效汇聚排放的设计传统[14]。在新修订的征求意见稿中，强调了绿地的竖向设计，提出“绿地竖向设计应有利于雨水滞留、传输、收集与蓄存。场地设计结合汇水区划分，利用地形组织雨水自然汇集、调蓄利用与安全排放。地形坡度应与场地地形顺畅连接，在满足径流控制容积的同时，形成连续的微地形空间和近自然植被栽植区。”

据此，在城市绿地的雨水管理设计中，应当分析绿地的场地特征，首要进行因地制宜的竖向设计或地形设计形成排水分区（catchment），引导雨水地面径流进行分流、汇集、下渗和排放。为实现定量化和连续动态调整的要求，应用ArcGIS 水文分析模块进行地形设计，组织雨水径流，引导雨水分区汇集。ArcGIS 能够可视化一定降雨强度下，地表径流的空间分布情况。通过“初步地形设计—ArcGIS 水文模拟—指导地形设计微调整—形成符合雨水管理预期目标的地形设计”的交互修正方法来调整绿地的地形设计，使其符合预期雨水汇流组织的形态，引导雨水快速汇集至集雨排放口，有效地以地形地貌或排水管渠界定地面径流雨水的集水或汇水范围。

（2）定性定量布局灰绿雨水管理设施以及确定其设计规模

雨水径流的流向、流量是场地灰绿雨水管理设施布局的关键依据。在新修订的征求意见稿中，提出“应以雨水径流量控制和设施空间落地为主线，根据指标计算出对应的水量，系统分析问题，因地制宜采取措施”；“雨水溢流设施宜设置在汇水区下游或高程低点”；“城市绿地中的海绵城市建设设施设计，应与周边地面高程、管渠系统相衔接，使雨水可通过重力流入或排出设施，应与绿地要素统筹设计”。

据此，应当依据径流分析结果及各个排水分区汇水量因地制宜设计合理的雨水管理设施（包括植草沟，微凹地形，雨水篦子等），结合径流体系和景观要求进行布局。

（3）引入SWMM 数值模拟调试设施规模与布局，定量评估绿地雨水管理综合效果

在设计过程中以及建设实施之后，引入SWMM 模拟软件进行雨水消纳、排放的定量分析评估，数值化评估绿地建设对雨水径流的管理能力，并在此过程中对灰绿雨水管理设施的规模、布局进行调试，修正方案，直至输出结果达到设计要求。

（4）绿地雨水管理研究型系统设计流程

综上所述，总体设计、竖向设计、灰绿雨水管理设施、设计建设后定量评价等环节通过雨水径流链形成息息相关、牵一发而动全身的系统。所以，在设计过程中需要通过不断的调整与模拟而达成系统的良好配合，如图1 所示。未来，城市绿地的雨水管理设计需要通过精细化模拟（更加高效的模拟、反馈、调试流程）或者多学科方法综合应用来提升雨水设施在不同地域和不同场地建设应用的合理性。

图1 绿地雨水管理研究型系统设计流程图

本文提出采用研究型的城市绿地雨水管理设计策略大致可分为三个阶段（图1）：第一阶段，通过地形竖向高程设计与水文模拟的交互调适，应用ArcGIS 水文分析模拟设计等高线，引导地面径流组织以及形成有效汇集区域或汇水点；第二阶段，依据水文的汇流体系分布以及子汇水区的布局，设计种植区、汇水区以及雨水管理设施的定点以及定量布局；第三阶段，采用SWMM 暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model）定量化评价绿地方案的雨水管理效果，并在此过程中调适雨水管理设施的规模、布局，直至绿地总体雨水管理效果达到设计预期。

2 案例地分析—深圳前海门户公园

本研究以位于中国（广东）自由贸易试验区深圳前海蛇口片区（下文简称前海自贸区）的门户公园为案例，进行案例实证研究。该公园原地形为填海造地，是一片盐碱、低洼易涝的地块。

前海自贸区是粤港澳大湾区建设的重要合作区和国家水生态文明建设的重要示范区。深圳是华南地区国家海绵城市建设试点，具有高温、高湿且多暴雨的气候特征，年均气温高于20.0℃，平均相对湿度大于75%，年均降雨量约为1935.8mm，暴雨频发，2018 年降雨年景指数达到了120[15]。深圳市地下水水位普遍较高[16]，地面积水的土壤可下渗量较少，导致土壤排水能力十分有限。

门户公园（图2）总面积约为12000m2。周边地块为城市主干道和商业、公共用地，均为不透水铺装地面（图3）。公园原为填海土地，盐碱土，地势低平，极易积水内涝（图4）。该公园的设计有多方面功能要求：①景观视觉效果优良；②大型乔木的生境良好；③具备休闲游憩的环境；④场地地表雨水自消纳，不外排。

图2 公园区位

图3 公园周边环境

图4 公园开发前场地状况

作为一个小型公园，在城市雨水管理要求下，该地主要起到“源头消减”的作用，要实现消纳场地本身以及周边道路的部分雨水径流，防止场地以及周边道路内涝。该绿地所承担的汇水区域情况如表1 所示。

表1 绿地的汇水区域统计

3 第一阶段：基于ArcGIS 水文源汇体系分析的绿地竖向设计

以平面布局和控制高程为依据，营造有利于雨水就地消纳的地形，首先应用ArcGIS 水文模拟来实现地形设计引导场地雨水径流体系的形成。ArcGIS 能够可视化一定降雨强度下，地表径流的空间分布情况。通过“初步地形设计— ArcGIS 水文模拟— 指导地形设计微调整—形成符合雨水管理预期目标的地形设计”的交互修正方法来调整绿地的地形设计，形成可控制的汇水面划分和有组织的排水分区形态。

根据场地的交通功能要求，结合道路布局，初步设计将绿地划分为5 个排水分区（图5、6）。每一排水分区内，通过等高线设计和ArcGIS 模拟的交互验证，并依据模拟结果适当调整地形等高线，将雨水径流进行有效引导汇集，并将汇水终端和园内道路排水统一处理（图6）。通过径流模拟，最终得到场地的雨水流向、径流分布（图7-A、7-B），通过ArcGIS 水文模拟进行的场地地形等高线调整，将5 个排水分区细分形成15 个子排水分区（图7-C）。明确主要控制点高程、场地高程、坡向和坡度范围，明确地面排水方式和雨水径流排放路径。

图5 绿地布局

图6 竖向设计引导排水分区形成

图7 设计地面排水分区和雨水径流排放路径

为明确下一步雨水管理设施布局和体积规模，首先计算各子排水分区在深圳市设计降雨量下的降水总体积分布。

根据《深圳市海绵城市规划要点与审查细则》，前海新建设区域须达到75%的年径流总量控制率，对应设计降雨量为36.4mm（图8、表2），计算可得场地细化设计15 个子排水分区的降水体积及其空间分布如表3、图9 所示。

图8 深圳市年径流总量控制率与设计降雨量之间的关系

图9 场地细化设计15 个子排水分区的降水体积空间分布图（单位：m3）

表2 深圳市年径流总量控制率与设计降雨量之间的关系

表3 场地细化设计15 个子排水分区的降水体积统计

4 第二阶段：依据雨水汇流组织的雨水管理设施布局和规模设计

4.1 综合协调布局种植区域和汇排水区域

为保障场地生境，保障乔灌木的基本生活条件（肥沃壤土，快速排水，不积水，不干涸）。排水良好的区域布局为种植区，尤其是大乔木的种植区，保障乔木生长，营造良好的遮荫休憩活动场地，营造良好绿地景观（图10-A、11）；通过竖向设计，有控制汇集雨水径流，形成特定的集水区域，用于滞纳、排放雨水（图10-B、11）。通过竖向设计有效组织雨水径流源汇体系，在滞纳雨水的同时，不影响植物景观的营造。同时，根据设计的子排水分区所需的集水体积来选择合适的雨水管理设施，确定管理设施的规模。

图10 种植区、汇排水区划分图

图11 实景建成示意

4.2 确定集水区域内雨水管理设施布局规模与定位

通过ArcGIS 水文模拟和数字高程设计，门户公园形成有效的汇流体系，通过设计将雨水汇流引导与道路边沟结合。选用绿色雨水管理设施—植草沟（grass swale），植草沟是用来收集、输送、削减和净化雨水径流的表面覆盖植被的明渠，设计将其布局于径流流速快、流量大的线性区域（图12），同时依据各子排水分区内深圳市海绵城市建设要求设计降雨量下（36.4mm）集水体积的大小、场地污染物处理需求（广场外部道路处污染物浓度较高），辅以湿式植草沟、微凹地形、植草台阶等共同处理雨水，初步设定设施规模如表4 所示，设施深度依据径流汇集情况取值在0.15m～0.3m 之间；图13 中的A、B、C、D、E 展示了径流集中的局部示范点的实景示意图（注：以植草沟为主，并结合实地情况调整。如C 处位于广场边缘则结合线状排水沟排水；E 处径流量较大则利用植草台阶蓄排水）；竖向设计的雨水倾泻点是径流累计最大值点，设计为雨水管道雨水篦子设置点，如图12-B 所示。

图12 雨水管理设施布局图

图13 地面雨水管理设施局部示范点实景示意图

表4 不同子排水分区内绿色雨水管理设施的初步选取与规模设定

5 第三阶段：应用SWMM 软件数值分析进行绿地设计方案的雨水管理量化评价

绿地的雨水管理效果受地表径流、土壤渗透、地下管网分布等因素共同影响。为量化评估设计方案对场地雨水的管理效果，研究采用SWMM模型（Storm Water Management Model，SWMM）来进行效果评估。

根据华南湿热地区的短时暴雨频发现状[17]，在SWMM 中，分别就开发前、开发后场地模拟深圳市0.5 年、2 年、5 年、10 年、50 年一遇的暴雨过程（图14、15），并在此过程中根据开发后模拟结果对灰绿雨水管理设施的规模、布局进行调整，直至达到预期效果，确定最终方案。模拟时长均为2h，初始属性设定如表5 所示。各子汇水区的相关参数根据雨水管理模型用户手册[18]及深圳市相关研究[19]确定。模拟结果如下表6、7 所示。

表5 SWMM 模型概况及参数取值范围[18，19]

表6 开发前模拟结果统计

图14 SWMM 模型示意图（方案实施前）

图15 SWMM 模型示意图（方案实施后）

模拟结果表明：

（1）在雨水消纳方面，除满足设计降雨量下对雨水的汇集、消纳外，场地在不同重现期短时暴雨情境下仍有良好消纳能力。该场地除0.5 重现期暴雨下开发后场地雨水渗入比例略低于开发前，在2、5、10、50年重现期暴雨下，开发后的雨水入渗比例在开发前基础上增加了12.50%、15.28%、16.11%、16.73%（图16），可见开发后方案能一定程度上增加高重现期暴雨的雨水下渗量，该方案在高重现期暴雨发生频繁的趋势下，具较高适用性。就开发后方案自身而言，在（P=0.5a、P=2a）暴雨下，绿地对雨水的渗透作用较强，雨水入渗比例可达总降水量的70%以上。随暴雨重现期增加，绿地对雨水的渗透能力接近饱和，排水设施发挥更大效用，场地径流系数被控制在0.4 以内。说明在50 年及其以下重现期的短时暴雨中，门户公园具有较强的消纳暴雨雨水径流的能力。

图16 开发前后雨水入渗比例对比

（2）在雨水排放方面，在50 年及其以下重现期内，开发后方案的径流系数略大于开发前方案，这是由于开发前地形无起伏变化，超出场地土壤入渗能力的雨水即向周边地区排放，不易形成较大径流；开发后方案为减少雨水外排并兼顾植物生长、景观营造，进行了必要的竖向设计，这不可避免地增加了少量径流。但就开发后方案的适用性而言，场地不透水区瞬时最大局部雨水深度约为100mm，小于参考值150mm[20]，不会对人行及车行造成严重影响；且场地无管道超载、节点超载和出水口溢流，较开发前减少了大量的地表场地外排水量（图17），这对场地内外内涝的缓解均有积极作用。

图17 开发前后地表场地外排水量对比

表7 开发后模拟结果统计

通过SWMM 量化模拟评估，前海门户公园能较好地通过竖向设计及雨水管理设施消纳暴雨雨水，无积涝风险。

结语

案例地通过研究型的雨水管理策略设计和施工建造，从2018 年公园建成之后，历经2 年的暴雨考验，从未发生内涝，实现了场地雨水良好管理，不影响周边环境，是具有典型性和示范价值的深圳海绵城市建设样板案例。在门户公园的案例实践中，针对场地原有的特殊状况，综合深圳地区的气候地理条件，因地制宜利用ArcGIS 数值模拟技术结合雨量计算的精细化模型辅助生成合理引导地面径流分布的竖向设计，形成可控的汇流体系，结合汇水洼地选择合理的设施布局，设计方案进一步采用SWMM 数字模拟技术，进行实际管理能力的评估。

本文建立了基于ArcGIS 与SWMM 数值模拟技术的“绿地竖向设计与调适—灰绿雨水管理设施定性定量设计—整体方案量化评价与设施调适”雨水管理研究型系统设计流程，为雨水管理目标导向下的绿地设计提供精细量化的、可即时调整的动态设计方法。该方法为最新《海绵城市建设专项规划与设计标准征求意见稿》的落地实施提供解决方案与实例参考，有助于设计师高效、因地制宜地进行设计，提高最终方案的适用性与科学性。

城市内涝的成因复杂多样，合理有效的城市雨水管理面临众多的实际问题，因为问题的复杂性，本研究提出绿地雨水管理的设计应当多学科方法融合，因地制宜精细化设计，科学合理采用数值模拟方法进行定量化分析为辅助，具体问题具体分析，针对绿地场地本身的特性开展雨水管理的设计。

图、表来源

图8：引自《深圳市海绵城市规划要点和审查细则》；

图10：作者结合普邦园林提供的底图资料绘制；

图12：作者结合普邦园林提供的资料改绘；

表2：引自《深圳市海绵城市规划要点和审查细则》；

其余图、表均由作者拍摄或绘制。