维护良性水循环的城镇化LID模式:海绵城市规划方法与技术初步探讨

维护良性水循环的城镇化LID模式:海绵城市规划方法与技术初步探讨

陈欣,张谨

西北综合勘察设计研究院，陕西省西安市，710000

摘要：我国城市化的迅速发展使“城市病”问题日益严重，这将直接影响到城市化的发展水平。特别是在资源和环境上，城市的防洪工程和排涝设施远远滞后于城市化，在很多城市，暴雨过后，城市出现了严重的内涝现象。面对日益严重的资源约束、环境污染、生态环境恶化等问题，我国城市化进程必须迈入以提高质量为主导的新发展阶段，走新型城镇化道路。

关键词：维护；城市规划；技术；水循环；方法；城镇化；LID模式

澳大利亚学者关于“海绵城市”对周围乡村居民的影响的研究，在此基础上，将其应用于城市雨水的利用。目前，发达国家已经形成了较为完整的技术规范，并有自己的特点。然而，国内99%的城市排水系统都是采用“快排”的方式，如管道、泵站等，而不是采用地形、下垫面等绿化手段来进行调节，同时也不能充分利用雨水的有效利用。

一、海绵城市建设的重点

1.城市防洪排涝

城市的防洪工程与排涝工程是海绵城市建设的重要组成部分。“快排”技术是为3~5 a段时间内的短期降雨而设计的。在全球范围内不断发生的各种极端事件中，“快排”的设计思想与城市快速膨胀之间的矛盾日益凸显。一方面，由于城市规模的扩大，“快排”的概念必然会使排水管网的集水区扩大，使污水管网的排水压力增大，使管线的埋深、管径变大，从而使工程造价、管理费用不断上升；另一方面，“快排”的概念增加了城市的防洪性和排涝风险，短时间内，雨水通过管线流入城区河流、湖库等，任何一个环节出现危险，都会引发洪水。

在海绵城市建设中，要根据实际情况，就地消纳，充分发挥地形和自然生态条件，并通过多种措施保持水循环，降低对水循环的损害。城市的防洪排涝问题主要有：城市雨水洪灾模型、排水系统的防洪排涝能力评价、年径流控制率的确定、 LID算法的优化等。

2.城镇非点源污染治理

在我国城市化进程中，非点源污染是一个不可忽略的环境问题。快速增加的都市人口，会造成机动车排放、生活垃圾的增多，同时由于大气沉降等因素，会随着降雨-径流进入城市排水系统，对被纳水体造成污染，特别是前期雨水的冲刷，对非点源污染十分严重。大量的研究发现，在降雨前期，降雨总量的25%-30%，会使污染物的排放量达到80%以上，其污染物的浓度大大超出了地下水水质的“劣 V”等级。在海绵城市的设计中，应根据具体情况，因地制宜地制定出相应的径流污染控制指标（SS、 COD）及主要技术方法，而“下沉式绿地”、“绿色屋顶”、“植被缓冲带”，则是缓解和遏制城市非点源污染的重要手段。

3.雨水和雨水的综合利用

水资源的匮乏已成为制约我国新型城市化发展的一个重要制约因素。在1980至2010年期间，随着城市化进程的加快，城市用水量将会达到17×108吨。因此，怎样对雨水资源进行合理的利用，这是解决我国城镇水资源短缺问题的一项重要举措。雨洪利用包括雨水收集、贮存、处理、利用等方面的综合利用。在海绵城市建设中，要正确处理雨水资源与防洪排涝、综合利用之间的关系，并明确其目的和途径。相关的工程措施有下沉式绿地、绿色屋顶、蓄水池、雨水罐等。

二、海绵城市建设中的技术要点

1.城市降雨和洪水的仿真技术

城市雨水洪水模拟技术是当前城市水文研究中的一个热点和难点问题。我国城镇土地利用的地域分布具有很大的多样性，土地利用的类型十分复杂，其生产与汇合的方式与进程也十分复杂。基于 HIMS分布式模拟系统，对城市暴雨洪水进行了建模，其中包括地表产流模块、斜坡汇流模块（运动波）、马斯京根流模型、污水产流模型等。在图1中显示了开发模式的架构。

图1

该模型根据自然产汇流的特点，根据需要，根据土地类型，灵活地定制最小的计算单元，可以详细地考虑城市的不同土地的产流模式，以及坡面、管道、河道、道路等不同的交通方式，从而为制定海绵城市 LID措施提供技术手段。主要的要素有：

1)计算单元的划分与确定各种汇流拓扑关系

由于高楼大厦、下垫面、道路等因素的影响，这就使传统的流域分散模型在城市中的应用变得很困难；本研究采用先按自然水系划分，然后按管网划分，最后按土地利用方式确定最小产汇流单位。通过对高精度 DEM数据、影像数据、管网布局数据的分析，采用 GIS、 CAD等软件对城市计算单元进行了合理的划分。其主要措施有：

①根据研究区的天然汇水特点，利用 DEM资料及河川水系资料，对天然水体进行抽取；根据行政区划、重点控制线等因素，对城市河流、湖泊的天然汇水单位进行了分区；

②根据城市排水管网格局、城市用地类型、垂直方向、城市总平面布置等因素，按城市自然汇水单位划分出排水区域；

③按排水分区，以道路或网为边界，按雨水口位置、道路竖向规划、高精度影像和用地类型等，划分出最小的排水量单元。

2)不同土地类型的产生量及污染过程仿真

以 HIMS为基础，利用作者提出的降雨

-入渗公式，对降雨径流量进行了计算。这一公式是作者在对大量的实测资料和小流域雨水径流资料的分析后得出的，具有较高的普适性和准确性。按土地面积的不同类型，分别计算出不同的产流量。各计算单位均含有一种或多种土地类型，利用 HIMS模式下的降雨入渗公式，求出各土地类型的产流；通过对各土地类型的产流进行累加，得到该单位的产流总量。

3)在城市雨水-洪水模型中，管网、河道、道路汇流的耦合以及汇流方向的计算是最关键的环节。由于城市降雨自然汇聚的特点，其形成机制十分复杂。城市汇流形式主要有土地利用方式的坡面汇流、管网内有压力汇流和无压力汇流、河流水系汇流。坡面汇流是模拟降雨水口（或检验井）不同土地类型的产流迁移的过程；网络汇流是指雨水通过管道（或检验井）流入管道，最后流入河流或其它防洪设施；河流系统汇合是指通过排水管排出的雨水和上游河流的水流进行叠加演化而成的。而在道路排泄渠道中，模拟了超过管道排泄能力的雨水，通过道路渠道，流向较低的池塘、湖、水库、水系等。根据自然、排水区和产汇流的计算单元，通过对城市排水系统和垂直高度的分析，确定各区域的地面与管网的水力关系，并编制了相应的汇流文件。另外，根据雨水出口及排水管网的排泄能力，计算出各雨水出口的最大泄水量及管网有压无压的汇流临界值；根据垂直高度及排水区域划分，得出了含水区地面富余水量的分布规律。

2.LID方法的最优技术

LID是指在城市的发展与建设过程中，通过源头消减、中途转输、末端调蓄等多种方式来实现的。通过渗、滞、蓄、净、用、排等技术，实现了一个良好的城市水循环，改善雨水渗透、调蓄、净化、利用和排放的能力，使城市的“海绵”功能得以维持和恢复。

LID技术的主要目的在于减少地面产流，在降水条件下，达到年径流控制率指标，使各个区块的产水量不外泄。

结论：“海绵城市”是我国新型城市化建设的重要课题，关系到“和谐发展”和“全面小康”的发展。文章从人与自然的和谐观点出发，阐述了海绵城市的建设思路，并对其核心内容、关键技术和途径进行了论述；建立了我国城市雨水洪涝的自主知识产权模型。在此基础上，提出了城市防洪排涝、面源污染治理、雨水的资源化利用三个方面的内容。

参考文献

[1]张书函.基于城市雨洪资源综合利用的“海绵城市”建设[J].建设科技.2015,(1).26-28.

[2]LI Li-qing,YIN Cheng-qing,HE Qing-ci,等.First flush of storm runoff pollution from an urban catchment in China[J].环境科学学报（英文版）.2007,(3)：17-19.

[3]刘昌明,王中根,郑红星,等.HIMS系统及其定制模型的开发与应用[J].中国科学E辑.2018,(3)：2-4.

[4]潘家华, 魏后凯, 主编. 中国城市发展报告 [M].社会科学文献出版社,2015.

作者信息：

陈欣，西北综合勘察设计研究院，陕西省西安市，710000

张谨，西北综合勘察设计研究院，陕西省西安市，710000