基于功能區(qū)差異的海綿城市適宜性研究
----以揚(yáng)州市為例

許 青，賈忠華，羅 紈，唐雙成，馬曉宇，吳舒然，邵正宵，宋為威

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225009 ；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

隨著城市化的快速發(fā)展，原有透水下墊面逐漸被不透水硬化地面所取代，地表硬化比例的增加改變了城市原生態(tài)地表吸收雨水的“海綿效應(yīng)”。暴雨發(fā)生時，地表徑流量增大，水質(zhì)較差的初期雨水?dāng)y帶大量的污染物進(jìn)入城市雨洪管道，成為非點源污染的重要來源[1]。目前國際上積極倡導(dǎo)采用低影響開發(fā)(LID)措施，以就地消納的方式從源頭上削減暴雨徑流的洪峰、洪量，從而減少城市化發(fā)展對水環(huán)境的消極影響[2-9]。我國近年來提出的海綿城市建設(shè)理念與上述LID措施是一致的；目前已經(jīng)開展了2期以LID理念為指導(dǎo)的海綿城市建設(shè)試點工作。一些試點城市在持續(xù)強(qiáng)降雨情況下，仍然出現(xiàn)了“城市看?！爆F(xiàn)象[10,11]。因此，城市建設(shè)面臨著“改與不改”、“局部改還是全面改”或者“如何改”的艱難選擇[12]。

車伍等人[13,14]從多角度解析了海綿城市發(fā)展的實質(zhì)，針對生態(tài)城市建設(shè)的目標(biāo)，有重點的“補(bǔ)缺”與合理銜接。夏軍[15]、張建云[16]從城市水文過程角度，深入剖析“城市看海”發(fā)生的條件與風(fēng)險，系統(tǒng)布局是海綿城市建設(shè)成功的前提。李廣東等[17]則通過構(gòu)建城市生態(tài)-生產(chǎn)-生活空間的功能分類體系，識別了不同地類空間功能匹配及空間集聚性。張善峰[18]從城市景觀學(xué)角度闡述了LID的內(nèi)涵及作用。

現(xiàn)有海綿城市研究中，較少關(guān)注城市功能區(qū)之間差別，具體表現(xiàn)為：①對城市復(fù)雜的功能、景觀、土地利用認(rèn)識不足，沒有考慮推進(jìn)海綿城市建設(shè)可能存在的差異；②對于不同功能區(qū)的分布及特點關(guān)注不足，缺乏對于關(guān)鍵區(qū)域的關(guān)注。城市雨洪問題的焦點一般集中在城市中心，尤其是一些大型功能區(qū)，如商業(yè)中心等；③對于城市不同功能區(qū)對景觀的要求不同，影響了LID措施類型的選用。本文選擇最優(yōu)LID措施來考慮城市功能區(qū)間的差異。同時考慮復(fù)雜的城市景觀要求、LID建設(shè)規(guī)模、形狀以及地形選擇不同，不同種類的LID措施所呈現(xiàn)出的景觀效果與城市功能區(qū)的契合度。

本文以揚(yáng)州市海綿城市建設(shè)為例，緊緊圍繞目前海綿城市功能區(qū)之間差別，確定了城市不同功能區(qū)的景觀和地表分布特征，提出了相應(yīng)的LID措施，得到不同功能區(qū)的海綿城市建設(shè)效果。通過綜合分析建設(shè)難易以及后期維護(hù)的要求，確定了海綿城市建設(shè)的重點區(qū)域。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)城市不同功能區(qū)的選取

本文研究區(qū)-江蘇省揚(yáng)州市邗江區(qū)，位于長江三角洲腹部，長江與淮河交匯處(東經(jīng)119°16′～119°31′,北緯32°13′～32°40′)，區(qū)內(nèi)年平均氣溫14.8 ℃ ，年平均降水量為1 021 mm?？紤]到城市不同功能區(qū)透水與不透水面積之間的差異，本文選取了4個較典型的城市功能區(qū)作為研究對象。4個功能區(qū)分別是住宅區(qū)(金輪星城小區(qū))、教學(xué)區(qū)(揚(yáng)州大學(xué)揚(yáng)子津東校區(qū))、工業(yè)區(qū)(揚(yáng)州市海信容聲冰箱公司)和商業(yè)區(qū)(歐尚超市購物中心)。4個功能區(qū)均于21世紀(jì)初建成并投入使用。其中，教學(xué)區(qū)、工業(yè)區(qū)地處城郊位置，遠(yuǎn)離市中心；而住宅區(qū)及商業(yè)區(qū)集中位于市中心。

1.2 雨洪管理LID措施及其適宜性

根據(jù)LID措施對于雨洪徑流的影響,可以將LID措施概化為以下3種形式：

(1)就地處理方式：若某功能區(qū)的透水地面較大，且與不透水地面的水力連通性很好的情況下，可以就地將不透水地面產(chǎn)生的雨水徑流導(dǎo)入透水區(qū)，通過滯留、入滲等LID設(shè)施將其就地消化；此為最有效、最經(jīng)濟(jì)的方式，后期的維護(hù)和管理費(fèi)用較低；

(2)過流式：在透水地面面積較小，難以建設(shè)上述滯留設(shè)施的情況下，可以利用有限空間和透水性較好的材料，增加雨水處理能力，這一類措施一般在介質(zhì)合適的情況下水質(zhì)效果較好，水文效果一般，且采用人工介質(zhì)導(dǎo)致造價及后期管理維護(hù)費(fèi)用較高；

(3)就地/異地儲蓄式：當(dāng)功能區(qū)內(nèi)難以找到足夠的不透水地面或水力連通性不允許就地處理時，可以建設(shè)地下儲蓄設(shè)施將雨水徑流就地或是通過短距離運(yùn)輸后儲存起來。這種方式造價和后期維護(hù)費(fèi)用均較高。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同功能區(qū)地表覆蓋類型及分析

采用ARCGIS軟件對研究區(qū)土地利用進(jìn)行解析，表1列出了各功能區(qū)的面積土地利用情況。從表1可知，透水地面的存在不僅有利于減少雨水徑流，而且為建設(shè)雨水滯留設(shè)施，削減由不透水地面產(chǎn)生的徑流提供了條件，如雨水花園、干濕塘等。教學(xué)區(qū)和住宅區(qū)透水面積比例較高，就地處理雨水徑流可能性更大；商業(yè)區(qū)與工業(yè)區(qū)不透水面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于透水面積，在相當(dāng)?shù)慕ㄔO(shè)力度下，就地處理的可能性相對較小。

表1 不同功能區(qū)面積統(tǒng)計Tab.1 Statistics of different functional areas

教學(xué)區(qū)、住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)中的不透水面積主要是硬化路面(見表2)，其道路面積占各功能區(qū)總面積比例從大到小依次為住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、教學(xué)區(qū)，分別為60%，52%，45%，除了教學(xué)區(qū)18%面積比例的操場，這三大功能區(qū)剩余不透水面積由屋頂構(gòu)成。而工業(yè)區(qū)的不透水面積主要是屋頂，約占其總不透水面積的79%。LID措施的選取受到城市功能區(qū)的制約。如教育區(qū)不僅透水面積比例很大，而且受其他因素的制約較小，選取LID措施的靈活性最大；而住宅區(qū)雖然不透水面積也很大，但是受到人文、市政、以及開發(fā)商營銷策略等各方面的影響，對景觀要求比較高，在LID設(shè)施建設(shè)方面難度系數(shù)高于教學(xué)區(qū)。商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)由于不透水面積較大，雨水徑流進(jìn)行就地或異地處理的需求量較大。但工業(yè)區(qū)多位于城郊地段，對景觀要求低于城市中心位置的商業(yè)區(qū)，LID設(shè)施建設(shè)相對容易。

教學(xué)區(qū)，商業(yè)區(qū)，住宅區(qū)和工業(yè)區(qū)這四大城市主要功能區(qū)的不透水面積主要是道路和屋頂，商業(yè)區(qū)建筑類型單一，屋頂由面積龐大的單體建筑物構(gòu)成，而教學(xué)區(qū)屋頂建筑數(shù)目居多且分布均勻，工業(yè)區(qū)中的屋頂面積集中。屋頂面積大且集中給LID設(shè)施建設(shè)造成一定的障礙。

表2 各功能區(qū)不透水面積組成情況統(tǒng)計Tab.2 Statistics on the composition of impervious area of each functional area

各功能區(qū)透水地表主要包括草地、水面和裸地(表3)。教學(xué)區(qū)內(nèi)綠化面積較大，其中草地是最主要的透水地表覆蓋，占到了總透水面積的90%，其余為人工湖泊。這對雨洪管理非常有利，可就地處理雨水徑流的潛力很大。商業(yè)區(qū)中透水面積單一，僅有草地；住宅區(qū)不透水面積的分布比例及類型均類似于教學(xué)區(qū)；工業(yè)區(qū)中透水面積包括草地，湖泊和裸地，但仍以草地為主，面積比例占總面積為94%，水面和裸地面積比例很小。

表3 透水覆蓋面積統(tǒng)計Tab.3 Permeable area coverage statistics

對已建功能區(qū)LID設(shè)施的規(guī)劃來說，草地是主要的LID建設(shè)用地來源。由于水面(湖泊)本身具備削減徑流的能力，在現(xiàn)有城市功能區(qū)改造及未來LID設(shè)施開發(fā)前提下，具有一定的改造潛力。對于工業(yè)區(qū)現(xiàn)存的3%裸地面積，從后期開發(fā)角度來看，具備較大的開發(fā)及改造潛力，可結(jié)合其具體位置，列入LID建設(shè)用地的重點。

不同功能區(qū)地表下墊面地塊面積大小分布差異顯著(圖1，表4)。從分布比例上看，工業(yè)區(qū)可改造的透水面積(草地)地塊較多，且面積大于400 m2的地塊占總數(shù)的88%，其中面積大于1 200 m2的草地有58塊。商業(yè)區(qū)透水地面的地塊總數(shù)遠(yuǎn)小于教學(xué)區(qū)，面積大小分布主要集中在0～800 m2區(qū)間內(nèi)，改造潛力很小。工業(yè)區(qū)400～800 m2草地地塊有58塊，易于開發(fā)改造。住宅區(qū)透水地塊面積大小集中分布在400 m2以內(nèi)，具有一定的改造潛力。若對各功能區(qū)現(xiàn)有透水地面加以改造，仍需根據(jù)場地的地形條件，降雨特點，以及透水與不透水區(qū)域之間的水力聯(lián)系，因地制宜地制定最佳的LID組合措施。充足的透水區(qū)域面積為增設(shè)LID設(shè)施提供了良好的條件，對于現(xiàn)有水體，可進(jìn)行改建或擴(kuò)建，將其列入LID措施范圍內(nèi)，在經(jīng)濟(jì)條件允許下，對雨水徑流進(jìn)行儲存與調(diào)蓄，從而更好地實現(xiàn)雨洪管理控制目標(biāo)。

圖1 各功能區(qū)透水地表土地利用類型分析Fig.1 Analysis of land use types of permeable surface in each functional area

2.2 不同功能區(qū)雨洪資源可利用潛力分析

不同功能區(qū)地表覆蓋類型不同，直接影響其降雨徑流特征。對于同一場降雨時間，不透水面積越大的功能區(qū)，其降雨入滲量越小，且徑流量沿途損失衰減系數(shù)也變小，徑流產(chǎn)生及匯流的速度越快[19]。商業(yè)區(qū)不透水面積比重最大，工業(yè)區(qū)次之，教學(xué)區(qū)最小。商業(yè)區(qū)與工業(yè)區(qū)地表產(chǎn)生徑流時間較短，匯流速度也較快，土壤截流的降雨量較少，大部分降雨匯成徑流排入城市雨水管網(wǎng)，因此，與教學(xué)區(qū)與住宅區(qū)相比，商業(yè)區(qū)與工業(yè)區(qū)產(chǎn)生洪澇災(zāi)害的可能性較大，這就增加了商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)推進(jìn)海綿城市建設(shè)的迫切性。除了降雨徑流特性外，雨水資源可利用潛力也是保證海綿城市建設(shè)效果的重要因素。城區(qū)可收集雨量受多重因素影響，其中包括建筑物的分布狀況，地表下墊面性質(zhì)，降雨季節(jié)分配，氣候特征等。雨洪資源可利用潛力可利用公式(1)計算[20]。

表4 各功能區(qū)不同土地利用類型面積分區(qū)地塊統(tǒng)計Tab.4 Each functional area of different types of land use area statistics

Ra=PAψα×103

(1)

式中：Ra為不同功能區(qū)城市雨洪資源可利用潛力，m3；P為不同功能區(qū)的降雨量，mm；A為不同功能區(qū)的面積，km2；ψ為平均徑流系數(shù)，可通過不同下墊面條件下的徑流系數(shù)與面積的乘積加權(quán)平均求得 ，本文計算中綠地徑流系數(shù)取值0.15，道路取值0.6，屋面取值0.9，操場0.45，裸地0.3[21]。α為季節(jié)折減系數(shù)，α=汛期平均降雨量/年平均降雨量。

由于研究區(qū)均位于揚(yáng)州市區(qū)，因此平均降雨量及季節(jié)折減系數(shù)取值相同，由計算結(jié)果顯示，不同功能區(qū)地表構(gòu)造不同，其雨洪資源可利用潛力也不同。其中，教學(xué)區(qū)平均徑流系數(shù)最小，雨洪資源可利用潛力最大，表明教學(xué)區(qū)具有較好改造能力，住宅區(qū)平均徑流系數(shù)次于教學(xué)區(qū)，但雨洪平均可利用潛力較小，增加其可改造難度系數(shù)。其余功能區(qū)雨洪可利用潛力相當(dāng)，但平均徑流系數(shù)較高，對其進(jìn)行海綿城市迫切性提高?？梢?，各類功能區(qū)雨洪資源可利用保障率較可觀，但目前海綿城市實施過程中開發(fā)利用率尚不足，雨洪資源開發(fā)潛力巨大。

表5 不同功能區(qū)城市雨洪可利用潛力分析Tab.5 Potential analysis of rainwater utilization in cities with different functional areas

2.3 水力連通性及LID措施適宜性分析

為了實現(xiàn)削減雨水徑流的截流，要求LID措施與匯流區(qū)有著適當(dāng)?shù)乃β?lián)系。以下我們結(jié)合典型區(qū)分析，調(diào)查不同功能區(qū)的特點。

(1)教學(xué)區(qū)。教學(xué)區(qū)基本可以分為3類(圖2)：不透水面積零星分布型(食堂，圖書館等獨立建筑)、建筑物集中分布型(建筑集中的教學(xué)區(qū)，操場等)及透水和不透水有規(guī)律相間分布型(宿舍區(qū))。典型區(qū)域一(a區(qū)域)，不透水面積相對較小，且零星分布于透水區(qū)域內(nèi)；該區(qū)域水力連通性相對較好，不透水地面產(chǎn)生的雨水徑流可就地處理；典型區(qū)域二(b區(qū)域)，主要是教學(xué)區(qū)和操場，建筑物集中且不透水面積大，為人群主要活動區(qū)域，對雨洪處理要求較高，該區(qū)域內(nèi)緊鄰建筑物、道路、操場等不透水面積旁，一般配備綠地等透水地表，具有一定的水力連通性，因此，可選取過流式LID措施，例如不透水邊界開挖滲透溝渠，植草溝等措施，通過引導(dǎo)將暴雨徑流輸送到相鄰的透水區(qū)域上，并考慮開挖草地興建雨水花園等生物滯留設(shè)施，削減雨水徑流中的污染物，保護(hù)水環(huán)境。典型區(qū)域三(c區(qū)域)，主要分布著學(xué)生宿舍及綠化草地，不透水和透水地面相間分布，水力連通性較好，(c區(qū)域)東側(cè)有大面積連片的透水地表，可作為過流式處理場所?？梢詫⑺奚釁^(qū)步行路面改為滲透鋪裝，并沿道路邊界開挖滲透溝渠，植草溝等措施，將需要處理的徑流輸送到東側(cè)草地上，并考慮在草地上興建雨水花園等生物滯留設(shè)施。

圖2 教學(xué)區(qū)內(nèi)典型區(qū)域水力連通性概化圖Fig.2 Simplified map of the typical regional hydraulic connectivity in the Education area

(2)工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)。工業(yè)區(qū)與商業(yè)區(qū)均擁有大面積屋頂(圖3)，不過都有著一定的限制。工業(yè)區(qū)屋頂多由輕型結(jié)構(gòu)組成，難以進(jìn)行透水性改造；而商業(yè)區(qū)人流量大，屋頂多被用于停車。工業(yè)區(qū)內(nèi)部建筑表現(xiàn)為集中連片的廠房建筑，外部有一定面積的透水地面，不過距連片的屋頂產(chǎn)流區(qū)較遠(yuǎn)(圖3)，水力連通性較差；因此，應(yīng)該考慮多布設(shè)雨水管、雨水桶等管道集水裝置，并借助排水溝，地下排水管等系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)流，將屋面徑流通過導(dǎo)流裝置排放到綠地上的LID設(shè)施。

圖3 工業(yè)區(qū)與商業(yè)區(qū)內(nèi)典型區(qū)域水力連通性概化圖Fig.3 Schematic diagram of the hydraulic connectivity of typical areas in industrial and commercial areas

(3)住宅區(qū)。住宅區(qū)內(nèi)部規(guī)劃構(gòu)造類似于教學(xué)區(qū)(圖4)，但住宅區(qū)涵蓋的功能類型少于教學(xué)區(qū)。該區(qū)域雨水主要由地表積水及屋頂徑流匯聚而成，透水地表主要由人工水塘，河流，人工草坪，景觀綠化組成，且分散分布于建筑物四周，水力連通性較好，為海綿城市改造提供有利條件。對已建成的住區(qū)(以金輪星城為例)，添加綠地面積不切實際，且為了降低改造成本，考慮通過增加透水鋪裝覆蓋量，將普通綠化帶改造成植草溝，生物滯留池，雨水花園的方式，達(dá)到生態(tài)與景觀效益兼得。對新規(guī)劃住宅區(qū)，可考慮在地下車庫，地下室等增設(shè)地下雨水儲蓄設(shè)施，對增量雨水進(jìn)行收集并儲存，用于住宅綠化區(qū)域澆灌，家庭沖廁，洗車等，既削減雨水徑流，又節(jié)約水資源[22]。

注：a區(qū)域為透水及不透水有規(guī)律相分布型；b區(qū)域為不透水地表零星分布型圖4 住宅區(qū)內(nèi)典型區(qū)域水力連通性概化圖Fig.4 Schematic diagram of typical hydraulic connectivity in residential areas

2.4 LID措施綜合分析與結(jié)果討論

城市不同功能區(qū)因其服務(wù)對象及地理位置差異，總體分析地表覆蓋特征，既有異曲同工之處，局部區(qū)域又差異顯著。

工業(yè)區(qū)-不透水面積大而集中，雖然透水地面也較大，但是水力輸導(dǎo)的困難較大；空閑地較大，可以建設(shè)地下儲蓄設(shè)施，或改造屋頂結(jié)構(gòu)方式。地處郊區(qū)，景觀要求靈活，雨水徑流處理的壓力較小，迫切程度較低，可以在城市建設(shè)過程中，穩(wěn)步推進(jìn)。

商業(yè)區(qū)-不透水地面集中，主要為大型單體建筑物屋頂，但景觀要求程度高，服務(wù)群體較大，地表和地下情況均較為復(fù)雜，可改造屋頂結(jié)構(gòu)，充分利用現(xiàn)有綠地，優(yōu)化綠地設(shè)施，增加透水鋪裝比例。海綿城市LID設(shè)施建設(shè)迫切度適中，但難度系數(shù)較大。

住宅區(qū)-透水地面比例較大，作為城市主要占地類型，服務(wù)群體大，景觀要求程度很高，且對于造價和后續(xù)管理要求較高，但迫切度最大，難度也最大。

教學(xué)區(qū)-透水地表與不透水地表比例相當(dāng)，大面積可改造地塊面積充足，改造難度系數(shù)較低，最適合建設(shè)雨水花園等生物滯留設(shè)施，對所有LID設(shè)施適應(yīng)性最高，因此迫切度較高，難度最小。

3 結(jié) 語

要保證海綿城市建設(shè)效果，首先要從經(jīng)濟(jì)合理性及水力連通性兩大原則出發(fā)。經(jīng)濟(jì)合理性即海綿城市量的具體體現(xiàn)，水力連通性則是海綿城市建設(shè)效果質(zhì)的保證。本文以揚(yáng)州市海綿城市建設(shè)為例，充分考慮城市各功能區(qū)之間的差異性，有針對性的建設(shè)各種LID設(shè)施，對穩(wěn)步高效推進(jìn)海綿城市建設(shè)工作大有裨益。研究選取的功能區(qū)特征能夠代表城市同類功能區(qū)的基本特征，因此研究成果具有一般適用性。結(jié)果表明，教學(xué)區(qū)透水面積最大，雨洪資源最豐富，地表徑流削減效率最高，住宅區(qū)次之，商業(yè)區(qū)與工業(yè)區(qū)除了地理位置不同，其內(nèi)部構(gòu)造相似，雨洪資源具有一定的可利用潛力，但集中連片的不透水面積增加了海綿措施改造的難度。因此城市各功能區(qū)內(nèi)部構(gòu)造、水力聯(lián)系、降雨徑流及雨洪資源的顯著差異直接影響海綿城市建設(shè)方式。針對不同城市功能區(qū)的特點，識別其海綿城市建設(shè)重點，甄選最佳LID措施單個及組合方式，探究與驗證LID措施技術(shù)在不同城市功能區(qū)的潛力及可行性將是目前我國海綿城市建設(shè)中需解決的重點問題，不僅需要在技術(shù)層面考慮，也需要從建設(shè)難易、后期維護(hù)、維修等經(jīng)過綜合考慮。本文初步研究認(rèn)為，針對城市不同功能區(qū)，海綿城市推進(jìn)的迫切性從高到低應(yīng)當(dāng)按照住宅區(qū)-教學(xué)區(qū)-商業(yè)區(qū)-工業(yè)區(qū)有序進(jìn)行。海綿城市建設(shè)效果按最佳效應(yīng)排序為：教學(xué)區(qū)- 住宅區(qū)-工業(yè)區(qū)-商業(yè)區(qū)；建設(shè)難易程度從難到易依次為住宅區(qū)-商業(yè)區(qū)-工業(yè)區(qū)-教學(xué)區(qū)。

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