基于產(chǎn)匯流模擬分析的城市居住小區(qū)道路系統(tǒng)布局優(yōu)化策略研究

楊冬冬 韓軼群 曹磊（加）布魯斯·安德森

“十二五”期間，中國被調(diào)查的351座城市中80%的城市發(fā)生過不同程度的內(nèi)澇災(zāi)害[1]。伴隨城市快速發(fā)展[2]，硬化道路面積的激增成為導(dǎo)致洪澇災(zāi)害頻發(fā)的內(nèi)因之一。據(jù)統(tǒng)計，1981—2011年的30年間，中國城市建成區(qū)道路面積率從不足4%增長至13.8%[3]；而中國大城市典型街區(qū)中，道路面積率（包含公共道路和內(nèi)部道路）已達到36%[4]。因此，如何在城市道路建設(shè)穩(wěn)定增長的同時，又能夠緩解路面增加而造成的過量雨水徑流問題已成為中國城市雨洪管理的難點。

空間布局對于城市雨水的產(chǎn)匯流過程具有結(jié)構(gòu)性作用。研究已表明：優(yōu)化綠地布局利于海綿城市建設(shè)[5-6]。而道路作為城市硬化下墊面最主要的組成要素，其布局對城市洪澇災(zāi)害的影響貫穿整個水文過程中，但相關(guān)研究較少。本研究聚焦居住小區(qū)道路布局，通過量化不同降雨強度下居住小區(qū)典型道路布局模式與其產(chǎn)匯流過程間的關(guān)系，明確不同道路布局模式對產(chǎn)流量、匯流量、匯流速度的影響，進而提出以雨洪韌性提升為目標的小區(qū)道路系統(tǒng)布局優(yōu)化策略。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

從天津市中心城區(qū)20世紀90年代后建成的居住小區(qū)中篩選出46個道路布局模式特點清晰且路網(wǎng)密度和道路面積比相似性高的居住小區(qū)為樣本。參考Southworth[7-8]等提出的居住小區(qū)道路分類方法，將樣本劃分為網(wǎng)格型、盡端型、環(huán)型3種模式，其數(shù)量占比分別為60%、25%、15%。調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)，道路環(huán)型結(jié)構(gòu)常與網(wǎng)格型或盡端型結(jié)合，形成環(huán)網(wǎng)型和環(huán)盡型，在調(diào)研樣本中數(shù)量相近。

上述4類道路模式和代表案例信息如圖1、表1所示。網(wǎng)格型小區(qū)道路平面上呈現(xiàn)橫縱交叉的網(wǎng)格形態(tài)，網(wǎng)格四周由交叉互通的道路圍合；盡端型小區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)中存在較多單向的、不回環(huán)的斷頭路，道路間連通性較差；環(huán)型道路布局具有明顯的環(huán)型結(jié)構(gòu)，作為主干與其他道路連接。環(huán)網(wǎng)型由作為主干路的環(huán)型結(jié)構(gòu)和作為附屬部分的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組合而成，道路間交叉互通；環(huán)盡型則由環(huán)型結(jié)構(gòu)與盡端路組成，除與主環(huán)連接的部分外，大部分道路呈不回環(huán)特性。

1.2 研究區(qū)域降雨情況

天津市地處華北平原，海河支流匯流處，四季分明，年均降雨量574.9 mm。中心城區(qū)2年一遇24 h降雨量為89.0 mm，10年一遇24h降雨量為166.8 mm。另據(jù)氣象記錄，近10年該市每年都會遭受單次降雨150 mm以上的重大暴雨事件（圖2）。

1.3 研究方法

1.3.1 圖像數(shù)字化技術(shù)及典型居住小區(qū)空間信息概化模型提取

天津典型居住小區(qū)概化模型由住宅建筑、住宅組團級道路（3～5 m）以及綠地組成。假設(shè)住宅建筑均為6層普通居民樓，規(guī)模為常見尺寸75 m×15 m×20 m；道路為4 m寬的住宅組團級道路；綠地占據(jù)場地內(nèi)除建筑和道路以外的全部空間。

概化模型提取過程包括3步。1）確定居住小區(qū)概化模型的面積規(guī)模。天津中心城區(qū)居住小區(qū)面積多在16 hm2左右，故概化模型為400 m×400 m的正方形場地。2）提取路網(wǎng)布局。采用圖像數(shù)字化技術(shù)，以小區(qū)衛(wèi)星影像為對象，提取道路矢量空間布局信息，選取能夠反映居住小區(qū)道路布局特點的“長短邊特征值”“平均長寬比”“平均路網(wǎng)密度”“交叉點比值”“環(huán)面積比”等作為描述居住小區(qū)道路平面形態(tài)的幾何參數(shù)。利用ArcGIS，分別計算分屬4類道路布局模式的46個居住小區(qū)路網(wǎng)的幾何參數(shù)，獲得不同道路布局模式的空間幾何指標（表2），據(jù)此在400 m×400 m正方形場地中繪制4種路網(wǎng)模式的概化模型，并進一步采用網(wǎng)絡(luò)分析法，利用表示拓撲關(guān)系的道路指數(shù)連接度指數(shù)J、回路性指數(shù)α、節(jié)點通達度β驗證模型的準確性。3）確定居住小區(qū)內(nèi)建筑的空間布局。參考GB 50180—1993《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》，6層住宅樓的樓間距最小為9 m，側(cè)面樓間距最小為6 m。以排布最多建筑數(shù)為原則進行建筑空間布局繪制。最終獲得網(wǎng)格型、盡端型、環(huán)盡型和環(huán)網(wǎng)型居住小區(qū)的概化模型（圖3）。

表1 部分居住小區(qū)基本情況表Tab.1 Basic information of the investigated communities

表2 居住小區(qū)道路布局概化模型的幾何指標Tab. 2 Geometric indicators of community road layout generalized model

1 4種典型居住小區(qū)道路布局模式Four typical road layout modes in communities

2 天津24 h設(shè)計降雨雨型分配[9]24-hour design rainfall distribution map in Tianjin [9]

由概化模型可知，不同道路布局模式的道路密度不同。但由于相同場地中較少的道路面積可以產(chǎn)生較多的建筑占地，故4個場地內(nèi)總硬化面積差異較小，場地綜合徑流系數(shù)值相近。

1.3.2 SWMM產(chǎn)匯流過程模擬技術(shù)及典型居住小區(qū)水文過程模擬模型建立

暴雨洪水管理模型（storm water management model，簡稱SWMM）是美國環(huán)境保護署（EPA）開發(fā)的動態(tài)降水—徑流模擬模型，廣泛應(yīng)用于城市某單一降水事件的水文過程模擬[10-12]。

為便于橫向比較，研究為概化場地的水文過程模擬設(shè)定了相同的地形水文條件：

1）模型地勢北高南低，中部軸線沿線低而東西邊緣線高，其中南部邊緣中心點高程最低，設(shè)為整個場地對外的排水口，其高程設(shè)為基準點。南北與東西兩側(cè)坡度均為0.1%（圖4）。

2）設(shè)定模型場地內(nèi)非道路區(qū)域地勢高于道路地勢；道路路牙高度為0.1 m。

3）模型中曼寧系數(shù)取值分別為不滲透性粗糙系數(shù)0.012，滲透性粗糙系數(shù)0.6，滲入?yún)?shù)均選用horton算法。

4）聚焦道路布局對產(chǎn)匯流過程的影響，不考慮雨水管網(wǎng)信息，且各模型硬質(zhì)化率相同，綜合徑流系數(shù)值相近。

基于以上設(shè)定，建立典型居住小區(qū)水文過程模擬模型（圖5）。

上述4種道路布局SWMM模型的連續(xù)性誤差均在允許誤差區(qū)間內(nèi)，故上述模型模擬結(jié)果可信。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 10年一遇暴雨工況

10年一遇24 h降雨情況下，產(chǎn)匯流過程模擬結(jié)果顯示，4種場地的地表產(chǎn)流量均在2.59×106l地表產(chǎn)流量范圍之間，這與4個場地綜合徑流系數(shù)相近直接相關(guān)。在產(chǎn)流總量基本相同的情況下，分別對場地對外出流量、內(nèi)部積水量以及匯流速度進行比較，探討道路布局對居住小區(qū)產(chǎn)匯流過程的影響。

2.1.1 場地對外出流量分析

強降雨情況下，場地產(chǎn)流一部分向場地外排出，另一部分滯留場地內(nèi)形成積水。在產(chǎn)流量相同的情況下，外部出流量越大，場地的排水能力越強，則說明強降雨情況下具有較好的適應(yīng)性。筆者提出適應(yīng)度指標，即外部出流量與場地總產(chǎn)流量的比值，來表征強降雨情況下4種道路布局的適應(yīng)性。計算公式如下：

3 居住小區(qū)4種道路類型的概化模型Generalized models of four road types in communities

4 1 000倍放大效果的場地地形示意圖Site topography diagram with 1,000 times magnification effect

5 居住小區(qū)4種路網(wǎng)布局的SWMM模型The SWMM model of four road system layouts in communities

6 4種道路布局內(nèi)部積水節(jié)點與路段積水分布The distribution of water accumulation spots and road sections in four road layouts

表3 SWMM模型計算結(jié)果Tab. 3 The calculation results of SWMM model

式中，F(xiàn)n為第n種路網(wǎng)布局類型的適應(yīng)性指數(shù)，Vn外為場地外部出流量；Vn總為場地總產(chǎn)流量。

結(jié)果顯示，4種道路布局概化場地的外部出流量排序為：網(wǎng)格型＞環(huán)網(wǎng)型＞環(huán)盡型＞盡端型，表明強降雨情況下網(wǎng)格型路網(wǎng)的排水能力明顯強于盡端型，環(huán)型的排水能力處于二者之間。環(huán)網(wǎng)型與網(wǎng)格型二者的排水能力相差不大，相較之下，環(huán)型路網(wǎng)的加入可有效提高盡端型路網(wǎng)布局的排水能力（表3）。

2.1.2 場地內(nèi)部積水情況分析

本文作者以節(jié)點積水指數(shù)和路段積水指數(shù)表征不同類型道路布局場地內(nèi)部的積水情況。

節(jié)點積水指數(shù)反映道路交叉口處的積水程度。該值為正，說明該道路交叉口存在積水情況，數(shù)值越大則積水越嚴重；若該值為負，說明該道路交叉口不積水。計算公式為：

式中，Ei為第i個節(jié)點的洪流指數(shù)，Vi為第i個節(jié)點的進流量，Vc為第i個節(jié)點的出流量。

路段積水指數(shù)綜合考慮路段積水時長和積水深度來反映路段積水情況。數(shù)值越大說明路段積水情況越嚴重。其計算公式為：

式中，Sn為路段積水指數(shù)，tn為路段n的超載時間，總降雨時長t0取24 h，Vn為路段n的積水量，V0為場地產(chǎn)流總量，a、b分別為路段積水時長和積水深度對居民出行影響程度的權(quán)重值。筆者假定上述兩因素具有相同的影響程度，權(quán)重取值0.5。

在SWMM模擬結(jié)果基礎(chǔ)上，計算4種概化場地中各路段和各道路交叉點的路段超載指數(shù)和節(jié)點流指數(shù)（圖6）。

從積水點、路段的空間布局看，受地形影響，網(wǎng)格型和盡端型場地的積水集中于中部軸線；而環(huán)網(wǎng)型和環(huán)盡型的積水則集中于環(huán)型結(jié)構(gòu)。進一步對網(wǎng)格型、盡端型中軸線上節(jié)點積水指數(shù)和路段積水指數(shù)與環(huán)網(wǎng)型、環(huán)盡型中環(huán)型結(jié)構(gòu)上的指數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，環(huán)型結(jié)構(gòu)具有明顯的“坦化效應(yīng)”，可有效降低網(wǎng)格型和盡端型軸線上的排水壓力，顯著緩解強降雨條件下，積水對居民生活和出行的影響。

從積水點、路段的積水程度看，受累積效應(yīng)影響，無論網(wǎng)格型、盡端型的軸線還是環(huán)網(wǎng)型、環(huán)盡型的環(huán)型結(jié)構(gòu)，越靠近場地出水口的交叉點、路段其指標值越高，排水壓力越大。節(jié)點積水指數(shù)和路段積水指數(shù)共同表明，環(huán)盡型數(shù)值最高，盡端型最低，環(huán)網(wǎng)型和網(wǎng)型數(shù)據(jù)居中。由此可見，環(huán)型結(jié)構(gòu)具有緩解小區(qū)內(nèi)部積水情況，同時加大小區(qū)對外排水流量的能力，并在與盡端型路網(wǎng)組合時作用突出。

7 10年一遇降雨事件下模型排放口流量Model discharge outlet flow diagram under a 10-year rainfall event

8 中小降雨事件下（30.4 mm降雨）模型排放口流量Model discharge outlet flow diagram under the light and moderate rainfall event(30.4 mm rainfall)

表4 10年一遇降雨事件下模型匯流特征Tab. 4 Model runoff concentration characteristics under a 10-year rainfall event

表5 中小降雨事件下模型匯流特征總結(jié)Tab. 5 Model runoff concentration characteristics under the light and moderate rainfall event

2.1.3 匯流速度分析

以場地排水口處的峰值大小、峰值起始時間和峰值持續(xù)時長為指示指標，表征場地道路的匯流速度。模擬結(jié)果顯示（圖7、表4），峰值大小方面，網(wǎng)格型的峰值流量明顯大于盡端型，且環(huán)型結(jié)構(gòu)的加入對峰值大小的影響較??；峰值起始時間方面，盡端型最早出現(xiàn)峰值，網(wǎng)格型和環(huán)網(wǎng)型滯后；峰值持續(xù)時長方面，則盡端型＞環(huán)盡型＞網(wǎng)格型＞環(huán)網(wǎng)型。由此可知，強降雨條件下，網(wǎng)格型道路布局不僅能夠延緩峰值流量的出現(xiàn)，而且一旦達到峰值流量，可以較大的出流流速在較短的時間內(nèi)完成外排水過程，表現(xiàn)出較好的雨洪管理彈性。此外，模擬發(fā)現(xiàn)，環(huán)型結(jié)構(gòu)無論與網(wǎng)格型還是盡端型路網(wǎng)疊加均表現(xiàn)出減少峰值持續(xù)時間、延緩峰值出現(xiàn)時間的作用。

綜上所述，在強降雨條件下，相較盡端型布局，網(wǎng)格型布局具有對外排水量大、排水速度快的特點，利于減輕場地內(nèi)部排水壓力；而環(huán)形道路結(jié)構(gòu)因具有坦化場地內(nèi)部排水壓力的特點，無論與網(wǎng)格型還是與盡端型路網(wǎng)結(jié)合，均具有增強場地雨洪管理彈性的作用。

2.2 中小降雨工況

以天津市80%年徑流總量控制率對應(yīng)的設(shè)計降雨強度30.4 mm作為常降雨工況進行SWMM模擬可知，4種道路布局概化場地的地表產(chǎn)流量均在0.417×106l范圍之間，且地表產(chǎn)流量與外部出流量相等，即內(nèi)部積水量為零，場地內(nèi)不存在積水現(xiàn)象。4個模型出水口峰值流量大小排序為：盡端型＞網(wǎng)格型＞環(huán)盡型＞環(huán)網(wǎng)型（圖8）。

進一步對道路匯流速度進行比較（表5），峰值起始時間方面，各類型間差異很小。而在持續(xù)時長方面，峰值持續(xù)時長排序為，環(huán)網(wǎng)型＞環(huán)盡型＞網(wǎng)格型＞盡端型。環(huán)型結(jié)構(gòu)的加入，可有效延長網(wǎng)格型和盡端型道路布局場地峰值持續(xù)的時長，即可以較低的峰值流量在較長的時間內(nèi)排除，滯水效果較好，為中小降雨強度下“滲”“滯”“凈”等低影響開發(fā)雨洪管理策略創(chuàng)造了條件和可能。

綜上，中小強度降雨條件下，網(wǎng)格型和盡端型道路布局對場地產(chǎn)匯流過程的影響差異很小。但是環(huán)型結(jié)構(gòu)無論與網(wǎng)格型還是與盡端型路網(wǎng)的結(jié)合，均具有促進雨水滯留場地的效果，為雨水徑流的“就地處理”創(chuàng)造了有利條件。

3 雨洪韌性提升導(dǎo)向下的居住小區(qū)道路系統(tǒng)布局優(yōu)化策略

3.1 新建居住小區(qū)道路系統(tǒng)布局的優(yōu)化策略

1）新建居住小區(qū)的道路系統(tǒng)布局盡可能采用環(huán)網(wǎng)型，融合“小社區(qū)、密路網(wǎng)”的建設(shè)模式，增大城市中環(huán)型、環(huán)網(wǎng)型居住小區(qū)比例；2）鑒于環(huán)網(wǎng)型布局結(jié)構(gòu)在強降雨情況下，外排水量大的產(chǎn)匯流特點，建議環(huán)網(wǎng)型居住小區(qū)對外排水口處應(yīng)配置與排水需求相符的排水管道或泵站；3）環(huán)網(wǎng)型居住小區(qū)，應(yīng)充分利用環(huán)形結(jié)構(gòu)沿線的可利用空地，布設(shè)分散化雨洪管理措施，包括灰色與綠色基礎(chǔ)設(shè)施。綠色基礎(chǔ)設(shè)施利于中小降雨強度下促進雨水滯留、凈化、下滲；灰色基礎(chǔ)設(shè)施可在強降雨情況下收集過量雨水徑流，降低出水口排水壓力的同時以備它用；4）在城市中密集的居住區(qū)內(nèi)，少量居住小區(qū)可采用環(huán)盡型。在強降雨情況下，環(huán)網(wǎng)型與環(huán)盡型峰值出現(xiàn)時間和峰值時長的差異，可有效降低大規(guī)模居住區(qū)給城市排水管網(wǎng)帶來的排水壓力。

9 盡端型路網(wǎng)（利德公寓）布局平面改造The layout transformation for the cul-de-sac type road network

10 居住小區(qū)主路斷面改造The transformation of the main road section in community

3.2 城市既有居住小區(qū)道路系統(tǒng)的優(yōu)化策略

3.2.1 平面布局改造

針對盡端型道路布局的既有居住小區(qū)，建議盡可能充分利用小區(qū)道路綠地、閑置空間構(gòu)建綠色環(huán)型結(jié)構(gòu)，提高盡端型居住小區(qū)的雨洪管理韌性（圖9）。

3.2.2 道路橫斷面改造

居住小區(qū)主路排水壓力大，而支路排水壓力較小，且其排水能力未得到有效發(fā)揮。故提出“主排次滯”的改造原則，主干路可以采用加大排水坡度、道路兩側(cè)設(shè)置排水溝的改造方法（圖10）；支路則貫徹“路牙斷接”策略，降低道路沿線局部綠地高程，促使道路徑流匯入兩旁綠地，進行滯留下滲處理。

4 討論與展望

居住小區(qū)道路系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計通常是一個在包含有“交通安全高效、雨洪安全、空間使用合理”的多目標權(quán)衡中優(yōu)選出最佳方案的過程。規(guī)劃設(shè)計者應(yīng)根據(jù)具體項目中道路設(shè)計的具體需求、主要問題和特點等方面綜合考慮，對不同目標下的布局方案進行比較、疊加和調(diào)整，從而獲得多目標兼顧的設(shè)計方案。本研究為居住小區(qū)道路設(shè)計的雨洪安全管理提供參考，并將在今后的研究中，嘗試將本模型與道路交通仿真模型耦合，以期為居住小區(qū)道路系統(tǒng)多目標設(shè)計提供更為全面的支撐。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～10均為作者自繪；表格數(shù)據(jù)為作者整理。