海绵城市建设中区域适宜水面率研究及应用

赵璧奎，黄本胜，邱 静，刘 达，芦妍婷

(广东省水利水电科学研究院,广东省水动力学应用研究重点实验室,河口水利技术国家地方联合工程实验室,广东 广州 510635)

摘 要：河湖水系水面率控制规划是开展海绵城市建设规划的一项重要工作。根据不同区域的土地利用、防洪工程、地形地貌等具体条件，以集雨区域为空间单元，以河湖水系水位涨幅为控制性指标，建立区域降雨与水系水位安全调蓄变幅的数学模型。确立水位安全调蓄变幅与降雨量成正比的函数关系，且其比例系数与水面率和综合径流系数分别成倒数函数和线性函数关系，推求满足径流控制要求的适宜水面率。研究结果表明，对于水面率较低或因挤占而减少的区域，适当恢复以及扩大河湖水域面积可以显著提升雨洪蓄滞能力。研究成果在珠海河湖水系低影响开发规划中进行了应用，提出了珠海市各管控分区适宜水面率的目标，并分析了目标可达性，对海绵城市建设及城市规划具有指导意义。

关键词：海绵城市；水面率；综合径流系数；雨洪资源利用

海绵城市建设的核心就是构筑城市“海绵体”。对于南方湿润地区，常年地下水位较高，土壤层吸纳降雨的容量和速率十分有限。针对南方短时强降雨频繁发生的气候特征，河湖水系对雨水的滞留、调蓄起着关键作用。城市的河湖水系是海绵城市建设中的“大海绵体”，对城市雨洪资源蓄滞能力起着控制性的主导作用。

河湖水系水面率是海绵城市建设的一项重要控制指标，水系越发达，水面率越高，意味着城市蓄纳雨水资源的能力越强，这一点已经形成社会共识。在有关文献和规范中已有对城市适宜水面率的相关研究成果[1-3]，但还缺乏对具体某一地区适宜水面率的及其确定方法的指导性意见和要求。《城市水系规划导则》[3]虽然提出了适宜水面率的要求，但仅仅是对全国范围提出三个分区适宜水面率的方向性意见，而各地区之间下垫面差异较大，部分南方地区也很难严格达到规划提出的适宜水面率8%～12%的要求。

国务院办公厅印发《关于推进海绵城市建设的指导意见》则明确提出了“将70%的降雨就地消纳和利用”的要求，因此在编制海绵城市建设规划时需要统筹考虑区域内的水系、陆域实际情况下，科学合理并且因地制宜地提出达到海绵城市建设年径流总量控制目标要求的水面率控制指标，同时也要确保指标的可达性和合理性。

然而，水面率的大小与城市河湖水系吸纳、调蓄雨洪的能力、海绵城市的径流控制目标到底存入哪些内在的定量关系，如何在设计雨量条件下推求区域适宜水面率，这些问题目前尚未有相关研究。本文以设计雨量、区域综合径流系数、河湖水系水位安全调蓄变幅等为参数，尝试通过理论推导建立水面率与设计雨量等参数的数学模型，以珠海地区为例推求区域的适宜水面率，确定规划目标水面率指标，指导海绵城市建设规划的编制。

1 模型构建

河湖水系是实现区域雨水集蓄利用的最主要载体。区域内水面率是体现河湖水系对城市雨洪的调蓄能力和生态承载能力的综合指标。合理确定区域适宜水面率，必须综合考虑区域内的降雨特性、下垫面特征、水域的蓄水能力等多种因素的影响。其中，降雨特性主要通过与年径流总量控制率相对应的设计雨量体现；下垫面特征主要通过分析土地利用情况所得到的综合径流系数体现；水域的蓄水能力则根据水域防护情况确定河湖水系在常水位以上的水位安全调蓄变幅来反映。

综合考虑以上因素和指标的相互影响，以一定降雨后河湖水系水位的涨幅ΔH为指标，代表水域蓄集雨洪能力，以集雨区域或城市涝区为基本单元，推导出安全调蓄水位变幅、设计降雨量、水面率、区域综合径流系数的数学关系。

假设F为陆域面积，km2；f为水域面积，km2；V为场次降雨总产水量，m3；P为场次降雨总量，规划中为与径流总量控制率相对应的设计雨量值，mm；K为区域综合径流系数，无量纲；ΔH水域水深变化幅度，mm；ψ为水域面积率，无量纲。

考虑到城市的集雨区域或涝区的集雨面积一般相对较小，汇流时间通常为2～3 h甚至更短，可以忽略其汇流时间。场次降雨产水量由陆域产水量和水面降雨量两部分组成，即：

(1)

式中 P(F-f)为采用综合径流系数进行折算后的陆域产水量；P·f为直接降落在水面的水量。

国务院办公厅印发《关于推进海绵城市建设的指导意见》明确指出，通过海绵城市建设，将70%的降雨就地消纳和利用[6]。因此，可以假设在设计降雨量以下的降雨全部就地消纳，无需外排。按照“平湖法”调蓄原理，在不考虑外排水量，即达到“全部就地消纳”要求的条件下，水位安全调蓄变幅·1 000。等式(1)两边同除以f/1 000，可以得到：

(2)

并引入变量表示区域水面率，代入以上后：

(3)

式(3)可以看出，按照径流就地消纳和利用的要求，对于相对独立的区域，在短期降雨不考虑径流外排的情况下，降雨后所产生的地表径流全部由河湖水域承纳，河湖水域的水位安全调蓄变幅可由水面率、区域综合径流系数、降雨量进行概化估算。

引入中间变量γ代表水位安全调蓄变幅倍数，令：

(4)

即公式(3)所表示的ΔH～P关系可以简化为：

ΔH=γP

(5)

在较短时期内，对于某一特定区域的水面率基本维持不变，且区域的土地开发利用情况相对稳定，因此水位安全调蓄变幅倍数γ相对稳定，可以认为ΔH与降雨量P呈线性相关关系。水位安全调蓄变幅倍数γ的取值越小，说明同等量级的降雨量下，水域水位变化越小，对区域的防洪排涝影响作用越小，即区域雨洪调蓄能力越强。因此，区域水位安全调蓄变幅倍数γ是区域雨水调蓄能力的综合反映。

公式(4)体现了通过对产流机制的改善可以改变区域的综合径流系数，与海绵城市建设所采用的低影响开发雨水系统建设思路是相吻合的，也说明了构筑城市的大海绵体是“蓄、滞、渗、净、用、排”六字方针中的核心任务之一。

综合采用各种低影响开发措施以提高径流控制能力，主要思路就是借助雨水滞留与下渗工程措施减小综合径流系数、保护和尽可能扩大河湖水域面积率，本质上体现为区域水位安全调蓄变幅倍数γ数值的降低。

水位安全调蓄变幅倍数γ是一个无量纲的相对性指标，因此可以作为评价不同城市集雨区域内河湖水系对雨洪调蓄能力的一项综合性指标，也是反应海绵城市整体径流控制能力一项关键指标。

2 径流控制能力的规律分析

对于某一特定研究区域，不同时期的水面率与综合径流系数均可能发生较大改变，因此，研究水位安全调蓄变幅倍数γ与水面率、综合径流系数之间的关系，可以指导区域的总体规划，并针对不同区域的特征提出降低水位安全调蓄变幅倍数γ的有效途径。

从式(4)可以看出水位安全调蓄变幅倍数γ是ψ的倒数函数，同时与综合径流系数K是线性函数关系。因ψ∈(0，1)，且K∈(0，1)，绘制γ与ψ、K的关系曲面如图1所示。

图1 γ-K-ψ的关系曲面

从图1可以看出，由于是倒数函数关系，水域面积率对γ的影响更为敏感，特别是对于水面率比较低的城市密集区，只要略微提高水面率，即可以有效降低γ的数值，从而可以显著提高蓄滞洪水的能力。

3 实例应用与分析

3.1 区域水面率合理性分析

本文以珠海市为例，按照集雨范围和排涝系统把珠海市城市范围划分为51各相对独立的雨水管控分区，各分区的面积F从3.9～66.7 km2不等，分区示意如图2所示。

图2 珠海全市雨水管控分区示意

利用ArcGis对珠海市内各雨水管控分区内规划土地利用情况进行地理空间分析，统计各区域内不同用地属性的面积比例，推求各个雨水系统的综合径流系数[4-6]，根据河湖水域调查数据测量并计算各区域的水域面积f和水面率ψ，按式(4)计算各个分区的水位安全调蓄变幅倍数γ，如表1所示。

从表1中可以看出，全市水面率最高的管控分区位于1-24分区，是三灶镇中心及西湖片区，区域内有西湖、航空城西湖东咀湿地及中央水系，水面率达到24.04%。其次是1-15分区，位于金湾城区白藤湖区域，区域内主要有白藤湖、北湖、中央水系和幸福河水系，水系发达，水面率达到17.40%。全市水面率大于8%的区域还有1-34、1-22、2-15、2-7、2-4等5个分区。而全市水面率小于1%的总共有12个雨水分区，分别是：1-1、1-20、1-23、1-25、1-28、1-30、1-32、1-33、2-1、2-6、2-8、2-16、2-17。这些分区主要分布在：红旗及金湾城区雨水系统、淇澳唐家湾雨水系统、中心城区雨水系统、三灶雨水系统、平沙雨水系统、横琴雨水系统、港区雨水系统。

表1 珠海全市雨水管控分区水面率统计

分区F/km2f/km2ψ/%K分区F/km2f/km2ψ/%K1-119 60 2551 300 181-2741 61 0052 420 221-239 30 9132 320 181-2831 90 1610 500 521-325 00 8923 570 201-2934 80 3671 050 231-454 73 8206 980 171-3018 50 0000 000 441-556 11 2222 180 251-3145 02 7306 070 431-621 20 3061 440 261-3222 50 0240 110 381-728 40 9883 480 231-3336 20 0000 000 371-866 73 4775 210 331-3455 65 4939 880 161-929 41 3164 480 192-115 50 0370 240 231-1020 10 3171 580 482-247 41 0992 320 331-1163 33 3545 300 182-329 70 3661 230 511-1220 91 2686 060 292-424 62 1818 860 271-1323 00 4672 030 302-536 30 8692 400 341-149 10 3744 120 522-615 10 0780 520 211-158 01 38617 400 492-718 21 6599 120 451-1623 91 0424 360 522-814 10 1210 860 551-1735 62 2126 220 312-925 10 3931 560 441-1852 31 8963 620 162-1022 40 8123 620 341-1914 70 4593 130 252-1119 50 5582 860 261-2013 20 0290 220 192-129 60 6847 120 271-2122 60 2911 290 312-1324 30 3091 270 281-2229 72 7719 350 222-1419 00 5022 650 401-2329 80 2900 970 522-1537 43 4179 140 291-2416 23 89024 040 232-1615 50 0090 060 251-253 90 0000 000 442-1714 70 0270 190 271-2612 60 1491 180 31合计1413 656 33 98

综合考虑各管控分区的现状水面率、防洪排涝建设达标情况和各项指标之间的相互影响关系，以一定降雨后河湖水系水位的涨幅ΔH为指标，代表水域蓄集雨洪能力，以集雨区域或城市涝区为基本单元，推导出安全调蓄水位变幅、设计降雨量、水面率、区域综合径流系数的数学关系。

3.2 适宜水面率的推求

根据本文公式(3)所建立的理论关系，还可以在区域土地利用情况已知、综合径流系数相对稳定的情况下，结合江河堤防情况确定安全水位安全调蓄变幅范围，按照海绵城市建设对径流总量控制率的要求，确定径流总量控制率和相应设计雨量，推求各区域的满足径流总量控制要求所需要具备的适宜水面率，指导当地的水域控制规划。

按照年径流总量控制率达到70%的指标要求，根据珠海市多年日降雨量序列，推求得到相应的设计雨量为28 mm。采用本文提出的理论公式，结合各区的综合径流系数，根据珠海市防洪排涝设计标准、实地调研确定河湖水域水位安全调蓄变幅平均控制在0.2 m范围内可以确保防洪安全，部分城市建成区及港口区域堤防设计标准较高，且土地开发利用程度高，可适当提高水位安全变幅取值，因此取ΔH=0.5 m。

由于各雨水系统内部区域土地利用和水面率差异较大，为研究珠海市适宜水面率，进一步细化水面规划控制目标，以管控分区的规划土地利用情况为基础，统计各区域内不同用地属性的面积比例，结合城市水文学及《城市防洪工程设计规范》中不同土地利用情况的径流系数，推求各个管控分区的综合径流系数。

根据各管控分区的土地面积、综合径流系数、现状水域安全水位变幅等推求年径流总量控制率达到70%要求下的各区域适宜水面率的理论值，与现状水面率对比分析，分区提出水域规划目标和要求，计算结果如表2所示。

从表2可以看出，在51个管控分区中，有32个管控分区的水面率可以满足年径流控制率70%的要求，达标率达到了62.75%。其余28个分区均需要适当增加水域面积，以提高区域的雨水蓄滞能，为确保每个管控分区都能达到径流总量控制目标的要求，全市需新增水域面积3.72 km2。

表2中需增加水域面积最大的是1-23分区，位于红旗及金湾城区雨水系统，需新增水域面积0.62 km2，根据《珠海市总体规划(2015年修编)》该地区将整体重新规划建设，并构筑与白藤湖、中央水系相连通的中央水系，将有效提高区域的整体雨水调蓄能力。其次是1-33分区，位于港区雨水系统荷包岛上，该区域目前主要为海岛，岛上无水系调蓄，海岛和港区适当增加雨水渠以提高水域面积，提高区域雨水调蓄能力，可以作为海岛淡水资源的调蓄空间。第三是1-28分区，位于三灶镇珠海机场所在片区，该片区主要是云帽山和眼浪山等两大山地以及珠海机场等地域构成，区域内主要水域是屋龙头水库，可以考虑提高机场排洪渠的雨水调蓄能力，在设计雨量28.5 mm以下降雨对雨水资源加以调蓄和就地利用。

其余未达标区域需新增水域面积相对较小，都在0.1～0.25 km2之间，各分区可以通过加强水系连通、疏浚区域内的河渠水系，提高整体的水域调蓄能力，从而达到径流控制的目标要求。

表2 珠海市各雨水管控分区适宜水面率的理论值

管控分区适宜水面率/%达标/新增管控分区适宜水面率/%达标/新增1-11 900 111-272 30达标1-21 90达标1-281 500 321-32 10达标1-291 300 11-41 70达标1-301 300 231-51 50达标1-312 50达标1-61 500 021-321 100 221-72 40达标1-331 100 391-83 30达标2-11 400 181-91 90达标2-21 90达标1-102 800 252-31 500 071-111 90达标2-41 60达标1-123 00达标2-52 00达标1-131 80达标2-61 300 111-143 10达标2-72 70达标1-154 90达标2-83 200 341-163 10达标2-92 600 251-173 10达标2-103 40达标1-181 60达标2-112 70达标1-192 60达标2-122 70达标1-201 100 122-131 00达标1-211 900 132-142 30达标1-222 30达标2-153 00达标1-233 100 622-160 700 11-242 30达标2-170 800 091-252 600 12-181 60达标1-261 900 08 合计需新增水域面积：3 85

注：未注明达标的区域，则表示现状水面率未达到海绵城市建设的径流控制总量指标所对应的水面率要求，达到海绵城市控制要求还需新增的水域面积，单位km2。

通过以上实例应用研究，提出了珠海市各区域开展海绵城市建设中对河湖水系空间管控的主要方向，同时还根据河湖水系水位安全调蓄变幅控制、区域综合径流系数以及径流总量控制率等为边界条件，反推各个区域相应的适宜水面率，为珠海市河湖水域控制规划和海绵城市建设提供科学指导。

4 结语

河湖水系水面率是海绵城市建设的一项重要控制指标。本文以一定降雨量条件下河湖水系水位安全调蓄变幅作为反映区域内河湖水系蓄滞洪水能力的指标，通过公式推导，建立起以水面率、综合径流系数为参数的水位安全调蓄变幅与降雨量函数关系。

研究结果表明，对于一定时期的某一特定区域，水位安全调蓄变幅与降雨量呈正比例关系。其比例系数γ同时与水面率、综合径流系数分别呈倒数函数关系和线性关系。我国大部分城市建成区的水面率普遍较低，根据本文建立的理论关系，水面率数值较低的情况下，其对水位安全调蓄变幅倍数γ取值的影响十分敏感。因此对于水面率较低的区域，开展海绵城市建设必须以提高河湖水系水面率作为主要抓手。

通过对珠海市各雨水管控分区的适宜水面率研究，分析了各个雨水管控分区现状水面率、综合径流系数和水位安全调蓄变幅倍数的关系，针对不同区域的分析成果提出相应的建议和目标，为珠海市开展海绵城市建设规划和河湖水系空间管控的顶层设计提供参考。

此外，本文的推导成果主要是从宏观尺度分析计算区域水面率的合理性，揭示水面率的作用和意义。考虑到区域径流系数还与降雨历时、降雨强度等因素密切相关。因此对于更为微观尺度的蓄洪能力分析，还需要通过建立水文模型和水力学模型进行具体案例的深入研究。

参考文献：

[1] 王淑英，高永胜，叶碎高，等. 合理水面率的研究方法与框架初探[J]. 水利学报，2007(S1)：568-572.

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[3] 城市水系规划导则：SL 431—2008[S]. 2008．

[4] 城市防洪工程设计规范：GB/T 50805—2012[S]. 2012．

[5] 拜存有， 高建峰.城市水文学[M].郑州：黄河水利出版社， 2009．

[6] 叶镇，刘鑫华，胡大明，等. 区域综合径流系数的计算及其结果评价[J]. 中国市政工程，1994(4)：43-45，50．

[7] 国务院办公厅.关于推进海绵城市建设的指导意见[J]. 中华人民共和国国务院公报，2015(30)：41-43．

(本文责任编辑 马克俊)

Study on the Significance and Effect of Water Surface Rate for Sponge Urban Construction

ZHAO Bikui, HUANG Bensheng, QIU Jing, LIU Da,LU Yanting

(1. Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,2. Guangdong Key Laboratory of Hydrodynamic Research,3. National and Local Joint Engineering Laboratory of Estuarine Water Technology, Guangzhou 510635, China)

Abstract：Water surface rate is an important indicator for Assessment of regional rainwater storage capacity. Taking catchment area as a unit, and use the rainfall runoff water level amplitude mathematical relationships derived rainfall and level amplitude proportional relationship. Its proportionality coefficient and surface runoff coefficient rate and integrated into the countdown function and linear function. Research shows that lower water rates for the region, and expand the water area of rivers and lakes can achieve significant capacity building rainwater storage lag. Practice-oriented research is very important to sponge City construction and urban planning.

Keywords：sponge city; water surface rate; comprehensive runoff coefficient; rainwater

收稿日期：2017-02-15;

修回日期：2017-03-17 基金项目：广东省水利科技创新项目(编号：2011-06,2012-02, 2012-03)；广东省水利科技创新项目重大专题(编号: 2014-06)

作者简介：赵璧奎(1985)，男，博士，高级工程师，主要从事水资源优化配置研究工作。

中图分类号：P333

文献标识码：A

文章编号：1008-0112(2017)005-0001-05