0 引 言
随着我国城市化快速发展，所带来的内涝频发、水体水质恶化等突出水环境问题越发严峻，国内海绵城市的建设已经迫在眉睫。随着近些年LID理念的不断深入，常规的海绵城市规划体系建立已经不是阻碍其进一步推进及发展的关键，但如何依据场地特点构建精细化的海绵城市技术体系仍是保障其实施效果的重点及难点[1]。针对其精细化实施，近年来研究者对于场地的降雨特点[2]、土壤渗透性[3]等问题的探讨也逐步深入。针对不同场地的区位特性，相关学者也因地制宜地提出了相应的规划思路，如范洪勇等[4]探讨了厦门作为海湾型城市的海绵城市规划思路；张伟等[5]探讨了南方地区构建海绵城市的思路。“一城一策，因地制宜”的海绵城市建设理念逐步成为未来海绵城市建设的发展方向[6]。
我国西北地区土壤以黄土为主，具有分布范围广、厚度大、工程性质特殊等特点[7-8]，土壤渗透能力较差[9]及雨水入渗所产生的滑坡风险[10-11]给当地海绵城市建设带来了较大挑战。针对上述土壤条件，张亮[12]在西咸新区海绵城市规划中提出了分区建设的思路。由于西北丘陵地区的城市建设往往伴随着土地填挖方，其差异性特点应在海绵城市规划中进行体现。本文以西北某新区雨水控制利用专项规划为例，对项目所在地的现状条件进行了系统梳理，探讨了在我国西北地区，如何针对湿陷性黄土的土壤条件及大面积填挖方的区域特点进行海绵城市建设，实现因地制宜建设海绵城市的目标。
1 区域概况
1.1 地形地貌
开发区域总用地面积为32.85 km2，其中规划范围占地约26.55 km2，区域建设面积为24.38 km2。研究区域属于典型黄土沟壑地区，地势起伏较大、北高南低，最高点高程为1277 m，最低点为942 m，高差为335 m，大坡度、多沟谷的地貌特点使得新区建设面临众多挑战(图1)。新区在建设中提出了移山建城的理念，通过削山、填沟等方式，形成相对平整的建设区域，土方平整占地总面积为22.73 km2，其中挖方区为10.43 km2，占项目区域总面积的31.75%，填方区为12.31 km2，占总面积的37.47%。
图1 新区开发前及新区规划地形
Fig.1 Pre-development and post-construction topography of the area
平整后的土地虽然为新区的开发提供了适宜的建设用地，但场地内部大面积的填挖方也带来了一系列问题。首先，土地竖向的调整改变了雨水的汇流过程，开发前主要雨水行洪范围占区域总面积的43.17%，而土地平整后原有的行洪通道全部消失，雨水汇流过程变为区域整体的地表漫流(图2)。其次，土地平整总计产生了约1.67亿m3的填方量和2.67亿m3 的挖方量，填挖方区域之和占项目总面积的69.19%，破坏了场地原有的植被，降低了区域自身的蓄水能力。同时，大面积的填挖方工程使得新区土壤地质条件变得更为复杂，可能会带来延续几年至几十年的土地沉降风险[13]。因此，在海绵城市建设过程中，各地块应结合场地填挖方条件，并依据场地填挖方占地比例及填挖方高度，来确定海绵城市的控制指标，选择适宜的技术。
图2 新区开放前及新区规划雨水汇流线
Fig.2 Pre-development & post-development flow concentration routes
1.2 气候条件
新区属高原大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季温热，雨量集中，年均降雨量为490.5～633.3 mm，属于严重缺水地区，年蒸发量为1400～1700 mm，年均蒸发量接近降雨量的3倍(图3)。年际降雨时空分布不均，全年降水量的75%集中在6—9月，多为短历时常降雨，易引发水土流失和洪涝灾害。降雨分布不均，既造成了新区水资源旱季短缺的现状，又因汛期降雨的过度集中造成了水资源的流失。
蒸发量； 
降雨量。
图3 月降雨量和蒸发量
Fig.3 Rainfall and evaporation of the target area
1.3 水文地质
新区地下水匮乏，新区地质勘查报告结果显示：勘察距离地面25 m范围内未见地下水。新区雨水径流主要通过雨水管网系统汇入4条地下排洪箱涵，最终排入下游河道。雨水径流的直接排放不仅导致雨水资源流失，而且将城市下垫面积累的污染物冲刷排入下游河道，给下游水体带来了严重污染。
钻孔； 
层底深度； Q2、Q3 地层时代；
取样位置； 
黄土； 
素填土。
图4 新区现状土壤分布
Fig.4 Geologic situations of the target area
图4是新区现状土壤分布。新区土壤以湿陷性黄土为主，其饱和渗透速率为0.009 cm/min[14]，不利于雨水的直接下渗，且土壤受水浸湿后易发生显著附加下沉[15]，易引发地质灾害。特殊的工程地质条件及湿陷性黄土的特性，给新区带来了更高的内涝和水土流失风险。同时在填挖方交界处场地的雨水下渗易引起填、挖方两侧地基的不均匀沉降，进而影响周围构筑物基础的安全。
2 规划管控途径
2.1 总体思路
根据新区特殊的水文地质条件，提出基于源头减排、过程控制、系统治理的全流程控制以及填、挖方区域区别对待的海绵城市建设思路(图5)。首先，利用源头措施对各地块的雨水径流量进行原位控制，削减场地雨水外排量和污染负荷；其次，雨水管道及排洪箱涵作为城市雨水径流中途传输措施，将源头未控制的雨水进行收纳及转输，降低场地内涝风险；最后，通过建立大型调蓄塘(池)或大排水通道对中途转输的雨水进行末端调控。
图5 新区雨水控制利用总体思路
Fig.5 The general planning of the stormwater management in the target area
2.2 分区管控
根据新区填挖方区域特点和规划用地性质，提出了“挖方区控制、填方区限制、交界线禁建”的原则，将新区划分为宜建区、限建区和禁建区(图6)。但由于新区地质条件的复杂性，在具体落实海绵城市建设指标时，应根据项目所在地土壤的具体条件、填挖方高度，以及已建、未建项目的比例来进行措施类型、规模以及位置的调整。
宜建区； 
限建区； 
禁建区。
图6 新区海绵城市建设管控分区
Fig.6 The sponge city management subdivisions of the target area
1)宜建区：该部分区域湿陷性黄土主要存在于表层，在场地平整过程中往往已经将表层的湿陷性黄土移除，使得挖方区的雨水下渗一般不宜引发次生灾害。所以将具有一定挖方深度的区域划定为海绵城市宜建区。该类区域的海绵城市建设，优先考虑采用源头控制措施，通过下沉式绿地、透水铺装等措施实现雨水径流的有效控制利用。
2)限建区：填方区域一般存在地基沉降风险[16-17]，如果措施选择不当或构造不当，雨水下渗可能加剧地基沉降的风险，所以综合考虑填方厚度、土壤压实程度[18]等因素，将项目所在地的填方区设为海绵城市限建区。限建区的措施选择上宜以小规模分散式调蓄、回用设施为主。
3)禁建区：由于填挖方交界线附近非均匀沉降及对构筑物基础的安全影响风险较高[19]，故将填挖方交界带列为海绵城市禁建区。在禁建区的雨水控制宜以中途转输配合末端控制为主，通过植草沟、雨水管道等设施将该范围内产生的雨水径流转输至其他地质条件较好的区域进行调蓄控制。同时，为了防止不均匀沉降对雨水收集利用设施的破坏，填挖方交界处两侧至少20 m范围内严禁建设促渗措施。若填挖方交界线区域原地形存在自然边坡时，宜适当扩大禁建区范围。
2.3 地块管控
宜建地块； 
限建地块； 
禁建地块。
图7 新区海绵城市建设管控地块类型
Fig.7 The land use types classification of the target area
由于海绵城市建设限建区、禁建区边界交错，交界线涉及众多土地管控单元，故根据场地填挖方情况，将海绵建设的宜建区、限建区及禁建区细化至具体地块。根据以上划分原则，将新区划分为100个宜建地块，18个海绵禁建地块，58个海绵限建地块(图7)。新区总体规划共有8类建设用地，包括居住类、商业类、公共建筑类、物流仓储类、工业类、道路与交通类、绿地与广场类及山体。根据禁建地块、限建地块及宜建地块的不同特点，提出相应的控制目标及原则，具体控制目标及原则见表1。
3 海绵城市建设目标
3.1 建设目标
通过上述新区开发前后问题分析，提出海绵城市建设的主要目标：1)通过雨水径流原位促渗减排、收集利用、滞留调蓄、雨水管网(箱涵)、地表漫流通道设计等实现新区雨水径流的安全排放；2)通过雨水收集利用，有效提高雨水资源化利用率，缓解水资源短缺问题；3)通过雨水径流的分散与集中控制，防止水土流失，涵养地下水，实现新区开发前后水文影响最小化。
3.2 指标及其分解
传统的海绵城市专项规划指标分解是按照整体分解、组团细化、地块达成的三级分解思路构建海绵系统[20-21]。但由于新区存在土地填、挖方情况以及湿陷性黄土的土壤特点，仅依据下垫面情况进行分解的传统方法难以推进，所以在新区的海绵城市规划目标分解中，可将地块填、挖方比例及场地土壤类型因素融入三级分解体系中，作为约束指标(图8)。
表1 管控单元控制目标及原则
Table 1 Controlling objectives and principles for the target area
单元分类地块类型控制目标/%控制原则禁建地块A50B40G70M40R55S50U40E70主要处于填挖方交界带,雨水下渗引起基础不均匀沉降风险较大。在场地条件较好地块,应在做好底部防渗的前提下,宜选择雨水桶等分散式雨水收集利用设施限建地块A76B72G82M73R76S73U75E83主要处于填方区,下凹式绿地、雨水花园等渗透设施应采取防渗措施,合理控制调蓄高度和排空时间,雨水控制宜以水质控制和收集回用为主宜建地块A80B80G87M80R82S80U80E87主要处于挖方区,土壤渗透条件相对较好,地质条件较稳定,宜从雨水滞留减排、回用、调蓄等多目标出发,严格落实海绵城市建设目标
注：A为公共管理与公共服务设施用地，B为商业服务业设施用地，G为绿地与广场用地，M为工业用地，R为居住用地，S为道路与交通设施用地，U为公用设施用地，E为山体用地。除E山体外，其余字母选择参考《城市用地分类与规划建设用地标准》选取。
图8 年径流总量控制率指标分解框
Fig.8 Flow chart of target partition of annual stromwater runoff control rate
4 模型效果评估
4.1 模型构建
采用Mike Urban模型软件，综合分析了海绵城市建成前后雨水管道系统的排水能力的变化。由于新区规划尚未完成，在模型概化时，模型中的管网数据采用市政规划管网参数。模型搭建首先通过Arcgis将新区场地的管网、检查井及模拟范围等信息转为shape文件，经过管网及检查井的topo结构修正后，输入Mike urban软件模型，形成新区模型中的管网及模拟范围。其次根据模型中输入的检查井节点及管线位置，对场地区域进行泰森多边形划分及耦合，形成管网及场地条件的耦合关系，相关参数输入见表2。
表2 模型参数取值
Table 2 Values of the input parameters
参数取值范围实际取值降雨初损/mm0～1.50.50水文衰减系数0.60～1.001.00地表径流平均速度/(m·s-1)0.20～0.300.25管道曼宁系数0.009～0.0140.013
模型搭建流程见图9。通过模型概化，总生成339个管网节点，25个雨水排口，85816 m管线以及314个汇水分区。海绵城市建设前的综合径流系数根据各个用地类型的绿地率等确定，而海绵城市建设后的下垫面，则在海绵城市建设前的基础上加入下沉式绿地率、透水铺装率、调蓄容积等参数进行综合计算。
图9 模型搭建流程
Fig.9 Flow chart of the model building process
4.2 降雨事件
根据新区总体规划中排水防涝标准要求，模拟时降雨重现期分别取1,2,5,10,20年一遇，设计降雨强度根据当地暴雨强度公式计算：
式中： q为设计降雨强度，L/(s·hm2)；P为设计降雨重现期，a；t为降雨历时，min。
采用芝加哥雨型计算当地不同重现期降雨量，其中降雨历时按当地典型降雨历时2 h计算，时间间隔为1 min，雨峰系数r取0.4。
4.3 模拟结果分析
不同重现期条件下各管段排水能力的统计分析见表3。可知：传统开发模式条件下，重现期从2年一遇升高至20年一遇，高风险管段的比例从23.80%增加至48.13%，随着重现期的增加，高风险管段比例逐渐增加。按照海绵城市理念建成后，不同重现期条件下
高风险管段的比例均有所降低，如2年一遇条件下，高风险管段比例比传统开发模式条件下削减了25.52%，随着重现期的增加，高风险管段比例削减率降低；20年一遇条件下，高风险管段比例比传统开发模式条件下削减了2.19%。通过上述分析可知，对于低重现期降雨，海绵城市建设具有较好的控制效果。
表3 不同建设模式条件下高风险管道统计
Table 3 High-risk pipelines evaluation under different construction modes
设计重现期传统建设模式条件下高风险管段总长度/m占全部管网比例/%海绵城市建设模式条件下高风险管段总长度/m占全部管网比例/%高风险管段削减比例/%1年一遇1187613.84921910.7428.822年一遇2042623.801627318.9625.525年一遇3421939.873032035.3312.8610年一遇3910145.563742843.614.4720年一遇4130848.134042347.102.19
通过统计发现，海绵城市建设模式对于降雨初期的雨水径流有着较好的控制效果(表4)，在产流30 min时，可削减65.43%～72.66%的雨水径流总量；在雨峰到来时可削减径流总量36.13%～66.03%，有效减少了雨水管网的负荷，削减效果随着降雨重现期的升高而降低。通过对于降雨雨水径流总量的统计发现，重现期从1年一遇至20年一遇，典型场降雨雨水径流总量控制率从24.93%降至12.16%。而最大5 min的管道峰值流量的统计结果表明，重现期为1年一遇和2年一遇时，管道峰值流量削减率分别为20.81%、9.33%，10年一遇降雨时，峰值削减率为1.64%。分析上述模拟结果可知：新区海绵城市建设在低重现期降雨及降雨前期有着较好的雨水控制作用，但对于高重现期降雨其控制效果不明显。
表4 不同汇流时间外排流量统计结果
Table 4 Runoff evaluation of different time
降雨历时重现期P=1aP=2aP=5aP=10aP=20a10 min传统模式总流量/m31.20 2.354.406.799.41海绵城市模式总流量/m31.00 1.754.193.884.99削减率/%16.2525.464.8042.8546.9420 min传统模式总流量/m334.40 52.5279.38101.29123.40海绵城市模式总流量/m311.72 17.2326.7730.8337.21削减率/%65.9267.1966.2769.5769.8530 min传统模式总流量/m397.84 142.14204.63253.74301.91海绵城市模式总流量/m327.04 38.8660.0678.33104.36削减率/%72.3672.6670.6569.1365.4348 min传统模式总流量/m3321.78459.35655.03797.68933.18海绵城市模式总流量/m3109.30190.31335.40451.46596.00削减率/%66.0358.5748.8043.4036.1360 min传统模式总流量/m3840.41 1181.491616.941849.022064.49海绵城市模式总流量/m3492.60 817.571251.561471.451706.38削减率/%41.3930.8022.6020.4217.35120 min传统模式总流量/m31549.97 2155.122959.563589.184198.71海绵城市模式总流量/m31163.51 1754.702521.363105.073688.15削减率/%24.9318.5814.8113.4912.16最大5 min平均流量传统模式总流量/m348.99 67.7885.6692.5698.63海绵城市模式总流量/m338.79 61.4583.9291.0496.66削减率/%20.819.332.041.642.00
5 结束语
海绵城市建设现已成为未来城市发展的一种理念，在实施过程中应遵循生态优先、因地制宜、安全为重等基本原则，新区的开发建设应根据场地现状综合分析，明确场地需求及海绵城市建设目标，并采取严格的管控手段、有效的管控机制、有序推进海绵城市建设，最终要落实到适宜场地特性的具体措施上，并预先通过模型的模拟及分析保证海绵城市建设效果。
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