基于功能区差异的海绵城市适宜性研究----以扬州市为例

许 青，贾忠华，罗 纨，唐双成，马晓宇，吴舒然，邵正宵，宋为威

(1.扬州大学水利与能源动力工程学院， 江苏 扬州 225009 ；2.河海大学水文水资源学院，南京 210098)

随着城市化的快速发展，原有透水下垫面逐渐被不透水硬化地面所取代，地表硬化比例的增加改变了城市原生态地表吸收雨水的“海绵效应”。暴雨发生时，地表径流量增大，水质较差的初期雨水携带大量的污染物进入城市雨洪管道，成为非点源污染的重要来源[1]。目前国际上积极倡导采用低影响开发(LID)措施，以就地消纳的方式从源头上削减暴雨径流的洪峰、洪量，从而减少城市化发展对水环境的消极影响[2-9]。我国近年来提出的海绵城市建设理念与上述LID措施是一致的；目前已经开展了2期以LID理念为指导的海绵城市建设试点工作。一些试点城市在持续强降雨情况下，仍然出现了“城市看海”现象[10,11]。因此，城市建设面临着“改与不改”、“局部改还是全面改”或者“如何改”的艰难选择[12]。

车伍等人[13,14]从多角度解析了海绵城市发展的实质，针对生态城市建设的目标，有重点的“补缺”与合理衔接。夏军[15]、张建云[16]从城市水文过程角度，深入剖析“城市看海”发生的条件与风险，系统布局是海绵城市建设成功的前提。李广东等[17]则通过构建城市生态-生产-生活空间的功能分类体系，识别了不同地类空间功能匹配及空间集聚性。张善峰[18]从城市景观学角度阐述了LID的内涵及作用。

现有海绵城市研究中，较少关注城市功能区之间差别，具体表现为：①对城市复杂的功能、景观、土地利用认识不足，没有考虑推进海绵城市建设可能存在的差异；②对于不同功能区的分布及特点关注不足，缺乏对于关键区域的关注。城市雨洪问题的焦点一般集中在城市中心，尤其是一些大型功能区，如商业中心等；③对于城市不同功能区对景观的要求不同，影响了LID措施类型的选用。本文选择最优LID措施来考虑城市功能区间的差异。同时考虑复杂的城市景观要求、LID建设规模、形状以及地形选择不同，不同种类的LID措施所呈现出的景观效果与城市功能区的契合度。

本文以扬州市海绵城市建设为例，紧紧围绕目前海绵城市功能区之间差别，确定了城市不同功能区的景观和地表分布特征，提出了相应的LID措施，得到不同功能区的海绵城市建设效果。通过综合分析建设难易以及后期维护的要求，确定了海绵城市建设的重点区域。

1 材料与方法

1.1 研究区城市不同功能区的选取

本文研究区-江苏省扬州市邗江区，位于长江三角洲腹部，长江与淮河交汇处(东经119°16′～119°31′,北纬32°13′～32°40′)，区内年平均气温14.8 ℃ ，年平均降水量为1 021 mm。考虑到城市不同功能区透水与不透水面积之间的差异，本文选取了4个较典型的城市功能区作为研究对象。4个功能区分别是住宅区(金轮星城小区)、教学区(扬州大学扬子津东校区)、工业区(扬州市海信容声冰箱公司)和商业区(欧尚超市购物中心)。4个功能区均于21世纪初建成并投入使用。其中，教学区、工业区地处城郊位置，远离市中心；而住宅区及商业区集中位于市中心。

1.2 雨洪管理LID措施及其适宜性

根据LID措施对于雨洪径流的影响,可以将LID措施概化为以下3种形式：

(1)就地处理方式：若某功能区的透水地面较大，且与不透水地面的水力连通性很好的情况下，可以就地将不透水地面产生的雨水径流导入透水区，通过滞留、入渗等LID设施将其就地消化；此为最有效、最经济的方式，后期的维护和管理费用较低；

(2)过流式：在透水地面面积较小，难以建设上述滞留设施的情况下，可以利用有限空间和透水性较好的材料，增加雨水处理能力，这一类措施一般在介质合适的情况下水质效果较好，水文效果一般，且采用人工介质导致造价及后期管理维护费用较高；

(3)就地/异地储蓄式：当功能区内难以找到足够的不透水地面或水力连通性不允许就地处理时，可以建设地下储蓄设施将雨水径流就地或是通过短距离运输后储存起来。这种方式造价和后期维护费用均较高。

2 结果与讨论

2.1 不同功能区地表覆盖类型及分析

采用ARCGIS软件对研究区土地利用进行解析，表1列出了各功能区的面积土地利用情况。从表1可知，透水地面的存在不仅有利于减少雨水径流，而且为建设雨水滞留设施，削减由不透水地面产生的径流提供了条件，如雨水花园、干湿塘等。教学区和住宅区透水面积比例较高，就地处理雨水径流可能性更大；商业区与工业区不透水面积远远大于透水面积，在相当的建设力度下，就地处理的可能性相对较小。

表1 不同功能区面积统计Tab.1 Statistics of different functional areas

教学区、住宅区和商业区中的不透水面积主要是硬化路面(见表2)，其道路面积占各功能区总面积比例从大到小依次为住宅区、商业区、教学区，分别为60%，52%，45%，除了教学区18%面积比例的操场，这三大功能区剩余不透水面积由屋顶构成。而工业区的不透水面积主要是屋顶，约占其总不透水面积的79%。LID措施的选取受到城市功能区的制约。如教育区不仅透水面积比例很大，而且受其他因素的制约较小，选取LID措施的灵活性最大；而住宅区虽然不透水面积也很大，但是受到人文、市政、以及开发商营销策略等各方面的影响，对景观要求比较高，在LID设施建设方面难度系数高于教学区。商业区和工业区由于不透水面积较大，雨水径流进行就地或异地处理的需求量较大。但工业区多位于城郊地段，对景观要求低于城市中心位置的商业区，LID设施建设相对容易。

教学区，商业区，住宅区和工业区这四大城市主要功能区的不透水面积主要是道路和屋顶，商业区建筑类型单一，屋顶由面积庞大的单体建筑物构成，而教学区屋顶建筑数目居多且分布均匀，工业区中的屋顶面积集中。屋顶面积大且集中给LID设施建设造成一定的障碍。

表2 各功能区不透水面积组成情况统计Tab.2 Statistics on the composition of impervious area of each functional area

各功能区透水地表主要包括草地、水面和裸地(表3)。教学区内绿化面积较大，其中草地是最主要的透水地表覆盖，占到了总透水面积的90%，其余为人工湖泊。这对雨洪管理非常有利，可就地处理雨水径流的潜力很大。商业区中透水面积单一，仅有草地；住宅区不透水面积的分布比例及类型均类似于教学区；工业区中透水面积包括草地，湖泊和裸地，但仍以草地为主，面积比例占总面积为94%，水面和裸地面积比例很小。

表3 透水覆盖面积统计Tab.3 Permeable area coverage statistics

对已建功能区LID设施的规划来说，草地是主要的LID建设用地来源。由于水面(湖泊)本身具备削减径流的能力，在现有城市功能区改造及未来LID设施开发前提下，具有一定的改造潜力。对于工业区现存的3%裸地面积，从后期开发角度来看，具备较大的开发及改造潜力，可结合其具体位置，列入LID建设用地的重点。

不同功能区地表下垫面地块面积大小分布差异显著(图1，表4)。从分布比例上看，工业区可改造的透水面积(草地)地块较多，且面积大于400 m2的地块占总数的88%，其中面积大于1 200 m2的草地有58块。商业区透水地面的地块总数远小于教学区，面积大小分布主要集中在0～800 m2区间内，改造潜力很小。工业区400～800 m2草地地块有58块，易于开发改造。住宅区透水地块面积大小集中分布在400 m2以内，具有一定的改造潜力。若对各功能区现有透水地面加以改造，仍需根据场地的地形条件，降雨特点，以及透水与不透水区域之间的水力联系，因地制宜地制定最佳的LID组合措施。充足的透水区域面积为增设LID设施提供了良好的条件，对于现有水体，可进行改建或扩建，将其列入LID措施范围内，在经济条件允许下，对雨水径流进行储存与调蓄，从而更好地实现雨洪管理控制目标。

图1 各功能区透水地表土地利用类型分析Fig.1 Analysis of land use types of permeable surface in each functional area

2.2 不同功能区雨洪资源可利用潜力分析

不同功能区地表覆盖类型不同，直接影响其降雨径流特征。对于同一场降雨时间，不透水面积越大的功能区，其降雨入渗量越小，且径流量沿途损失衰减系数也变小，径流产生及汇流的速度越快[19]。商业区不透水面积比重最大，工业区次之，教学区最小。商业区与工业区地表产生径流时间较短，汇流速度也较快，土壤截流的降雨量较少，大部分降雨汇成径流排入城市雨水管网，因此，与教学区与住宅区相比，商业区与工业区产生洪涝灾害的可能性较大，这就增加了商业区、工业区推进海绵城市建设的迫切性。除了降雨径流特性外，雨水资源可利用潜力也是保证海绵城市建设效果的重要因素。城区可收集雨量受多重因素影响，其中包括建筑物的分布状况，地表下垫面性质，降雨季节分配，气候特征等。雨洪资源可利用潜力可利用公式(1)计算[20]。

表4 各功能区不同土地利用类型面积分区地块统计Tab.4 Each functional area of different types of land use area statistics

Ra=PAψα×103

(1)

式中：Ra为不同功能区城市雨洪资源可利用潜力，m3；P为不同功能区的降雨量，mm；A为不同功能区的面积，km2；ψ为平均径流系数，可通过不同下垫面条件下的径流系数与面积的乘积加权平均求得 ，本文计算中绿地径流系数取值0.15，道路取值0.6，屋面取值0.9，操场0.45，裸地0.3[21]。α为季节折减系数，α=汛期平均降雨量/年平均降雨量。

由于研究区均位于扬州市区，因此平均降雨量及季节折减系数取值相同，由计算结果显示，不同功能区地表构造不同，其雨洪资源可利用潜力也不同。其中，教学区平均径流系数最小，雨洪资源可利用潜力最大，表明教学区具有较好改造能力，住宅区平均径流系数次于教学区，但雨洪平均可利用潜力较小，增加其可改造难度系数。其余功能区雨洪可利用潜力相当，但平均径流系数较高，对其进行海绵城市迫切性提高。可见，各类功能区雨洪资源可利用保障率较可观，但目前海绵城市实施过程中开发利用率尚不足，雨洪资源开发潜力巨大。

表5 不同功能区城市雨洪可利用潜力分析Tab.5 Potential analysis of rainwater utilization in cities with different functional areas

2.3 水力连通性及LID措施适宜性分析

为了实现削减雨水径流的截流，要求LID措施与汇流区有着适当的水力联系。以下我们结合典型区分析，调查不同功能区的特点。

(1)教学区。教学区基本可以分为3类(图2)：不透水面积零星分布型(食堂，图书馆等独立建筑)、建筑物集中分布型(建筑集中的教学区，操场等)及透水和不透水有规律相间分布型(宿舍区)。典型区域一(a区域)，不透水面积相对较小，且零星分布于透水区域内；该区域水力连通性相对较好，不透水地面产生的雨水径流可就地处理；典型区域二(b区域)，主要是教学区和操场，建筑物集中且不透水面积大，为人群主要活动区域，对雨洪处理要求较高，该区域内紧邻建筑物、道路、操场等不透水面积旁，一般配备绿地等透水地表，具有一定的水力连通性，因此，可选取过流式LID措施，例如不透水边界开挖渗透沟渠，植草沟等措施，通过引导将暴雨径流输送到相邻的透水区域上，并考虑开挖草地兴建雨水花园等生物滞留设施，削减雨水径流中的污染物，保护水环境。典型区域三(c区域)，主要分布着学生宿舍及绿化草地，不透水和透水地面相间分布，水力连通性较好，(c区域)东侧有大面积连片的透水地表，可作为过流式处理场所。可以将宿舍区步行路面改为渗透铺装，并沿道路边界开挖渗透沟渠，植草沟等措施，将需要处理的径流输送到东侧草地上，并考虑在草地上兴建雨水花园等生物滞留设施。

图2 教学区内典型区域水力连通性概化图Fig.2 Simplified map of the typical regional hydraulic connectivity in the Education area

(2)工业区和商业区。工业区与商业区均拥有大面积屋顶(图3)，不过都有着一定的限制。工业区屋顶多由轻型结构组成，难以进行透水性改造；而商业区人流量大，屋顶多被用于停车。工业区内部建筑表现为集中连片的厂房建筑，外部有一定面积的透水地面，不过距连片的屋顶产流区较远(图3)，水力连通性较差；因此，应该考虑多布设雨水管、雨水桶等管道集水装置，并借助排水沟，地下排水管等系统进行导流，将屋面径流通过导流装置排放到绿地上的LID设施。

图3 工业区与商业区内典型区域水力连通性概化图Fig.3 Schematic diagram of the hydraulic connectivity of typical areas in industrial and commercial areas

(3)住宅区。住宅区内部规划构造类似于教学区(图4)，但住宅区涵盖的功能类型少于教学区。该区域雨水主要由地表积水及屋顶径流汇聚而成，透水地表主要由人工水塘，河流，人工草坪，景观绿化组成，且分散分布于建筑物四周，水力连通性较好，为海绵城市改造提供有利条件。对已建成的住区(以金轮星城为例)，添加绿地面积不切实际，且为了降低改造成本，考虑通过增加透水铺装覆盖量，将普通绿化带改造成植草沟，生物滞留池，雨水花园的方式，达到生态与景观效益兼得。对新规划住宅区，可考虑在地下车库，地下室等增设地下雨水储蓄设施，对增量雨水进行收集并储存，用于住宅绿化区域浇灌，家庭冲厕，洗车等，既削减雨水径流，又节约水资源[22]。

注：a区域为透水及不透水有规律相分布型；b区域为不透水地表零星分布型图4 住宅区内典型区域水力连通性概化图Fig.4 Schematic diagram of typical hydraulic connectivity in residential areas

2.4 LID措施综合分析与结果讨论

城市不同功能区因其服务对象及地理位置差异，总体分析地表覆盖特征，既有异曲同工之处，局部区域又差异显著。

工业区-不透水面积大而集中，虽然透水地面也较大，但是水力输导的困难较大；空闲地较大，可以建设地下储蓄设施，或改造屋顶结构方式。地处郊区，景观要求灵活，雨水径流处理的压力较小，迫切程度较低，可以在城市建设过程中，稳步推进。

商业区-不透水地面集中，主要为大型单体建筑物屋顶，但景观要求程度高，服务群体较大，地表和地下情况均较为复杂，可改造屋顶结构，充分利用现有绿地，优化绿地设施，增加透水铺装比例。海绵城市LID设施建设迫切度适中，但难度系数较大。

住宅区-透水地面比例较大，作为城市主要占地类型，服务群体大，景观要求程度很高，且对于造价和后续管理要求较高，但迫切度最大，难度也最大。

教学区-透水地表与不透水地表比例相当，大面积可改造地块面积充足，改造难度系数较低，最适合建设雨水花园等生物滞留设施，对所有LID设施适应性最高，因此迫切度较高，难度最小。

3 结 语

要保证海绵城市建设效果，首先要从经济合理性及水力连通性两大原则出发。经济合理性即海绵城市量的具体体现，水力连通性则是海绵城市建设效果质的保证。本文以扬州市海绵城市建设为例，充分考虑城市各功能区之间的差异性，有针对性的建设各种LID设施，对稳步高效推进海绵城市建设工作大有裨益。研究选取的功能区特征能够代表城市同类功能区的基本特征，因此研究成果具有一般适用性。结果表明，教学区透水面积最大，雨洪资源最丰富，地表径流削减效率最高，住宅区次之，商业区与工业区除了地理位置不同，其内部构造相似，雨洪资源具有一定的可利用潜力，但集中连片的不透水面积增加了海绵措施改造的难度。因此城市各功能区内部构造、水力联系、降雨径流及雨洪资源的显著差异直接影响海绵城市建设方式。针对不同城市功能区的特点，识别其海绵城市建设重点，甄选最佳LID措施单个及组合方式，探究与验证LID措施技术在不同城市功能区的潜力及可行性将是目前我国海绵城市建设中需解决的重点问题，不仅需要在技术层面考虑，也需要从建设难易、后期维护、维修等经过综合考虑。本文初步研究认为，针对城市不同功能区，海绵城市推进的迫切性从高到低应当按照住宅区-教学区-商业区-工业区有序进行。海绵城市建设效果按最佳效应排序为：教学区- 住宅区-工业区-商业区；建设难易程度从难到易依次为住宅区-商业区-工业区-教学区。

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