滨海城市易受暴雨极端气候的影响,同时对高度聚集的人口、社会和经济发展造成巨大威胁,因此保障滨海城市安全成为重要课题^[1]。在此背景下,国家出台了《中共中央国务院关于推进防灾减灾救灾体制机制改革的意见》《国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见》等多项政策,通过创新的智慧化数字技术设计与实施海绵规划,实现了技术手段上的重大突破并取得了丰硕的理论与实践成果。

国外的雨洪管理研究早于国内。于20世纪70年代,欧美等发达国家的大量学者已提出雨洪管理理论和暴雨灾害预警系统^[3]3]。美国环保总署在1971年研发推广的暴雨径流模型SWMM,至今仍是最广泛使用的暴雨径流模型^[4]4]。在我国的研究进程中,周淑珍等^[5]5]于20世纪80年代在《城市气候学导论》中最先提到了降水分布对城市的影响。随后国内学者针对雨洪管理开展研究,至2012年中国推出“海绵城市”概念,将城市下垫面比作海绵体,对雨水流径的垫面层做出吸、蓄、渗、净、排治理,形成降雨自然存积且可持续渗透的生态韧性城市^[6]6]。

通过在CNKI对全文做出“海绵城市”一词的检索,筛选出被知网收录的核心期刊、CSSCI、CSCD期刊共计1 983篇,去掉卷首语,征稿、会议信息等内容及化学、工业工程等联系不紧密的领域,论文共得到1 832篇文章。将数据转译、清洗、除重,代入Citespace科学知识图谱中分析,2010～2019年涉及海绵城市内容的关键词网络,包含239个节点和455条相关联系,是以“海绵城市”一词为核心,与相关的“低影响开发”、“SWMM模型”、“雨洪管理”、“城市内涝”、“黑臭水体”、“年径流总量控制率”、“风景园林”等关键词构成了系统性的研究体系。

采用Cosine聚类法对重点期刊论文的关键词进行聚类分析(见图1),共分为10类:海绵体、径流控制、生态修复、水质安全、景观构建、低影响开发、雨洪管理、情景模拟、规划设计、地下空间、排水管网,为近十年海绵城市研究领域的重点话题。从时间轴线上来看,截止2019统计数据,海绵体、降雨周期、雨洪管理、景观生态规划、管网设计具有极高的研究热度。

对聚类主题词的科学性验证,依据网路整体结构的重要计量指标的判断,Moudularity Q值和Mean Silhoustts值分别为0.606和0.521,均大于0.5认为具有相关性。利用Spss的主成分分析法提取2010～2019年海绵城市发文中10类主题词中的核心词及其突变性(见表1),归纳总结出海绵城市主题的研究类型主要分为4个方向,第一类是从内涝灾害为研究视角的孕灾环境与承灾体研究;第二类是以生态修复-景观共生为导向的生态规划与低影响开发研究;第三类是工程为基础的多情景模拟计算与雨洪管理;第四类是人居安全为目标的城市规划与管网设计。本文以内涝灾害的有效防控为研究目的,以承灾体为研究对象,基于多情景降雨模拟计算,提出宏观生态和景观规划策略和微观的城市与管网设计策略。

选择厦门作为研究对象,它处于亚热带气候且是快速发展的滨海城市,短时降雨强度大,在下垫面硬质化地块易产生内涝灾害。同时作为中国首批16个海绵城市试点之一,具有极高的示范性。为保障城市人居安全和经济社会稳定发展,亟需解决和改善厦门市内涝问题。

应对内涝灾害的厦门市智慧海绵关键技术集成及示范,以多元数字技术和系统优化分析等方法为主要手段,有效衔接防洪排涝源头控制和雨水管渠内涝防治等系统,从海绵城市视角构建了厦门市内涝防控系统、综合管网、景观设计、生态规划耦合的理论,强调通过人工环境与自然生态环境的系统耦合系统推动城市韧性发展。充分利用生态化海绵设施,提高降雨过程中吸水、渗水、净水、蓄水、排水的城市承洪韧性能力,同时修复城市-生态环境。在长远的发展规划中对标国家海绵城市建设的新战略,为我国海绵城市规划作出示范并产生推动效应。

研究发现径流系数与不透水面积之间呈现正相关关系^[7]7]。选择厦门市为实践对象,应用多元数字技术,识别了厦门市暴雨灾害孕灾环境和致灾因子,总结出暴雨灾害的致灾源、灾害链的特点,提出防控滨海城市内涝灾害的生态韧性与智慧海绵关键技术体系。在城市总体规划方面,基于地理信息数字技术和水文模型,分析区域自然环境的水系分布特征,结合气象信息确定易受降雨影响的区域的空间分布特征,对城市内涝进行风险评估。提出空间层面有利于减少或避免内涝产生的布局策略。具体实施层面依据海绵城市控制导则,对各个海绵建设单元区域的内涝问题进行监控,并利用低影响开发原则指导厦门各区域的海绵城市规划。

梳理厦门市土地利用变化和空间发展趋势,分析厦门市土地利用变化与地表径流的关系。结合不同降雨周期的降雨情况,通过GIS与厦门dem高程、建筑密度等要素进行叠加,基于水文模型SCS-CN公式计算出理论上的洼地体积,并利用GIS技术的3D表面体积模块,计算出不同降雨周期下的无源淹没区体积^[8]8]。辨识了厦门市市域内涝高风险区范围及河流入海口密集建设区域的高风险区分布,并得到2年、5年、50年一遇的厦门市淹没区面积及其落位情况(见表2)。同时根据不同重现期的降雨情况划分内涝风险等级,即2年一遇内涝分布为高风险等级,5年一遇为中风险等级,50年一遇情况由于重现期较长,设定为相对低风险等级。划定厦门城市内涝高风险区域,提出了重点防灾规划和安全建设措施。

在全域海绵城市系统中将厦门市现状建设用地与不同重现期下的淹没区叠加(见图2),通过识别出的内涝覆盖面积、高风险区域与水文流域走向等因素进行综合防控。据统计厦门高风险区域为134.36 km²,中风险区域为123.62 km²,相对低风险区域为235.80 km²。研究发现厦门内涝易发地主要处于厦门的入海口、河湾区域、水库以及局部河流区域。

基于数值模拟的多种情景降水-径流模拟,对海绵控制单元划分汇水分区,对管网管线进行概化及雨型的设计,提取积水节点位置并确定内涝淹没区具体位置。结合厦门市土地利用现状,做出LID措施的合理布设,达到海绵城市规范中的年径流总量控制标准。滨水地区应增加对积水的削减能力,主要提高LID措施中屋顶绿化和不透水面积的占比。提升主要外溢节点的容纳量,控制洪峰小时流量和径流总量达到年径流控制率标准。在易涝地区的低影响规划实施中,结合不同降雨时段做出多方案组合的LID措施布设和改造海绵城市雨水管渠排放系统。规划思路以地块为点、以水系路网为线,形成的海绵网络提高城市对洪涝的适应能力和抗扰动能力。

通过衔接防洪排涝源头控制和雨水管渠内涝防治降低城市内涝风险。强调源头控制,解决外部的防洪排涝问题,运用智慧技术对城市建成区和新建区进行积涝点排查,以干渠、干管为主线梳理并划分排水分区,优化规划方案。其中,运用大数据技术排查积涝点,并与实际调查相互验证,采用GIS技术、SWMM、Info Works ICM模型模拟暴雨淹没场景,进行管网排水能力的校核、内涝风险评估以及方案设计和优化,建立厦门市海绵城市信息化管控平台,实现了全域内涝风险可视化、监测数据集成显示、动态评估控制指标等功能。

基于多元技术支撑的海绵城市体系,对宏观的海绵体系系统展开研究,在市域层面对水系控制线及生态红线做出划定,分析水系格局与城市空间的耦合发展关系,搭建系统化的智慧海绵数据平台。从全域到各个海绵单元的具体方案,依托低影响开发理念,优化雨水系统方案,达净流总量控制的要求。结合海绵规划方案,开展防洪排涝设计专题、生态修复规划专题、景观规划专题。形成一套具有系统性的内涝防控策略,见图3。

通过内涝风险评估对厦门城市生态红线进行划定,明确水域控制线并且提高内涝高风险地段的排水防涝标准至50年一遇,内涝防治设计重现期为50年标准。在同安区汀溪水库、集美区石兜水库等水源地和流域,根据多规合一的建设方案对周边农用地做出合理保护与开发。在耕地保护区种植卷柏、盐角草等地被、矮灌木植物,拦截和过滤降雨过程中土壤的渗透程度,促进水体间的连通性。 在森林保护区,可以采用密集种植杉木、樟树等乔木,提高单位面积植物根系的蓄水净化能力,同时减少内涝灾害造成的滑坡灾害。

控制土地的大规模扩张和土地的集约利用,在风险评估较低的区域,根据土地利用情况作出规划建设。一方面保护和恢复生态环境,避免灾害风险;另一方面在生态控制线外安全的范围内适当的开发。如集美后溪工业园、沧海区前厂工业园等,建议集中处理生产和建设过程中产生的污水,采取雨水园收集和净化措施,减少路面硬化铺装。对于存在内涝风险的市域居住用地,规划蓄水设施保障水系格局的完整性,绿地的合理布局使居住区与水体形成开放的空间联系,营造城水共生的景观环境。

对于暴雨灾害防控需要政府与各个相关部门建立联合应急合作。前期对城市做出内涝风险评估,识别高风险空间后做出提前预防和规划部署,灾害来临前的实时监测暴雨过境信息并将预测信息公布、对内涝灾害来临时城市安全疏散网络进行设计,确定人群安全疏散通道、内涝灾害后的抢险救急工程形成在灾害前-中-后的时空系统规划。与此同时,厦门市应急办与相关部门共享灾时应急信息平台,保证信息资源的高度利用和传达。

海绵城市内涝管控的指标体系构建,分为近期和远期两个发展时序,包含总体目标:年径流总量控制率,内涝防治能力,雨水利用率,水质标准,污水再生率。建设指标:水系生态岸线率、绿化覆盖率、雨水灌渠设计重现期、地表水质标准、面源污染消减率。本研究以内涝防控治理为目标,不展开阐述水质与污染问题。

结合目前厦门市大部分排水管线仍采用传统的外排模式,为了促进海绵城市的生态化建设,应积极利用雨水循环资源,推进雨水资源的综合利用。雨水资源利用率根据雨水的直接和间接使用,保持水资源良性循环,调节了下垫面的渗透速率和雨水的调蓄、处理,控制年雨水利用量替代的自来水比例不低于3%。主要通过LID开发模式,即屋顶绿化、透水铺装、下凹洼地、生物滞留层、雨水蓄水池措施的组合体系(见图4),改善内涝高风险区的积水现象与缓解水资源缺乏的困境。

研究土地利用类型与用地布局对城市下垫面的影响,根据《城市用地分类与规划建设用地标准(2011)》组合相应的LID措施,考虑到厦门地形地貌、绿化植被和土壤吸水能力等环境本底条件,总结出厦门适宜布设LID透水铺装的主要下垫面区域(见表3),作为城市规划与建设的参考依据。在厦门老旧城区等开发空间有限的地方,如本岛高密度商业区、东西溪流域西侧工业区等,宜使用立体化低影响措施,如屋顶和墙体绿化收集和吸纳雨水。在厦门公共空间较大的地块和开发潜力较大的新区,如本岛的植物园、马銮湾开发区等用地,建议在城市下垫面增设高渗透率铺装、渗透性管沟、下凹绿地和雨水花园等,以提高降雨期间吸水、渗透、净化和储水的能力。

构建厦门市防洪防潮、排涝和雨水3个系统一体的智慧协同的防灾体系,依据厦门市管网主干排水系统普查评估结果和防涝标准,分别作出雨水设计和低影响开发设计,应用到厦门市防洪排涝总体方案,中心城区管道、调蓄、应对超标降雨措施的规划中。同时加强河流中上游水土保持措施、调节雨水储存量、节约水源、减缓流速,重点监管河流系统下游的易发地区。以保障居民生存安全为前提,严格根据防洪排涝规范制定相应等级的工程设施,在内涝严重地段提高防护等级,注重防灾减灾的同时营造安全的城水空间,保证安全的情况下为居民增加周边用地的公共活动场空间。

梳理与分析厦门市降雨特征及空间分布,设计暴雨强度公式,对雨洪管理控制、防洪排涝管理体系作出规定,应用在管网设计、调蓄工程规划等方面。设计过程中以滞留再生保水共生为目标,注意水资源的滞留效应,特别是在城乡交错地区的水源保护区,地下水库和农塘等地。保护湿地和滞洪池的水量,控制开发区用水总量,回收住宅建筑和工业生产的再生水,尽可能将地表水转化为地下水,合理利用蓄洪区,建立雨水蓄水池,整体提高城市水质。

水体作为城市蓝线对居民生活和生产具有关键的作用。强化城市水岸生活空间,增加生活休憩空间,营造城水生活文化,结合居民需求增加生态湿地公园。构建城市水网,通过水生农田、滞洪池、生态池、各类集水景观设施布置,从而调节微气候,创造市域冷岛效应环境。利用工程做法对截面改进优化,滞水工法和水系工程增加雨水滞留容量。提升农田、埤塘、湿地等的地下水补给能力和用水需求。结合用地的水系分布和地表径流与下渗情况,将厦门内涝风险区域的“泄”与“蓄”关系保持相对平衡状态。

构建城市绿网按照厦门市土地利用类型进行划分:①林业用地以护山育林为原则,采取造林种草及管护的办法,如造林、种草和封山育林、育草等,增加植被覆盖率,维护和提高土地生产力,防止水土流失。②农田用地以耕地保护为原则, 利用农田水利工程中的农田灌溉和排水改变坡面微地形,增强土壤有机质抗性,保持农田蓄水能力。③防护绿地关注水土滞留效率,对于防护绿地需要考虑绿地从吸水-临时蓄水-渗透-蒸发的完整的滞留周期活动。④公园绿地在规划中考虑绿色基础设施和低影响开发措施的组合设计,并结合水系设计生态绿岛。

在厦门市域内打造系统性的生态廊道,积极探索水岸、公路绿化及城市内涝防控的潜在需求,重点突出城市慢行系统。一是在雨水滞留的空间,增加景观观赏区与人群公共活动区,形成观赏型的城水融合生态廊道;二是将雨水滞留空间与柔性植物相结合建立修复型的自然生态廊道,建议生态岸线率达到60%指标要求。

打造厦门市多层次水岸生活体验空间,实现人文活动与自然观光融合发展。在凭借厦门良好的环境优势,因地制宜的开展滨水空间驳岸、池塘、栈道与小径、铺装、小品等景观设计。一方面是缓解极端降雨使亲水空间上水平面升高而引起的内涝危险;另一方面是通过改变海绵体垫面层来提高暴雨径流的下渗率,从而预防内涝灾害。

智慧化海绵体系是基于点、线、面的多维空间,从城市市域的“大海绵”规划到海绵控制单元的“小海绵”措施的综合防控系统。运用智慧化的数字手段,从宏观尺度对内涝灾害做出风险评估与建立智慧海绵监管平台,到各个海绵单元中按照源头减排—过程控制—系统治理的总体思路,根据径流控制指标,在多情景模拟与合理布设LID开发措施下,制定出局部内涝点的整治方案,同时开展防洪排涝设计专题、生态修复规划专题、景观规划专题,集成了多尺度、多时态的风险排除和安全预警关键技术方法。为实现城市减灾、防灾建设与科学的动态管理,提供有力的技术保障,提高城市规划的科学性和系统性,系统提升城市治理水平。