国外雨洪管理对海绵城市综合雨水系统尺度效应的启示

1、国外雨洪管理对海绵城市综合雨水系统尺度效应的启示国外雨洪管理对海绵城市综合雨水系统尺度效应的启示 刘梦茜，蔡雷 摘要： “海绵城市”建设是近年来我国应对城市雨洪灾害、用水短缺等问题的新举措,主要目标是最大限度 地保持自然水文循环。国外现代雨洪管理体系经历了几十年的发展，并产生了丰富的理论及实践研究成果。 同时，研究表明，多尺度的海绵城市雨水系统能够全面有效地控制雨水径流。虽然目前国内学者对于海绵 城市建设进行了很多理论与实践的相关研究，但针对综合雨水系统尺度效应的研究仍较少。本文通过对国 外现代雨洪管理的相关研究经验进行梳理与总结，并结合我国海绵城市建设现状，对海绵城市综合雨水系 统的进行尺度

2、界定、多尺度措施分类及尺度效应方面的思考，以期为建设我国海绵城市综合雨水系统提供 一定的启示与建议。 关键词：海绵城市，尺度效应，雨洪管理，雨水系统，措施 1 引言 在快速城镇化的背景下， 伴随着人口和城市规模的扩张， 城市自然水文循环系统受到严 重破坏，加剧了城市洪涝灾害发生的风险及用水短缺问题。因此，如何有效地利用雨洪资源 来减少雨洪灾害及缓解水资源供需矛盾显得极为重要。近年来，欧洲、美国、澳大利亚等国 家和地区进行了长期的研究并产生了一系列具有影响力的新型雨洪管理模式， 其中最具有代 表性的有美国的低影响开发最佳管理措施（lidbmps）和绿色基础设施（gi） 、英国的 可持续城市排水系

3、统 （suds） 及澳大利亚的水敏感性城市设计 （wsud） 等 （张毅川， 2015） 。 虽然新型的雨洪管理模式能够缓解城市雨水径流产生的问题，对初期雨水的控制效果较好， 但其主要针对中小降雨事件， 而在城市洪涝多发的大到暴雨条件下， 仅用新型措施不足以解 决洪涝问题（乔梦曦，2013） 。因此，需要根据措施控制目标不同及规划设计和管理的需要， 将海绵城市雨水系统划分成多个尺度，使雨水径流在不同尺度都得到有效控制。 尺度是指研究对象的过程及其观测或模拟的特征时间或特征长度， 即时间尺度和空间尺 度，尺度效应则为过程中不同时间段或不同空间范围内产生的效应（彭立，2007；冯雪铭， 2013）

4、 。本文指的尺度指的是空间上的，分为大尺度（宏观尺度） 、中尺度（中观尺度）和小 尺度（微观尺度） 。目前学者在海绵城市理论研究（仇保兴，2015；俞孔坚等，2015） 、国外 雨洪管理经验研究（赵晶，2012；车伍，2015；廖朝轩，2016） 、海绵城市建设实践及海绵 注册城市规划师考试交流群：530663056，仅限注册考试。2014-2016年会论文下载：w w w .j i n g w e i z k .co m 城市建设方法与途径（邹宇，2015；车生泉，2015；吴丹洁，2016）等方面做了大量研究。 但基于不同尺度的海绵城市建设的相关研究较少，且多为某一尺度而不是多尺度视角的研

5、 究。 国内相关尺度效应的研究主要集中在水文学和景观学的研究。水文学主要研究宏观和 微观水文的尺度效应研究，如不同流域尺度的水文循环、多尺度水文模型研究等，景观学主 要研究如景观结构、土地利用等（刘贤赵，2007；吕一河等，2001） 。 面对我国大规模的城市开发和严峻的水资源问题， 国内仍缺乏对大尺度综合雨水系统尺 度效应的针对性研究（乔梦曦，2013） 。因而，在我国构建一套综合的海绵城市雨水系统是 十分必要的。 2 国外雨洪管理的经验 2.1国外雨洪管理体系及发展 2.1国外雨洪管理体系及发展 国外的雨洪管理体系是经过长期的探索、 研究和实践积累起来的一整套相关的理念与方 法、理论与技术

6、、法规政策、管理机制等，它们的形成和发展对解决各国雨洪问题、改善环 境起到了至关重要的作用（车伍，2014） 。笔者对国外主要的雨洪管理体系进行了梳理总结 （表1） 。 表1 国外主要的雨洪管理体系（来源：根据参考文献7-9整理） 国家国家/ /年代年代 新型雨洪管理体系新型雨洪管理体系 责任机构责任机构 相关政策、法律法规相关政策、法律法规 美国 1980s， 1990s 早期 lid-bmps、gi （低影响开发-最佳 管理措施、 绿色基础 设施） 美国联邦紧急事务管理署（fema） 美国陆军工兵团（usace）洪水减灾 活动 美国环境保护署（epa）水质保护 清洁水法案的修正案 联邦水污

7、染控制法 水质法案等 每个州有相应的法律法规 英国 1990s suds （城市可持续排水 系统） 规划局、水利局、环保局、气象局， 英国建筑业研究及信息协会(ciria) 等 英国地表水排水修复导则 洪水与水管理法案 ciria 手册等 澳大利亚 1960s wsud (水敏感城市设计） 规划局、水利局、环保局、园林局和相 关利益主体(包括地方政府、开发商和市 民）等 每个州有相应的技术导则 如墨尔本wsud 技术手册 环境和城市发展政策等 新西兰 2003 liudd （低影响城市设计 和开发） 交通局、园林局、规划局、水利局、雨 洪管理部门、雨洪管理分会、年会等 资源管理法、多规合一、各

8、类 技术指南、服务水平协议等 日本 水循环体系 环境基本法、环境基本计划、日 本水循环基本法，雨水贮留渗透技术 协会等 雨水贮留渗透计划 第二代城市地下水总体规划 注册城市规划师考试交流群：530663056，仅限注册考试。2014-2016年会论文下载：w w w .j i n g w e i z k .co m 2.2国外雨洪管理体系综合雨水系统尺度效应 2.2国外雨洪管理体系综合雨水系统尺度效应 2.2.1美国雨洪管理体系 美国新型雨洪管理体系经历了30多年的发展，其现代雨水系统增加低影响开发/绿色雨 水基础设施（lid/gsi）等新兴雨水管理理念，相应的结合景观设计和城市规划设计来划分

9、综 合雨水系统尺度。 在水文学上雨水系统被划分为流域尺度和子流域尺度； 基于新型雨洪管理 体系，参考景观尺度将其分为源头尺度、场地尺度/社区尺度及区域尺度/流域尺度。 图1 美国基于景观雨水系统不同尺度控制示意图（来源：根据参考文献15改绘） 美国epa（环境保护署）强调通过绿色基础设施（gi）采用自然水文特性来管理城市雨 洪，削减城市径流和污染物排放，同时为环境、生态和社区创造景观等多重效益（benedict, mcmahon，2000；沈清基，2005；bowman，2008） 。gi可以在不同尺度下设置，根据美国 景观协会列出了对不同尺度绿色基础设施要素的划分情况（表2） 。 表2 美国

10、不同尺度绿色基础设施划分（来源：根据参考文献16-18整理） 地方地方、社区和村落尺度社区和村落尺度 镇镇、市和街区尺度市和街区尺度 城市城市、区域和国家尺度区域和国家尺度 行道树、路边、庭院 商业设施 区域公园 绿色屋顶 城市/街区公园 河流和泛洪公园 小型公园 城市运河 海岸线 广场、游乐场所及其他公共空间 城市公共开放空间 长距离小道 步行道和非机动车道 森林公园 森林、林地 机构绿地 连续滨水空间 水库 墓地、园地 湖泊 道路和铁路网 池塘、水系 林地 国家公园 自然保护区 农田 运河 学校操场 废旧采矿场 公共土地 沼泽、沟渠等 垃圾填埋场等 农村开放空间 注册城市规划师考试交流群：

11、530663056，仅限注册考试。2014-2016年会论文下载：w w w .j i n g w e i z k .co m 2.2.2英国可持续排水系统 英国可持续排水系统（suds）在2012年最新颁布的英国地表水排水修复导则中，按尺 度将地表排水系统分为：地块等级、社区等级和流域等级（图2） 。其中地块等级包括私有或 公共的独立屋顶或较大的商业建筑； 社区等级包括一系列的地块和其中的街道； 流域等级则 由大量的社区构成（stephen et al.，2010） 。 图2 英国地表排水系统的尺度划分示意图（来源：根据参考文献19改绘） 2.2.3澳大利亚水敏感城市设计 在澳大利亚水敏感城

12、市设计（wsud）中，将雨水系统根据建筑物、建筑群的特性度尺 度划分为独立式房屋、 住宅楼、 住宅区、 商业区、 新建开发区， 城市等多个尺度 （ciria， 2013） 。 如图3所示，独栋住宅指国外带有前后庭院的独立小型住宅，公寓指包括场地周围的公共空 间的高层建筑， 二者的雨水系统包括小尺度的建筑内部和建筑外的绿化带， 但后者多了中水 系统；住宅区、商业区和新建开发区属于中尺度，由多个建筑单体构成，并根据用地性质的 不同进行了划分； 水敏感城市设计中的最大尺度为城市尺度， 包含了整个城市的水环境设计。 图3 澳大利亚wsud不同尺度雨水系统的划分示意图（来源：根据参考文献20改绘） 注册

13、城市规划师考试交流群：530663056，仅限注册考试。2014-2016年会论文下载：w w w .j i n g w e i z k .co m 3 多尺度的国外雨洪管理案例研究 3.1大尺度：宏观调控 3.1大尺度：宏观调控 美国及一些欧洲国家在大尺度的雨洪管理上有一定的经验， 如美国波特兰的 “from grey to green”计划、荷兰鹿特丹的“waterplan2”计划等。以美国流域地区雨洪管理研究为例， 采用20个大汇水区作为研究样本进行雨洪模拟和经济损失测算（图4） 。 图4 美国流域地区雨洪管理研究样本图（来源：usepa ） 首先通过美国地质勘探局、人口统计局、自然资源

14、保护服务机构及环保署（epa）等机 构获得流域特征、经济活动情况、土壤数据和经济增长预测模型；其次用epa开发的水利模 型来估计增设绿色基础设施（gi）前后的洪流深度，发现控制径流等效果会随着降雨重现期 的增大而减小，即在设置gi的情景下效果随着降雨量的增大而减小；然后再估算两种情况下 的经济损失，进而估算出可避免的经济损失（图5） 。 图5 设置gi与不设置gi情景的经济损失图（来源：usepa ） 注册城市规划师考试交流群：530663056，仅限注册考试。2014-2016年会论文下载：w w w .j i n g w e i z k .co m 整体而言， gi有助于洪水恢复， 主要是

15、减少了一些参数 （雨洪事件的峰流量、 洪水高程、 洪水损失） ，虽然随着降雨重现期值增大（如两年一遇降雨事件变为百年一遇降雨事件） ，可 避免损失值的比率变低，但长远来看，依然能够取得一定的经济效益。 3.2中尺度：中观“整治+规划设计” 3.2中尺度：中观“整治+规划设计” 在国外中尺度雨水系统管理研究方面，有德国汉堡的“trabrennbahn farmsen”计划、新 加坡jtc清洁能源改造项目及韩国首尔清溪川复兴改造工程等。其中，清溪川改造工程的用 地属于老城流域，设计范围约61平方公里，历时3年，耗资3.6亿美元。该项目采用低影响城 市设计和开发（liudd）模式进行生态化的滨水城市

16、设计，创造经济效益212.4亿美元，新增 就业机会12000个（冷红等，2007） 。 事实上，水患一直是困扰着清溪川附近居民的一个大问题。经过一系列“整治+设计” 措施：1）通过抽取处理的汉江水、取地下水和雨水及完善污水处理系统等措施使水体复原； 2）采取分段式低影响城市设计和开发模式进行河道整治；3）建立健全的组织体系包括市民 委员会、项目研究组、工程总部、25个独立团体等，同时邀请专家咨询、公众参与的城市更 新项目（曹相生等，2007） 。最终清溪川由一条的“大型城市下水道”变为市中心重新流淌 生态良好的、人水和谐的高品质公共空间（图6） 。 清溪川的改造项目修复综合了市政、生态、空间景

17、观、功能业态组织等多领域的创新技 术，为破解环境污染、交通拥堵、空间衰落, 乃至公众利益的尊重和平衡等城市问题, 提供 了多元价值观指导下综合、 系统的解决方案。 不仅改善了生态环境， 提升了地区整体活力, 塑 造了高品质城市特色空间, 更实现了经济、社会、文化等综合效益的最大化。 图6 清溪川改造后东-中-西段景观图（来源：参考文献21） 3.3小尺度：微观“因地设置+景观设计” 3.3小尺度：微观“因地设置+景观设计” 近些年， 国外小尺度雨水系统管理方面进行了大量的研究。 如欧洲国家工业区低影响开 发 （lid） 战略、 美国波特兰 “10thhoyt apartments” 计划、 新

18、西兰奥克兰联合规划 “albaqny” 项目等。如欧洲国家工业区低影响开发（lid）战略采用lid措施进行污染危机和洪涝危机处 理及提升其他价值。首先，在lid污染应急处理方案中，通过在道路一侧使用植草沟，污染 注册城市规划师考试交流群：530663056，仅限注册考试。2014-2016年会论文下载：w w w .j i n g w e i z k .co m 物则会被吸收到土壤和植物中；或者通过设置蓄水池，当发生石油泄漏时，静态水体能较好 地隔离石油，等到事故结束后再进行低污染的治理（图7） 。其次，在洪涝危机处理方案中， 工业区的地下排水沟能通过自然排水并将其导入地下塑料箱中进行回收利用

19、， 而架高的雨水 花园能承受30年一遇的降雨事件（图8） 。同时，lid措施还能够提高员工身心健康，提供食 材和原料等（图9） 。这说明了低影响开发有利于雨洪管理和增强工作环境，避免工业区开发 成为新的污染问题。 图7 lid措施污染应急处理（来源：参考文献23） 图8 lid洪涝危机处理措施（来源：参考文献23） 图9 lid措施的其他价值（来源：参考文献23） 此外，在其他研究中发现，一方面lid单一措施的类型与性质、土壤的构成、渗透介质 的选择及lid不同措施的设置和选址等均是影响lid效果的重要影响因素。另一方面，因为国 外土地所有制的特殊性，小尺度上属于私人场地，为非强制性措施。因此

20、，对于私有土地， 政府可通过提倡和教育的方式推广lid理念和措施的应用，或者法律法规约束限制开发商的 雨水排放。 注册城市规划师考试交流群：530663056，仅限注册考试。2014-2016年会论文下载：w w w .j i n g w e i z k .co m 4 对我国海绵城市建设的启示 4.1海绵城市建设试点概况 4.1海绵城市建设试点概况 从 20 世纪末开始，我国学者就开始了雨洪管理方面的研究。笔者认为，海绵城市与现 代雨洪管理理念一脉相承，是具有国际语境的、城市雨水综合管理理念的、中国化的表达。 2015年4月，住房和城乡建设部、财政部、水利部公布的第一批16个海绵城市建设试点

21、， 试点城市获得中央财政补贴10多亿元用于海绵城市建设， 并将于2016年10月进行验收。 第一 批试点城市具有如下特点：1）结合棚改旧城改造；2）具有地域代表性，主要在我国东中南 部内陆城市及地区；3）具有不同的城市规模，如直辖市、省会城市、地级市等。其中，有9 个城市以解决城市内涝问题为主，另外7个试点城市在解决此问题的基础上，也在积极探索 其他示范性特点， 如重庆市探索一套适合山地城市的标准和范例， 为山地城市海绵建设提供 可复制、 能推广的经验； 池州市则依托本身生态经济示范区优势与全国首个开创的池州模式 （ppp）构建城市建设新模式等。 2016年4月，第二批14个海绵城市建设试点公

22、布，中央财政将给予定期三年的专项资金 补助，其中直辖市每年6亿元，省会城市每年5亿元，其他城市每年4亿元，这也意味着海绵 城市建设将在全国范围不断推广。 总的来说，试点城市在积水内涝缓解、水环境改善、创新促进产业发展、社会认可、健 全组织实施机制及运作模式探索上起到了一定的示范作用。 但目前我国的海绵城市建设主要 为补救性措施，治标不治本。应该由宏观层面到微观层面进行规划设计，利用低影响开发手 段进行城市化规划，再由微观层面到宏观层面实施：通过高层次的景观效果、城市功能性、 空间和提高人民生活质量创造更高的经济效益、生态效益和社会效益。因此，基于多尺度视 角的海绵城市建设变得极为重要。 4.2

23、基于尺度效应的海绵城市综合雨水系统 4.2基于尺度效应的海绵城市综合雨水系统 4.2.1综合雨水系统的尺度界定 国外雨洪管理的研究尺度较宽泛， 侧重于与场地景观、 绿色基础设施相结合的尺度划分。 我国城市众多且受各种因素的影响， 发展水平和城市布局有很大的差异， 由于海绵城市建设 的影响因素很多， 因此不同尺度上考虑的因素也有较大差异。 目前国内的雨水管理系统是基 于城市水文学进行划分的（表3） ，并且还没有基于景观的新型雨水管理系统的尺度划分。 注册城市规划师考试交流群：530663056，仅限注册考试。2014-2016年会论文下载：w w w .j i n g w e i z k .co

24、 m 表3 我国不同水文尺度划分（来源：参考文献24） 水文空间 地理空间 面积数量级（km2） 大流域 国土 10 4-106 流域 区域 10 3-104 次流域 次区域 10 2-103 中、小流域 区段 10-100 小流域单元 地段 1-10 集水区 街区 0.1-1 集水单元 地块 0.01-0.1 基于国外雨洪管理研究经验及我国海绵城市建设现状， 笔者认为， 综合雨水系统的大尺 度为流域或城市范围（10 km2） ，并结合城市总体规划等相关规划进行宏观调控；中尺度 范围在0.1-10 km2之间，指具有一定规模的住宅小区、街道、校区及大型的公共空间等，也 可以是一个城市片区；小尺

25、度范围在0-0.1 km2之间，指小的场地，如建筑单体或者是小型建 筑群，以及周围的绿化场地。当然，笔者推荐的范围为相对的估算值，以便更好地理解尺度 的含义，在实践中则应参考具体情况做调整。 4.2.2基于尺度效应的实施措施 在实施方面，首先在小尺度上，结合城市修建性详细规划采用大量lid技术，如单体建 筑中设计落雨管、 雨水收集及绿色屋顶等设施， 在邻里之间布置大量生物滞留池、 雨水花园、 蓄水池、和小型人工湿地，在道路旁设置生态植草沟等，构成了小尺度的雨水系统。同时还 可以通过改进低影响开发的具体措施提高雨洪管理效果。 其次， 中尺度措施包含场地内的源头措施， 增加了具有输送功能且连接源头

26、场地的措施， 如小型的植草沟。 中尺度措施可以输送超过源头渗蓄能力的多余雨水， 流到下一尺度被控制。 同时，通过详细的片区控制，结合控制性详细规划要求，采取wsud或liudd等理念将源头 治理与城市景观结合整治相结合，对不同片区有针对性、系统性的治理与设计。 再次，在大尺度上，建立以流域或城市为单位的水循环体系，并在整体上通过模型模拟 研究进行规划预判，同时建立法律体系、财税政策、智慧管理机制、技术与产业体系、人才 培养、公众参与、街道管理和污染预防等环节，并结合城市总体规划要求来制定相关区域雨 洪总体规划，最终通过gis等平台建立高效的智慧海绵城市系统。 5 结论与讨论 目前我国海绵城市建

27、设尚处于发展初期， 多集中在中小尺度工程设施的应用， 缺少宏观 注册城市规划师考试交流群：530663056，仅限注册考试。2014-2016年会论文下载：w w w .j i n g w e i z k .co m 尺度的雨洪管理规划， 因而构建多尺度的海绵城市雨水系统显得十分重要。 本文以多尺度视 角对海绵城市综合雨水系统进行分析和思考，得出如下结论： 1）国外的雨水管理侧重于与场地景观、绿色基础设施（gi）相结合的尺度划分，而我 目前仍以水文的划分为主。 鉴于国情等因素的差异， 笔者将海绵城市综合雨水系统划分为三 个尺度，但与国外的有所区别； 2）小尺度的实施措施属于源头控制措施，中尺度

28、在此基础上多了输送功能措施和末端 调蓄措施，而大尺度的措施与中尺度相类似，但规模较大。在实际操作中应确保不同尺度的 措施进行有效衔接； 3）我国中、小尺度上的海绵城市建设初见成效，除了因地制宜地解决城市内涝排水问 题外， 目前也在探索海绵城市与具有本土地域景观特色相结合的建设模式， 但仍有大量的技 术问题有待解决。同时，还需加强大尺度上的海绵城市建设进行宏观控制。 整体而言，海绵城市综合雨水系统是一个多尺度、多措施的复杂系统。本文结合我国海 绵城市建设现状， 通过分析国外现代雨洪管理的研究成果及其雨水系统尺度效应， 对我海绵 城市雨水系统进行了尺度界定和措施分类上的探索， 希冀为我国建设综合的

29、海绵城市雨水系 统提供些许建议及参考。 注释 美国国家环境保护局（u.s. environmental protection agency），简称 epa 或 usepa，中文常简称美 国国家环保局或美国环保局，是美国联邦政府的一个独立行政机构，主要负责维护自然环境和保护人类健 康不受环境危害影响。epa 由美国总统尼克松提议设立，在获国会批准后于 1970 年 12 月 2 日成立并开始 运行。 /science-and-technology/water-science 参考文献 1张毅川,王江萍. 国外雨水资源利用研究对我国“海绵城市”研究的启示j. 资

30、源开发与市 场,2015,10:1220-1223+1272. 2乔梦曦. 区域开发不同尺度雨水系统关系研究d.北京建筑大学,2013. 3彭立,苏春江,徐云,满正闯. 水文尺度问题及尺度转换研究进展j. 西北林学院学 报,2007,03:179-184. 注册城市规划师考试交流群：530663056，仅限注册考试。2014-2016年会论文下载：w w w .j i n g w e i z k .co m 4冯雪铭,李晶,张东海. 关中天水经济区景观格局分析的尺度效应j. 干旱区研 究,2013,05:899-904. 5仇保兴. 海绵城市(lid)的内涵、途径与展望j. 建设科技,2015

31、,01:11-18. 6俞孔坚,李迪华,袁弘,傅微,乔青,王思思. “海绵城市”理论与实践j. 城市规划,2015,06:26-36. 7赵晶. 城市化背景下的可持续雨洪管理j. 国际城市规划,2012,02:114-119. 8车伍,闫攀,赵杨,frank tian. 国际现代雨洪管理体系的发展及剖析j. 中国给水排 水,2014,18:45-51. 9廖朝轩,高爱国,黄恩浩. 国外雨水管理对我国海绵城市建设的启示j. 水资源保 护,2016,01:42-45+50. 10邹宇,许乙青,邱灿红. 南方多雨地区海绵城市建设研究以湖南省宁乡县为例j. 经济地 理,2015,09:65-71+78

32、. 11车生泉,谢长坤,陈丹,于冰沁. 海绵城市理论与技术发展沿革及构建途径j. 中国园 林,2015,06:11-15. 12吴丹洁,詹圣泽,李友华,涂满章,郑建阳,郭英远,彭海阳. 中国特色海绵城市的新兴趋势与实践研究 j. 中国软科学,2016,01:79-97. 13刘贤赵. 论水文尺度问题j. 干旱区地理,2004,01:61-65. 14吕一河,傅伯杰. 生态学中的尺度及尺度转换方法j. 生态学报,2001,12:2096-2105. 15chris pittner, gordon allerton. suds for roads final version.2010. scots. 16benedict m a, mcmahon e t. green