海綿城市背景下agMDrain系統(tǒng)在規(guī)劃審批方面的應用研究

王皓

（廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東廣州510660）

海綿城市背景下agMDrain系統(tǒng)在規(guī)劃審批方面的應用研究

王皓

（廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東廣州510660）

agMDrain系統(tǒng)結合海綿城市理念和地理信息技術（GIS），集成了雨洪管理模型（SWMM），可模擬小區(qū)的地表水力模型。通過向模型輸入如建筑面積、不透水地表面積、降雨強度、頻率等參數(shù)，可以分析和計算該小區(qū)范圍內(nèi)地表徑流量、匯流時間、水污染負荷等指標。agMDrain系統(tǒng)可以判斷上述指標是否達到國家及地方法規(guī)的要求，能有效地提高政府對新建、改建、擴建項目在規(guī)劃方面的審批效率。

海綿城市；雨洪管理；規(guī)劃審批；地理信息技術

1 廣州城市內(nèi)澇的現(xiàn)狀和主要成因

城市內(nèi)澇一直是困擾廣州城市發(fā)展的難題之一。廣州內(nèi)澇頻發(fā)，近幾年有愈演愈烈之勢，特別是2010年5月7日凌晨的特大暴雨，導致全市102個鎮(zhèn)（街）受水浸之災，109間房屋倒塌，約25.68萬畝農(nóng)田被淹，受災人口3萬余人。暴雨造成局部交通癱瘓，部分臨時商鋪遭到水淹，同時有超過1 400臺地下停車場中的車輛受淹或受到影響。據(jù)初步統(tǒng)計，全市經(jīng)濟損失約5.4億元［1］。其實，城市內(nèi)澇并非只發(fā)生在降水量大的廣州，北京、昆明、天津等地也經(jīng)歷了嚴重的內(nèi)澇。由此可見，城市內(nèi)澇在中國是一種普遍現(xiàn)象。據(jù)住建部對351個城市在2008-2010年間的排澇能力專項調(diào)研結果可以發(fā)現(xiàn)，62%的城市發(fā)生過內(nèi)澇，而53%的城市沒有達到國家防洪標準，這一數(shù)字在非農(nóng)業(yè)人口達到150萬以上的特大城市中上升到驚人的79%［2］。

造成廣州市內(nèi)澇的原因固然有地處于亞熱帶季風氣候區(qū)、降水強度大、頻率高等自然因素，但其人為因素同樣無法忽視。廣州的城市發(fā)展長期重地上輕地下，排水管網(wǎng)歷史欠賬太多。首先是表現(xiàn)在老城區(qū)排水管網(wǎng)破舊，存在“超期服役”的現(xiàn)象；其次是排水管網(wǎng)設施缺乏長遠規(guī)劃，多數(shù)管網(wǎng)采用前蘇聯(lián)的設計標準，只能達到“一年一遇”的排水量，遠遠低于“20年一遇”的國家防洪城市標準［3］；再次是部分排水設施配套不齊全，導致地表徑流不能及時匯入管道；最后是城市不透水面積的增加，導致綠地、濕地、湖泊的面積縮小，從而加大了排水管網(wǎng)的壓力。另一個內(nèi)澇問題長期得不到解決的原因是廣州市地下管線的改造難度之大超乎想象，主要體現(xiàn)在建設周期長導致的建設標準不一致以及城市高層建筑過于密集等方面。

2 國家和廣州市地方政府的對策

針對以上嚴峻形勢，國家陸續(xù)出臺了一系列文件來規(guī)范和指導城市排水防澇的工作，如國辦發(fā)〔2013〕23號文《關于做好城市排水防澇設施建設工作的通知》中要求的“2014年底前，要在摸清現(xiàn)狀基礎上，編制完成城市排水防澇設施建設規(guī)劃，力爭5年時間完成排水管網(wǎng)的雨污分流改造，用10年左右的時間，建成較為完善的城市排水防澇工程體系”［4］，國發(fā)〔2013〕36號文《國務院關于加強城市基礎設施建設的意見》中提到的“全面提高城市排水防澇、防洪減災能力，用10年左右時間建成較完善的城市排水防澇、防洪工程體系”［5］。同時《城鎮(zhèn)排水與污水處理條例》以及《室內(nèi)排水設計規(guī)范（2013版）》等相關條例規(guī)范也陸續(xù)頒布。

作為國家級防洪城市之一的廣州市也積極響應國家號召，同時提出了一系列解決問題的新思路。一是構造“雙排水系統(tǒng)”，包括針對城市常見雨情的小排水系統(tǒng)和針對城市超常雨情的大排水系統(tǒng)。廣州市效仿歐美國家的先進經(jīng)驗，試點建設國內(nèi)首個深層隧道排水系統(tǒng)，深隧系統(tǒng)一般位于地下50 m深處，可以避開淺層排水系統(tǒng)進行施工，不需要對房屋或公共設施進行大量拆遷，對市民生活影響小，并可以和淺層排水系統(tǒng)進行有效銜接，實現(xiàn)互補。建成之后，可以將廣州市的排水防澇能力提升到“10年一遇”［6］。該系統(tǒng)是真正意義上的城市內(nèi)澇防治體系。

二是改變傳統(tǒng)思維，運用低影響開發(fā)（LID）技術對雨洪實施源頭控制。在建設深隧工程的同時，廣州市也意識到僅僅依靠傳統(tǒng)的以末端為主的雨洪管理措施是無法跟上廣州城市發(fā)展的步伐。在市政府出臺的《廣州市排水管理辦法實施細則》，《廣州市水務管理條例》等政策中多次提到要對雨洪問題進行源頭控制，就近利用，從而減少地表徑流，減輕排水網(wǎng)管的負擔。這些政策還明確規(guī)定要把地表徑流量是否達標作為城市規(guī)劃項目的前置審批條件之一，從而從根本上杜絕了新建、改建和擴建項目中增加地表徑流量的可能性［7-8］。

三是引入海綿城市理念指導城市的規(guī)劃與建設，讓城市像“海綿”一樣，能夠吸收和釋放雨水，彈性地適應環(huán)境變化。粵府辦〔2016〕53號文《廣東省人民政府辦公廳關于推進海綿城市建設的實施意見》中要求“最大限度減少城市開發(fā)建設對生態(tài)環(huán)境的影響，將70%以上的降雨就地消納和利用。到2020年，城市建成區(qū)20%以上的面積達到目標要求”［9］?！昂＞d城市”建設還被寫進了2016和2017年廣州市政府工作報告。

3 低影響開發(fā)（LID）與海綿城市

從國家和廣州市出臺的一系列措施可以看出，現(xiàn)代雨洪管理的重心已經(jīng)從末端處理轉移到了通過源頭控制減少地表徑流的新思路上。這正是低影響開發(fā)（Low Impact Development）的核心理念。低影響開發(fā)從20世紀90年代開始在美國馬里蘭州使用，該模式是通過分散的、小規(guī)模的源頭控制來使得雨水匯聚的時間盡量延長、流速盡量減緩，從而減少人類開發(fā)建設對自然環(huán)境的影響，使已開發(fā)區(qū)域的水文循環(huán)盡量接近開發(fā)前狀態(tài)［10］。LID的主要措施包括生物滯留池、草地渠道、綠色屋頂、透水性路面等。相比于傳統(tǒng)的雨洪管理模式，LID具有諸多優(yōu)勢，比如：1）不需要大塊土地資源，使得LID能夠在城市中間得到較好應用；2）能將雨水徑流的大部分留在原地補充地下水，變廢為寶；3）LID能結合景觀設計對面源污染進行處理，能有效去除氮、磷、油脂還有重金屬的污染；4）理論上，LID技術可以使暴雨徑流減少30%～99%，從而使降雨峰值延遲5～20min［10］。

海綿城市則是LID的中國化成果，由習近平總書記在《中央城鎮(zhèn)化工作會議》的講話中提出，其理念是通過加強城市規(guī)劃建設管理，充分發(fā)揮建筑、道路和綠地、水系等生態(tài)系統(tǒng)對雨水的吸納、蓄滲、緩釋作用，有效控制雨水徑流，實現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化的城市發(fā)展方式。使城市在應對自然災害時，做到“小雨不積水，大雨不內(nèi)澇，水體不黑臭”，同時緩解城市“熱島效應”。廣州對海綿城市建設也進行了探索與實踐，其第一個試點——“大觀濕地公園”已于2015年落成，是集水質凈化、雨洪調(diào)蓄生態(tài)循環(huán)城市設施以及休憩科普旅游基地于一體的多功能生態(tài)濕地公園。

4 SWMM模型

《廣州市水務管理條例》、《廣州市排水管理辦法實施細則》均規(guī)定項目建設后的地表徑流量不得超過建設前的地表徑流量［7-8］，《室外排水設計規(guī)范（2013）版》更是要求要嚴格執(zhí)行規(guī)劃控制的綜合徑流系數(shù)，綜合徑流系數(shù)高于0.7的地區(qū)應采用滲透、調(diào)蓄等措施［11］。由此可見，如何快速而準確地計算建設項目的綜合徑流系數(shù)等水文數(shù)據(jù)成為建設海綿城市、提高政府相關部門行政審批效率的關鍵之一。

計算綜合徑流系數(shù)需要模擬極其復雜的城市雨洪模型。出于排水、防洪等方面的需求，國內(nèi)外研究機構和學者從1960年代起開始研究城市內(nèi)澇模型，1970年代城市雨洪模型被正式提出并逐步發(fā)展和完善。這些模型包括雨洪管理模型（SWMM），蓄水、處理與溢流模型（STORM），沃林福特模型（WALLINFORD）等。其中SWMM（Storm Water ManagementModel）是由美國環(huán)保署提出的，并經(jīng)過佛羅里達大學及美國水資源有限公司合作完成的城市水文模型。SWMM模型具有良好的適用性，對城市規(guī)模、氣候條件、降雨時間、排水管網(wǎng)規(guī)模等參數(shù)均沒有嚴格的限制，而且在精度控制、難易程度等方面有著其他水文模型無法比擬的優(yōu)勢。SWMM模型在世界范圍內(nèi)都得到了廣泛的應用和驗證，也是本文選擇的城市雨洪模型。

SWMM模型主要用于研究城市內(nèi)澇的三個特征。1）水文模型特征：SWMM模型主要用于處理城市流域徑流發(fā)生的各種水文過程，包括降水量、地表水蒸發(fā)、洼地對降水的截留損失、不飽和土壤的降水下滲損失、降水下滲對地下水的補給等，可以模擬使降水和徑流量減少或延緩的各種細微影響過程；2）水力模型特征，SWMM模型包括水力學模塊，該模塊能用來模擬徑流水量在排水管道、自然渠道、蓄水設施和處理單元中的流動過程，其重要功能包括：處理無規(guī)模限制的排水網(wǎng)、模擬自然河道中的水流、模擬封閉式排水管道和明渠中的水流量等。該模塊可以接受外部水流數(shù)據(jù)和水質數(shù)據(jù)的輸入，包括地表徑流、地下交換水流、土壤的滲透率等參數(shù)來對各種形式的水流，例如回水、溢流、逆流和積水進行匯流計算和模擬；3）水質模型特征，SWMM模型能模擬由匯流過程所產(chǎn)生的水污染負荷量，可選擇以下的水質進行模擬：不同類型土壤污染物的堆積、暴雨對特定土壤污染物的沖刷、降雨沉積中的污染物等［12］。

綜上所述，使用SWMM模型不僅可以計算綜合徑流系數(shù)，還可以進行諸如管網(wǎng)負荷、溢流峰值、匯流時間、水污染負荷量等多種重要數(shù)據(jù)的計算，從而為建設項目的規(guī)劃審批提供科學的參考。

5 agM Drain系統(tǒng)的應用研究

agMDrain全名是奧格智慧排水系統(tǒng)，是建立在地理信息技術（GIS）的基礎上，并結合城鎮(zhèn)排水設施規(guī)劃、建設、維護和管理全生命周期的智慧排水數(shù)字信息化管控平臺?！肮堋痹谟谂潘O施的普查、規(guī)劃、建設、養(yǎng)護、管理以及易澇點和應急搶險管理；“控”在于對排水設施的在線監(jiān)控、應急調(diào)度指揮、科學分析和源頭規(guī)劃控制。agMDrain系統(tǒng)融合了七大子系統(tǒng)，包括設施普查系統(tǒng)、設施管理系統(tǒng)、業(yè)務審批系統(tǒng)、養(yǎng)護管理系統(tǒng)、在線監(jiān)控系統(tǒng)、應急調(diào)度系統(tǒng)、水力分析系統(tǒng)，是響應國家關于建設排水防澇系統(tǒng)工程的新一代的排水數(shù)字化平臺。其水力分析子系統(tǒng)集成了SWMM模型，可以為模擬城市內(nèi)澇模型提供解決方案。

GIS技術與SWMM模型在城市內(nèi)澇研究中都有獨特的優(yōu)勢，但在實際應用中又各有不足，例如GIS的水文分析模塊僅限于宏觀范圍內(nèi)的水文模擬，缺乏城市小范圍短時間的微觀水文模擬能力，而SWMM在地理數(shù)據(jù)處理、水文模型構建、內(nèi)澇模擬結果展示等方面表現(xiàn)欠佳。通過agMDrain平臺可以很好地將GIS技術與SWMM模型進行融合，三者關系見圖1，優(yōu)勢表現(xiàn)在:1）數(shù)據(jù)融合：GIS可將矢量數(shù)據(jù)與SWMM城市內(nèi)澇模型融合，可保證管網(wǎng)數(shù)據(jù)的連通性、一致性及完整性，可提高模型構建效率及精度；2）可視化模擬：GIS提供了二維及三維的模擬能力，與SWMM模型結合之后可以提供可視化的展示效果，可以動態(tài)地表現(xiàn)城市內(nèi)澇過程。3）專題分析：SWMM模型的內(nèi)澇模擬結果融合GIS在城市人口與經(jīng)濟分布狀況等方面的空間數(shù)據(jù)分析能力，可以進行各種內(nèi)澇專題研究，更加全面和綜合地分析內(nèi)澇的成因及解決方案［12］。

圖1 GIS、SWMM、agM Drain三者關系示意圖

下面以綜合徑流系數(shù)來具體說明建立水力模型的過程。假設某新建小區(qū)的項目方案待審批，認為該小區(qū)的綜合徑流系數(shù)（c）與以下參數(shù)有關：1）自然因素，包括該區(qū)域的降雨強度（i）、頻率（f）、坡度（p）、土地下滲率（r）；2）人為因素，包括規(guī)劃小區(qū)的戶數(shù)（h）、建筑面積（a）、綠化面積（g）、不透水地表面積（s）。假設綜合徑流系數(shù)與以上8個參數(shù)有一定程度上的線性關系，可以建立以下多元線性回歸方程來求解

在方程式（1）中，上述8個參數(shù)為該多元一次方程的解釋變量，β0為常數(shù)項，β1～β8為各解釋變量的回歸系數(shù)，μ為常變量。通過采集樣本帶入該方程，可以得出各回歸系數(shù)的值。在此基礎上，根據(jù)新建小區(qū)所在地的自然參數(shù)和小區(qū)本身的人為參數(shù)，可以估算出該小區(qū)的綜合徑流系數(shù)（注：若發(fā)現(xiàn)綜合徑流系數(shù)與上述參數(shù)呈非線性關系，則通過非線性方程組求解，此處略）。同理，管網(wǎng)負荷、溢流峰值、均值、水污染負荷量等重要數(shù)據(jù)也可以通過多元線性回歸方程模擬得到。

通過agMDrain運算得出的數(shù)據(jù)，不僅可以和國家及廣州市相關條例中的綜合徑流系數(shù)等指標進行對比，從而確認行政審批的前置條件。同時可以利用GIS技術實現(xiàn)對該方案的可視化展示，更加直觀而全面地對其進行分析。之后需要和業(yè)務審批子系統(tǒng)進行對接，規(guī)范業(yè)務審批流程，結合在線查詢GIS地圖、排水管網(wǎng)等資料，快速、科學地給出處理意見，告別傳統(tǒng)低效的紙質審批流程，實現(xiàn)電子化審批，大大提高行政審批業(yè)務辦理效率。

6 總結和展望

本文歸納了廣州市城市內(nèi)澇問題的由來以及現(xiàn)狀，引出了內(nèi)澇問題形勢嚴峻，刻不容緩的事實，同時分析了國家和廣州市政府出臺的一系列對應政策。通過奧格自主研發(fā)的基于GIS技術和海綿城市理念的agMDrain智慧排水系統(tǒng)，可以較好地模擬城市內(nèi)澇模型，并計算綜合徑流系數(shù)等重要數(shù)據(jù)，為政府進行城市規(guī)劃的新建、擴建、改建項目的規(guī)劃審批提供科學參考，提高審批效率。

實際工作中存在的問題也不可忽視，城市內(nèi)澇模型還處在研究的階段，如何更加快速而精確地建模一直是研究人員不懈努力地目標。在接下來的研究中，需要進行更多試點，不斷修正模型參數(shù)，使其更加符合廣州市的實際情況。同時，應該更加重視對于模型產(chǎn)生的其他數(shù)據(jù)的分析和應用，如水污染負荷量等數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有的成果基礎上研究和發(fā)展解決城市內(nèi)澇問題的新思路。

［1］曾妮,朱丹.一夜豪雨,廣州5.4億元“泡湯”［N］.南方日報,2010-5-12（A01）.

［2］新華網(wǎng).2008年至2010年我國351個城市62%發(fā)生過內(nèi)澇［N/OL］.（2012-7-24）［2017-3-21］.http://news.xinhuanet. com/politics/2012-07/24/c_123458067.htm.

［3］張維,歐陽里程.廣州城市內(nèi)澇成因及防治對策［J］.廣東氣象,2011,33（3）:49-53.

［4］國務院辦公廳.國務院辦公廳關于做好城市排水防澇設施建設工作的通知［EB/OL］.（2013-3-25）［2017-3-21］.http: //www.gov.cn/zwgk/2013-04/01/content_2367368.htm.

［5］ 國務院.國務院關于加強城市基礎設施建設的意見［EB/OL］.（2013-9-6）［2017-3-21］.http://www.gov. cn/zwgk/2013-09/16/content_2489070.htm.

［6］人民網(wǎng).國內(nèi)外專家把脈廣州深邃規(guī)劃:要試點先行同步論證淺層排水改造［N/OL］.（2013-10-21）［2017-3-21］. http://gd.people.com.cn/GB/123947/356895/index.html.

［7］廣州市人民政府.廣州市排水管理辦法實施細則［EB/OL］.（2013-2-1）［2017-3-21］.http://www.gz.gov.cn/GZ17/2. 2/201301/d14989dc14f049ceaf1fccb9596fb031.shtml.

［8］廣州市人民政府.廣州市水務管理條例［EB/OL］.（2012-5-1）［2017-3-21］.http://www.gz.gov.cn/GZ17/2. 4/201202/a92d1296066242258380a5929bf6c763.shtml.

［9］廣東省人民政府.廣東省人民政府辦公廳關于推進海綿城市建設的實施意見［EB/OL］.（2016-6-2）［2017-3-21］.http: //zwgk.gd.gov.cn/006939799/201607/t20160703_661695.html.

［10］邸文正.LID技術——北京模式［C］//第七屆中國城鎮(zhèn)水務發(fā)展國際研討會論文集·S13:城市防洪排澇與雨洪利用.寧波：中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會,2012:40-45.

［11］上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司.GB50014-2006室外排水設計規(guī)范［S］.2013版.北京：中國計劃出版社,2014.

［12］張杰.基于GIS及SWMM的鄭州市暴雨內(nèi)澇研究［D］.鄭州:鄭州大學,2012.

【責任編輯：周紹纓 410154121@qq.com】

The applied research of agMDrain system inurban planning approval of sponge city

WANG Hao
（Guangzhou Urban Planning&Design Survey Research Institute,Guangzhou 510660,China）

This paper will introduce agMDrain system on the basis of Sponge City concept,Geographic Information System (GIS)Technology and Storm Water Management Model(SWMM).By simulating the hydraulic model with parameters including area of construction,area of impervious surface,rainfall intensity, rainfall frequencywithin a specific community,agMDrain can calculate surface runoff,flow concentration time, water pollution load and determine if these indexesmeet the requirements of national and local regulations. Therefore,the system can enhance the efficiency ofgovernment in urban planning approvalofnew construction, reconstruction and extension project.

sponge city;storm watermanagement;urban planning approval;Geographic Information System(GIS) technology

TU992

A

2017-05-02

王 皓（1989-），男，浙江麗水人，廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院助工，碩士。

1008-0171（2017）04-0075-05