期刊精粹 | 城市雨洪基础设施先行的规划框架之探析
引言
在几百年的城市化进程中，人类趋向于利用、控制自然环境，使之按人的意志转移，服务人类，却忽略了自然界的一些基本规律以至对自然环境造成极大破坏。以天然水文循环系统为例，在早期城市化中，人类没有意识到天然水文循环系统对自然生态环境的重要性，规划修建城市时不注重保护天然降雨径流与河湖水系及地下水之间的连接循环途径，忽视洪泛区、湿地及周边的天然缓冲植被带对洪涝的调蓄、对环境生态的保护功能。平整低洼水径、填平湿地洼地、侵占洪泛区以及大量砍伐植被，以不透水地面和地下管网取而代之等种种错误行为改变了自然 环境的地形地貌，造成了洼地湿地消失，河湖枯缩或成为分割的单独水体。以致于在极端降雨时，雨洪不能在完整的水文系统中良性循环，导致城市水污染、地下水资源减少、城市水资源奇缺、水岸侵蚀与泥沙沉积、生态环境恶化、城市洪涝频发等诸多问题。加之未来气候变化的不确定性，“城市弊病”已成为21世纪遍及全球的普遍难题。
自1990年以来，许多国家和地区认识到城市化的无序发展对自然界所造成的危害，开始研究实施新型雨洪管理措施，如美国实施的LID措施，澳大利亚与新西兰实施的WSUD措施，英国实施的SUDS措施等。城市雨水排放系统正在从快速收集、快速排放的地下暗管系统逐步转向注重蓄滞、入渗、蒸发的新型绿色设施。然而，经过20多年的实践，绿色措施的成效并不足以解决城市雨洪问题。新的研究表明，城市化对自然界的影响不仅是减少了下渗，增加了径流峰值与径流量，带来了污染；最严重的影响在于：城市化彻底改变了地表及地下水文学结构的构成，进而破坏了地表—地下—大气空间的良性水文循环。小型分散的新型绿色措施虽然在局地起到缓解作用，却不可能从根本上解决城市尺度的雨洪结症。
近年来，新的研究与实践趋向于回归自然。在城市规划中，应首先根据流域的地形地貌及自然水文水系特征规划城市的雨洪基础设施骨架。在增加源头雨水下渗，减少雨洪径流量与水污染的同时，着重恢复社区与城市尺度中自然与人工雨洪设施之间的连接和循环。在雨洪设施骨架的基础上，进一步规划其他基础设施，区划土地利用方式，以达到可持续城市规划的目的。
本文基于自然界水文循环的原理，探讨了城市雨洪基础设施的综合规划框架，即以自然空间为主构成城市雨洪基础设施的骨架，以社区尺度雨洪设施形成纽带，最后采取源头雨洪设施为基点，形成一套完整的可持续城市雨洪基础设施。优化城市雨洪基础设施的最佳时机在于城市规划的初期。鉴于此，本文提出：城市发展应改变以灰色基础设施为主的传统规划方式，实现雨洪基础设施先行的规划方式，为我国目前的城市雨洪基础设施升级改造以及未来的城市规划建设提供参考。
1 自然雨洪系统的特征、功能及管理利用
自然雨洪系统包括自然界中的河湖水系、树林草地、湿地低洼地等开放空间。在城市化之前，自然界以其独特的方式将这些雨洪设施连接起来，形成由降雨—坡面径流—沟股流—湿地洼地—河湖水系—地下水系组成的良性水文循环与生态系统。该系统能够调蓄雨洪、补充水资源、保护生态与自然环境，为人类及其他动植物提供良好的生存环境。在城市规划中，应充分保护利用这类自然设施，以其构成城市雨洪基础设施的骨架。
1.1 湖泊湿地
湖泊湿地是自然水域的组成部分，也是最高效的自然生态系统。湿地一般处于较深的水体与干燥陆地之间，如河湖的边缘；这类湿地直接与河湖水体相连，共同保护自然生态环境。还有些湿地处于透水性不良的低洼地，或是地下水位较高且水位浮动较大的地带；这类湿地多属于独立的局地浅层水体，具有调蓄局地雨洪的功能。
除了调蓄雨洪功能之外，湖泊湿地还可以净化水质空气、美化环境、补充地下水资源、缓解城市热岛效应、为多种野生动物植物提供栖息地、支持生物多样化，同时也是人类休闲娱乐，与自然互动的良好场地。随着人类对湖泊湿地的多功能价值认识的逐步加深，一些保护湖泊湿地的政策、法规开始在许多国家实施。近年来，美国在保护湿地的“零减少”政策之上又增加了保留湖泊湿地植被缓冲带的政策（图1），在增加湖泊湿地调蓄雨洪能力的同时，进一步保护湖泊湿地免受各种点源与面源污染。
1.2 低洼地
低洼地也是自然水文循环系统的组成部分。有些条状的低洼地带是天然条件下降雨径流的汇流途径。有些平坦的低洼地则是天然的雨洪蓄滞设施。低洼地是城市公共空间绿地的首选。每个城市都有各种需求与用途（或多种用途）的公共开放空间。这些空间主要用途虽然不是城市雨洪管理，如果在规划设计中尽可能将这类场地修建在自然低洼地，则能在雨洪管理中发挥巨大作用。表1列出了城市公共开放场地的种类及其在洪涝管理中可能发挥的作用。
表1 城市公共开放场地的雨洪管理功能
将公共开放场地转型为多用途雨洪管理场地需要周密仔细的规划设计，首先应做出风险评估，以确定雨洪防护标准、最大淹没深度、最高流速以及最长淹没时间等因素；然后制定详细的运行管理方案以及全面的应急管理预案，以保证公共安全。此外，还需考虑公众宣传，以加强民众的风险意识。不是所有的公共开放空间都能够作为雨洪管理设施，具体情况应在规划评估时决定。
1.3 河流廊道
河流廊道包括主河床、洪泛区，直至周边的地理环境，是流域内其他雨洪设施的主要连通渠道。河流廊道不仅在洪水期间蓄滞洪水，削峰错峰，减少洪涝灾害损失；还具有其他功能，如补充地下水资源、控制水土流失与泥沙沉积、净化水质、保护生态环境使之成为野生动物的宜居地，同时也是人类休闲娱乐的良好场所。
在早期的人类活动中，由于对洪泛区功能的认识不足，侵占洪泛区或修筑堤防，将洪泛区与主河道分割的情况时有发生。在最近的几十年中，洪泛区保护法规在世界各国相继提出。如美国的洪泛区定义为100年重现期洪水的淹没范围。洪泛区的宽度依地理地形等物理条件而不同。在河流下游的洪泛区内时常伴有天然湿地，也可在洪泛区内修建人工湿地。随着人类对河流廊道重要性的认识不断加深，近年来许多国家和地区开始在限定的洪泛区以外增加植被缓冲区（图2），即减少了人类活动对河流生态环境的影响，又提 高了城市抵御洪涝的标准。
图2 河流廊道示意图
缓冲区的宽度一般由当地政府主管部门酌情而定。流域或城市一级的河流廊道的植被缓冲区通常要宽一些，可达30~50m；社区一级的河流则要窄一些，多为10~30m；在洪泛区很宽（宽于100m以上）的下游平原地区，植被缓冲区也可以是洪泛区的一部分。
河流廊道中紧靠河岸的地带通常称为过渡带，其外边界一般为25~50年重现期洪水的淹没边界。在此区域内应完全保留天然状态，禁止任何人类开发活动。过渡带之外是中间带，其外边界一般为50~100年重现期洪水的淹没边界。在此区域内可以有限制地开发，如修建人行小径、湿地草树丛等自然景观公园。中间带之外是缓冲带，缓冲带内可种植适宜当地的植物花草，以供休闲观赏、美化环境等。在洪水期间，整个河流廊道都属于行洪蓄洪设施。
一座城市的兴建不可能丝毫不改变当地的自然水文水系，但是应该注重保护流域与社区一级的河流廊道，使之成为贯通其他湖泊湿地、丛林草地的渠道。
2 三层尺度的城市雨洪基础设施
除了自然雨洪系统之外，城市还应修建一些人工雨洪设施，以弥补不透水地表的增加所带来的负面影响。这些人工设施或分布在社区内（如透水地面、入渗草皮沟、生化雨水花坛及其他蓄滞设施），或分布在建筑物周边（如绿屋顶、雨水利用、等源头控制设施）。完整的城市雨洪基础设施应由三个层次组成：（1）以自然雨洪系统为主的城市尺度雨洪设施骨架；（2）模拟自然径流通道的社区尺度雨洪设施；（3）模拟自然入渗、蒸发、净化的源头雨洪设施。这三个层次相互贯通，形成可持续雨洪综合管理基础措施。在条件成熟的情况下，可在任何一级雨洪设施中增设雨水利用措施。
2.1 以城市尺度雨洪系统为骨架
城市尺度的雨洪基础设施为城市提供最高一级的防涝保护。规划时应尽可能模拟自然水文循环系统，根据地形水系充分利用自然雨洪系统，必要时辅以人工蓄滞设施。表2展示了城市尺度雨洪基础设施的规划步骤。
表2 城市尺度雨洪基础设施规划步骤
城市尺度的规划是整体框架的规划，应注重系统的完整性。框架各元素之间应充分体现自然水文循环的原理，还要考虑与下一级系统的连接。具体细节可在设计阶段进一步细化完善。
2.2 以社区尺度雨洪设施为纽带
社区尺度雨洪设施一般为人工修建，是连接雨水收集设施和城市尺度设施的纽带。社区尺度雨洪设施的设计标准应低于城市尺度的设计标准，一般为10~25年。规划时应考虑溢流路径，在遭遇超标准降雨时，超标径流可通过溢流路径排入城市尺度雨洪基础设施。传统的社区尺度雨洪设施包括明沟、暗管、竖井、雨篦子等灰色排水设施。这类排水设施将城市雨洪直接排入河湖水系，造成诸多危害。新型绿色设施多采用明沟等形式。表3列出了传统灰色设施与新型绿色设施的特征。
表3 灰色设施与绿色设施的特征比较
社区尺度的雨洪设施是渗、蓄、滞、排的综合。各类设施的具体设计应通过数值模拟而定。
2.3 以源头雨洪设施为基点
源头雨洪设施是近几十年发展的新型设施，其目的是将雨水控制在源头。源头雨洪设施的设计标准低于社区尺度雨洪设施的设计标准，根据国际和国内的一些研究和试点经验，源头设施通常可控制2~25年一遇的降雨。由于源头设施的设计标准偏低，溢流路径是设计中的主要考虑因素。在遭遇超标准降雨时，超标径流可通过溢流路径排入社区和城市尺度的雨洪基础设施中，以避免损毁源头设施以及造成城市涝灾。源头设施与一些社区设施的功能类似，所以常被统称为LID措施。表4中列举了一些LID措施的功能及适用范围。得注意的是，源头控制设施有一定的适用条件。坡度较陡的山丘地区、土壤透水性很差的粘土地区、极端干旱或地下水位高的地区以及高寒地区等均应酌情选择适合当地特殊情况的源头设施。
表4 LID措施的功能及适用范围
2.4 城市雨洪基础设施的整合框架
单独的雨洪设施，无论是自然或是人工设施，都有一定的局限性。只有将这些分散的设施整合起来，形成一个综合体系，才能在不同频率的洪水时充分发挥排水防涝功能，同时补偿自然、营造健康城市水环境。
由于三层雨洪系统之间的关系为嵌入式，系统整合的关键在于每层系统之间的衔接。低一级的雨洪设施应与高一级的设施相连接，以保证在超标准降雨时，多余的雨洪可以通畅地由低一级设施流入高一级设施。如源头控制中的绿屋顶、雨水箱的溢流管应与社区雨洪设施相连接（地表草皮沟或地下管道等）；社区雨洪设施，如草皮沟、蓄水池等应与城市尺度的雨洪基础设施相连接（湿地湖泊及其他蓄滞设施）。
连接各级雨洪设施之间的通道包括天然溪流、地表明渠、地下暗管、人行道、自行车道、街边绿地、草皮沟与边沟以及其他公共空地等。城市内街区的道路可酌情设计为连接雨洪设施的通道。在设计标准的降雨时，街区尺度道路邻近缘石边沟1.5m~2.0m的路面可以设计为过水通道；在超标准的极端降雨时，街区尺度道路的整个路面可设计为过水通道；在设计时应考虑路面的积水时间与水深，以及其他公共安全问题。此外，在条件适合的地区，应考虑减少街区路面的宽度，将缘石边沟排水系统改为路边明沟系统，以增加入渗、提供雨洪蓄滞容积、延长汇流时间，净化水质。由各级雨洪设施与各级连通渠道构成的城市雨洪基础设施最终将雨洪输送到设计接收水体中。为减少水污染，各级通道应将雨洪排放入植被缓冲区、洼地湿地等自然设施，然后流入接受水体。
对于已建成的城市，湿地洼地等自然设施多已不复存在，自然水文系统也遭到不同程度的破坏。源头控制措施最容易实施，可以有限地缓解城市雨洪问题。若要从根本上解决问题，还应考虑恢复自然措施、在其他措施与河流之间建立通道，构成完整的可持续城市雨洪综合管理措施。
图3展示了新西兰奥克兰市伊勒利（Ellerslie）流域的雨洪设施布局。该流域约10k㎡，主要为居民、商业和工业用地组合的建成区。雨洪系统建设目标和综合框架如下：
图3 伊勒利流域雨水工程布置示意图（含现状100年一遇淹没图）
● 目标：为服务对象提供抵御24小时，100年一遇的洪涝风险
● 源头雨洪设施
新建或旧房改造时，任一申请开发的地块，必须配套建设符合市政府规定的4项水文指标的LID设施（水质、泥沙、2年和10年一遇出流峰值）；
以往营建许可审批的几百个私人和公共的下渗井，提供服务范围内的24小时，10年一遇暴雨的排涝设计标准。
● 社区尺度雨洪设施
管网系统的建设顺应自然地形，达到24小时10年一遇暴雨的排涝设计标准，重要路涵、管段实现50或100年标准；
大量根据GIS地形分析和现场查看确定的汇流路径（粉红色点线），同样是排水系统的一部分。政府掌握详细信息，在城市开发营建审批时作为首要条件，要求开发商加以保护或采取等效补偿措施。
● 城市尺度雨洪设施
完整保留原有的溪流、湖泊、湿地等天然雨洪设施，连接管网和调蓄设施，同时也是城市绿色空间的一部分；
流域范围内中西部的体育场（跑马场），和东部的湿地公园，是缓解管网压力的骨干调蓄设施，提供至少抵御24小时100年一遇设计暴雨所需的调蓄量。除此以外，还有一些分散的小型局部调蓄设施。
该工程展示了以好的城市水管理理念和系统性的工程思维，实现结合城市空间综合需求和雨洪风险管理的基础设施建设。
3 结语
在漫长的历史中，人类始终在探索与自然共存之道，从控水、管水到人水和谐，从雨洪灾害到雨洪资源，都体现着人类认识的不断深化与提高。目前，西方发达国家正在采取各种措施，致力于兴建绿色洁净、节能低碳城市，而其中大部分投资和努力是在纠正上世纪城市化快速发展时期对自然界所造成的大范围破坏。我国正在进入城市化快速发展阶段，应当尽量避免西方国家所走的弯路，尊重自然规律，保护好自然环境。在城市规划时应顺应自然，优先规划雨洪基础设施；在此基础上，进一步规划交通、能源等其他基础设施。
没有任何单一的雨洪措施可以适合所有环境条件，单独的自然或人工雨洪实施在雨洪管理中只能发挥有限的作用。若要全面解决城市雨洪问题，须将这些设施连接起来，构成城市雨洪基础设施。本文提出的三层尺度雨洪基础设施是综合管理城市雨洪问题的初步尝试。
规划城市尺度的雨洪基础设施是一个复杂的过程，涉及多领域、跨学科的周密研究，综合计算以及对合理的长期运行维护计划的理解，成功的关键在于有正确的理念指导，良好的技术手段，系统的工程思维和可持续的管理体系。城市化后的雨洪问题，更需要智慧和认真地对待。通过城市规划设计进行管理调控，将景观、建筑、文化、娱乐与基础设施充分融合，在应对雨洪灾害的同时，寻求管理灾害、获取雨洪资源的新技术，建设更宜居、美好、高质量的新型城市，是城镇化发展的必然趋势。
作者：王虹，教授，中国水利水电科学研究院；李昌志，教授，中国水利水电科学研究院；章卫军，宜水环境科技（上海）有限公司总经理；姜晓明，工程师，中国水利水电科学研究院
原文刊于《国际城市规划》2015年第6期，pp72-77
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