北京永定河生態文化新區

項目背景

永定河是海河水系最大的一條支流，是北京的母親河，同時也是北京市河湖水系與防洪的重要組成部分。永定河規劃區范圍涉及北京市的5個行政區，總面積約為2 450 km2，流域總長度約為170 km，平均寬度約為15 km。規劃范圍按主要特征分為三個區段。本項目位于第二段，即城市段——三家店水庫至南六環路區段，總面積約為156.4 hm2。研究區域為典型的華北平原北溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋季節較短。全年溫度變化明顯，年平均溫度為12.6 ℃，1月份氣溫最低，平均為-4.5 ℃，7月份氣溫最高，平均為27.3 ℃。降水季節分配很不均勻，全年降水的80%集中在6月—8月；2008年—2012年的統計資料顯示，5年的年降雨總量均值為621.2 mm。

 

設計層面

在該規劃設計中，主要考慮從地塊、街道、流域三個層面來實現規劃區域的暴雨管理目標，通過下滲、截留、調蓄、滯留等手段達到開發前后的地表徑流不增加。其中，地塊層面是生態雨水規劃設計的最小單元，通過地塊內的最佳管理措施（BMP）從源頭上對降雨截留滯蓄，達到削減的目的。街道層面是生態雨水設計的中間單元，主要指相鄰地塊之間的道路范圍，目的是在道路紅線內布置生態雨水削減設施，接納滯蓄道路所產生的地表徑流，當降雨超過地塊層面BMP的滯蓄能力后，地塊所產生的地表徑流可漫流至道路，通過街道層面的BMP措施進一步滯蓄。流域層面是生態雨水規劃設計的最高層面，其目的是當發生超標準的暴雨，如50年一遇及以上情況時，在流域的排水出口前設置干/濕塘等滯蓄設施進行滯洪。
 

設計流程

結合低影響開發在國際范圍內的典型設計流程以及我國海綿城市指南的要求，本項目將全流程的海綿城市雨水排水規劃設計分為12個主要步驟。

1.場地評估

評估當前場地和設施的不足和問題，是指通過前期實地踏勘調研和背景資料的桌面研究，對研究范圍存在的主要問題和癥結進行分析和歸類，有助于后續規劃設計的目標設定。找出主要限制性因素，是指通過前期資料搜集和實地調查，總結出各類規劃限制因素，例如生態安全、交通安排、水系流向、污染源分布、土壤地質條件、地下水位埋深等。

本項目根據研究范圍進行現場實地踏勘，沿著主要研究范圍邊界和場地中心點，通過現場踏勘以及從規劃、市政、道路、環境等因素收集到了很多一手的資料，并了解到場地現狀和之前工業用地類型以及主要經營方式和占地形式，對于后續方案的雨水排水和生態環境的設計起著重要的作用。總結低影響開發雨水管理規劃設計的限制條件如下：①規劃方面，場地南部預留空間建設雨水調蓄池，總面積約為7 hm2，需要結合規劃、豎向設計和景觀設計，在50年一遇及以上的設計暴雨情況下，計算其滯蓄的能力和水量；在研究區域南部擬建一條高速鐵路，將規劃地塊劃分為兩個獨立的匯流分區。②土壤方面，考慮當地的凍土層厚度，管道及生態雨水導流系統覆土應至少為1 m。③市政方面，地塊外排雨水的峰值不大于規劃市政管道的接納能力。④道路方面，南、北兩個區域中間被下穿道路隔斷，遇到超標準暴雨時，其地勢較低，易引起內澇，設計時需要考慮地形和排水路徑。⑤防洪排澇方面，永定河灌渠防洪標準為20年一遇洪水設計，且20年一遇洪水水位不高于出口主要雨水管的管頂高程。⑥環境方面，現狀地塊內存在首鋼等工業廠區，土壤中存在重金屬等污染物，要求采取適當的下滲處理工藝以避免雨水下滲而產生地下水污染。⑦植被方面，綜合考慮綠化和耗水量，根據北京氣候和水資源特點，宜選用耐干旱、節水型的景觀植物。

2 設計目標

確定規劃控制目標和定量分析指標因子，需要根據海綿城市和城市排水防澇的要求，確定具體的控制性目標，例如年徑流總量、地表徑流污染物控制率、綜合徑流系數等，并且將這些指標拆解成能夠定量統計的指標因子，以便在設計過程中采用數學模型或定量計算的方式進行分析和評價，確定最終符合控制目標的低影響開發排水規劃設計方案。
結合海綿城市設計理念及北京市地方標準《雨水控制與利用工程設計規范》（DB 11/685—2013），確定研究區域的主要設計目標如下：①新開發小區地塊徑流總量、峰值不超過開發前的狀態；②新開發小區，1年一遇24 h設計暴雨情況下雨水不外排，5年一遇24 h設計暴雨情況下地塊外排雨水流量徑流系數不大于0.4；③規劃區域50年一遇24 h設計暴雨情況下雨水不外排，減少對流域下游的影響。

3 確定規劃基準

確定現狀基準年是指在綜合考慮各方面數據資料的情況下，統一確定現狀基準年，即開發前狀態，及其對應的研究范圍內的基礎數據。另一方面，也需要統一確定規劃年，即按規劃設計建成后實現“海綿城市”的狀態，及其對應的各類規劃文本、方案、說明、圖紙等資料。本項目屬于城市改建，確定現狀，即2014年搬遷后的情況為現狀基準年，作為開發規劃基準參照。而規劃年即采用規劃方案建成后的狀態，作為海綿城市的低影響開發雨水規劃目標考核基準。

4 專項規劃對接

在低影響開發雨水排水規劃設計初期，需要設計人員一定程度地參與或者掌握研究區域及其周邊盡可能詳盡的建筑設計、城市設計、景觀設計、市政專向設計、水系專向設計、交通專向設計等規劃年份的詳細設計方案和專項規劃方案。

本項目的設計過程中，由于研究區域暫時未進行土地出讓和地塊詳細設計，因而僅獲得生態文化新區規劃方案、市政排水規劃方案、道路規劃方案，并在低影響雨水排水規劃設計過程中與這3個規劃方案進行銜接。其中，生態文化新區規劃方案主要用于規劃土地類型、綠地率、占地面積、BMP措施布置和設計等方面的研究；市政排水規劃方案主要用于管徑、人孔、坡向、坡度、支管銜接等方面的研究；道路規劃方案主要用于豎向高程、道路斷面設計、BMP措施布置和設計、道路坡向和坡度、道路淹沒深度和淹沒范圍等方面的研究。

現有排水規劃方案主要采用雨水管道，城市主干路雨水管道采用5年一遇設計重現期，一般地區采用3年一遇設計重現期。場地南端規劃新建雨水調蓄池，并在雨水調蓄池的北側新建排澇泵站1座。規劃雨水排入雨水調蓄池，經排澇泵站將雨水排入永定河灌渠或永定河，其中排入永定河需征求水務部門的意見。規劃道路主要包括城市次干道及城市支路。50 m城市次干道為雙向六車道；30 m城市次干道為雙向四車道；30、20 m支路均為雙向兩車道。

5 確定適合的BMP類型和比例

海綿城市的BMP組合和設施布置需根據當地氣象、水文、環境、生態植被物種等影響因素，挑選出最適合的低影響開發雨水生態處理措施，例如下凹式綠地、干草溝、雨水花園等，并在研究范圍內經過計算，進行平面布置。BMP的總占地面積應不超過上一步驟中設定的面積上限。由于我國幅員遼闊，因此需要根據當地氣候生態和水文特點挑選出綜合效應最大的BMP和植被類型，否則將很難起到可持續性的效果。

不同用地類型所適合的BMP類型有所不同，根據工程經驗確定適合本項目(北方地區)不同層面、不同用地類型的BMP措施，見表1。其中，對于地塊及街道層面，應用最廣泛的BMP措施是綠色屋頂、滲透溝、雨水花園、滯留塘/下凹綠地/下滲植被、透水鋪裝及干草溝等；對于流域層面，為實現流域內對地表徑流的截留和蓄滯作用，同時考慮降低對地塊的影響，選用面積較大的公共綠地及開放空間布置干塘、濕塘，作為區域暴雨管理的主要措施。

本項目中的地塊層面BMP措施布置的基本原則如下：①根據北京市當地氣候選擇適合的耐旱、低耗水植被，以及適于布置的BMP措施形式；此外，還要考慮用地類型的區別，例如商業用地、居住用地或者市政公共用地。共確定8種適宜的BMP措施類型。②將這8種BMP措施分為水質過濾型、下滲滯留型、存續溢流型三類，根據不同類型BMP對城市地表徑流產生的作用，確定BMP措施在不同類型地塊配合使用時的上下游串聯關系及順序。③根據各規劃用地地塊的實際情況，為了達到規劃設計的控制性目標，若單一的BMP設施無法滿足指標要求，可在地塊層面內考慮同時采用多個BMP設施，最終的雨水控制效果是這類組合的綜合處理效率。④根據項目經驗和BMP產品參數進行尺寸計算，并與綠地率和適宜布置BMP措施的占地面積上限進行比較。根據單位占地面積BMP措施對于地表徑流水量和水質的處理效果，對不同的BMP措施進行排序，結合用地類型和占地面積的限制確定每種用地類型的BMP措施組合。

6 建立數學模型，驗證設計

采用當地典型暴雨模擬基準年及規劃年的地表徑流、下滲、排水等水量和水質情況，比較基準年和規劃年的定量分析指標因子，將規劃前、規劃后不考慮低影響開發以及規劃后考慮低影響開發這3種情況進行對比和分析。

根據上一步的分析結果，與規劃設計前確定的控制性目標進行比較，進行控制目標的評估，若評估結果不滿足控制性目標的要求，則需要重新對BMP設施的選擇、布局及尺寸進行調整，以便能最終達到控制目標。

本項目采用SUSTAIN模型對北京市永定河生態新區的暴雨徑流管理進行模擬與分析，以實現研究區域低影響開發暴雨徑流管理策略。SUSTAIN模型是建立在ArcGIS平臺上，主要用于低影響開發狀態下城市降雨徑流控制的模擬分析，包含BMP選址模塊、地表產匯流模塊、BMP類型選擇及參數設置模塊、成本效益分析模塊、后處理模塊。

SUSTAIN模型應用的主要流程包括：①確定研究區域低影響開發設計目標；②數據收集及處理，主要包括氣象數據、地理信息數據以及水質、水量監測數據；③SUSTAIN模型的建立，主要包括根據已有條件進行BMP選址、布置，設定BMP類型及初始參數，劃分子匯水區及匯流網絡，模型率定及驗證；④方案優化，即通過決策變量對評價點的BMP進行方案優化；⑤結果分析及評價。結合SUSTAIN模型建立流程，整理出海綿城市規劃設計模型搭建的技術路線，如圖2所示。

在規劃研究階段，利用SUSTAIN模型對區域開發前后的水文狀態進行模擬評估，對研究區域開發后BMP措施的選擇、布局及尺寸優化進一步分析，有利于指導研究區域低影響開發的實施。

同時，在流域層面的研究要結合暴雨地表徑流以及洪水模型的耦合使用，以驗證在街道及流域層面應規劃使用的低影響開發暴雨最佳管理措施的可行性。

① 設計暴雨
采用1、5、50年一遇，時間精度為5 min的24 h設計暴雨數據，總降雨量分別為47、151、340 mm，最大1 h降雨量分別可達21、64、115 mm，設計暴雨雨型如圖3所示。

② 暴雨管理子匯水區域劃分及參數輸入
現狀用地尚沒有完整的市政雨水管網，規劃將區域劃分為南、北兩個子匯水區，兩個子匯水區之間由市政雨水管道連接。規劃后用地，將每一個規劃地塊作為一個子匯水區，共劃分為79個子匯水區，平均面積為1.34 hm2。根據市政雨水管網的排布將道路劃分為10個子匯水區，平均面積為5.12 hm2。管道平均長度為149 m；管道最小直徑為0.6 m，最大直徑為2 m；管道最小坡度為0.059%，最大坡度為0.23%，平均坡度為0.11%。SUSTAIN模型參數主要包括地面坡度、曼寧系數、洼蓄深度、土壤參數等。

③ 情景方案模擬
本研究模擬分析指標包括總徑流量、峰值流量及外排雨水流量徑流系數。

7 確定BMP的布置方案

當上述步驟中的定量分析指標因子和規劃控制目標都符合要求，則說明前期設計的低影響開發雨水排水方案可作為最終設計方案，并可同時對規劃景觀設計方案和市政、交通等專項規劃進行反饋和驗證，也可進行下一階段施工圖、排水防澇預案設計以及成本—效益分析等工作。
設計方案通過模型的若干次模擬計算和結果分析，最終實現規劃設定的目標，即確定最終的低影響開發雨水排水規劃設計分別在不同類型用地地塊、道路以及公共基礎設施三個層面的實施方案。

 

結果與分析
研究區域尚處于規劃階段，無實測數據用于模型校核。根據北京市地方標準《雨水控制與利用工程設計規范》（DB 11/685—2013），通過計算得出典型用地類型，包括城市綠地、居住兼公建以及道路的地表徑流系數。通過SUSTAIN模擬結果與規范中使用的計算方法對徑流系數進行計算，分別對比雨量徑流系數以及流量徑流系數，結果如表3所示。可知，采用SUSTAIN模擬得到的產水量結果與傳統方法估算得到的匯水區產水量數值接近。

對于5年一遇的暴雨，雨水流量徑流系數不大于0.4，經地塊及街道層面上使用的暴雨管理措施削減后，規劃后的外排徑流系數由0.58下降至0.14，符合設計目標。通過流域層面雨水管理措施削減后，干塘及濕塘的設計標準為50年一遇，考慮干塘及濕塘的滯蓄作用，暴雨事件為50年一遇的情況下，流域出流量均為零。

對于不同用地類型，由于可用于實施最佳雨水管理措施的占地面積不同，因此不同用地類型的徑流削減效果不同。經過地塊層面及街道層面最佳雨水管理措施的削減后，對應地塊的BMP滯蓄總量和雨水外排徑流系數如圖5和圖6所示。可以看出，對于1年一遇設計暴雨，經過地塊及街道層面的BMP削減后，地塊外排量為零；對于5年一遇設計暴雨，經過地塊及街道層面的BMP削減后，外排雨水徑流系數均可控制在0.2以內；對于50年一遇設計暴雨，部分用地的削減效果較弱，主要是因為不透水區域比例較大，產生的地表徑流較多，例如商業金融用地的外排雨水流量徑流系數仍然為0.4，因此需要通過流域層面的干塘進一步削減，來達到區域暴雨管理規劃的目標。

對于1年一遇的暴雨，地塊及街道層面的BMP對徑流的削減效果十分明顯，能夠將暴雨產生的徑流全部滯蓄。對于5年一遇的暴雨，地塊及街道層面的BMP對徑流的削減效果也比較明顯，對于小流量徑流可以完全滯蓄，對于大流量徑流可以控制在現狀水平。

對于50年一遇的暴雨，地塊及街道層面的BMP對小流量徑流的削減效果明顯，但對大流量徑流的削減效果相對較差。這是因為50年一遇的暴雨在該時段內的降雨強度大，超過了地塊及街道層面BMP的滯蓄能力。地塊及街道層面的滯蓄量僅為徑流總量的30%左右。因此，50年一遇的暴雨需要通過流域層面的BMP措施即干塘及濕塘來達到削減徑流的目的。

 結論

① 海綿城市規劃設計從地塊、街道、流域三個層面實施最佳雨水管理措施（BMP），能夠從源頭、過程、流域有效地滯蓄、削減地表徑流的總量和洪峰。研究區域內可以應用的BMP共分為8類，分別是砂濾池、綠色屋頂、透水鋪裝、滲透溝、雨水花園、滯留塘/下凹綠地/下滲植被、干草溝以及干塘/濕塘。

② 采用SUSTAIN模型分別對1、5和50年一遇的暴雨進行模擬分析，對于5年一遇的暴雨，規劃后的外排徑流系數可由0.58下降至0.14，符合設計目標。地塊及街道層面的BMP措施能夠將1年一遇暴雨產生的徑流全部滯蓄，年徑流總量控制率不少于85%。在海綿城市規劃設計中，對小降雨事件的控制與管理，因地制宜地合理規劃BMP的尺寸及規模，實現年徑流總量控制率的控制目標至關重要。

③ 流域層面的BMP即干塘及濕塘的設計標準為50年一遇暴雨，考慮干塘的滯蓄作用后，暴雨事件達到50年一遇的情況下，流域出流量為零。說明干塘及濕塘能將地塊和街道層面截留水量之外的地表徑流有效地滯蓄在干/濕塘的庫容內。