（城市规划与设计专业论文）城市流域雨水多设施与建成环境一体化系统设计与应用.pdf

摘要 通过城市流域尺度的综合调控、管理实现地表水文生态健康是当前雨水管理 研究的发展方向。目前，在流域尺度下对雨水设施的研究多以控制水量为目的， 模拟某单一设施的优化数量与规模：水质研究受制于流域尺度的空间复杂性，尚 处于管理方法的探索阶段，鲜有对流域综合水质管理效果的研究结果，多设施的 空间布局及其与城市建成环境的空间一体化设计研究则更为罕见。为此，本文构 建了城市流域雨水多设施与建成环境一体化系统设计( i n t e g r a t e ds t o n r l w a t c r m 醐a g e m 姐t ，i s w m 系统) 方法，其主要模块包括：1 ) 雨水多设施优化布局与 城市空间规划模块；2 ) 雨水多设施形态与建成环境一体化设计模块( 渐进式设 计模块) ；3 ) 适用于从集水单元至中小流域的雨水水质管理模块。该系统设计 被应用于海河次流域内3 6 7 7 k m 2 的城市流域中，得出了适宜于该流域的多设施 系统与优化环境的一体化雨水管理方案。该优化方案以控制流域面源污染为首要 目标，使末端集中式雨水设施所处理的流域污染物总负荷最大化；源头分散式雨 水设施的占地面积最小化；并合理布局、运用源头分散式设施承担了雨水的空间 运移。此外，本文以m u s i c 4 0 作为水质评价手段，以具体设计单元为案例，对 渐进式设计模块进行了详细阐释和应用。设计结果反映了流域建成空间对雨水设 施的空间约束。并给出在典型污染物水质处理目标下，在分散式雨水设施汇水区 内，若i c r 值为8 0 8 5 之间，则设施总面积占汇水区面积的约5 6 ；若i c r 值为7 0 8 0 之间，则设施总面积占汇水区面积的约4 5 ：而对于集中式处理 设施间接汇水区，在i c r 值为8 0 的情况下，分散式和集中式设施的总面积至 少占汇水区面积的6 5 。由此，最终形成了用于指导不同用地性质的地块建设 改造的雨水多设施与环境一体化设计引导。 关键词：城市流域多种雨水设施水质空间布局渐进式设计 a b s t r a ct t h ew a t e r s h e d - b a s e da p p r o a c hf 0 ri m p r o v i n gt h es u r f a c ew a t e r h y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n i st h et r 铋do ft l l ec u r t e n ts t 0 衄w a t e rm a n a g e m e n tr e s e a r c h u pt on o w c o m p a r e dt 0 t l l ee n o m o u sr c s e a r c h e sf o c u s i n go nm em e t h o d su s i n gt h eo p t i m a lq u a n t i 哆锄ds c a l e o fm o n o - f a c i l i t yt 0s i m u l a t et a r g e tp e a kf l o w v e d ，f c wc o n c 锄a b o u tt i l en e a 缸i l e n t o b j e c t i v ei nv i e wo ft h es p a t i a lr e s t r i c t i o no nm em b 锄w a t e r s h e d o t h e rm a nt l l e e x p l o r a t i o no ft h er e g u l a t i o n 触m e ，t l l e r ei sn o 如r t h e rr e s e a r c hu p o nt h ee m c i c n c yo f t l l em a n a g e m e n tp r o g r a mf r o maw a t e r s h e ds c a l ep e r s p e c t i v e n o n eo ft l l e d e s i g i l p 血c i p l e sf o r 也ea p p r o p r i a t ef a c i l i t i e sh a v eb e e ni n t e g r a t e dw i t hm ee n v 沛m n e n t l a y o u t t t l i sp a p e rd e s c r i b e saw a t e r s h e dm o d e lo ft h eo p t 岫a li n t e g r a t i o no f 也e f a c i l i t i e s 锄de n v i r o 眦l e n t ，w 1 1 i c hc o n t a i 鹅：1 ) m eg e n e r a l p l a n n i n gm o d e lf o rt h e s u b w a t e r s h e d ；2 ) t h ed e f _ m i t e d e s i g nm o d e lf o r t h ec a t c h m e n t ( i t e r a t i v e d e s i g nm o d e l ) ： 3 ) t h ew a t e rq u a i i t ym 锄a g e m e n tm o d e ls u i t a b l ef o ra n ys c a l e 7 r h ed e s i g ns 仃- a t e g yh 弱 b e 既a p p l i e dt o3 6 7 7 k m 2u r b a nw a t e 璐h e ds y s t e mo fh a i l l e 鼬v e rt 0o p t i m i z ef a c i l i 西 p l a n n i n g ， t h eo b j t i v eo fw h i c ha r e m a x i m i z i n gt h ep r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo f c o n c e n t r a t i o nf a c i l i t i e s 锄dm i n i m i z i n gt t l el 觚du s a g eo ft l l ed i s t r i b u t e df a c i l i t i 韶 w h i l eu t i l i z i n gt h es t o m l w a t e r 仃j m s m i s s i o nf e a t u r c0 ft h e a n e r e da l l o c a t i o no n e s m o r c o v e r t a l ( i n gas p e c i f i cl a y o u t u n i t d e s i g n 硒加e x 锄p l e ，t h i sp a p e ri n 廿o d u c e s t h ei t e r a t i v e d e s i g nm o d u l ew h o s ew a t e 卜q u a l i t ) ri sv a l u e db ym u s i c 4 0 t h ed e s i g n r e s u l tn o to n l yr e n e c t st h ec o n s 砸l i i l t so nm es t o m l w a t e rf a c i l i t i e s w l l i c ha r c 锄f o r c e d b ym es p a c eo fm ec o n s t n l c t e dw a t e r s h e d ，b u ta l s o 陀v e a i st l l er a t i 0o ft l l eo c c u p a t i o n a r t 0t l l ec o n t r i b u t i n gd r a i n a g ea r c ao fm ef a c i l i t i e su n d e rt t l e 星p a io fo p t i m i z i n g w a t e rq u a l i t ya l o n gt l l e w a t e r s h e d e v c n t u a l l y t h i sp a p e rp r o p o s 鹪a ni n t e g r a t e d d e s i g ng u i d e l i n ec a p a b l eo fd i i e c t i n gc o n s t r l l c t i o na n da l t e r a t i o no fe n v i i 0 m n e n ta n d s t o 册w a t e rf a c i l i t i e su n d e rd i 腩r e n tl a n du s a g et y p e k e yw o r d s ：u r b a nw a t e r s h e d ，m u l t i - f a c i l i t i e s ，w a t 盯q u a l i t y s p a t i a l l a y o u t ， i t e r a t i v e - d e s i g nm o d u l e 第一章绪论 第一章绪论 从流域层面进行综合调控、管理是水资源管理研究的最新动向。 欧盟在2 0 0 0 年发布了水框架指令( w a t e rf r 锄e w o r kd i i 优t i v e ，w f d ) 对整 个欧洲进行流域管理，加强水资源的可持续利用以实现水环境生态目标。北美相 继提出了流域综合管理( i n t e g r a t e dw a t e 体h e dm a n a g e m e n t ，r v 婚压) 框架和综合 雨水管理( i n t e g r a t e ds t o mw a t e rm a n a g e m e n t ，i s w m ) 程序。前者强调跨级、跨 区政府问的协调合作，将自然水文循环与人工水系统技术、社会经济和政策紧密 结合以实现流域的综合水资源管理目标【i 】。后者则侧重于研究如何在流域层面建 立雨水综合管理系统，以实现洪水风险缓解、河道和水质保护等多项目标；以及 将雨水管理贯穿场地的整个开发或再开发过程【2 】。 本文以水质保护为目标，对城市流域既有建成环境一体化雨水管理的系统设 计进行了研究探讨，并在案例应用中，形成可指导地块建设改造的雨水管理设计 导引，示范了具有可操作性的城市雨水水质管理目标实现过程。 1 1 选题研究意义 通过城市流域尺度的宏观调控实现地表水文生态健康是雨水设施研究发展 的最终指向。高强度人类活动造成的非点源污染对地表水质健康构成了巨大的威 胁，并具有涉及面积广、累计影响力大、单一地点处理效果弱等诸多特点。雨水 处理设施流域范围内的推广应用作为解决该污染方式的最终手段，必须依赖于城 市流域设施的综合规划，以实现宏观流域尺度下对微观尺度设施的各项调控。 只有以现实物质空间环境为讨论基础，多种雨水设施流域综合效果研究才具 有现实可操作性。缺乏空间落实的优化讨论并不能促进研究的实质进展。城市发 展的固有建成环境对雨水设施的空间格局以及形态造成了巨大的约束在我 国，由于建设开发强度巨大，高成本价值的用地约束与高污染负荷的处理需求加 剧了以水质改善为目标的流域空间规划的复杂与困难程度。因此，囚地制宜的设 施流域稚局方法研究不仅顺应了空间规划的需求，同时也将对设施的综合效果优 化起到实质性的推动。 在我国，缺少本土化的设施设计引导以指导不同用地类型空间设计。国内的 雨水设施研究起步相对其他国家地区较晚，并没有完善的本土化参数以及成套的 第一章绪论 设施设计参考导引。本次论文从城市规划专业的角度，明确相关用地的水质处理 的设计导引，借以推动规划学科以及相关学科的研究进程。 1 2 国内外研究状况与问题 1 2 1 城市流域尺度下雨水设施的研究进展与问题 1 2 1 1 城市流域的概念 为了便于城市雨水管理的开展，城市流域( u r b 孤w a t e r s h e d ) 的概念被引入 规划研究。尽管城市流域被广泛使用在各利- 文献、规划巾以表示研究对象的空间 规模，但并没有统一的定义描述其尺度等级。 除了r h p l a t t ( 2 0 0 6 ) 在相关研究中从地理空间尺度对它进行了界定 城市流域的上限尺度等同于美国地理调查( u s g s ) 定义的四级流域尺度内的最 小尺度类型( s u b w a t e r s h e d ) 以外【3 】，多数文献只给出了确定其属性的流域 非透水表面率( i m p e r v i o u sc o v e rr a t i o ，下文简称i c r ) ，如j l s i p e s 将i c r 值大 于1 0 的流域定义为典型的城市流域【4 】； m vc a d e ( 2 0 0 5 ) 研究对比了6 个流 域的城市化程度及其与i c r 的关系，得出当城市总用地占流域面积5 0 以上时， 其i c r 值介于1 5 2 0 之剐5 】；m o o r e 和p a h e r ( 2 0 0 5 ) 总结了2 9 个流域的 特点，定义城市化流域的i c r 值介于2 5 5 8 之间，半城市化流域i c r 值介 于1 4 2 7 之间1 6 j 。 此外，流域i c r 值与河流健康指数的关系图【7 】( 图1 1 ) 指出多数城市地区 河流的现状健康状况所对应的i c r 值为2 0 一2 5 ，凶此本文定义城市流域的概 念为水文尺度为l o 1 0 0 k m 2 之间，且l c r 值大于2 0 的流域空间。 j i | i 流 j 见 状 住皇 小 状 i 兑 矾i i 2=5、帆i m 流域非透水袭衙牢 图1 1 河流健康指数与i c r 值关系图 2 第一章绪论 1 2 1 2 研究进展 随着城市开发建设强度的增大，城市流域的雨水径流污染物浓度对流域内表 水生态系统健康造成了剧烈冲击【8 】【9 】【1 0 】【i l 】。为了缓和水量减少、水质恶化的不良 影响，城市雨水管理开始着力于以生物生态学为基础，使用近自然的源头、末端 处理方法为水质改善手段，面向城市景j l ! l i 的暴雨管理的方法研究，如美国的低冲 击影响( l o wi m p a c td e v e l o p m e n t ，l i d ) 【1 2 1 ，英国的可持续城市雨水系统 ( s u s t a i n a b l eu r b 锄d r a i n a g es y s t e m ，s u d s ) 【1 3 】、澳大利亚的水敏型城市设计 ( w a t e rs e n s i t i v eu r b 缸d e s i g n ，w s u d ) 【1 4 】等。伴随设施在各地区的使用和实 施，研究者开始质疑这种从小尺度空间设计出发的设施系统能否切实的解决更大 空间尺度下由雨水径流所带来的水文问题。 m c c u e n 于1 9 7 4 年最早提出了设施系统的流域雨量调控问题。他通过模拟 认为了城市流域内滞水塘池系统的不合理布局会引起较建设前更大的暴雨洪峰 值【i5 1 。此后，越来越多的研究从水量角度论证了流域尺度设施系统缺乏规划时存 在不合理性【1 6 】【17 】【1 8 】。例如，e m e r s o n ( 2 0 0 5 ) 进行了v a l l e yc r e e k 流域内现存滞 留塘系统对流域整体洪峰值的衰减效果实验，结果显示流域整体洪峰值的平均衰 减量仅o 3 ，并存有负增长的可能。他明确指出：尽管结合景观设计的雨水管 理设施布局应从基地尺度出发，但其整体处理效果应该以流域为评价尺度进行调 控规划【1 9 1 。 与水量问题不同，研究者从开始就达成了水质改善目标应以城市流域为研究 尺度的共识【2 0 】【2 i 】【2 2 】，它同时也是研究难点所在2 3 1 。现阶段，雨水处理设施在部 分地区的小规模建设为研究提供了其处理能力的真实数据反馈【2 4 】【2 5 1 ，但研究更 需要把局部设施的处理效果与流域水质总体效果进行量化结合，以促进其在流域 尺度的全面推广【2 3 1 。此外，流域尺度下的设施规划布局可避免凶设施不足而导致 的水质污染或设施过度建设而引起的资源浪费【2 6 1 。 综上所述，城市流域的雨水管理只有同溯到其自身尺度，才能实现城市水文 的根本改善【2 3 】f 2 7 1 。 目前，针对流域的雨水综合管理研究主要围绕处理目标和经济成本展开，大 致可以分为两类： 1 ) 在成本一定的条件下，使雨水设施的综合布局指向最优的水质处理效果。 目前的研究对像以单设施为主，大部分是对塘池、湿地等末端处理系统的等 级布局讨论【2 3 】。 j e 加yz h e n ( 2 0 0 1 ) 在面积为1 1 7 2 k m 2 的流域尺度下，比较了就地( o n s i t e ) 、 次区域( s u b r c g i o n a l ) 、区域( r e g i o n a l ) 3 利- 等级的湿塘在5 种不同组合方式下 的综合处理效果，得出当以总悬浮物( t o t a ls u s p e n d e ds e d i m e n t ，以下简称t s s ) 3 第+ 4 章绪论 为目标污染物时，等级越高的湿地处理效果越明显【2 引。 m j c o h e i l ( 2 0 0 6 ) 在面积为8 5 k m 2 的入海流域内，模拟对比了两种不同布 局方式下湿地系统的年持水量、t s s 吸收量、总磷( t o t a lp h o s p h o m s ，以下简称 t p ) 吸收量。模拟结果表明，在总面积相等的条件下，综合各种大小等级的湿 地系统的水质处理效果明显优于单一等级湿地系统【2 9 1 。 m s a h u ( 2 0 0 9 ) 针对面积为5 1 3 k m 2 的w a l n u t 河流域，采用s w a t 模型 分别模拟了过滤带( f i l t e r ) 在平行等高线布置以及沿河布置两种情景下处理的雨 水径流水质，得出平行布置是流域过滤带的最优布局方式的结论p o 】。 此外，研究引入优化算法模型指导设施的流域位置分布模式。n e w b o l d ( 2 0 0 5 ) 利用s o l u t i o nh e 嘶s t i c s - b 嬲e dg r e e d ya l g o r i t h m s 对4 个小流域进行了湿地 分布模拟实验，结果显示：在同等投资成本条件下，对应于污染物负荷分布的分 散布局式湿地所处理的雨水径流量是最大面积的单个集中式湿地所处理的雨水 径流量的2 8 倍f 3 i 】。j i n gw u ( 2 0 0 6 ) 以总氮( t o t a ln i 仰g e n ，以下简称t n ) 和t p 为水质处理目标，在面积为1 6 2 k m 2 的s w i f t 流域内规划布局湿地与湿塘两 种设施。并以m o n t ec a r l o 算法为优化方案的选择模型，对两利- 设施和备选用地 进行随机组合，模拟筛选出满足处理目标的3 8 种规划情景以满足不同的成本条 件删。 2 ) 在满足水质目标的条件下，使雨水设施的综合布局指向最小的经济成本。 这部分研究的现状特点在于对优化算法模型的大量使用、讨论和发展p 2 】【”】。 其中概率寻优是流域规划的核心运用方法瞰】。 j e 姗yz h e n ( 2 0 0 4 ) 在其原有研究( 文献 2 8 】) 的基础上，依然以t s s 为目 标污染物，引入了混合多目标算法( s c a t t e rs e a r c h ) 对湿塘系统做概率寻优组合 选择。在此轮研究中，给出了设施的帕雷托图，总结选择出的优化布局方案特点， 得出了与此前相同的结论【3 5 】。 k a n i t a 以洪峰及沉积物分别减少5 、1 5 、2 5 为情景目标，对s i l v e r 流域( 面秋为1 1 8 9 衄2 ) 内的多种雨水设施( 滞留塘、过滤塘、渗滤带、植草渠 等) 布局规划进行了连续研究。2 0 0 8 年，他利用遗传算法( g a ) 计算出4 0 0 种 不同组合方式的工程型雨水最佳管理措施( b e s tm a n a g 锄e n tp 豫c t i c e s ，b m p s ) 布局，给出了最小成本值以及最大成本的分布方案刚3 6 】。此后，他改进采用物种 保护遗传算法( s p e c i e sc o n s e r v i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ，s c g a ) 择优，在减少5 的设计目标情景下，从2 0 0 种b m p s 分布组合方式中，提取了4 8 个备选方案， 并给出了成本最小的6 种流域范围下设施布局方案罔p7 1 。2 0 0 9 年。他义引入 n s g a i i( n o n d o m i n a t e ds o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ) 模型，将成本和水质处理 效果演绎为两个动态目标模型。使最优选择方案转化成更为灵活的多目标选择， 4 第一章绪论 并给出了该研究流域的成本绩效帕雷托刚3 引。 基于优化模型的发展，以大型辅助设计软件对流域多设施布局进行普适方法 归纳己在美国大量兴起：美国联邦环保总署( e n v 沛i u i l e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ， e p a ) 于2 0 0 3 年研究发展了城市雨水处理与分析综合系统( s y s t e mf o ru r b 锄 s t o n i l w a t e rt r e a n n e n t 觚da n a l y s i si n t e g r a t i o n ，s u s t a i n ) ，并已在各个州县广 泛使用【3 川：洛杉矶郡提出了工程型雨水管理设施的优化和分析工具( t h es 仃u c t u r c b m pp r i o r i t i z a t i o n 锄da n a l y s i st 0 0 l ，s b p a t ) 工具【加1 ；e m c g a r i t y 提出了 s t o 肌i s w m e 优化决策系统【4 l 】【4 2 1 。这些系统软件综合了流域模型、b m p 模型以 及优化模型，为流域尺度下多设施的宏观布局提供了技术平台。但目前，这些软 件的运用均停留在流域范围污染物浓度负荷分布阶段，缺少实际的设施布局应 用。 另外，值得指出的是，在大多数基于数学算法的流域布局研究中，鲜有服务 于城市设计精度的规划分布研究。h i p p ( 2 0 0 6 ) 在科斯塔梅萨市面积约2 0k m 2 的设施布局规划中，以t s s 、c d 、z n 为目标污染物，采用混合整体算法( m i x e d i i l t e g e rp m g 捌 i l m i n g ) ，在4 9 8 个适宜设施点位巾优选出1 4 8 个精确点位，组合 达到最佳水质处理效果【4 3 1 。虽然，其设计背景为城市设计研究尺度，但其选用设 施为雨水管道过滤器，受城市物质空间影响较小，因此其研究结果不具有对城市 设计的指导意义。 1 2 1 3 现存研究问题 综合上述文献资料可知，流域尺度的宏观调控已经成为各学科的研究重点。 但大部分研究者以环境工程学科为研究背景，他们虽然对设施进行了的流域布局 经济成本和方法的讨论，但受学科视野桎梏，这些讨论并没有实现通过雨水设施 改善流域水质的目标，甚至忽略了目标实现过程中的环境学科要素。这些要素包 括： 1 ) 缺乏实质监测数值反馈 由于雨水综合或兽一设施没有往流域尺度下的规模化的建设应用，故研究缺 乏实际监测数据反馈，从而使后续研究讨论缺乏说服力。 2 ) 口标污染物选择局限 目前大部分流域研究的水质处理目标设定过于单一1 2 8 】【3 5 】【3 7 1 ，局限在与固体 沉降物关系紧密的污染物( 如t s s ) 的研究探讨，回避讨论以生物化学反应为宅 要手段、处理效果不稳定、但对水质富营养化作用明显的典型污染物，如t n 、 t p 等。 其他角度的讨论不具有实质推动性的原因： 第章绪论 1 ) 简化了城市流域的物质空间环境 现存流域内设施的优化配置方案主耍侧重于通过数学模型以寻求设施绩效 最优的组合方式【3 1 】【3 5 】【3 8 1 。该理论方法虽然具有决策可行性，却对城市流域的物 质空间环境进行了极大简化。事实上，雨水设施在流域范围的推广并不能脱离实 际物质空间。城市固有建成环境是决定流域尺度下设施的格局与形态的重要限制 要素之一。设施只有被结合、落实在建成空间环境中，才可能充分发挥绩效最优 的水质处理能力。 2 ) 研究空间精度过低 城市流域空间的抽象简化势必造成过低的研究空间精度，进而局限了研究结 果的推广和运用。 3 ) 雨水设施成本定义狭隘 现行研究案例中所定义的方案成本局限于雨水设施的建造、运营、维护费用 ( c o 船t m c t i o n 强d0 i p e r a t i o n ，m a i l l t 铋粕c e ，c o m ) 。而在现实规划中，除了这些 显性费用之外，设施成本还涉及土地成本、自然环境成本以及人文环境成本等多 项社会效益成本。 1 2 2 多种雨水设施综合运用的现状与问题 雨水管理设施具有多样性，人们根据不同的标准对其进行了分类，其中最常 见的分类方式是根据设施在流域的位置分布形式将其分为源头式处理和集中式 处理两大类型。 集中式处理设施以滞蓄塘池系统为代表，在流域范围内已被广泛应用【2 3 1 ，但 并不能解决地下水位下降、河道侵蚀、城市热岛效应明显等流域水文、环境问题 m 】【”】。由此应运而生的源头式处理设施旨在尽可能的采用因地就势的分散处理 方式将区域水文环境恢复到开发前。它在降低流域i c r 值、减轻河道侵蚀以及 缓解城市热岛效应等方面效果显著m 【4 7 】【4 8 】【4 9 1 ，但其水量调控、水质处理能力却 受到降雨强度、土壤渗透率以及沉降堵塞等多种要素的限制【5 0 】【5 1 】f 5 2 1 。 因此，研究开始验证综合布局“源头一集中 式多利- 设施的综合布局模式能 否成为有效解决两者不足的方法。 w i l l i 锄s ( 2 0 0 6 ) 以位于佛罗伦萨集水面积2 8 8 km 2 的住区项口设计为背景， 参照开发前水文状况，对单独使用源头式处理设施、结合紧凑建设方式使用源头 式处理设施以及源头式处理设施综合墉池系统三种不同情境下的降雨径流进行 了模拟比较，得出源头式处理设施结合塘池系统能有效控制径流量，甚至恢复达 到开发前状况【”】。f r 髓i ( 2 0 l o ) 在意大利p a i e 册。大学选取了面积为1 2 8 h m 2 、 i c r 值为6 8 的基地，对集中、分散式滞莆、渗透设施处理效果进行了对比实验。 6 第一章绪论 结果显示，集中式处理设施对t s s 和径流总量的减少效果最佳，综合组合方式 的效果次之，但却具有更为灵活的布局方式【5 1 1 。类似的结论也由d a m o d a r a m ( 2 0 1 0 ) 在德州农工大学面积为3 1 8k m 2 的西校区模拟实验中得到验证【5 2 】。 “源头一集中”多设施布局模式的优势在近几年才有了桌面形式的量化研 究结果，但作为设计共识，已在相当多的国家和地区以处理链( t r e a t i i l e n t 仃a i n ) 的形式【5 4 】【”】得以建设。 澳火利亚于1 9 9 9 年始建了l y n b r o o ke s t a t c 实验项引5 6 】。该项目选址于距离 墨尔本中心商务区3 5 k m 的东南部发展走廊，包括2 7 l 栋中等密度的住宅用房以 及公园等共3 2 i u i l 2 。基地雨水设施方案分为渗透处理两个等级：以过滤带为主 的分散式渗透设施系统以及湿地末端处理系统。2 0 0 0 年项目实地监测得到通过 渗透系统处理，在小型暴雨事件中基地t s s 、t p 、t n 的负荷总量分别减少了7 3 ， 7 7 和7 0 【 】。至2 0 0 2 年起，m a t tt a y l o r 主导设计了澳大利亚的w u i l g o n g 城 市可持续用水总体规划。该规划总面积为1 4 0 0 l u n 2 ，使用的雨水设施包括渗水井、 植草渠等渗水系统，梯形沟渠等活水运输系统以及各种等级的滞留塘和末端湿地 系统。该方案为雨水多设施结合城市空间景观规划提供了良好的设计范例【5 8 】 【5 9 l 类似的规划项目还包括挪威奥斯陆机场改建规划。该项目运用植草渠、渗滤 带以及人工湿地塘系统结合就地保护措施对面积为2 0 0 l l i n 2 的规划区进行了雨水 回收处理与再利用，创造出丰富多样的自然及人工环境【删【6 。 此外，h e a l ( 2 0 0 9 ) 对h o p w o o d 机动停放服务区内的雨水多设施系统( 修 建于1 9 9 9 年) 进行了径流水质处理效果监测。该多设施系统由4 个设施处理链 组成，所服务的汇水区总面积为9 l m 2 。处理链均以塘池为核心设施，包括植草 渠、渗滤带等前处理设施。监测数据验证了雨水多设施系统具有良好的水质处理 效果，并指出了前处理设施在处理链设计中的必要性【5 5 】。 综合上述文献，大部分雨水多设施实施项目以及规划设计方案所服务的汇水 区面秋较小，而雨水多设施布局的研究宗旨是为了解决流域尺度下的综合水质问 题。因此，这些小尺度案例的水质研究结果对流域尺度的设施水质处理效果研究 没有实际参考价值。 小面积的汇水区很少、甚至不存在会对设施布局形式产生限制的空间环境要 素。因此，从空间规划角度而言，多数案例的设施布局没有设计方法的可归纳性。 设计案例中澳大利亚w u i l g o n g 的多设施布局方案虽然在研究面积上满足了流域 尺度条件，但由于它位于新建城镇，不受既有建成环境的空间约束，因此其设施 布局规划方法也不能用于指导以建成空间为设计前提的多数城市流域水文环境 改造。此外，该设计案例着力于定量控制流域水量【5 8 】，对流域水质的探讨较少。 7 第一章绪论 1 2 3 国内研究现状 目前，在流域尺度下，我国的雨水管理设施研究以控制农业流域面源污染为 主【6 2 】，例如：为有效控制农业而源污染对北京密云水库的影响，庞靖鹏( 2 0 0 7 ) 建立了水库上游流域区的分布式土壤和水文评估模型( s o i l 锄dw a t e ra s s e s s m e n t t o o l ，s w a t ) ，分析并确立了水源地的水源保护策略与途径【6 3 】；陈骥( 2 0 0 9 ) 对农业非点源管理措施进行了不同的方式组合，构建了削减桥墩水库流域t p 的 3 种方案，并运用p l o a d 模型对各个方案的削减效果进行了模拟评价【叫。虽然 我国在农业流域水质管理设施布局方面已有一定的研究成果，但由于其经济成本 低，空间约束少，因此对城市流域的设施研究没有借鉴价值。 城市流域研究方面，龚清宇、王林超( 2 0 0 9 ) 以t n 为目标处理污染物，在 海河下游近1 8 2 m 2 的规划城市用地范围内，研究探讨了满足水质改善目标的雨 水湿地规模及其位置选择方法。但由于研究区域位于规划新区，且研究对象为高 占地面积的单一湿地设施，因此得出的方法并不适用于管理城市流域建成区的雨 水径流水质l o 引。 除了大空间尺度的雨水管理以外，国内对雨水多设施的模拟方法以及部分设 施的处理能力也有一定的实验研究。闫伟伟( 2 0 0 7 ) 以t s s 、b o d 5 、t n 为目标 衰减模拟污染物，建立了植生槽、生物滤槽、植生滤带以及人工湿地四种设施的 水质处理效果傈拟模型。通过对深圳茜坑水库办公楼区建成雨水设施系统的试验 监测，对模拟模型进行了数值矫正【删。同类型研究还包括李剑( 2 0 0 6 ) 对相同研 究区的模拟实验【67 1 、周勇华( 2 0 0 7 ) 对长沙城市居住小区雨水径流污染进行的模 拟并给出了控制建谢郇】。但这些研究所建立的水质水文模拟模型均相对简单，不 能推广用于模拟其它综合设施的处理效果。此外，用于矫正模型的实验数值的监 测历时过短，统计数量不足，准确度有限。 1 3 研究目标与研究问题 1 3 1 研究目标 从城市规划学科角度出发，以城市流域既有建成环境为约束，建立综合控制 流域面源污染的雨水多设施系统与优化环境结合的一体化雨水管理方案。 1 3 2 研究问题 1 ) 如何在城市流域尺度下，通过雨水多设施系统的实现流域面源污染物控 8 第一章绪论 制目标： 2 ) 如何通过流域综合用地规划，使满足面源污染控制目标的雨水多设施系 统的布局与城市用地规划相结合； 3 ) 如何通过雨水多设施与流域空间环境改造的一体化设计，使满足面源污 染控制目标的雨水多设施系统在流域物质环境空间内得以设计落实。 1 4 研究内容、方法和技术路线 1 4 1 研究内容 本次研究主要分为四个部分：第一章主要为雨水设施在流域尺度下的发展现 状分析与动向研究；第二章是对城市流域雨水多设施与建成环境一体化管理系统 设计( i n t e g r a t e ds t o m w a t e rm a n a g e m e n t ，以下简称i s w m 系统) 的解释以及对 其主要构件的描述；第三章为设计系统在典型城市流域研究区的应用示例以及研 究结果说明；第四章为不同类型用地内的雨水设施与空间环境的设计引导。 1 ) 雨水设施在流域尺度下的发展现状与动向研究 当前，城市流域尺度下的雨水多设施综合应用是雨水管理研究的最新方向。 受限于城市流域的空间复杂性，流域综合水质处理效果的研究结果很少，并鲜有 雨水多设施的布局及设计方法。尽管在许多国家、地区小尺度的雨水多设施系统 已有了大量的设计及应用实例，但由于缺乏基于空间约束力的布局及形态设计手 法总结，对城市流域雨水多设施的规划亦没有参考借鉴意义。 2 ) 城市流域雨水多设施与建成环境一体化管理的系统设计 由于设施组合方式的多样性，有效控制流域面源污染并不能成为多设施在城 市流域尺度下的空间布局依据以及设计原则。它仅仅只能作为布局、设计的有效 控制目标之一。雨水多设施布局及设计还会受到城市空间用地条件、社会经济水 平以及人文环境氛围等多种要素的影响，其设计结果将物化为空间占地，对城市 用地布局规划和空间环境改造设计产生反作用力。因此，本次研究增加了雨水多 设施布局、设计的综合效益最优原则，提出了城市流域雨水多设施与建成环境一 体化系统设计，它是面向雨水水质管理的，雨水多设施与城市空间环境一体化规 划、设计的方法系统。 3 ) 流域水质处理发施模型构建 建立流域水质处理设施模型是i s w m 系统的重要环节，它将雨水多设施的 布局和形态设计分别转化为模拟结构以及体形系数，进而提供了评价设施综合水 质处理效果的模拟模型以及数据输入。 9 第+ 一章绪论 4 ) 通过m u s i c4 0 落实设施模型 流域水质处理模型需要通过具体的软件得以落实。本次研究选择了 m u s i c 4 o 作为落实模型的工具，并研究了两者的对应方式。通过m u s i c4 0 对 阶段性多设施布局及设计的具体计算，保证了最终布局及设计结果在满足流域水 质改善目标的同时，符合流域综合效益最优。 5 ) 不同类型用地内的雨水多设施设计引导 采用i s w m 系统中的雨水多设施形态设计模块对典型用地内的设施以及空 间环境进行一体化设计。对设计结果进行分析、总结，以形成指导不同用地类型 的雨水多设施设计与空间环境改造引导。 1 4 2 研究方法与技术路线 1 4 2 1 研究方法 1 ) 文献归纳分析：对现状城市流域尺度下多设施综合布局方案进行搜集整 理，明确研究方向方法。 2 ) 典型流域设计实证提炼方法模型：选择海河次流域内5 0 k m 2 等级的城市 子流域作为典型案例研究区域，以其具体的物质空间为规划限制要素，在进行多 种雨水设施的空间格局分布设计的同时形成、校验、完善流域雨水设施布局方法 模型。 3 ) 数值分析模拟：采用一阶衰减模型模拟校验流域范围内雨水设施布局的 合理性。 4 ) 典型地块归纳总结、分类引导：总结归纳不同用地类型的雨水设施的设 计导引，提供较优城市设计方式的形态示意。 l o 第一章绪论 1 4 2 2 技术路线 设施研究 海 选【现状建成空f h j 环境 力c 流域j t 度的 扣叮 选 质 标 备 下 种 选 川 地 蝌 炎 水 ? i l ! 设 上 施 k 靠 段 设施研究 流 次 案 局 i 域 流 ，芒 域 度 内 一选区空问卧境舰划 卜_ 多巾i l = i 水波碴 多 城 种 i f f 综合放髓研究 雨 流 一i 水 域 管 塘 j 毫区水文，气琢数据 理 沽 设 j a ； 施 l 1 彳 h 流域空r 曲j 综 案 叫选区水质i 甲价揆艰卜 集 i 5 乏 合 例 施 规划研究 朽 设 硒 i i 设施窄m 柑 的 布 研 局 硒形态 究 i 意 导 叉 城市漉域多种雨 流域设施流域水质汇水分 量蔓筑环境宅 水管理设施综合优化钳 d详价摸艰 区渐进 删撕硒彤念 砸肺的办法梗臻 方法式设汁 图1 2 技术路线图 第_ 章城1 1 ，流域水质管理系统设计建构 第二章城市流域水质管理系统设计建构 2 1 系统概述 本文从城市规划专业的角度出发，提出了城市流域多设施与优化环境的综合 管理系统设计( i s w m 系统) 。它是面向雨水水质管理的，雨水多设施与城市空 间环境一体化规划和设计的方法系统。该系统以有效控制城市流域面源污染为基 础目标之一，以优化雨水多设施系统的流域综合效益为主要建设依据，使各种雨 水设施在城市流域的空间落实有章可循。 系统的主要构件包括三大模块：1 ) 城市用地限制下雨水多设施位置布局模 块；2 ) 雨水多设施形态与城市环境的一体化设计模块( 亦可作渐进式设计模块) ； 3 ) 适用于从集水单元至中小流域尺度的雨水水质管理模块。 系统主要模块以及输入、输出结果，如图2 1 ： 图2 1 i s w m 系统结构说明 1 2 第二章城市流域水质管理系统设计建构 2 1 1 系统的研究对象 雨水多设施系统是i s w m 系统的研究对象。它要求研究对象与研究区域必 须具备一定的匹配度，即不同区域位置的城市流域对应不同的多设施选择和组 a 口。 为了便于流域设施的选择并服务于系统自身模块，i s w m 系统对雨水设施 进行了类别划分。目前较为常见的设施类别划分有：依据设施形态特点的划分： “点处理设施：( 一个或一组服务于特定汇水分区的设施及设施系统) 、“线处 理设施 ( 河岸缓冲带等) 、“面处理设施”( 透水铺面等影响、改变城市覆被 特征、地源污染物输出的设施系统) ；根据设施所服务的汇水区用地特征的划分： 地块级、社区级以及流域级雨水处理设施【6 9 1 ；依据雨水设施功能特点的划分： 滞蓄设施与渗滤设施【2 q ；依据设施在流域的位置分布形态的划分：源头式( 分散 式) 处理和集中式处理两大类型【2 3 】【2 5 1 【5 3 】。 i s w m 系统将设施划分为分散式和集中式两大类别，其中集中式设施又分为 处理设施和滞蓄设施。集中式处理设施主要指效益最优的大型末端处理设施；分 散式处理设施主要指以生物滞留塘为代表的处理效果良好但在暴雨事件情景下 不稳定的高成本小型处理设施；而集中式滞蓄设施主要是配合分散式处理发施解 决暴雨事件情景下雨水溢流所带来的水文水质问题。 依据多数城市流域的空间现状和经济条件，i s w m 系统规定城市流域的雨水 多设施系统必须同时包括这三种类别的设施，以协调弥补设施水质处理能力的不 足并应对城市流域尺度的约束。 2 1 2 系统的目标与原则 i s w m 系统的目标足为特定城市流域提供最优的雨水多设施系统。它对最优 雨水多设施系统的定义是：该多设施系统满足该流域的水质处理目标，在具有空 间实施性的同时，实现经济成本最低。 城市流域尺度对雨水多设施系统的约束主要通过两种形式实现：1 ) 有限的 城市用地空间对集中式处理设施的应用约束。2 ) 社会经济条件对分散式处理设 施的应用约束。对应于以上约束，i s w m 系统的优化多设施系统设计原则为：在 满足流域水水质口标的前提下，优先布局成本效益最优的集中式处理设施，并最 大化其所能服务的汇水区范围：在仅能以分散式处理设施为唯一手段的汇水区 内，最小化设施的总建设成本：包括用地成本、设施建造成本以及运输系统建造 成本。 其对应的主要策略为：1 ) 采用雨水多设施位置布局模块在多设施布局过程 第章城1 l ，流域水质管理系统设计建构 中实现集中式处理设施服务范围的最大化；并合理发挥、利用分散式设施的运输 功能以减少管道或其它运输系统的建造，使多设施系统在空间布局上实现成本效 益最优；2 ) 采用渐进式设计模块指导设计各种设施的具体形态，以实现水质目标 下的空间用地成本最小：3 ) 通过雨水水质管理模块对各个设计阶段的流域雨水多 设施系统进行水质目标评价。 2 2 雨水多设施布局模块建构 雨水多设施布局模块是i s w m 系统的首要构件。它是流域优化雨水多设施系 统的建设基础。其主要目标是在流域现状用地条件约束下，设计雨水多设施的优 化布局方案，使效益最优的集中式处理设施服务汇水区面积最大；分散式处理设 施布局能实现运输其服务汇水区内的雨水径流至集中式处理设施中。 模块的主要输入要素包括：城市流域的水文环境信息、城市流域的用地规划 信息；结果输出包括：雨水多设