摘 要 国内外学者针对雨水管理目标下的城市住区场地设计展开了较多研究，但对住区绿地系统的形态特征和径流控制的定量关系还缺乏相关探讨。研究对住区绿地形态特征与径流水系特征进行归纳分类，然后选择 Uwater Drainage作为场地场次降雨径流的模拟软件，基于重庆某住区设计方案展开降雨径流的实证模拟研究。研究了住区建筑布局与绿地形态对降雨径流的影响特征，探索了整合雨水管理功能的住区绿地系统复合结构。通过将雨水管理目标融入住区规划设计阶段，有利于住区更加有效地实现雨水管理目标。
关键词 城市住区;绿地形态;功能参数;雨洪管理
0 引 言
为缓解城市住区的雨洪灾害问题，国内外学者针对雨水管理目标下的城市住区场地设计展开了较多研究。从1987年美国提出最佳雨洪管理措施(best management practice decision support system, BMPs)之后，又先后由英法澳等国家提出了包括低影响开发(low impact development，LID)、绿色基础设施(green infrastructure，GI)、英国的可持续城市排水系统(sustainable urban drainage system，SUDS)、澳大利亚的水敏感性城市设计(water sensitive urban design ，WSUD)等雨水管理措施[1]。20世纪80年代初期，美国政府对所有新开发区强制实行“就地滞洪水”[2]，20世纪90年代实施雨水花园、推广屋顶蓄水和绿化，以及入渗井、透水铺装等地表回灌系统[3]。德国将雨水管理纳入法律法规条例，将雨水利用项目融入到景观设计中，充分发挥植物和土壤的自然净化作用[4]。自2012年以来，我国提出了针对雨水管理的海绵城市建设技术[5]，技术要点集中在通过下凹式绿地、植被浅沟汇集下渗雨水，或使雨水进入景观蓄水池[6-7]，利用小区屋顶、道路、绿化汇集的雨水来补充景观水体和绿地灌溉系统[8]。国内外相关研究通过计算暴雨总量、径流渗透量、蓄积雨水容量等措施，明确住区场地设计中的降雨径流总量控制率和降雨强度控制指标[9-11]。有学者提出雨洪管理实践要符合生态智慧的引导[12]，住区绿地需要适应环境过程[13]、与水系结构相适应[14-15]、与传统规划内容相融合[16]。目前，对住区绿地系统形态布局与场地径流控制的关系尚缺乏相应的研究。相比于我国对径流控制目标的关注，尽管国外对住区场地特征与雨水径流控制关系的认识较为深入，但对住区绿地系统的形态特征参数和径流控制目标的定量关系还缺乏深入探讨。笔者先对住区绿地形态特征与径流水系特征进行归纳分类，再基于重庆某住区设计方案展开降雨径流的实证模拟研究，探讨住区建筑布局与绿地形态与降雨径流的定量关系，探索整合雨水管理功能的住区绿地系统复合结构。通过将雨水管理目标融入住区规划设计，住区将更加有效地实现雨水管理目标。
1 住区绿地形态与径流控制的相互关系
1.1 住区绿地形态类型
传统住区规划建筑布局为周边式、散点式、行列式与组团式等模式，建筑布局与绿地系统互为图底，多种建筑空间布局形成住区绿地形态模式。根据住区建筑布局的多种结构，可将住区绿地系统分成中心式、边缘式、带状、岛式以及均衡式五种绿地形态类型。中心式绿地住区地块开发强度高，建筑一般沿道路进行高层点式或组团围合布局，中部集中布置绿地;边缘式绿地住区地块通常临近水系，或边缘保留有自然山体或主干道的防护绿带等，住区开发集中在场地一侧，作为居民休闲娱乐的重要场所;带状绿地住区建筑呈行列式布局，间距较为紧密，住区绿地呈带状平行形态，行列间绿地联系较弱;岛式绿地住区场地内通常由于水系或道路曲折围合切割，形成组团式开发模式，绿地系统在组团内由建筑围绕形成，呈岛状，各组团绿地间联系较弱;均衡式绿地住区采用点式布局，建筑和绿地形态均衡化，绿地间的联系较为紧密。
1.2 住区径流模式特征
满足各类休闲活动需求和景观美学功能是传统住区绿地系统的设计原则。而雨水管理目标下的住区绿地空间形态需要建立在场地的雨水径流结构上。场地径流方向与地形因素相关，大致可以分为四周向内汇流、中部向外分流以及单坡顺流三种模式。向内汇流，即场地中部地势较低，径流呈四周向中心汇流的形式;向外分流，即场地中部地势高，四周低，径流方向呈现出中部向四周分流的形式，场地雨水将快速流向四周并蓄积;单坡顺流，即场地地势一边高，径流呈现出单向顺坡流动的形式，场地雨水快速从一端流下，并在坡底蓄积(表1)。
由于径流具有快速累积效应，末端径流量是最大的。结合住区绿地形态结构，在向内汇流的径流模式下，场地中部布局中心绿地，用于自然蓄渗与休闲娱乐功能，建筑呈点式或组团式布局在地块周边;在向外分流径流模式下，在场地四周保留大面积绿地，有利于提高雨水的蓄渗量，同时场地中部和周边可以用于点式开发;在单坡顺流径流模式下，在场地下坡面保留足够的绿地，可有效进行雨水蓄渗，点式、行列式或组团式建筑宜布局在场地的上坡面。为了避免末端降雨径流过大导致场地雨洪灾害，需要在径流传输过程中设置适量的滞水绿地，层层截流降雨径流，减缓末端径流强度。降雨量较大的地区，可考虑在场地径流末端的滞水绿地内设置与市政系统相连的溢流装置。住宅绿色屋面、场地绿化和雨水管理设施构成了有效管理降雨径流的绿色基础设施系统。
住区不同的径流特征具有不同的径流控制机制，结合雨水的径流方向和绿地系统结构的耦合关系选择合适的住区形态结构，可以有效地发挥住区绿地的径流控制能力。向内汇流的场地宜采用中心绿地或岛式绿地形态模式，向外汇流场地宜采用均衡式的绿地形态模式，单坡顺流宜采用边缘绿地、带状绿地、均衡式绿地等模式。
2 研究方法
实证模拟案例住区位于重庆市大足区海棠新城中部，主要由东西两个地块组成，住区总用地面积15.63 hm2 ，采用传统的布局方案，主要为板式多层建筑和点式高层建筑围合而成，整体方案的容积率为 2.42，建筑密度为35%，绿地率为40%。根据已完成的初步平面布局方案，降雨径流从西侧汇水单元进入东侧单元，地表径流雨水排放口在东侧单元的东南角，连接城市市政雨水管道(图1)。
研究选择Uwater Drainage软件，该软件是在SWMM软件的基础上拓展开发而成，相比于SWMM，操作更为便捷。基于暴雨历史数据生成各地区的降雨雨型，通过概化场地地形、建构筑物与雨水管网等模拟场地径流变化情况。通过实测3场雨水排放口场次降雨排放余量，对概化模型进行率定验证。然后，采用以下方法进行模拟研究：一、改变场地右侧汇水单元的绿地布局形态指标，研究降雨径流变化特征，研究住区绿地规模、形状指数、均匀度指数以及离散度等形态参数变化后的降雨径流变化特征。二、保持场地右侧住区绿地总量和场地坡度不变，改变住区建筑布局方案。分别模拟在一般降雨(P=10a)和暴雨(P=50a)情景下，住区右侧场地径流的总排放量和排放变化。三、模拟住区平面布局初步方案的降雨径流特征，并在住区现有绿地布局方案基础上，通过调整绿地系统布局参数与功能配置，模拟研究径流控制效应。
3 结果与讨论
3.1 住区绿地形态指标对降雨径流影响的模拟分析
选取斑块规模、形状指数、均匀度指数、离散度指数几类典型的形态指标，概化场地右侧汇水单元模型，控制其他形态变量，进行单一形态变量对径流影响的模拟分析(表2)，形成不同形态指数的径流控制效应强弱对比结果(表3)。
模拟实验显示，在保持不透水斑块的单项形态指标变化的情况下，不透水斑块比例从10%增大到90%，绿地斑块比例从90% 减少到10%，降雨径流系数由0.23增加到 0.87，降雨径流变化量为65%。保持其他形态指标不变，绿地规模越大，绿地对雨水的蓄渗率越高，对雨水径流的调控作用就越强。通过模拟实验可知，绿地各形态参数对径流的控制强度有所不同，根据降雨径流变化量判断形态参数对控制作用强度的影响，从强到弱依次为绿地规模>绿地均匀度>绿地离散度>绿地形状指数(表3)，其中复杂的形态指数在住区尺度对降雨径流的影响效应较小，可能是在雨水径流路径上的绿地才能发挥有效作用。
3.2 住区建筑布局模式对降雨径流影响的模拟分析
传统住区建筑布局形态对绿地率、容积率、建筑密度、建筑限高等开发指标的影响较大。通过对住区建筑布局与绿地形态的内在关系分析，着眼于住区的布局形态与径流控制之间的关系，将住区按照高度分为高层、多层和低层。根据不同限高住区的布局形态，高层住区可分为散点式、周边式和组团式，多层住区可分为行列式和组团式，低层住区布局主要为散点式，控制上述不同住区布局模式的绿地总量不变，模拟研究不同模式的降雨径流变化特征(表4)。
通过对住区建筑布局模式的径流模 拟，得 到 在 一 般 降 雨(P = 1 0 a)和 暴雨(P=50a)两种情景下住区单元径流排放总量和到达峰值的时间。通过对数据的归纳，得出不同住区模式在一般降雨与暴雨两种情景下，对径流的控制强弱排序是相同的，从强到弱依次是原始场地>低层散点式>高层散点式>组团式>多层行列式>高层周边式住区。场地开发会导致径流峰值的到达时间有一定的提前，由模拟结果可知，同一住区模式的径流峰值到达时间在一般降雨与暴雨两种情景下比较接近。不同住区模式的径流峰值到达时间从前到后依次为高程周边=高程散点式=组团式=多层行列式<低层散点式<原始场地。相对于暴雨雨情，小雨雨情的降雨径流总量受住区布局模式的影响较大。综合比较而言，底层散点式的布局模式最有利于控制径流总量与峰值，而高层周边式的布局模式最不利于径流控制。
3.3 住区径流动态变化及雨洪模拟分析
传统住区规划先对场地地形进行平场，再根据控规对地块的用地指标限制进行空间布局。根据住区初步设计方案的管网布局和设计地形划分汇水区并进行径流模拟和淹没分析(图2)，模拟显示，住区场地中的径流淹没范围达到10 850 m2 ，淹没最大深度达到1.28 m，与原始场地比较，径流淹没范围扩大了9～10倍，最大淹没深度略有增加。模拟结果可以反映出设计方案在设计降雨量情景下的淹没点和淹没范围，模拟图能直观地反映出建筑布局与雨水管控之间的关系是否合理。从图中可看出住区被雨水内涝淹没所遭受的影响，部分道路受到积水影响不利于出行，且部分区域积水严重。为方便居民的安全出行，需要考虑采取相应的措施对雨水可能带来的危害进行提前处理(图3)。
3.4 整合雨水管理功能的住区绿地系统复合结构
在住区初步方案的雨水径流模拟和淹没分析结果基础上，明确雨水径流管理目标下的绿地功能布置位置和大小，结合地形地貌、绿地斑块分布以及居民行为模式分析，确定住区内居民休闲以及景观绿地布置情况。保持开发总量目标不变，试图通过调节绿地形态参数和绿地功能以实现径流控制目标。由计算可知，该住区要达到 85%的径流控制目标需增加规模为5 141 m3 的滞水绿地。通过场地汇水区的划分与现状径流淹没分析，考虑分配下凹式绿地与不同深度的洼地，结合汇水分区进行滞水绿地分配;对于面积较大的汇水区，应在其径流中途与末端设置滞水绿地;对于较小的汇水区，可只在末端设置滞水绿地;在淹没程度较大的地方应增加可滞水容积，措施包括布置面积较大的下凹式绿地，同时，选择淹没较为严重之处设置深度较大的洼地。每处下凹式绿地的具体位置和面积由其所在汇水区径流控制量(将总控制量分解到各个汇水区，算法同居住区绿地滞水模型)结合传统住区布局的绿地功能进行确定。绿地系统都具有环境调节功能和美学功能，而环境教育功能又可以附加于雨水管理功能之中，因此绿地系统的功能综合配置在空间上表现为雨水管理功能、休闲游憩功能与防灾避难功能三者复合配置或两两复合或单独构成一个空间，加上单独的景观美学与环境调节功能的复合，实现8大类绿地功能综合配置(图4)。
在住区绿地系统具体实施过程中，基于雨水管理目标布置雨水设施，通过雨水管理系统和传统绿地功能的复合使同种设施展现多样功能，或将不同设施在同一空间进行关联、接壤、穿插，从而实现雨洪功能与传统绿地功能的空间复合(图5)。例如，顺应绿地系统布局结构，在绿地低地区域布置具有渗透和过滤功能的下沉式绿地，在大型绿地中心布置具有储存功能的蓄渗池，在绿廊布置具有传输功能的植草沟，将径流上方向绿地与末端绿地相联，绿地因住区道路分割时可采用下穿生态沟进行连接，形成绿地雨洪管理功能系统;结合绿地系统和周边广场设施于绿地斑块和绿廊旁布置休闲游憩场地节点，设置休闲路径连接节点，形成绿地休闲游憩功能系统;绿地对热岛效应有缓解作用，绿地的分布制约了其影响范围，越靠近绿地，对热岛效应的缓解作用越明显，基于调节效应形成绿地环境调节多层缓冲结构;绿地设施中的植草沟、下沉式绿地、蓄水池等雨洪设施对居民有环境教育功能，通过节点布局构成绿地的环境教育功能系统;位于高地开阔区域的绿地可作为雨洪灾难时人群暂时的疏散场地，构成绿地的防灾避难功能系统。
4 结 语
通过软件模拟与滞水模型，分析不同住区绿地形态模式的径流控制强度与功能参数，为住区建筑布局和绿地综合功能布置提出适应性方案，有利于从传统的住区规划方法向多元参数化设计方法转变，实现提升住区绿地系统综合效益的目标。住区传统绿地系统主要是满足居民的户外活动使用和对景观的观赏需求，整体而言有五大功能，分别是环境调节功能、景观美学功能、休闲游憩功能、防灾避难功能与环境教育功能。住区绿地系统的雨水管理功能体系包括渗透系统、存储系统、输送系统与过滤系统四大系统，涵盖了雨水从降落到地表到进入市政管网的全过程。四大系统之间联系紧密，形成雨水的整体大循环。为保障住区居民的生活和休闲需求，融合住区的径流控制作用，需对传统绿地五大功能和雨水管理四大系统进行空间复合，才能更好地提出住区绿地系统布局方案。对于在参数控制中如何更好地体现社区参与，还需要经过长期实践不断完善。
如何优化城市住区绿地布局形态管理场地雨洪?——基于重庆某住区的模拟实证研究相关期刊推荐：《中国生态农业学报》原名《生态农业研究》，1993年创刊，中国科学院遗传与发育生物学研究所和中国生态经济学会主办，科学出版社出版。主要刊登土壤、施肥与植物营养、水资源及其高效利用、作物水分生理生态、农业高效栽培技术与机理、作物抗性生理生态、抗性育种、病虫害防治、生物多样性保护、资源优化配置及其效益分析、农业生态工程技术、无公害农产品生产技术、农业环境污染防治及农业可持续发展等方面的研究报告、研究简报及综述,以及生态农业建设和生态农业示范区建设典型模式与典型经验等。
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