全文刊登於《風景園林》2020年第11期 P13-18
盧奕芸，戈曉宇.基於水安全目標的城市綠地水體設計方法研究：以第二屆河北省園林博覽會（秦皇島）園區為例[J].風景園林，2020，27（11）：64-69.
基於水安全目標的城市綠地水體設計方法研究——以第二屆河北省園林博覽會（秦皇島）園區為例
盧奕芸
女 / 北京林業大學園林學院在讀碩士研究生 / 研究方向為風景園林規劃設計與理論
戈曉宇
男 / 博士 / 北京林業大學園林學院副教授、碩士生導師 / 本刊特約編輯 / 研究方向為風景園林規劃設計與理論、海綿城市建設
摘要：城市綠地水系作為影響城市綠地生態穩定的主要因素，在雨洪管理中承擔著重要角色，總結具有普遍指導意義的設計方法可以為海綿城市的理論研究和建設提供參考。以第二屆河北省園林博覽會（秦皇島）園區為研究對象，通過分析和解決場地面臨的雨水安全問題，提出基於水安全目標的城市綠地水體設計方法：1）確定雨水徑流控制目標；2）計算場地內外源徑流消減總量並確定水體調蓄容積；3）利用SWMM軟體建立動態管理模型，對比分析場地開發前後雨洪調蓄能力；4）結合水體設計的景觀化策略，通過水利分析模型（MIKE21）對水景面積進行模擬。結果表明：1）通過合理的水體設計，城市綠地可以有效調蓄場地及周邊區域地表徑流；2）基於水安全目標的城市綠地水體在設計時需綜合考慮現狀條件、海綿城市區域建設要求與控制目標，並利用情景模擬的方法結合定量與定性分析，最終確定設計方案。
關鍵詞：風景園林；水安全；半溼潤地區；城市綠地；雨洪管理；水系設計方法
城市綠地水系作為影響城市綠地生態穩定的主要因素，其所承載的生態服務功能對城市雨洪管理體系意義重大，是保證城市綠地可持續發展的前提。目前缺乏有效的以應對雨洪災害為目標、滿足場地及周邊城市區域雨水調蓄及景觀需求的城市綠地水系設計方法研究。因此在海綿城市營建過程中，如何通過合理的城市綠地水系規劃設計，統籌考慮水安全與水景觀效果成為目前行業中需要關注的重點。
1 研究區域概況
研究區域位於河北省秦皇島市經濟技術開發區，總佔地面積約為238.77 hm2。設計場地內現狀以苗圃、田地為主，零星分布坑塘水面、林地、少量養殖場和廢棄建築物。西側棲雲山地形破碎，3條現狀衝溝導致場地承受巨大的徑流壓力，東側津秦客運鐵路和居住區面臨嚴重的雨洪威脅。此外，秦皇島市位於中國半溼潤地區，降雨量季節分布不均，短時降雨量大。因此，如何調節雨水資源在空間和時間分布上的不均勻，解決夏季高頻、短歷時、強降雨給場地及周邊區域所帶來的雨洪安全問題並藉助雨水徑流形成水體景觀，營造安全、優質的景觀空間成為設計面臨的巨大挑戰。
園博會園區作為城市的開放空間，在滿足綠地及園林博覽會基本功能的基礎上，通過景觀規劃與設計，將水安全的目標落實成為完整的雨洪管理體系。
2.1 根據水安全目標確定雨水徑流控制目標
根據河北省工程建設標準《海綿城市建設工程技術規程》［DB13（J）/T 210—2016］，秦皇島市採用新修編的暴雨強度公式：
q=605.709×（1+0.711lgP）/（t+1.040）0.464，（1）
式中：P代表設計降雨的重現期（單位為a）；t代表匯流時間（單位為min）。
按照《城鎮內澇防治技術規範》（GB 51222—2017），研究區域應能有效應對30~50年一遇的暴雨。根據秦皇島市暴雨強度公式，計算得出2、5、10、30、50、100年一遇的降雨量分別為104.33、128.64、147.03、176.19、189.74、208.13 mm。考慮場地現狀及經濟性等因素，筆者以30年一遇的降雨量（176.19 mm）為標準來模擬是否達到設計目標。
2.2 園區水系空間總體布局
根據場地現狀，設計遵循西北高、東南低的整體布局，構建從源頭到末端的雨洪管理體系，確定了「三谷一脈」的整體水繫結構（圖1~2）。「三谷」為在3條現狀衝溝基礎上形成的谷地，從源頭有效地引導棲雲山雨水徑流進入場地；「一脈」沿鐵路方向布置，與溪谷共同構成雨洪管理體系的中途傳輸結構；結合現狀坑塘位置與豎向設計，在場地末端設置大型水庫，形成末端調蓄。
2.3 計算場地內外源徑流消減總量
根據《海綿城市建設技術指南：低影響開發雨水系統構建（試行）》，在以徑流總量為控制目標進行設計時，設計調蓄容積需滿足「單位面積控制容積」的指標要求，一般採用容積法進行計算，公式如下：
V=10HφF， （2）
式中：V代表設計調蓄容積（單位為m3）；H代表設計降雨量（單位為mm）；φ代表綜合雨量徑流係數；F代表匯水面積（單位為hm2）。
根據研究區域設計降雨量標準H=176.19 mm（30年一遇），通過加權平均計算研究區域φ=0.40，研究區域匯水面積為F=238.77 hm2，由公式（2）可得，場地內外源徑流總量為168 273.83 m3；根據徑流總量計算結果及水系總體布局確定設計的景觀水體最大調蓄容積為182 818.07 m3，全園景觀水體總面積約為19.73 hm2。
2.4 水安全設計目標驗證——基於SWMM的雨洪情景模擬
利用暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model, SWMM）進行不同重現期下情景模擬驗證，並對比分析園區水系對於場地出口流量、峰值流量以及峰現時間的調控效果。
2.4.1 開發前雨洪模型構建
依據研究區域開發前地形特徵，將場地分為3個大的匯水分區，共包含子匯水分區41個。依據土壤特性及模型原理，選用Horton下滲模型，各項參數根據開發前下墊面情況，綜合參考相關文獻及SWMM用戶手冊中的推薦值進行設定（圖3）。
2.4.2 開發後雨洪模型構建
依據設計地形特徵，將研究區域概化為4個大的匯水區及54個子匯水分區。各項參數根據方案實際情況，依據設計后土壤特性（土壤表層0.3 m替換為種植壤土）及下墊面類型，綜合參考相關文獻及用戶手冊進行設置（圖4）。
2.4.3 模擬結果對比
根據SWMM模擬報告，通過對各子匯水區加權平均計算，雨量徑流係數分別為0.400 1、0.402 8、0.404 2、0.405 9、0.406 6、0.407 4，與使用典型用地下墊面構成計算得到的綜合徑流係數（0.400）接近，因此結果可信。
1）根據雨水徑流控制目標，在30年一遇時，場地末端出水口未產生徑流，50年一遇（189.74 mm）降雨條件下僅有少量出流，因此場地設計達到徑流控制目標要求（圖5）。
2）場地在設計降雨量為104.33 mm（2年一遇）、128.64 mm（5年一遇）、147.03 mm（10年一遇）、176.19 mm（30年一遇）、189.74 mm（50年一遇）、208.13 mm（100年一遇）的降雨條件下，出流總量的消減率分別為100%、100%、100%、100%、99.5%、68.4%，峰值流量的消減率分別為100%、100%、100%、100%、99.8%、84.3%，與開發前相比，50年、100年重現期峰現時間分別推遲117 min、69 min。
在不同重現期降雨條件下，園區開發前後雨水徑流對比顯著，城市綠地水系對雨洪具有很好的調控效果，可以有效減少出流總量、降低峰值流量、推遲峰現時間，使場地及周邊城市區域免受雨洪衝擊，緩解城市洪澇壓力。
2.5 駁岸類型的確定——基於MIKE21的雨水流速情景模擬
基於MIKE21構建場地二維模型，對水體動態特徵進行量化，模擬在2年一遇（104.33 mm）、5年一遇（128.64 mm）、10年一遇（147.03 mm）、30年一遇（176.19 mm）、50年一遇（189.74 mm）的不同重現期降雨條件下場地內部雨水徑流的最大流速（圖6）。設計依據雨水徑流流速分布，劃分駁岸類型與結構，對模擬結果中流速大於1.60 m/s的位置進行硬質化駁岸設計，增強駁岸的防衝刷能力。
園博會會期是秦皇島的雨季，設計團隊希望在以應對洪澇災害為第一目標的基礎上，平衡水景觀與水安全的需要，最大限度依靠收集內外源地表徑流維持園博會會期的水體面積，構成具有彈性的水體空間。
3.1 基於水景觀目標的水體設計策略
園區主要水脈溝通南北，動靜結合，營造河、湖、洲、島、汀、渚、灘、瀑、潭等多種水景類型，與3條谷地一起構成園博會彈性化的雨洪管理體系。為解決場地高差，設計師利用現狀石材，設置30個不同大小的溢流堰，控制水體的調蓄及傳輸，分流單個匯水區在降雨峰值時所面臨的洪澇壓力，並對溢流堰採取景觀化的處理措施，通過山石隱壩的方式，使其隱藏在山石瀑布和跌水之中。水系沿岸根據水面及空間開合關係設置緩坡或陡峭地形，營造多級景觀空間，緩解園區的防洪壓力，提高臨水界面的親水性，形成多樣化的、兼具觀賞性與防洪功能的水景觀。
3.2 水景觀設計目標驗證——基於MIKE21的雨洪淹沒模擬
結合園博會會期（7月18日—10月31日），建立基於MIKE21的場地二維水動力模型，應用6月1日—10月31日（2010—2019年）降雨及蒸發數據，對水體動態特徵進行量化模擬，統計每日20：00場地內部水景淹沒面積，以驗證博覽會開幕期間園區所收集的雨水徑流是否可以滿足水景觀需求（圖7）。
對水體淹沒情況進行分析可知，在2014年較乾旱的情況下，園博會會期（共106 d），有85 d水體淹沒面積達到全園水景總面積（19.73 hm2）的60%，有45 d達到全園水景總面積的80%，園區水系收集的場地內外源地表徑流較少。但在其他年份，園博會會期水體淹沒面積超過全園水景總面積60%的天數達99 d以上，超過80%的天數達88 d以上，園區內部水系收集的雨水徑流基本可以保證整個水體維持在比較穩定的狀態，滿足園博會會期水景觀的需求。
4 結論與討論
筆者依據海綿城市建設要求，通過SWMM軟體，構建園博會園區開發前後的雨洪管理模型，進行不同重現期下的情景模擬，並基於MIKE21進行雨水徑流最大流速與雨洪淹沒模擬，根據模擬結果將定性經驗判斷與定量數據分析結合，將可視化的數據轉化為規劃設計的依據要素，進而總結基於水安全目標的城市綠地水系設計方法，為相關區域的海綿城市建設提供理論支持。
4.1 整體設計方法總述
在進行城市綠地水系設計時，首先需要對場地現狀及其所面臨的雨洪問題進行分析，提出總體設計策略；再根據《城鎮內澇防治技術規範》（GB 51222—2017）及相關規範，結合氣象特徵確立雨水徑流控制目標，並對場地內外源徑流總量進行初步計算，確定整體水系的調蓄容積。其次，通過SWMM軟體構建研究區域開發前後雨洪管理模型，將水系設計對場地出流總量及峰值流量的消減、峰現時間的推遲進行量化分析，結合雨水徑流控制目標，與開發前研究區域雨水徑流控制能力進行對比，確保設計方案能夠滿足規範要求。最後，根據MIKE21水力分析模型的流速模擬、雨洪淹沒結果，確定水體的駁岸類型和匯水效果，保證水體的邊坡穩定，並能夠靠雨水徑流形成較大的水面面積。
4.2 分析與討論
1）SWMM模型可以實現對場地設計方案水文效應的評估，是對傳統以定性經驗及建設結果評估方案的風景園林設計過程的有效補充；通過MIKE21構建的水動力模型可以有效預見在不同降雨量條件下設計場地中易受衝刷區域及水景淹沒範圍，對水景規模、駁岸等的設計具有一定的參考價值。
2）在規劃設計之前需準確掌握場地內外部相關資料，以確保模型的準確度；此外通過SWMM及MIKE21軟體進行情景模擬的結果還需與後期現場徑流監測數據相校核，才能確保模擬結果精確可信。但由於目前條件所限，未能取得現場監測數據對情景模擬結果進行校核，這也是本研究未來努力的方向。
圖表來源：
圖1~2由王鈺、盧奕芸繪製；圖3~4由盧奕芸根據匯水分區劃分繪製；圖5~7由盧奕芸根據相應軟體進行情景模擬結果得出；表1為盧奕芸結合場地實際情況，參考《海綿城市建設工程技術規程》所得；表2~3為盧奕芸根據相應軟體情景模擬結果整理所得。
為了微信閱讀體驗，文中參考文獻標註進行了刪減，詳見雜誌。
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文章編輯 劉玉霞 王亞鶯
微信編輯 劉芝若
微信校對 王一蘭
審核 曹娟
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