海绵城市规划系统的开发与应用

第３１卷第１９期　中国给水排水　ＣＨＩＮＡ　ＷＡＴＥＲ＆ＷＡＳＴＥＷＡＴＥＲ　Ｖ０Ｊ．３ｌ　Ｎｏ．１９　０ｃｔ．２０１５　２０１５年１０月　海绵城市规划系统的开发与应用　陈　小龙　，　赵冬泉　，盛政　，　罗　睿　（１．北京清控人居环境研究　院有限公司，北京１０００８３；２．　北京清华同衡规划设计研究　院有限公司，北京１０００８５）　摘　要：　应用海绵城市规划系统，以年径流总量控制率为总体目标，在城市用地现状或规划　图的基础上，筛选各种不同用地类型的地块宜采用的低影响开发设施类型，确定各种设施的开发强　度及关键控制参数可选范围，采用蒙特卡洛随机算法，进行大量地块级设施布局规模及强度方案的　自动生成与控制效果计算，得到满足总体目标约束的可行方案集，根据当地实际情况，选择可行方　案，进行各个地块设施布局参数的人工微调，最终确定海绵城市建设优化规划方案。该系统的应　用，将极大地提高海绵城市规划设计的科学性和工作效率。　关键词：　海绵城市；低影响开发；年径流总量控制率；地理信息系统　中图分类号：ＴＵ９９２　文献标识码：Ｃ　文章编号：１０００—４６０２（２０１５）１９—０１２１—０５　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｐｏｎｇｅ　Ｃｉｔｙ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＣＨＥＮ　Ｘｉａｏ—ｌｏｎｇ　，ＺＨＡＯ　Ｄｏｎｇ　ｑｕａｎ　，　ＳＨＥＮＧ　Ｚｈｅｎｇ　一，ＬＵＯ　Ｒｕｉ　（１．Ｂｅｒｉｎｇ　Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｈｏｌｄｉｎｇｓ　Ｈｕｍａｎ　Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．．Ｂｅｒｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｂｅ　ｎｇ　Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｔｏｎｇｈｅｎｇ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅ　ｎｇ　１０００８５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｓｐｏｎｇｅ　ｃｉｔｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ｃａｐｔｕｒｅ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ａｎｎｕｍ　ｒａｉｎｆａｌ１．Ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｌｏｗ　ｉｍｐａｃｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ（ＬＩＤ）ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｌａｎｄ　ｕｓｅ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｃｉｔｖ　ｌａｎｄ　ｕｓｅ　ｏｒ　ａｒｅａ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｌａｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｏｎａｌ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｋｅｙ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ＬＩＤ　ｆａｃｉｌｉｔｙ　ｄｅｓｉｇｎ，Ｍｏｎｔｅ　Ｃａｒｌｏ　ｍｅｔｈｏｄ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｒａｎｄｏｍ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ｗｅｒｅ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｍａｓｓｉｖｅ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｕｎｏｆｆ　ｖｏｌｕｍｅ，ｔｈｅ　ｓｅｔｓ　ｏｆ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ｗｅｒｅ　ｇｉｖｅｎ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔａｒｇｅｔ．Ｔｏ　ｂｅｔｔｅｒ　ａｄａｐｔ　ｔｏ　ｌｏｃａｌ　ｌａｎｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，　ｋｅｙ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ＬＩＤ　ｆａｃｉｌｉｔｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｍａｎｕａｌｌｙ　ａｄｊｕｓｔｅｄ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　ＬＩＤ　ｆａｃｉｌｉｔｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｓｐｏｎｇｅ　ｃｉｔｙ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｉｍｕｌａ—　ｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｃａｎ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｃｉｅｎｔｉｉｃｉｆｔｙ　ａｎｄ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｗｏｒｋ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｐｏｎｇｅ　ｃｉｔｆｙ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｓｐｏｎｇｅ　ｃｉｔｙ；ＬＩＤ；　ｖｏｌｕｍｅ　ｃａｐｔｕｒｅ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ａｎｎｕａｌ　ｒａｉｎｆａｌｌ；　ＧＩＳ　由住房和城乡建设部组织编制的《海绵城市建　设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》　基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（２０１１ＺＸ０７３０１—００２）　第３１卷第１９期　中国给水排水　（以下简称《指南》）已于２０１４年１０月２２日发布实　施，为各地开展海绵城市建设提供了指导和依据。　《指南》明确了海绵城市的概念和建设路径，提出了　低影响开发（ＬＩＤ）的理念、低影响开发雨水系统构　城市规划范围各地块的用地类型及面积比例，通过　设置不同土地利用类型的低影响开发设施规模和开　发强度指标，以城市年径流总量控制率为约束条件，　采用蒙特卡洛随机抽样法，进行不同指标参数随机　建的规划控制目标分解、落实及其构建技术框架，并　指出海绵城市建设应以径流总量、径流峰值与径流　污染综合控制为目标，通过容积法、流量法或水量平　衡法等计算确定低影响开发设施总体规模，综合用　地性质、建设和改造难度、经济性等方面，统筹兼顾、　组合，形成百万个组合方案，按照《指南》的技术要　求，基于各个地块的抽样参数自下而上地汇总计算，　得到对应方案的总体控制目标，筛选出满足年径流　总量控制率要求的有效方案集合，由规划设计人员　通过对比，进行方案优选，并选择适宜方案对各个地　块的具体指标进行调整优化，获得最终规划方案，为　海绵城市建设中低影响开发设施的空间布局提供依　据。系统方案制定、筛选与优化流程见图１。　基础数据　控制目标　参数范围　因地制宜地将总体控制目标和设施规模逐层分解落　实到城市开发用地上。　由于海绵城市建设总体控制目标的实现依赖于　各地块可实施的低影响开发措施，而不同地块的低　影响开发设施的规模、强度和关键控制参数存在差　异¨０　Ｊ。如果不考虑各个地块之间的措施适用性差　下垫面解析数据　规划用地分布图　年径流总量控制率ｌ　总投资约束　设施建设比例　设施开发强度　异，采用统一的标准、规模及控制参数进行设施布　局，则方案将不具备可实施性；如果要充分考虑地块　之间的差异，则需要人工进行大量的方案组合与试　Ｉ低影响开发措施参数ｌ　设施规模约束　设施建设单价　Ｉ　广——　蒙特卡洛随机抽样计算　算，工作效率偏低，计算出错可能性较高，而且由于　人工试算的方案组合有限，可能会导致最优组合方　案未试算与筛选的可能性　。因此，亟需开发一个　通用的海绵城市规划系统工具，该系统需满足城市　用地分类、低影响开发设施选择与匹配、设施开发强　度及关键参数控制、大量方案自动采样计算、可行方　ｌ　足　无　Ｌ旦兰　一苎三至　ｔ　方案优选　Ｈ各地块具体指标Ｈ指导设施空间布局　案自动筛选等核心需求，并能对选定方案进行地块　级的参数调整优化，自动计算调整后的地块指标和　总体控制目标　。　图１　系统方案制定、筛选与优化流程　Ｆｉｇ．１　Ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ，ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｌａｎ　基于上述专业需求，北京清控人居环境研究院　自主开发了基于地理信息系统（ＧＩＳ）和低影响开发　１．２计算方法　在方案制定过程中，最关键的是地块调蓄容积、　调蓄雨量、年径流控制率的计算，本系统按照《指　南》的技术要求，采取容积法进行计算，保证了年径　理念的海绵城市规划系统（以下简称“系统”），解决　了地块级ＬＩＤ设施规模、布局与总体控制目标有效　对应的难题，为海绵城市规划提供高效、科学、便捷　的规划工具，确保海绵城市的总体控制目标有效分　解到各个地块。应用该系统，不仅可以辅助规划设　流控制率总体目标的准确计算　。　①调蓄容积计算　Ｖ＝Ｆ下沉式绿地６下沉式绿地　＋Ｆ绿色屋顶６绿色屋顶　＋　各地块的调蓄容积可通过以下公式计算：　Ｆ生物滞留设施６生物滞留设施＋Ｆ塘６塘＋　Ｆ透水铺装６透水铺装＋Ｆ植草沟６植草沟＋　计人员快速准确地得到可行方案，也可以借助ＧＩＳ　可视化工具进行设施参数的交互式调整，大幅提高　海绵城市规划设计的效率。系统主要功能包括方案　管理、地图操作、地块编辑、参数编辑、方案计算、结　果输出等。　∑　水桶　（１）　式中，　为地块调蓄容积，ｉｎ　；Ｆ为各低影响开　发设施的面积，ｍ　；６为各低影响开发设施的蓄水强　度（深度），ｍ；Ⅳ雨水桶为雨水桶的数量，个；Ｖｉ为雨水　桶的体积，ｉｎ　。　１方案制定流程及计算方法　１．１　方案制定流程　系统利用地理信息系统的空间分析功能，确定　・１２２・　陈小龙，等：海绵城市规划系统的开发与应用　第３１卷　第１９期　②调蓄雨量计算　②地块分类　利用容积法反算调蓄降雨量：　Ｈ－　（２）　系统可以对导入的地块数据根据关键字段进行　分类，支持不同类型的地块划分。针对地块的功能　划分和用地性质，结合城市总体规划和控制性详细　式中：日为调蓄降雨量，ｍｍ；Ｖ为设计调蓄容　积，１１１　；　为地块综合雨量径流系数；Ｆ为地块面积，　ｍ　。其中，地块综合雨量径流系数是利用各设施径　流系数的加权平均来计算的，其计算公式为：　＝规划，参考《指南》中用地类型划分，在系统中，将规　划地块概括为居住、公共管理与公共服务、商业服务　业、工业、物流仓储、交通设施、公用设施、绿地与广　场等８类用地，并可根据规划设计需求进行增加。　每一种用地类型进一步区分绿地、建筑、道路、开敞　（　绿地Ｆ绿地＋　下沉式绿地Ｆ下沉式绿地＋　绿色屋顶Ｆ绿色屋顶＋　普通屋顶Ｆ普通屋顶＋　生物滞留设施Ｆ生物滞留设施＋　广场Ｆ广场＋　塘Ｆ塘＋　荒地Ｆ荒地＋　透水铺装Ｆ透水铺装＋　空问和未开发用地等二级分类，结合实际用地状况，　在地块属性表中设置二级分类在各地块面积中所占　比例。　（３）　植草沟Ｆ植草沟＋　路面Ｆ路面）／∑Ｆ　③参数编辑　式中，　为各开发设施综合雨量径流系数；Ｆ　为各开发设施面积，ｍ　；ＥＦ为地块面积，ｍ　。　系统中低影响开发设施主要有下沉式绿地、绿　色屋顶、生物滞留设施、透水铺装、塘（池）、雨水桶　③年径流控制率计算　根据②中计算得到的调蓄降雨量，对照统计分　析法计算出的年径流总量控制率与设计降雨量的关　系曲线（具体计算方法参照《指南》中附录２），确定　各地块和规划区的年径流总量控制率。　等。对于不同用地类型的地块，结合二级分类比例、　设施的改造或建设可行性、设施造价、设施的可维护　性等因素，筛选和确定适合不同用地类型的低影响　开发设施和开发强度指标。同时，对于特殊地块，可　以人工优化和局部调整，确保总体目标实现和局部　特殊情况的协调，提高方案的可行性。　④目标设置与计算筛选　２系统关键功能开发　系统关键功能包括：地块地图的标准化导人、地　块分类、参数编辑、目标设置与计算筛选、成果输出　与专题图分析等。地块地图的标准化导人功能为方　案计算提供ＧＩＳ可视化的基础数据，地块分类功能　年径流总量控制率是海绵城市建设最重要的控　制目标，各地区应在《指南》中我国年径流总量控制　率五级分区的总体要求下，结合当地降雨、地形地貌　特点、建设和改造难度、经济能力等条件，因地制宜　地确定该地年径流总量控制率目标。方案计算筛选　以年径流总量控制率为主要约束条件，采用蒙特卡　洛随机抽样法，计算出有效方案，并结合人工优化，　最终确定最优方案，计算筛选方法和流程参见图１。　⑤成果输出与专题图分析　方案成果可以通过结果表和专题图等多种形式　为设施选择和规模控制提供分类依据，参数编辑功　能保证了属性数据和开发参数的录入及修改，目标　设置与计算筛选功能确保了方案总体目标的实现，　成果输出与专题图分析功能为方案结果的展示、分　析和评估提供实现途径。　①地块地图的标准化导人　为了提高数据录入和管理效率，系统数据需统　一标准。原始图纸数据在数字化（拍照或扫描等）　和坐标校正后，以背景图片形式添加到系统中，用户　输出。结果表包括各地块的开发设施种类、规模、强　度、年径流总量控制率、控制容积、设施建设估价等。　结果数据也可在系统中通过标注、分级渲染等ＧＩＳ　可以在系统中根据背景图片进行地图编辑，并批量　录入基础信息、开发指标信息等地块属性。ＣＡＤ格　式数据可以在ＧＩＳ工具中转化后，导入到系统数据　库中。系统同时提供Ｓｈａｐｅｆｉｌｅ、Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ等格式　的ＧＩＳ数据导人，并建立原有属性数据与标准数据　的映射关系。数据经过标准化，可以使地块数据在　系统中可视化显示，用于编辑和设置各类参数，方便　专题图方式直观显示或出图。系统输出的方案结果　可作为海绵城市规划、建设、评估和管理的依据。　３系统应用　某市拟在如图２所示区域内开展海绵城市建设　示范，覆盖面积为１５．８　ｋｍ　，地块数量为７５２个，该　规划区用地类型划分为居住（Ｒ）、公共管理与公共　下阶段的评估计算和方案确定。　・服务（Ａ）、商业服务业设施（Ｂ）、工业（Ｍ）、物流仓　１２３・　陈小龙，等：海绵城市规划系统的开发与应用　第３１卷　第１９期　沉式绿地率为下沉式绿地面积占地块绿地总面积的　比例，绿色屋顶率为绿色屋顶面积占总屋面面积的　行性。　４结论　比例，透水铺装率为渗透铺装面积占硬化路面的比　例，植草沟率为植草沟面积占道路用地面积的比例，　生物滞留设施率为生物滞留设施面积占开敞空间面　积的比例，各类用地和规划区年径流总量控制率根　据相应调蓄容积与覆盖面积计算调蓄降雨量后，查　图３的对应关系获得。　表１　各类用地低影响开发结果统计　Ｔａｂ．１　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｉｍｐａｃｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　基于ＧＩＳ技术开发的海绵城市规划系统具有操　作简单、界面友好、数据分析和展示功能强的特点。　目前，该系统已应用于数十个海绵城市建设试点规　划和申报工作，取得了良好的效果，并可为下一步建　设项目管控提供依据。该系统的应用和推广为海绵　城市规划设计提供了可靠的技术和工具支持。　参考文献：　［１］邢薇，赵冬泉，陈吉宁，等．基于低影响开发（ＬＩＤ）的　可持续城市雨水系统［Ｊ］．中国给水排水，２０１１，２７　（２０）：１３—１６．　下沉　绿色　透水　植草　生物　雨水　总控制　年径流　用地　式绿　屋顶　铺装　沟率　滞留　桶数　容　总量控　投资／　类型　地率　彭　瘴．／　／％　设施　量／　制　万元　／％　％　％　Ｒ　４１　Ｂ　２１　０　２８　６　Ｏ　５５　０　％　个　ｍ　％　３２　３　２７５　１１８　１０９　８８．３　７１　２０５　０　０　６８２　９　０９６　５２．４　８　４２６　４９３　５　４５７　５５．４　３　０７８　［２］　车伍，张伟，李俊奇，等．中国城市雨洪控制利用模式　研究［Ｊ］．中国给水排水，２０１０，２６（１６）：５１—５７．　［３］　王琼珊，刘晓梅，赵冬泉．低影响开发措施比选及适建　区域分析［Ｊ］．中国给水排水，２０１４，３０（３）：９６—１００．　［４］　王琼珊，赵冬泉，王浩正．基于动态模拟的城市低影响　开发规划流程探讨［Ｊ］．中国给水排水，２０１２，２８　（１５）：４１—４４．　Ｍ　７２　０　４２　０　Ａ　４０　６　６２　０　Ｇ　１９　０　７８　０　Ｓ　４３　０　９０　０　Ｕ　４７　０　８５　０　Ｗ　４１　Ｏ　５０　０　５０　１　００７　３４　３ｏ４　８６．７　３６　２０９　０　０　５７　０　０　１１５　９８３　９８．６　２８　６１２　６５　０　９６　２　３２８　４　３３２　９６６　８５　９８　５３．２　２　７７５　６　６０３　３８４　合计　５　６１８　２９０　５７５　８５．３　１５７　２９２　［５］　李俊奇，孟光辉，车伍．城市雨水利用调蓄方式及调蓄　容积实用算法的探讨［Ｊ］．给水排水，２００７，３３（２）：４２　—由表１可知，商业和服务业用地、工业用地、物　流仓储用地由于建筑密度大，不透水比例高，雨水控　制难度较大，设施建设难度较大，年径流总量控制率　在５５％左右。居住用地、公共管理与公共服务设施　４６．　用地、道路和交通设施用地的绿地率较高，存在一定　的开敞空间，设施改造和建设难度相对较低，通过多　种措施的组合使用，地块年径流总量控制率普遍达　到了８５％以上。绿地与广场用地、公用设施用地，　绿地率和开敞空间极大，本身具有较大的调蓄能力，　通过简单的改造和建设，即可使年径流总量控制率　达到９５％以上。该方案各类设施总投资约为１５．７３　亿元，年径流总量控制率达到了８５．３％，满足８５％　的控制要求。　基于计算机优选方案，下一步可根据各地块，尤　其是一些特殊地块的具体情况，对各个地块的设施　种类、规模、开发强度等具体参数进行合理的人工调　整，深化规划方案，确保方案的合理性、科学性和可　作者简介：陈小龙（１９８８一　），男，安徽合肥人，　硕士，工程师，　主要从事城市排水防涝、　污染控制的研究与规划设计工作。　Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｘｌ＠ｄｉｇｉｔａｌｗａｔｅｒ．ｃｎ　收稿日期：２０１５—０３—１１　・１２５・