NbS在城市雨洪韧性规划中的应用研究.pdf

53NbS在城市雨洪韧性规划中的应用研究Study on the Application of Nature-based Solutions in Planning for Urban Rain and Flood Resilience摘 要：城市雨洪灾害的产生与气候变化、土地利用、防洪排涝基础设施空间布局等密切相关。大量研究证实，单一依靠市政改造雨水管网的传统做法工程成本高、改造难度大，实际效果不理想。而基于自然的解决方案(Nature-based Solutions，NbS)倡导对生态系统的最小干预，将灰蓝绿基础设施有机结合，为城市雨洪韧性规划提供了一种新思路。采用“理论研究+应用案例”相结合的方法，首先分析了将NbS理念应用到城市雨洪韧性规划中的切入点，提出NbS视角下城市雨洪韧性规划的一些思考；其次，应用MIKE FLOOD模型，对场地雨洪风险进行评估；最后，结合应用案例特点，以堤防岸线、水系网络、水位管理为抓手，阐述了NbS理念在城市雨洪韧性规划中的具体方案。结果表明，NbS视角下的城市雨洪韧性规划方案具有可行性，以期共同推动NbS实施行动。关 键 词：风景园林；基于自然的解决方案；雨洪韧性规划；规划策略；MIKE FLOOD模型Abstract:The occurrence of urban rain and flood disasters is closely related to climate change,land use,the spatial distribution of flood control and drainage infrastructure.A large number of existing facts indicate that the traditional method of planning that relying solely on the municipal storm water pipe network has high engineering cost and great difficulty in reconstruction,whose actual effect is not ideal.The Nature-based Solutions(NbS),which advocates minimal intervention to the ecosystem and combines grey-blue-green infrastructure,provides a new planning idea for urban rain and flood resilience.This paper adopts the research method of theory research+application case.Firstly,the way of the application of NbS to planning for urban rain and flood resilience is analyzed,with some planning thoughts for establishing urban rain and flood resilience.Secondly,the paper uses MIKE FLOOD Model to evaluate the flood risk of storm water.Finally,combining with the characteristics of the application cases,the concrete scheme that integrates NbS into planning for urban rain and flood resilience is expounded,which is mainly based on dike shoreline,water network and water level management.The results show that planning for urban rain and flood resilience can be feasible from the perspective of NbS.This paper aims to play a role in promoting the implementation of NbS in China.Keywords:landscape architecture;Nature-based Solutions;planning for rain and flood resilience;planning strategy;MIKE FLOOD Model戴 伟刘博新*DAI WeiLIU Boxin文章编号：1000-6664(2023)07-0053-06DOI：10.19775/j.cla.2023.07.0053中图分类号：TU 986 文献标志码：A收稿日期：2022-09-01修回日期：2023-02-01基金项目：浙江省自然科学基金项目“多情景扰动下道路网络韧性之机理及度量方法研究以浙江省城际道路网络为例”(编号LQ22E080016)、国家自然科学基金青年项目“养老机构失智老人疗愈性庭园设计导则：基于循证设计理念”(编号51708498)和国家自然科学基金面上项目“河网城市土地开发的水质效应、评估方法与规划应用”(编号52278083)共同资助*通信作者(Author for correspondence)E-mail:近年来，以优化市政雨水管网为主要切入点的城市防洪排涝工作取得了丰硕成果。然而，全球气候变化与快速城市化加剧了城市雨洪灾害发生的概率，导致中国未来防洪排涝工作仍然面临着巨大挑战1-3。因此，将蓝绿基础设施和灰色基础设施相结合，从源头上系统地对城市雨洪进行分散控制确有必要。在此背景下，一种基于自然的解决方案(Nature-based Solutions，NbS)被世界自然保护联盟(IUCN)、欧盟(EU)和世界银行(The World Bank)等组织提出4-5。现有文献中，NbS的研究热点主要包括评估指标构建、评估流程制定和社会政治可持续发展等6-10。中国基于NbS的雨洪管理研究还处于起步阶段，且多为概念辨析、国外案例评述、生态系统评估和对我国规划的启示等11-13。例如，周伟奇等对戴伟，刘博新*.NbS在城市雨洪韧性规划中的应用研究.中国园林，2023，39(7)：53-58.54中国园林/2023年/第39卷/第7期城市内涝与NbS的结合进行了综述14；林伟斌等阐述了NbS对我国城市适应性转型的启示15。在2019年联合国气候变化峰会(UNFCCC)上，我国被确定为全球实施NbS行动的2个牵头国家之一4。然而，如何将NbS理念应用到城市雨洪韧性规划之中，尚缺乏系统深入的研究。基于上述思考，本文以阐述NbS理念在城市雨洪韧性规划应用中的切入点为基础，结合“场地现状分析-雨洪风险评估-雨洪韧性规划-规划效果评估”的技术路线，将“师法自然”的理念与MIKE FLOOD雨洪模拟技术相结合，从堤防岸线、水系网络和水位管理3个方面提出NbS在城市雨洪韧性规划中的应用策略，并以实证案例展开论述。1 NbS理念在城市雨洪韧性规划应用中的切入点NbS为城市雨洪韧性规划提供了一种新思路。相比于传统的雨洪规划，NbS视角下的城市雨洪韧性规划更凸显“师法自然”这一核心思想，倡导对生态系统的最小干预，维持或改善原有生态系统，顺应水文机制，将城市灰色基础设施与绿色、蓝色网络有机结合，增强城市对雨洪灾害扰动的削减和适应能力，将雨洪灾害扰动对城市的影响控制在可接受的范围，维持其核心功能，提高城市对雨洪灾害扰动的韧性。笔者认为，NbS理念在城市雨洪韧性规划中的应用可从以下4个关键点切入。1)立足长远发展。NbS视角下的雨洪韧性规划，首先应从生态环境和社会发展的长远利益考虑，遵循生态系统的演进规律和生态优先原则，尽量避免对生态系统的干扰；倡导整个场地的低影响开发，减少城市开发与市政基础设施建设对水文环境的扰动；将蓝绿网络与灰色基础设施有机结合；对生态资源进行必要重组，充分发挥自然的力量，让自然做功，改善生态环境，提升生态系统的服务效能；从源头消减、过程疏导、末端治理等全过程改善城市雨洪环境，提升城市应对气候变化的适应能力。2)“点线面”协同。NbS视角下的雨洪韧性规划，强调点、线、面相结合，充分利用自然形成的雨水干廊、支廊、毛细廊，构建以水为媒、多尺度、立体化的生态基础设施，提高水文连通性。这里的“点”指绿色屋顶、小型雨水花园、生物滞留池等点状空间；“线”指生态化河道、自然岸线、顺应水文机理的道路、防洪大堤两侧的缓冲区等线状空间；“面”指公园、绿地、湿地公园和生态斑块等面状空间。通过多层级生态基础设施的建设，优先利用自然排水路径限定雨流去向，让雨洪就地渗、滞、蓄、净，减小地表径流量和径流速度，减缓城市雨洪压力。3)保护和修复并举。NbS视角下的雨洪韧性规划，遵循自然规律，倡导保护和修复并举；发挥下凹式绿地、生态植草沟、屋顶绿化、透水铺装等小尺度设施的调控作用，实现生态系统的自我修复功能；采用人工环保技术，在大尺度上将潜在的生态斑块、生态踏脚石等节点联系起来，加强自然水体、行泄通道、调蓄池、多功能调蓄水体等水系的相互连通；加强修复与保护的针对性、关联性、系统性和协同性；大力协同蓝绿灰等基础设施的功能，优化用地布局，让蓝绿开放空间功能多样化。4)全过程全要素。应将场地的全要素融入“场地现状分析-雨洪风险评估-雨洪韧性规划-规划效果评估”的规划全过程中。通过调研历史数据与现场踏勘，充分理解场地的地形地貌、水系、湿地等生态系统现状及其历史变化趋势；预测未来可能发生雨洪风险的主要场所，辨识场地存在的问题。立足于自然基底，顺应生态系统的动态演变，积极利用生态系统的服务功能，因地制宜地协同自然与工程手段。NbS视角下的雨洪韧性规划方案应以堤防岸线、水系网络和水位管理为重点。在堤防岸线中，基于岸线特征评估结果，对岸线进行分段规划设计；因地制宜地运用生态材料，创造多样化的水陆交界面；适当退缩岸线，修复滩涂地，扩大雨洪缓冲范围。在水系网络中，结合自然雨水廊道的识别结果，规划水系廊道、调蓄湖和湿地斑块；提高蓝绿网络密度和关键节点之间的连通性；恪守生态红线，实现场地低影响开发。在水位管理中，利用自然地形高差形成的势能，对场地水位进行精细化调节；加强水位预警，在特大暴雨来临前，将内河涌水位降低到常水位以下，以扩大场地的蓄水容量。2 案例研究选取广州琶洲中东区(占地面积5.2km2，以下简称“场地”)为实证对象。该场地位于珠江前航道和广州的黄埔涌之间。根据广州市建设国家中心城市的目标，未来场地将被打造成为与珠江新城、国际金融城并列的广州大CBD地区，成为广东省最具活力、动力和魅力的经济引擎。结合案例研究，进一步详细阐述NbS在城市雨洪韧性规划应用中的特点。2.1 场地现状分析场地被珠江前航道、黄埔涌环绕(图1)，平均高程约为8.30m(广州基础高程，下同)，土地沉降23mm/年，外围堤坝平均高程为8.36m(图2-1)。现有绿地呈散片状分布，场地内有3条主要水系(图2-2)，雨水管网已部分建成(图2-3)。珠江前航道和黄埔涌的水位变化、河床侵蚀和城市开发影响了外河道与堤防形态。通过区域地理资料分析、卫星图解译和场地实际勘探发现，部分河段“束水归槽”现象严重(图2-4)。2.2 雨洪风险评估根据场地控制性详细规划16(图3，以下简称控规)防洪规划雨水工程规划17等上位规划要求，防洪排涝标准设定为200年一遇。本 文 在 雨 洪 风 险 评 估 中 应 用 了 M I K E FLOOD模型，模型运作流程如图4所示。MIKE FLOOD模型由于其强大的推演功能，在雨洪情景模拟与分析研究中得到了广泛应用。例如，Tansar等基于MIKE FLOOD模型对泰国平河洪涝影响进行了评估18；Asta等利用MIKE URABN模型，对雷克未雅克(Reykjavik)中心城区地表径流和管网负荷进行了评估19；Ramteke等应用MIKE SHE模型，研究了保护措施对岸线水文的影响20；Liang等模拟了溃堤条件下的洪水演进情况21；王川涛等利用MIKE FLOOD模型模拟了200年一遇暴雨情景下的积水深度与积水时间22；高鹏等则采用MIKE FLOOD模型分图1 场地现状鸟瞰55中国园林/2023年/第39卷/第7期珠江2021年外河道边界外河道水文数据观测点场地水文数据观测点O1W1O1W1W3W2O22018年外河道边界2010年外河道边界流速快、深槽外河道段05001000mN析了辉发河干流的可能受淹区23。在本案例中，通过将边界条件及参数、河网数据、河道断面数据等输入MIKE FLOOD模型得到重要物理参数，包括河道水速、河道高潮水位、河道水流向、场地积水深度和场地24h管网累积流量等。选取2021年7月2830日大雨期间场地实测水速数据来率定模型参数。将河网数据、河道断面数据、高程数据、雨水管网数据、土地利用和降雨量等场地实测数据输入MIKE FLOOD模型，反复调整模型中表征河床和边壁水流阻力的重要参数糙率系数(曼宁系数)，直至模型的模拟输出值与实际测量曲线具有较高的贴近度。结果发现，当河床糙率调整到0.035时，实际测量的水速和模型模拟输出值之间达到了最好的拟合(图5)，最大误差为8.1%。通过计算得到纳什效率系数(Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient，NSE)为0.70。为了验证模型的可信度，将2022年 7月14日“暹芭”台风登陆广东时的场地实测数据和率定后的河床糙率0.035输入模型，发现模型的模拟输出与实际测量之间的误差均在10%以内(表1)，说明模拟结果与实际情况较为符合，模型具有较高的可信度(场地编号分布见图2-4)。根据上位规划要求，雨洪风险评估基于“200年一遇特大暴 雨+200年一遇高潮洪水+2100年海平面”的情景，MIKE FLOOD模型的输入参数如下。以广州市水务局中山站、琶洲站19902020年的实测数据为基础，利用芝加哥雨型生成器计算后得到200年一遇特大暴雨24h降雨量为252.4268.7mm，本文取上限值。200年一遇潮水珠江前航道、黄埔涌高潮位分别为8.35和8.38m，200年一遇潮水河道点水速为9.5m/s(珠江前航道)和9.7m/s(黄埔涌)。2100年海平面上升100210mm24，本文取上限值。河床糙率经模型率定为0.035。根据室外排水设图2 场地现状分析(2-1 高程；2-2 绿地和水系；2-3 雨水 管网；2-4 外河道形态变化)图3 场地控制性详细规划16图4 MIKE FLOOD模型运作流程图5 2021年7月2830日场地O1点实测水速与模拟水速对比2-12-42-22-33河网数据(River Network)模拟时间序列(Simulation)河床糙率(Bed Resist)降雨条件(Precipitation)B.河道水速A.河道高潮水位D.场地积水深度E.场地各类土地蓄水量F.场地24h管网累积流量输入MIKE FLOOD 组合模型输出MIKE 11城市水系模型MIKE URBAN+MIKE 21 市政雨水管网+地表漫流模型C.河道水流向河道断面数据(Cross Section)边界条件及参数(Boundary)河道水文条件(Hydrological Parameter)土地利用数据(Land Use)雨水管网数据(Pipe)高程数据(DEM)土地利用C(Land Use C)土地利用A(Land Use A)土地利用B(Land Use B)土地利用D(Land Use D)河道高程数据(River DEM)地表高程数据(Surface DEM)土地利用径流系数(Runoff)4556中国园林/2023年/第39卷/第7期计标准(GB 500142021)25，土地利用径流系数取水域1.0、道路0.75、耕地水田0.50、裸地0.30、防护绿地或公共绿地0.15，考虑到场地的地理位置对源头减排雨水系统的作用和未来雨洪韧性需要适度冗余的性质，商务用地(商业用地/交通设施用地/文化设施用地/安全设施用地)的径流系数取0.90+0.05。河网数据通过现场调研经网络概化后得出(规划后的数据来自叠合控规与场地水系网络规划的数据，经网络概化后得出)。河道断面数据和高程数据以测量地形图为基础，利用CAD、ArcGIS软件绘制后得出。土地利用数据通过现场调研得出。现状雨水管网数据来自雨水管网图(图2-3)，规划后的数据来自场地雨水工程规划17。将以上数据输入MIKE FLOOD模型，得到场地积水深度分布、雨水管网24h累积流量等模拟结果(图6)。从模拟结果可以看到，场地现状在面对“200年一遇特大暴雨+200年一遇高潮洪水+2100年海平面”的情景下，主要存在如下问题：1)内河涌水系网络密度低，内河涌、行泄通道、调蓄池、调蓄水体等水系的连通性差，中心区排水管道24h内累计流量大，拥堵管道(24h累积流量750m3/h)长度占38.4%，分布较分散；2)积水深度在0.300.50m的面积占场地总面积的32.5%，积水现象较为严重；3)场地现状可蓄水量远小于200年一遇24h降雨量，随着未来城市化的推进，硬质化的地面将使这个差距进一步增大。2.3 NbS理念在城市雨洪韧性规划中的应用NbS理念在本案例中的应用，主要体现在堤防岸线、水系网络和水位管理3个方面。2.3.1 堤防岸线堤岸系统包括大堤外侧河床、大堤及大堤内侧缓冲区，具有重要的防洪与维持生物多样性的意义。结合“200年一遇特大暴雨+200年一遇高潮洪水+2100年海平面”的情景模拟，基于雨洪脆弱性(岸线100m内缓冲区受淹面积比例)、冲淤度(10年内河面宽度增加或减少量占原河道宽度的比例)、缓冲距离(建筑到河岸的平均距离)等客观数据，从防洪需求、河道冲淤和预留用地等方面对岸线进行评估(图7，表2)。针对岸线现状的评估结果，对岸线进行分段规划。因地制宜地退缩岸线，扩大缓冲，修复滩涂地；在综合考虑堤段所在位置的土地沉降、坡度、河道冲淤等自然条件和城市景观需求的基础上，采用相应的大堤截面形态。具体措施如下。1)EFG、GHI岸线段位于场地岛尖的最前端，受三角洲河口间断式水沙运输作用明显，河道冲刷大，总体防洪要求高，预留用地紧张。规划对岛尖滩涂地进行修复，培育耐淹植物群落，利用日均外河道水位的变化，将珠江三角洲河口营养物输送到土体表面，建立生态栖息图6 场地雨洪风险预测(6-1 积水深度分布；6-2 雨水管道24h累积流量)图7 场地堤岸条件评估结果(7-1 防洪需求；7-2 河道冲淤；7-3 预留用地)表2 堤岸评估指标因子量化测度评估等级防洪需求雨洪脆弱性60%高40%雨洪脆弱性60%中雨洪脆弱性40%低河道冲淤冲淤度5%冲刷-5%冲淤度5%稳定冲淤度-5%淤积预留用地平均缓冲距离10m紧张10m平均缓冲距离30m中等平均缓冲距离30m充裕表1 2022年7月14日场地实测数据与模拟数据对比积水点编号模拟积水深度/m实测积水深度/m误差/%外河道编号模拟河道水速/(m/s)实测河道水速/(m/s)误差/%W10.120.119.1O18.57.89.0W20.180.20-10.0O27.68.2-7.3W30.290.32-9.4注：误差的计算方式为“(模拟值-实测值)/实测值”。6-17-17-36-27-257中国园林/2023年/第39卷/第7期放到外河道，增加内河涌的蓄水容量。2)通过设置起调水位、预降水位、泄洪最高控制水位等，保障内河涌水位高度在规定的区间内。当外河道水位高于内河涌预警水位，通过泵站抽排，将内河涌水位降低至安全水位以下。2.4 规划效果评估应用MIKE FLOOD模型，模拟“200年一遇特大暴雨+200年高潮洪水+2100年海平面”情景，规划前后对雨洪灾害的处理能力如 图6-1、10所示。通过对比可知，NbS理念在场地雨洪韧性规划中的应用使场地蓝绿网络得到了明显的优化。绿地率从12.4%提高到16.2%，水面率从7.3%提高到9.6%，水系网络密度从4.3km/km2提高到4.8km/km2。场地绿色网络峰值蓄水体积占比从10%提高到23.3%(图11)，极大地缓解了雨水管网的排水压力，使最高峰时刻城市平均积水深度从0.27m下降至0.06m，积水深度在0.30.5m的面积明显减少。同时，由于增加了若干人工调蓄湖、湿地公园、内河涌和绿化带，不仅提高了城市排涝能力，更为城市提供了景观游憩、慢行交通等多功能生态服务，进一步提升了空间品质和土地利用的经济效益。3 结语虽然NbS理念在城市雨洪韧性规划中的应用还处于初步探索阶段，但已显示出良好的发展前景。NbS视角下的城市雨洪韧性规划，突出顺从自然环境、发挥生态系统服务功能的核心思想，为城市雨洪韧性规划提供了新的思路。本文结合对场地的实证研究，得到以下3点启发。1)立足长远规划、“点线面”协同、保护和地。EF、HI段的大堤形态采用多级斜坡式堤型。FGH段可设置生态丁坝堤型。大堤内侧设置缓冲区，种植具有地域特色的树木花草，促进雨水就地渗、滞、蓄。2)BCD、JKL岸线段虽然受珠江外河道冲刷，但预留用地总体充裕，且处于中央商务区，是展示未来城市形象的窗口。结合中心商务区的功能需求，大堤形态采用超级堤型，内侧连接高密度中心商务区的地下空间，大堤外侧的阶梯式挡水坡对风浪起到缓冲作用。3)AB、LM等岸线段的水位条件相对稳定，且具有一定预留用地，可选用下段直、上段斜的混合堤型。4)在各类堤型的堤顶规划快行和慢行廊道，提供自行车、慢跑和漫步等可多功能场地。堤岸内侧种植灌木、乔木，不仅可以作为特大洪水来临时的缓冲地带，发挥防洪功能，平时还可以作为滨海休闲区，彰显河口景观风貌。2.3.2 水系网络顺应自然是NbS城市雨洪韧性规划的核心。本案例运用DEM 8单流向分析法进行水文分析，利用ArcGIS软件识别雨水径流自然廊道并进行分类(图8)。在此基础上，规划场地内河涌网络、调蓄湖和湿地斑块，以提高水系网络的密度和关键节点之间的连通性(图9)，主要措施如下。1)顺应水系自然流向，构建“点线面”结合的鱼骨式蓝色网络。以现有内河涌、湖泊、洼地、沟塘等为基础，结合图6和图8的分析，对积水深度较深、积水面积较大的地块，结合周边土地功能规划，综合考虑防涝需求，拓宽和加深原有内河涌。新增一个绿地公园A(图9)并增加原有人工湖的面积，扩大蓄水容量。在一些水系图8 场地地表自然径流模拟图9 场地水系网络系统规划示意图10 场地规划后积水深度模拟流动“梗断”且周边积水深度较大的区域，顺应雨水自然流向，新增内河涌BW、NOV、ML、KJ、OP(图9)，连接原有水系，提高网络连通性。所有河涌两岸配以宽15m的河岸绿化带，促进雨水就地渗、滞、蓄。通过新增内河涌、调蓄湖等与原河涌连通，弥补了蓄水容量的不足，提高了水系网络的连通性和网络密度。同时，对调蓄湖、绿地公园和内河涌等进行生态重塑，营造河道顺畅、绿树连绵、景观优美的水系生态环境，提高城市空间品位。2)优化排水路径。将雨水径流廊道分为3级：一级雨水径流廊道是在大暴雨时形成的地表径流；二级雨水径流廊道是雨季时形成的季节性水沟；三级雨水径流廊道是常年有水的内河涌。根据功能的不同对不同等级雨水廊道进行分类规划：一级雨水廊道以收集地块附近的雨水为主，兼有生态涵养功能；二级雨水廊道兼有蓄滞和净化污水的功能；三级雨水廊道是雨洪排放的主渠道，兼有景观游憩、慢行交通等功能。按照就近就地排放原则，合理划分汇水单元，优化“汇水节点一、二、三级雨水廊道市政排水管网外江水道”的排放路径，延长雨水在地表的自然径流过程，降低径流峰值，净化面源污染。2.3.3 水位管理利用地形高差形成的势能，将自然做功与工程做功相结合，对场地水位进行调节；加强水位预警，在特大暴雨来临前，将内河涌水位降低到常水位以下，扩大场地的蓄水容量。主要采取的规划措施如下。1)在大暴雨来临前，通过打开连接场地内河涌与珠江、黄埔涌间的水闸系统，利用场地内部水位高于外河道水位的势能差，将河涌中的水排891058中国园林/2023年/第39卷/第7期作者简介：戴 伟1991年生/男/浙江杭州人/博士/浙大城市学院国土空间规划学院建筑系讲师，硕士生导师/研究方向为雨洪韧性城市设计(杭州 310015)刘博新1983年生/男/浙江杭州人/博士/浙江工业大学设计与建筑学院讲师，硕士生导师/研究方向为康复景观、风景园林循证设计(杭州 310023)参考文献：1 胡庆芳，张建云，王银堂，等.城市化对降水影响的研究综述J.水科学进展，2018，29(1)：138-150.2 车伍，闫攀，赵杨，等.国际现代雨洪管理体系的发展及剖析J.中国给水排水，2014，30(18)：45-51.3 Meyer H,Nijhuis S,Bobbink I.Delta Urbanism:the NetherlandsM.Routledge,2017:15-18.4 IUCN.Global Standard for Nature-based SolutionsR.Gland:IUCN,2019.5 The Word Bank.Biodiversity,Climate Change,and Adaptation:Nature-based solutions from the World Bank PortfolioR.Washington,D.C.:World Bank,2008.6 Calliari E,Staccione A,Mysiak J.An Assessment Framework for Climate-Proof Nature-Based SolutionJ.Science of the Total Environment,2019,656(2):691-700.7 Randrup T B,Buijs A,Konijnendijk C C,et al.Moving Beyond the Nature-Based Solution Discourse:Introducing Nature-Based ThinkingJ.Urban Ecosystems,2020,23(4):919-926.8 Nesshover C,Assmuth T,Irvine K N,et al.The Science,Policy and Practice of Nature-based Solutions:An Interdisciplinary 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