应对暴雨内涝的城市韧性研究

本书从城市韧性理念视角出发，探索暴雨内涝产生发展过程与城市物质空间环境之间的耦合机理与作用关系，从空间设计、环境优化的角度提出应对暴雨内涝的方法体系。选题突破现有暴雨内涝研究排水系统、雨洪管理等内容范畴，解析城市韧性、空间环境与暴雨内涝之间的关联机理，从而提出具有操作性的设计方法，为城市暴雨内涝应对提供解决途径。

本书基于城市韧性理念建立解决暴雨内涝重大问题的空间规划途径。深入探索暴雨内涝与物质空间环境的韧性耦合机理，建立应对暴雨内涝的建成环境韧性理论模型和评价体系。综合GIS平台、人工智能、仿真模拟等技术，跨学科研究划定应对暴雨内涝的建成环境韧性单元。以京津冀典型地区建成环境为实证研究对象，解析建成环境韧性类型谱系并进行韧性区划；开展暴雨内涝扰动影响的仿真模拟，从空间形态控制参数和环境优化设计策略角度归纳应对暴雨内涝的建成环境韧性设计原理和方法体系。

王峤，博士，博士生导师，天津大学建筑学院副教授，城乡规划系副主任，国家注册城乡规划师，新加坡国立大学访问学者，天津大学北洋青年骨干教师。自然资源部高层次科技创新人才工程（国土空间规划行业）青年科技人才、天津市青年科技工作者协会“优秀青年科技工作者”。获天津大学沈志康奖教金、天津大学第二十三届“十佳杰出青年（教工）”优秀教书育人奖、天津大学黄大年式教师团队等荣誉。中国城市科学研究会韧性城市专业委员会委员，天津市规划和自然资源领域科技专家，天津市城市规划学会理事，天津市城市规划学会理论与学术工作委员会副主任委员及秘书长、生态与韧性规划专业委员会委员、青年工作委员会委员，城乡规划专业（智能城市与智能规划方向）*虚拟教研室成员。主要科研方向为城市韧性、城市综合防灾减灾、生态城市规划与设计等。近年来主持纵向科研项目13项，其中国家和省部级以上项目共6项；参加纵向项目共21项，其中国家和省部级以上科研项目14项。主编及参编书籍12部，发表学术论文50余篇。论文获奖7项，指导学生获得国际国内城市规划类竞赛奖20余项，科研成果获厦门市科学技术进步奖，设计成果获中国土木工程詹天佑住宅小区金奖、天津市优秀城乡规划设计一等奖等9项。

1 绪 论 001

1.1 城市韧性研究的重要使命 002

1.2 韧性理念的起源与发展 004

1.3 当前的城市韧性研究概况 007

2 城市韧性的定义与基本属性 019

2.1 城市韧性的定义 020

2.2 城市韧性与相关概念辨析 022

2.3 城市韧性研究中的基本理论 025

3 暴雨内涝的相关研究基础 029

3.1 国内外应对暴雨内涝的相关研究 030

3.2 城市雨水管理相关概念辨析 031

3.3 国内外应对暴雨内涝的规划与实践 034

4 建成环境与暴雨内涝的韧性耦合研究 049

4.1 基于全周期过程和多层次目标的耦合机理研究 050

4.2 从“暴雨事件”到“内涝灾害”的全周期过程解析 051

4.3 应对暴雨内涝的城市建成环境韧性理论模型 056

5 应对暴雨内涝的建成环境韧性单元划定 063

5.1 基于多学科的韧性单元划分标准 064

5.2 基于京津冀典型区域的韧性单元实证研究 072

5.3 应对暴雨内涝的韧性单元划定方法 094

6 应对暴雨内涝的建成单元韧性类型谱系 105

6.1 应对暴雨内涝的建成环境韧性类型研究 106

6.2 应对暴雨内涝的建成环境韧性等级区划研究 148

6.3 应对暴雨内涝的建成环境韧性空间格局特征 175

7 基于仿真模拟的建成环境韧性提升策略 183

7.1 研究对象韧性现状解析 185

7.2 城区级韧性提升策略 201

7.3 街区级韧性提升策略 218

7.4 街区级韧性优化方案与模拟验证 234

8 结 语 245

8.1 城市韧性的系统性研究 246

8.2 城市韧性的实效性研究 247

8.3 城市韧性的制度性研究 248

参考文献 250

附 录 256

后 记 275

序21世纪以来，中国城镇化在取得辉煌成就的同时，也面临着生态环境恶化、资源和能源几近枯竭、人地矛盾不断加剧等诸多城市问题。尤其是以暴雨内涝为代表的城市灾害问题，造成了重大的经济损失和人员伤亡，引发了社会的广泛关注。目前国家对城市安全问题日益重视，应对以城市灾害为主体的突发性公共事件，构建有效应对极端气候灾害的城市系统，迅速提升城市的韧性水平，已成为包括城乡规划领域学者在内学术界的一项重要任务。本书是在国家自然科学基金的资助下所完成的一项阶段性研究成果。城市韧性概念起源于加拿大，西方学术界对城市韧性的研究已经持续了几十年，涵盖了概念、属性、机理、评价体系、策略等方面的内容。近年来，韧性城市建设日益受到我国的重视，并作为“十四五”规划的一项重要内容。目前，提升城市韧性已经成为贯彻生态文明思想的重要内容，构建韧性城市也成为城市可持续发展的重要路径。尽管如此，对于我国的学术界而言，构建适合国情的韧性城市理论，提出顺应我国城市发展的韧性技术体系，建立城市防洪承涝的气候韧性标准，并通过韧性城市建设，有效地应对气候变化、解决暴雨内涝极端气候灾害问题，仍是一个具有挑战性的崭新课题。作者顺应绿色、生态发展的时代背景，结合国家课题的研究，系统梳理了近年来有关韧性城市的科研成果，撰写并出版了这本应对暴雨内涝的城市韧性研究的论著。书中科学梳理了城市韧性的定义和相关概念，总结了以往相关研究理论，并以京津冀地区为例，探索了建成环境与暴雨内涝的韧性耦合机理，创新性地划定了建成环境韧性单元，系统地提出了韧性类型谱系和韧性承涝的规划策略，初步构建了城市韧性承涝的理论框架，并为韧性城市的建设实践总结归纳了可资借鉴的经验。这些成果将为国内韧性城市建设的健康发展奠定一定的理论基础。希望本书作者在今后的理论和实践研究中继续努力，在韧性城市和生态规划领域继续探索，进一步加深和拓展中国城乡规划理论研究的深度和广度，为中国城市的可持续发展作出更多贡献。曾坚2022年9月1日于天津大学前 言21世纪以来，世界范围内的生态环境危机日益严重，生态文明成为时代的主旋律，绿色、低碳、安全、韧性、健康等一系列概念已经成为世界范围内城市发展建设的关键词。全球范围内发生的城市灾害数量逐年上升，成为制约城市可持续发展的突出问题，韧性城市概念为传统城市的防灾方法提供了新的思路。随着韧性城市理念被纳入国家战略规划，在国家政策的支持和学术界的推动下，城市韧性概念逐渐成为社会各界关注的核心议题。对城市韧性概念持续四十多年的研究已取得了较为系统的研究成果，但如何顺应新时代的发展，尤其是如何将其与我国的城市发展相结合，是一个长期的、复杂的问题。城市韧性不仅关注城市灾害本身，而且其研究范畴还涵盖了环境、经济、社会等有关城市可持续发展的众多领域。在城市防灾领域，城市韧性从新的视角探讨了灾害或环境变化对城市系统的影响，提供了城市防灾减灾和城市生态规划研究的新思路。本书在国家自然科学基金的资助下，以我国京津冀地区为核心研究对象，以城乡规划学为基础，融合生态学、环境学、水利学等学科的相关研究，探讨我国城市应对暴雨内涝的韧性发展模式，属于研究的一部分阶段性成果。主要介绍了城市韧性研究的重要使命、韧性研究的起源与发展，以及当前的城市韧性研究概况。以城市韧性的定义、相关概念与基本属性为基础，详细阐述了暴雨内涝的相关研究基础和作用过程，结合国内外应对暴雨内涝的相关研究，基于全周期过程和多层次目标提出建成环境与暴雨内涝的韧性耦合研究体系，构建应对暴雨内涝的建成环境韧性理论模型。基于多学科的韧性单元划分标准，提出应对暴雨内涝的韧性单元划定方法和建成环境韧性类型谱系。基于建成环境韧性空间格局特征，提出基于仿真模拟的建成环境韧性提升策略。本书旨在进一步探索并深化城市韧性的理论和方法研究，为我国城市的可持续发展和建设提供具有借鉴性的规划方法和策略。因作者理论水平和思想认知的局限性，写作过程中难免有所疏漏或者偏于主观、片面，希望各界同行批评指正。最后，感谢华中科技大学出版社及负责本书出版的贺晴编辑，他们为本书的顺利出版作出了积极贡献。王峤2022年9月1日于天津大学

塑造城区开放空间体系

开放空间体系在应对暴雨内涝的过程中会起到重要的作用，绿地、水系的集水与调蓄能力可以有效增强城区对雨水的源头控制能力，场地的不渗透比率也会对径流产生较大影响，所以塑造科学合理的城区开放空间体系，不管是对源头减排还是过程控制都具有积极的韧性提升作用。

1. 优化绿地形态与体系布局

在应对暴雨内涝的韧性因子耦合模拟中，绿地率因子的调整对系统径流量的削减作用十分明显，其韧性作用方式主要是增强源头控制，增加雨水就地蓄留储存，从而达到削减地表径流、实现雨水再利用的目的。

城市绿地主要从三个方面提升应对暴雨内涝的韧性：首先，绿化用地本身状态与属性都接近自然地表，一般城市街区内的绿地，为了使植被在人工种植条件下得以存活与健康生长，都采用较高渗透性土壤，土壤孔隙率可达50.48%，雨水在降落后可被迅速吸收并储存在土壤内；其次，绿地中的植被对于雨水的吸收与收集作用也十分明显，植物的枝茎与叶片系统可以承接大量雨水，延缓雨水落至地表的速度，从而极大延缓地表洪峰到来的时间；最后，绿化用地的渗透性N 值较大，在地表径流经过绿化用地时，雨水漫流速率可被大幅度削减，使单位时间内进入道路表面的径流量降低，从而达到削减雨洪峰值、缩短时间的效果。

绿地作为连片的自然地表景观，在规划布置时从空间位置的选址到绿化形态的选择，可能都会对最终的雨洪韧性效果产生不同的影响，故运用SWMM 理想模型设置实验，来验证不同位置和形态的绿化植被对雨洪韧性的影响效果（图7-38）。理想模型由9 个10 hm2 模块组成，整体面积分布较为均匀，代入计算的为天津市暴雨雨型降雨数据。整个系统排水方向为由北至南，区域北部为排水上游，南部为排水下游。在实验中，首先将面积相同的绿地分别放置在场地排水区域的上、中、下游的位置，分别模拟；然后将同样条件的绿地集中布置或分散布置，再次进行模拟，得到两组实验结果。而在绿地形态方面，将其设置为集中式与分散式形态下对雨洪韧性的影响效果，绿地位置与形态实验模拟结果如图7-39 所示。

从模拟结果可以看出，在绿地空间位置方面，当绿地面积相同时，绿地布置在街区排水区域上游，对系统径流量的削减程度最高；绿地布置在中游时，削减程度适中；绿地布置在下游时，削减程度最差。这是因为系统产生径流堆积时，是由上游至下游层层叠加，不断漫流形成的，而当绿地布置在上游时，上游降水大量地被绿地吸收，从而产生较小径流或不产生径流，中下游产生的径流没有上游来水补充，又由于靠近系统出口可以快速排流，所以堆积速度自然大大减缓；而当绿地位于下游时，上游所产生的径流需要漫径流过整个街区地表到达绿地，产生的径流堆积量自然较大，且存在时间较长。在绿地形态方面，当绿地面积相同时，分散式绿地比集中式绿地对系统径流的削减程度更高。这是因为分散式的布局将系统径流平均分配到了各个组团内部，每个组团在经过自身内部小块绿地的吸收与渗透后，出流量都明显减少，相较于集中式布局，这种作用的“源头”更靠前，作用时段更早，可以吸收更多的雨水。图7-40、图7-41 展示了百年一遇暴雨情景下中心城区典型地区径流量和中心城区典型地区绿地空间分布。

故在城区内布置绿地时，若无其他条件限制，首先需要识别径流量较大的区域，将绿地布置于其汇流面的上游，绿地采用分散式布局并串联成网，使地表径流能够最大限度地被绿地消纳吸收，从而达到提升雨洪韧性的目的。通过叠加分析各子汇水区径流量分布与现状绿地分布，按照上述原则对城区绿地进行增补，可以形成有利于韧性提升的中心城区典型地区绿地系统规划（图7-42）。