張家口市城市水文效應措施探析

張海龍

(河北省張家口水文水資源勘測局， 河北 張家口 075000)

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張家口市城市水文效應措施探析

張海龍

(河北省張家口水文水資源勘測局， 河北 張家口 075000)

摘要：指出了海綿城市作為新一代城市雨洪管理的全新理念，對城市的環境變化具有良好的適應性，且能夠應對雨水可能為城市帶來的各種自然災害。以張家口市城市水文為背景，探討了該市基于海綿城市概念在透水鋪裝、下沉式綠地方面的水文效應應對措施。

關鍵詞：水文效應；海綿城市；透水鋪裝；下沉式綠地；雨水

1引言

張家口市作為一座快速發展中的中型城市，近年來在水文效應建設方面取得了較大進步。但隨著城鎮化建設的快速發展，城市雨洪管理也引起了社會各界的關注。因此，探討基于海綿城市理念的張家口市在未來需要建設諸如透水鋪裝、下沉式綠地這樣的有效水文效應措施，以改善城市水文建設，具有一定的現實意義。

2張家口市市區水文效應概況

張家口市主城區位于河北省的西北部地區，是蒙古高原與華北平原的主要過渡帶，也是洋河流域山間盆地中的重要組成部分。該市主城區面積約為970 km2，預計在2020年實現2080 km2的城市面積擴建。該城市的水文特點鮮明，由于主城區南北兩邊具有最大為111.5m的高差，所以整個市區呈現不規則的河谷盆地特征。在張家口的主城區內擁有東西沙河、清水河，分布在城區的東西兩方，自東西、南北貫穿整個主城區，水文條件相當豐富。

近年來，張家口市的城市建設發展非常迅速，但是隨之而來的熱島效應、高程建筑障礙效應也影響到了城區汛期內的降雨量，其中尤以雷暴雨次數增加最為明顯。隨著城區面積的逐年擴大和舊城區改造工程的不斷推進，張家口市漸漸出現了道路硬化、地表透水面積比重增大、城區截留、下滲損水量降低等現象，這也使得市區內的地下水匯集時間被大大滯后，增加了城市河流的徑流系數和集流速度。如此一來，城市下游的洪水過程線就日益增高，造成了洪峰的提前出現和城市地表徑流量的過分增加。

根據2015年的《河北省張家口市水資源評價報告》中顯示，張家口市的水文條件，尤以地下水為主已經處于嚴重超采階段，地下水水位逐年下降，且低洼排水問題也日益嚴重，對于張家口而言，也面臨著空前的水文效應危機。所以，為了日益膨脹的城市人口數量和日益提升的市民生活需求，張家口市必須解決自身所存在的水文效應不利因素，緩解水資源分配不均及洪峰自然災害所帶來的城市潛在危機[1]。

3張家口市基于海綿城市建設的城市水文效應應對措施

就目前現狀來看，張家口市所采用的依然是“雨水口—雨水管渠—市政管線”的傳統水文管理模式。所以按照市內老城區的官方設計布局來看，設計管徑偏小(DN60～DN100之間)，整個市區的雨水管網普及率僅為70 %不到，這與城市的實際排雨水量存在較大差距。這就造成了張家口市市區地表雨水徑流污染嚴重，例如汽車泄漏汽油、輪胎磨損、防凍劑、城市屋面材料所帶來的污物都被排放到雨水管渠中，對雨水水質的污染非常明顯。基于這種水文效應不利狀況，張家口市建設海綿城市是相當有必要的。

3.1張家口市區降雨狀況及雨水資源量

張家口市的降水集中在汛期(6～9月)，這一期間降水量占到全年降水總量的70 %左右，10～12月則降雨量最少。按照我國的暴雨分級標準來看，張家口市在特大暴雨方面表現不明顯，屬于降雨比例比較緩和的地區。

按照張家口市的雨水資源總量來看，圍繞這一數據來考慮建設海綿城市是相當重要的。特別是在“十二五”規劃之后，張家口市希望在2020年前實現對雨水資源收集建設用地面積超過60000萬m2，所以本文給出雨水收集資源總量的公式為：

Re=ψ×A×Ha。

其中ψ代表了張家口市的地表徑流系數，一般常規取值為0.9，而A代表了城市市區的匯水面積，Ha則代表了張家口市一年的總降水量。所以將數據代入上述公式計算得出張家口市建設海綿城市后的每年雨水資源收集總量將達到3億m3，這一數字對于城市雨水資源利用潛能的開發價值是很高的，值得嘗試。

3.2透水鋪裝設計、應用及建議

3.2.1透水鋪裝的設計

將孔隙率較高且透水性較好的材料應用于道路路面建設就叫做透水鋪裝，它是海綿城市建設的基本工程要素之一。透水鋪裝可以使雨水很好地滲入到道路路面的內部，以達到貯存一定雨水的效果，隨時便于管道排水，降低洪峰流量，削弱徑流系數，使得城市洪澇災害危險系數大幅度削弱。一般來說，透水鋪裝是由土基、墊層、基層、過濾層和面層所共同構成的。另外，透水鋪裝對緩解城市溫室效應，降低路面溫度也有好處，這樣一來，道路的壽命也被大大延長。

透水鋪裝在設計方面所采納的地表徑流系數規范在0.05～0.5范圍內，這一數據與它主要使用材料的孔隙率、透水特性有很大關系，也就是說，徑流系數決定了道路路面雨水滲透量，由此可以確定透水鋪裝中路基層厚度的確認方法：

在上述確認方法的公式中，H就代表了透水基層的總厚度，而I表示城市平均的降雨強度(mm/h)，k代表土基的飽和滲透系數，T表示降雨時間(min)，最后n代表了道路路面蓄水層的孔隙率。根據該式來判斷透水鋪裝的功能性非常有效果，而且它也可以幫助透水鋪裝工程選擇材料，確保道路路面在降雨時及時下滲雨水，使路面有較高的抗壓能力。

3.2.2透水鋪裝在張家口市的應用

在張家口市，透水鋪裝技術仍然處于起步階段，但整體上所取得的效果還是較為明顯的。考慮到張家口市濕陷性的土基結構，所以當土基處于干燥條件下，土體結構整體相對穩定。而如果土體的含水量增加到一定程度時，就很容易出現土體結構的破壞，使土基強度大幅度被削弱，對建筑及道路的沉陷帶來很大危險。所以在張家口市的市區透水鋪裝時，應該考慮這些特殊的地質條件，并采取相應的防治策略。

就以對土基的濕陷性消除而言，張家口市所采用的是以3∶7為基礎比例的灰土墊層法。該方法的技術核心就是分層夯實，按照路面土基的齡期不同而為其賦予不同的承載力、密實度與隔水性，確保它擁有較好的墊層優勢。張家口市的灰土墊層一般設置在≥1.0m的厚度范圍內，并且采用了分層壓實的方法，確保分層厚度始終≤200mm。再者，城市路面還采用了沖擊壓實法對路基進行了補強，一定程度消除了路基由于被沖擊碾壓所存在的濕陷性。這種方法可以消除1.2m左右的黃土濕陷性。

在基層的改進方面，考慮到張家口市地下水水位較深，而土基位置又通常高于地下水水位位置，所以可以見得土基受到地下水影響可能很小。因此專門針對土基的濕陷性來對基層雨水下滲問題進行對策，所以在條件允許的情況下為基層設計以DN50為基礎的PVC排水盲管，并充分利用到市區內普遍的4 %土基頂部坡度，確保多余雨水能夠順基層流入到PVC排水盲管中，保證城市內許多人工景觀和綠色植物帶能夠得到充分的水分灌溉。這也是利用到了張家口市在雨季中雨水過度飽和的自然因素，順利將雨水排除并利用，同時也大大降低了對透水鋪裝結構的破壞性[2]。

3.3下沉式綠地的設計、應用及建議

下沉式綠地主要包括雨水濕地、生物滯留設施等等。在城市中，它一般表示的是低洼式的凹陷綠地，即高程低于周邊路面高度約20cm內的下沉區域。

3.3.1下沉式綠地的設計

下沉式綠地在設計過程中所需要考慮的設計參數很多，它也是海綿城市設計中的主要核心之一，以下對下沉式綠地的水量平衡進行分析得出：

W=S+△U。

在公式中，W代表了下沉式綠地的總體水匯流量(m3)，S代表了下沉式綠地在下沉時段的雨水下滲量(m3)，△U代表了在下沉時段的綠地蓄水量差值(m3)。因此可以得出雨水的滲蓄率公式為：

在該公式中，所反映的正是下沉式綠地對降水方面的滲蓄能力，這其中Pz代表了城市降雨量(mm)，F1代表了下沉式綠地服務范圍內的集水面積(m2)，F2代表了下沉式綠地的總面積(m2)，Cn代表了綠地服務范圍內的徑流系數。

根據城市雨水的下滲量：

S=60KJF2T。

由此來計算土壤滲透率及滲蓄時間，則能夠得出以下算式：

按照下沉式綠地的相關參數展開分析，并對其進行優化設計，所以說當下沉式綠地的坡度合適時，雨水就會順利匯集于綠地之中。若能在路緣石附近設計300～500mm寬度的開口，更利于雨水徑流的流入。而如果下沉式綠地在雨水匯集形成飽和狀態后，還可以通過雨水管渠來進行雨水排出。

3.3.2下沉式綠地在張家口市的應用

張家口市市區的土壤滲透系數較大，能夠快速的對徑流雨水進行吸收，所以對它的下沉式綠地設計可以直接采用原有土壤進行相關植物的栽入。在設計中，為下沉式綠地保持0.05～0.30m的下凹深度，總體保證其高程小于路面高程。并在下沉式綠地中設置雨水口以隨時收集降水時出現的溢流雨水。所以該市的雨水滲蓄f值保持在10 %以上范圍。

在計算中，如果f值為負值，就說明市區的下沉式綠地不需要太大下凹深度也能進行雨水下滲，這也證明綠地的下滲效果相當出色。但當f值超過100 %時，就證明城市的下沉式綠地在滲蓄量上大于雨水收集面積的雨水，并且存在一定的收集富余量[3]。

4結語

基于海綿城市概念對張家口市的城市水文建設提出了相關設計及應用策略，彌補了傳統治理下城市地表徑流流量過大且地下水水位日益降低的問題。證明了海綿城市對于張家口未來的市區水文效應建設是相當必要的，這種低影響開發技術結合城市傳統的雨水管理方法，讓城市的水文生態環境在保持不變的情況下還能抵御更多自然災害，真正實現了“水彈性城市”的標準。

參考文獻：

[1]褚永軍.張家口市城市水文效應對策研究[J].河北建筑工程學院學報,2015(2):108～110.

[2]王君.城市水文效應的規劃對策研究[D].長沙：湖南大學,2012.22～25.

[3]弓亞棟.建設海綿城市的研究與實踐探索[D].西安：長安大學,2015.44～47.

收稿日期：2016-04-28

作者簡介：張海龍(1982—)，男，工程師，主要從事水文水資源方面的研究工作。

中圖分類號：TU984

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)12-0234-03