基于海綿城市理念的城市防洪治澇體系的探討與實踐

李心立

(深圳市水務局，廣東 深圳 518036)

傳統的城市防洪治澇體系在新的內澇防治標準下存在匹配性問題，雖然國家和地方紛紛出臺總的建設指南和規劃，但在水利行業中關于海綿城市在防洪治澇體系中的作用有著不同的意見，因此需要對其進一步探討，并且通過實踐分析總結。

1 傳統防洪治澇體系的局限

1.1 城市規劃阻礙了排水體系的運轉

城市水循環是降雨在地面匯集、入滲后，通過管網、調蓄水體或地表直接流入排水通道，進而排入下游河道、湖泊、水庫或海洋等，并通過蒸發進入大氣層形成雨云的過程。然而在我國城市多年的高速發展中，常常出現城市規劃建設對于水循環機制的認識和重視不足，阻礙了傳統排水體系的運轉。

(1)缺乏科學規劃建設的設施阻礙城市排水

以深圳市為例，在早期進行城市土地開發時往往缺乏系統的規劃，特別是在原特區外建筑物場坪和道路的豎向規劃時忽視了流域排水的重要性，局部區域地勢較低，一些道路建設割裂了正常的排水通道，阻礙了管網及地表徑流的正常排放。例如寶安區內的107國道、寶安大道等道路基礎設施的建設割裂了自然排水路徑，導致沿線部分區域成為重點易澇區，特別是道路往往成為澇水聚集的“鍋底”。

(2)過度的下墊面硬質化降低了城區調蓄能力

城市的高速發展令原有土地的利用方式發生巨大改變，濕地、耕地、林地被越來越多的建筑物和各種硬化鋪裝所替代，河湖及洼地坑塘減少。下墊面條件發生大幅改變，地面硬化、水面和植被減少、不透水面積的擴大都使得地表徑流系數增大、平原調蓄澇水能力弱化。不透水下墊面阻隔了雨水與城市地下水的自然水文循環規律，改變了原有的自然和水文特性，導致匯流時間的顯著減小。在相同的降水條件下，城區洪峰出現提前和洪峰流量增加明顯。

1.2 傳統工程體系無法滿足新的標準

近期國家出臺的一系列旨在提高城市水安全的法令和規范，例如根據相關規劃要求深圳市城區滿足不低于50～100年一遇的內澇防治標準。而目前雨水管網的排水設計標準一般為重現期3～5年，一旦地表排水通道受阻，極易形成內澇。因此，在部分缺乏調蓄的區域遭遇暴雨時，往往出現徑流量超工程設計標準，導致城市排水能力不足的問題凸顯。

1.3 傳統工程建設受實施條件的制約

隨著城市高度密集的建設發展，征地拆遷問題常常成為防洪治澇工程建設的障礙，征地拆遷工作涉及部門多，審批鏈條長，協調難度大，推進緩慢，對工期影響最大。此外，工程建設中還面臨法定圖則調整繁瑣、管線遷改難、棄土難、污泥和底泥處理難等管理問題。

2 基于海綿城市理念的城市防洪治澇體系

2.1 防洪治澇工程中的海綿設施分類及作用

海綿城市理念最初是由低影響開發概念發展而來，即在開發過程中維持場地開發前后水文特征不變，包括徑流總量和峰值流量。隨著近年來的發展完善，目前在城市規劃建設中普遍認同更加廣義的海綿城市理念，主要包括保護性開發、生態修復、低影響開發三大內容。滿足海綿城市六大要素、發揮“海綿”作用的措施都可以視作海綿城市設施。

在防洪治澇工程中，廣義的海綿城市措施包括了雨水管網、河道、滯洪區、泵站等傳統工程，主要承擔了城市雨水“排”“滯”“蓄”的功能。引入低影響開發措施后，不僅可以進一步提高城市防洪排澇標準，而且使工程措施更加生態，增強城市“海綿”的作用。常用作控制雨水徑流、削減洪峰的措施包括透水鋪裝、生態滯蓄設施、人工調蓄設施等。

按海綿城市要素分類，以入滲功能為主的設施包括綠地入滲(下沉式綠地)、設施入滲(滲井、滲管、滲渠)、硬化地面入滲(透水鋪裝、透水綠地鋪裝)等。

2.2 降雨徑流控制效果現場實驗分析

該研究的實驗現場位于深圳市光明新區，在2011年被國家住房和城鄉建設部批準創建為“全國低沖擊開發雨水綜合利用示范區”。目前相關示范項目已陸續建成，建成的設施包括透水鋪裝、植生滯留槽、生態樹池、植被草溝等，有利于開展相關監測實驗工作。

(1)監測與評價方法

傳統的不透水瀝青道路、透水瀝青道路和滯留帶，其匯水面徑流雨水通過流入雨水口并經管道傳輸到市政排水管道檢查井處，通過在此安裝管道流量計(HACH- 2000)監測傳輸過來的徑流雨水流量。植被淺溝在末端設置一個薄壁直角三角堰，用以監測植被淺溝徑流量。

取樣瓶為0.5L聚氯乙烯瓶，采樣前先用自來水沖洗，再用1+3硝酸洗滌一次，然后用自來水洗滌三次，去離子水洗滌一次后備用。在降雨期間，按照預定的取樣時間間隔取樣，自產流起30min內，每隔5min采1個樣，30～60min時段內，每隔10min采1個樣；之后每隔30min采1個樣，直至徑流結束或趨于穩定為止。

(2)透水道路雨水徑流控制效果分析

選取深圳市光明新區高鐵站附近一段透水瀝青(OGFC- 13)道路作為研究對象，研究透水瀝青道路降雨徑流量的變化規律。該段道路長51.6m，寬11.5m，雨水口服務匯水面積約為594m2。

本試驗中12%高黏度改性瀝青的OGFC- 13瀝青混合料，其對應的目標孔隙率為20%，有效孔隙率為15.2%。第一階段，當降雨速率不超過水的下滲速率時，降水會全部滲入OGFC- 13面層。第二階段，OGFC- 13面層的滲透能力已達到飽和，即降雨速率超過滲透速率時，便開始以路表徑流的形式排出。透水瀝青路面的滲透系數直接影響著其排水能力及洪峰錯峰能力。

圖1 傳統道路和透水道路流量隨降雨歷時變化趨勢

實驗#1：透水瀝青道路在降雨開始后4min產流，此時降雨量為3.9mm，低于8月13日降雨量9.6mm，這是由于前9min平均降雨強度為0.84mm/min，在開始降雨的第2min降雨強度即達到1.5mm/min，初期降雨強度較大，在透水瀝青道路還沒達到飽和狀態時即產生路表徑流，但產流量比較小，其峰值僅為傳統道路峰值流量的0.07倍；在降雨后期降雨量又有一個明顯的增加過程，相應的傳統瀝青道路和透水瀝青道路流量也有一個上升的趨勢，由于透水瀝青道路已經達到飽和狀態，所以其流量相比降雨初期有顯著升高，此時傳統道路的峰值流量是538.08L/min，透水瀝青道路峰值流量為396.92L/min，透水瀝青道路的峰值流量是傳統瀝青道路的0.74倍。如圖1所示。

實驗#2：本次降雨明顯分為兩部分集中降雨，前部分降雨量為4.3mm，透水瀝青道路產流量很小，其峰值流量僅為4.19L/min，傳統瀝青道路峰值流量為160.95L/min；在后部分集中降雨開始后，傳統瀝青道路和透水瀝青道路徑流量都有一個迅速的上升過程，并幾乎同時達到峰值，其峰值流量分別為196.48L/min和78.35L/min。如圖1所示。

表1 傳統道路與透水道路相比削減徑流量和峰值流量的效果對比

根據實驗結果分析，單場降雨量21.7mm時(實驗#1)，徑流總量和峰值流量分別削減65.33%和26.23%，單場降雨量10.8mm時(實驗#2)，徑流總量和峰值流量分別削減71.26%和60.12%，具體見表1。相對傳統瀝青道路，透水瀝青道路能大幅度削減徑流量和峰值流量。其削減效果隨降雨強度的升高而降低，這是因為透水瀝青道路雨水徑流分為面層內徑流和路表徑流兩種，隨著降雨強度的升高，路表徑流產流比例逐漸加大，由于路表徑流不能有效地削減徑流量，所以就出現了降雨強度升高而徑流削減效果降低的現象。

(3)植被淺溝雨水徑流控制效果分析

植被淺溝系統是在物理-化學-生物的聯合作用下削峰減量、截留凈化。該研究的植被淺溝位于光明新區某公園內，全長28m，縱向坡度為0.015，斷面為拋物線斷面，選用礫石為濾料，粒徑10～20mm，孔隙率49%。種植土為深圳常見紅壤土，植物為臺灣草，匯水面積為120.4m2，收集公園瀝青道路雨水徑流。

圖2 植被淺溝徑流隨降雨歷時的變化曲線

當降雨開始時，由于植被淺溝里的土壤和植物對雨水有吸附和截留作用，植被淺溝能夠對降雨徑流量削減50.9%～59.2%。詳見表2。

表2 植被淺溝削減徑流量和峰值流量的效果

降雨強度分別為31.35mm/h和11.34mm/h，植被淺溝末端分別延緩徑流產生時間11min和23min，這說明隨著降雨強度增大植被淺溝徑流產生的時間也隨著加快。植被淺溝能夠有效延緩洪峰流量出現的時間，削減徑流總量。

3 深圳市工程案例分析

3.1 工程概況

該研究案例位于深圳市壩光地區，處于大鵬半島東北部鹽壩高速、排牙山和現狀海岸線所圍合的區域。

為滿足片區高標準開發建設要求，確保片區防洪(潮)排澇安全，維持水系生態系統健康發展和提升片區環境品質，提出對壩光片區內的白沙灣水、新壩水、上新屋水、大坑槽水、壩光水、江屋山水、鹽灶水、河背坑水、坳田水、坳仔下水、雙坑水、田寮下水、坳仔東水等13條主要河流進行綜合整治。防洪標準為20～50年一遇；防潮標準為100年一遇。整治河道總長13.09km，新建截洪溝5.742km、新建海堤12.25km。

3.2 海綿城市設計方案

該工程是以河道為紐帶的多維海綿體，工程范圍內通過雨水花園、雨水濕地、蓄水池等措施落實滲、滯、凈、蓄、用、排理念。如圖3所示。

圖3 壩光河岸帶多維海綿體設計示意圖

該工程設計方案中體現海綿城市要素的重點內容：

(1)生態河道。打造以水系為載體的海綿城市，河道常水位與降雨時水位差，可發揮河道本身調蓄作用，調蓄容積約為3.71萬m3，且河道沿河綠化及透水鋪裝總面積為41.7萬m2。

(2)水庫。水系上游共有四座水庫，包括壩光水庫、洞梓水庫、鹽灶水庫和龍子尾水庫，總調蓄容積為162.3萬m3。

(3)雨水濕塘。在排放口末端空間充裕處設置濕塘，主要作用是削減局部排水的徑流污染，徑流總量及雨水峰值流量，共14處，總設計容積4183m3。

(4)雨水蓄水池設計。采用新型塑料模塊式蓄水池，相較于傳統的混凝土蓄水池，其優點在于施工耗時短，布局靈活，抗老化，防止藻類滋生等，共10處，設計容積5126m3。

3.3 海綿城市規模和目標分析

(1)水面率分析。根據設計方案分析，河流匯水區面積總計27.53km2，片區水面面積2.56km2，水面率可達9.3%，達到城市規劃相關要求較高的標準。

(2)工程區域年徑流總量控制率分析。工程占地面積為63.78萬m2，海綿設施總調蓄容積即可控制容積為6.45萬m3。根據單位面積可控制雨量計算公式：單位面積可控制雨量=海綿設施總調蓄容積/工程占地面積，工程范圍內單位面積可控制雨量為6.45/63.78=101mm，對應年徑流總量控制率大于85%。

通過片區圍繞水利工程的海綿城市方案設計，加上法定圖則中的綠地公園，構成片區融合了水庫、河流、蓄水模塊、濕塘、植草溝、雨水花園等的海綿城市防洪綜合體，增強了片區防洪排澇功能。

4 結語

根據現場實驗分析和工程實踐案例，筆者認為在防洪治澇工程貫徹海綿城市建設不僅符合國家和各省市對于海綿城市建設的要求，而且是構建地區防洪治澇體系的重要補充措施。

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