海綿城市設計工程技術研究

文／ 李雷

海綿城市具體是指對城市的雨水，洪水等水資源的管理，這是新一代的城市雨水，洪水管理的新型概念，比喻城市的各項機能可以像海綿一樣，在一個相對與正常且能夠適應環境變化和應對雨水等自然的水災害，在處理相關問題時有適合，穩定的彈性；因此，又被稱之為“水彈性城市”[1]。

在新形勢的發展下，海綿城市設計工程被視為可以推動城市綠色建筑和城市良好建設的一項重要綠化整治項目技術，是建設創新性智慧城市的一個重要舉措。

一、海綿城市設計工程的技術要求

針對海綿城市的設計理念是致力于解決城市中由于內澇、水資源匱乏及水資源污染等自然水災害而引出的一系列水資源問題。這就需要將城市中的實際排水工程與各項相關技術有效結合。

二、城市排水工程進行“海綿化”改造的重要性

城市排水系統就像是一個水資源的過濾網一樣，它需要對城市中的污水，雨水等水資源進行處理，首先就要對城市中的水資源進行收集，然后再實現排放，轉移和治理的功能，又被稱為灰色基礎設施（Grey Infrastrecture）。

相比較與傳統的城市排水系統來說，海綿城市設計工程技術對于缺乏水資源的城市來說，利用價值會更多。傳統的城市排水系統的核心設計是快干快排，雖然這種形式對于一些降水量大的城市來說，排放效率更高。但是對于降水量低的城市來說用處卻不大。而海綿城市設計工程技術是要從這種快速處理模式轉向生態化和可循環利用的方向，這也是城市排水工程技術進行“海綿化”改造的重要目標之一。

圖1 傳統排水系統和海綿城市設計工程的區別

同時，城市排水工程進行“海綿化”是要將“綠色設施”與“灰色設施”相結合，將雨水，污水等城市水資源進行收集、輸送、凈化、利用、排放等環節的內容，使他們更有效的統一結合起來，再大量運用到城市的水資源處理中，最高效率的發揮城市本身的排水和循環再利用的水功能。

三、城市排水工程的主要內容

1.城市排水的工作機制

城市排水系統通常是由排水管道和污水處理廠組成，在實行城市中對于雨水，污水等城市水資源的分流制情況下，由排水管道先進行對于城市中水資源的收集，然后運送到污水處理廠，經過一系列的污水處理再排出或再利用[2]。

圖2 城市排水工作機制示意圖

2.傳統城市排水系統中常見的問題

①傳統城市排水系統為達到快速排水的效果，過分依賴于管道工程進行工作；

②城市排水工程系統龐大，維修成本過高，同時可持續性低；

③雨水、污水被排掉后，地下水在城市中得不到充分的利用；

④官網受損度高，老化速度快，排水坡度不高，水流不暢，淤積嚴重；

⑤處理廠或工程系統中的泵房設備老化，設計標準低，排水能力小；

⑥整個工程系統缺乏統一，完整的管理方法，管道出現許多不合理的亂接現象，使得污水收集率低。

四、城市排水工程“海綿化”的改造措施

基于當前我國對于城市排水工程的調研和考察所得，海綿城市設計工程的建設已經不能僅僅局限于管道這種低效的灰色設施工程，而是要將基礎的灰色設施工程綠色化，科學化，以實現城市排水工程的“海綿化”改造。具體改造措施如下：

1.灰色骨架為基礎

灰色骨架為基礎是指對排水系統進行改造，使得整個排水系統高效，穩定的工程

①提高排水管道的標準，對管網、泵房提標改造。其中，管網改造主要是指加大管徑，泵房改造主要是指實現智能控制，恒壓供水，節能降耗，滿足城市對供水的需求，保障水壓穩定。

②增設雨水泄洪管道，將管道的網管增大后，排水進入各類蓄水收集場所的水體都會得到相應程度的增加，所以我們應當多增設雨水泄洪管道。

③打造深隧工程。深邃管道工程是在于原有管網的基礎上提升和加以深化，使得地下的排水功能多元化。

圖3 深邃管道工程的工作機制示意圖

2.綠化設施工程改造

在城市中排水的整個工程系統中主要集中于城市的道路中，所以通過改善城市道路周邊的相關系統設施，可以將海綿城市做到更充分。具體改造方式有以下幾種：

①雨水收集系統的完善

在一些降水量相對大的城市來說，可以增設雨水收集系統。對收集后的雨水進行過濾和處理，這樣不僅解決了城市的排水問題，又解決了水資源處理和循環使用的問題。

②綠化緩沖帶與生態護坡

五、海綿城市設計工程的地質要求

1.地形地貌

擬建工程場地位于象山灣北側的寧波奉化區莼湖鎮，場地濱海傍山，主要有農田、丘陵邊緣、海域（灘涂、養殖塘、航道）、海島等不同地貌單元[1]。

2.區域地質

擬建場地在勘探孔深度內未發現有活動斷裂帶、空洞、地面塌陷等不良地質作用和地質災害跡象及暗浜、大孤石、地下障礙物分布，整個場地地基穩定，適宜本工程建設。

第1-1層（Q43ml、人工堆積）素填土：雜色，松散，極不均勻。

第1-2層（Q43al-l、沖湖積）粉質粘土：褐黃色、灰褐色，可塑，中等壓縮性。

第2層（Q42m、海積）淤泥：灰色，流塑，高壓縮性。

第3層（Q32-2al-l、沖湖積）粉質粘土：褐黃色，軟可塑，中等壓縮性。

第4層（Q32-2m、海積）粉質粘土：灰色，軟塑，高壓縮性。

第5-1層（Q32-1al-l、沖湖積）粉質粘土 ：灰黃、褐黃色，可塑，厚層狀，干強度中等，中等韌性，稍有光澤。本層有缺失現象。

第5-2層（Q32-1al-m、沖海積）含粉質粘土角礫：褐黃色、灰褐色，稍密～中密，濕，中等偏低壓縮性。

第6層（Q31al-l、沖湖積）粉質粘土 ：蘭灰色、褐黃色、灰綠色，可塑，厚層狀，干強度中等，中等韌性，稍有光澤。

第7層（Q21al-pl、沖洪積）含粉質粘土角礫：褐黃色、灰黃色，中密，局部稍密，濕，中等偏低壓縮性。

第8-1層（AnQ）全風化凝灰巖：紫紅色、深褐色，硬可塑或稍密～中密，原巖結構基本破壞，局部殘余塊狀結構，巖芯呈土柱狀、礫砂狀，含風化碎塊，手捏易碎，遇水易崩解軟化。

第8-2層（J3）強風化凝灰巖：紫紅色，熔結凝灰結構，塊狀構造，可見晶屑、玻屑等，裂隙很發育，裂隙面黃褐色黑褐色。

第8-3層（J3）中風化凝灰巖：紫紅色，熔結凝灰結構，塊狀構造，為晶屑玻屑含角礫凝灰巖，原巖主要由粒徑小于2mm 的火山碎屑物質組成，晶屑、玻屑為主，含角礫。

因此可在第1-1層和第1-2層進行灰色骨架排水系統的改造。

六、海綿城市設計工程模擬降水量要求

6.1 面雨量計算

設計流域內無雨量站，設計流域面積8.62km2小于10km2，點面系數取1.0，由圖集查得點雨量及Cv值，即為流域面雨量與Cv 值，Cs/Cv根據圖集規定為3.5。詳見表2-1。

表2-1 設計流域點面雨量參數表

設計雨量Hp計算按式：，不同歷時設計雨量計算成果見表2-2。

表2-2 設計流域暴雨量計算表

6.1.1 暴雨衰減指數

衰減指數n 按下式計算：

當ti在10min～1hr 之間，

當ti在1hr～6hr 之間，

當ti在6hr～24hr 之間，

不同歷時暴雨衰減指數見表2-3。

表2-3 設計流域暴雨衰減指數計算表

6.1.2 設計雨型

設計暴雨時程雨型（24 小時雨型）按圖集規定，設τ為單位時段，將H24 劃分為24/τ個時段，老大項雨量排在第18～21 小時之間，老二項雨量緊排在老大項的前一項，其余時段項雨量按從大到小次序，奇數項時段雨量排在前，偶數項時段排在后邊。當后面排滿24 小時后，余下各項時段雨量從大到小排在前面，最后得出24小時設計雨量過程。

6.2 設計洪水

6.2.1 產、匯流計算

按照SL44-2000《水利水電工程設計洪水計算規范》規定，產流計算可以采用扣損法。匯流計算按浙江省規定：流域面積在50km2以下時，用推理公式法。

本次產流計算采用扣損法，初損扣20mm，后損每小時扣1mm，匯流計算采用推理公式法，推理公式的一般形式為：

式中：

Qm—洪峰流量，m3/s；

h —在全面匯流時代表相應于τ時段的最大凈雨，在部分匯流時代表單一洪峰的凈雨，mm；

F —流域面積，（km2），參數見表2-1；

τ—流域匯流歷時，h；

L —沿主流從出口斷面至分水嶺最長距離（km），參數見表2-1；

J —沿流程L 的平均比降，參數見表2-1；

m —匯流參數，根據流域形狀和下墊面情況，選為浙江省水電院的III 類線進行計算。

6.2.2 設計洪水成果

不同頻率設計洪水成果見表2-4。

表2-4 不同頻率設計洪水成果表

總結：

通過海綿城市建設，最大限度地減少城市開發建設對生態環境的影響，將70%的降雨就地消納和利用。到2020年，城市建成區20%以上的面積達到目標要求；到2030年，城市建成區80%以上的面積達到目標要求。