“海綿城市”建設對緩解衡水市區內澇的作用與意義

王 磊

(河北省子牙河河務管理處，河北 衡水 053000)

1 概述

衡水市位于河北省平原腹地，華北平原中南部，北與保定市相連，南接邢臺市，東部與滄州市和山東省德州市接壤，西部與石家莊市交界，南北長125.5km，東西寬98km，行政區域面積8815km2，下轄11個縣(市、區)，其中2區、1市、8個縣，截止2017年底，全市總人口429.9萬人。

衡水市全境為平原地區，地勢自西南向東北緩慢傾斜，海拔高度12～30m，滹沱河、滏陽河、滏陽新河、潴龍河、滏東排河、清涼江、衛運河等河流穿境而過。衡水湖位于桃城區與冀州區之間，蓄水面積75km2，最大蓄水量近2億m3。

2 海綿城市提出的背景

2.1 城市發展與生態環境的矛盾

隨著我國經濟的快速發展，城鎮規模不斷擴大，造成了土地利用方式的快速改變。根據統計部門數據，2003年衡水城鎮化率為29.91%，至2017年衡水市城鎮化率達到50.6%，增長了20.69%，平均年增長1.48%。根據《衡水市城市總體規劃(2015—2030年)》，到2020年城鎮化率達到56%，2030年達到69%。衡水市快速發展的同時，占用了大量的、未經開發的原狀土地，造成灰色與綠色基礎設施的對立。現有的灰色基礎設施所占比例較大，與綠色基礎設施不能夠協調發展，導致對生態環境造成很大的負擔，如地下水污染、雨洪災害等問題。

2.2 水資源匱乏與城市內澇現象共存

近幾十年來，由于氣候變化，上游山區降水量減少，加之水庫攔截和沿河城鎮工農業用水量增加，造成河流徑流量持續減少，除個別河流外，多數河流呈常年斷流狀態，為此衡水市靠超采大量地下水來滿足社會發展需求。衡水多年平均水資源量只有6.13億m3，人均水資源占有量148m3，是河北省人均水平的48%，全國人均水平的6.5%。在實施地下水超采綜合治理前，衡水市地下水年超采量高達11.6億m3。衡水市屬于資源性與工程性缺水城市，在水資源緊缺的同時，缺乏必要的存蓄水工程，汛期暴雨所產生的雨水資源不僅不能有效利用，反而造成市區嚴重的內澇災害，給市區生態環境及城市各方面帶來負面影響。

隨著衡水市的快速發展，生態環境退化與城市發展的矛盾日漸突出。為此，衡水市提出了建設“水市湖城”戰略規劃，“五宜”型現代城市目標，即“宜居、宜業、宜商、宜學、宜游”，不斷提高衡水基礎設施建設，優化城市環境，完善城市各項功能。如何處理好城市與生態環境和諧發展是我們亟需解決的問題，“海綿城市”的建設為我們提供了新的理念與方法，相關概念也正是在此背景下提出的。

3 衡水市區內澇產生的主要原因

3.1 自然原因

衡水市夏季受太平洋副高邊緣的偏南氣流影響，降水集中。降水量集中指數(PCI)反映年內降水的集中程度和季節性：

(1)

式中，pi—第i月的降水量，通常規定PCI≤10，年降水月分配均勻；PCI介于11～20之間，年降水具有一定集中性，降水呈季節變化；PCI≥20，年降水量異常集中，年內分配明顯不均勻。通過1960—2010年衡水市降水資料進行計算，PCI值為20.5，屬年降水異常集中，年內分配明顯不均勻。符合華北地區降水年內集中程度相對較高的特征。據統計，衡水市年內70%的降雨集中在6—9月的汛期，而汛期的降水量又主要集中在7月下旬至8月上旬的幾場暴雨。因此，短時間，高強度的降水是市區產生內澇的原因之一。城市建設所致的硬化不透水路面和密集的城市建筑，使城市相比郊區受到更多的太陽輻射，再加上建筑物本身對風的阻擋或減弱作用，使城市年平均氣溫比郊區高1.5～2.5℃，從而形成城市熱島效應，增大了城市暴雨的可能性。

3.2 城市下墊面改變原因

城市化使得大片耕地和天然植被為街道、工廠和住宅等建筑物所代替，下墊面的滯水性、滲透性、熱力狀況均發生明顯的變化。市區建設基本以傳統市政建筑為主，在建設過程中占用了原有耕地、草(林)地等原生狀態土地。路面、便道、停車場、廣場及小區等大部分使用硬質不透水介質鋪裝，改變了原有的下墊面水文條件，阻止或降低了雨水下滲速度，徑流系數變大，地面徑流量增多；不透水介質糙率遠低于原生狀態土地糙率，降落到地面的雨水匯集速度加快，減少了徑流匯集時間，造成徑流量驟然增大，洪峰提前出現且洪水過程線尖而瘦。另一方面，城市在建設過程中，將原有坑塘填平，使其喪失雨水徑流消納能力，造成雨水調蓄能力降低，進一步加劇了城市內澇的嚴重程度。不同地表結構及其相關數據見表1。

表1 城市化對市區水文環境的影響 單位:%

注：圖表來源：引自EPA官網。

3.3 排水系統建設標準偏低及缺乏科學規劃

衡水市排水系統建于20世紀60—70年代，劃分為河西、河東、鐵路北三個排水分區，全部采用截流式合流制排水，即雨水與污水一同排放，三區排水管網總長約230km。市區排水系統存在建設標準偏低和規劃不完善、不能與城市發展規劃相適應的問題。目前，市區排水標準0.33～0.5年一遇，理論上排水管道可承受17mm/h降雨強度，建設標準偏低，已不能滿足市區排水需要，加之部分管道、排水渠淤積嚴重，造成排水困難；排水系統規劃與城市建設發展規劃不同步。城市建設中，建設者只是關注眼前局部的排水管道建設，按局部區域的排水量計算排水管徑，然后將相同管徑的排水管道與上下游或周邊排水管網相連接；未考慮當市區面積增加的同時，雨水匯集面積也增加，超過了原來的管網排放能力，造成排水困難；排水系統建設缺乏系統性和不連續性，不能有效解決市區雨水排放問題。

40年崢嶸歲月，40年春華秋實。在改革開放、產業重組、開拓奮進的路上，食品工業成為受益者，并躋身于我國幾大產業前列。

4 建設海綿城市措施與緩解城區內澇關系與作用

2014年10月，住建部編制了《海綿城市建設技術指南—低影響開發雨水系統構建》(試行)，其中對海綿城市的定義是指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用。有效緩解城市內澇，保護和改善城市生態環境。根據上述定義，海綿城市的建設是將雨水滲透、過濾，儲存、調蓄，末端集中排放等功能集于一體的綜合建設項目，海綿城市的建成將提高雨水下滲能力，有效控制雨水徑流量，減少水資源污染，緩解城市缺水壓力，改善或保持市區水環境的良性循環，為城市生態提供基礎保證。

4.1 滲透措施

滲透措施主要包括建設透水鋪裝層、下沉式綠地和綠色屋頂建設等內容。結合衡水市區實際情況，可將道路、居民小區、廣場、停車場等硬化設施改建成透水鋪裝層；下沉式綠地建設主要包括城市道路中間綠化帶改為下凹式綠地，結合已建成公園改造成雨水花園；因綠色屋頂建設需符合荷載、屋頂坡度和防水等方面要求，建議在新建小區和大型公共設施進行相關設施建設。下面就透水鋪裝層、下凹式綠地和雨水花園進行詳述。

4.1.1透水鋪裝層建設

透水鋪裝層分為完全透水和滲透排水型鋪裝層兩種類型。完全透水是將滲透雨水通過鋪裝層直接滲透到原土層，以滿足補充地下水、灌溉、調節局地氣候等作用，由于鋪裝層下為原土，承載力較低，一般用于人行便道、廣場、停車場等區域；滲透排水是將滲透雨水通過鋪裝層下部管道排向雨水存儲設備或下沉式綠地，以便將雨水進行再生利用，滲透型鋪裝層下部路基為硬質材料，承載力較大，適用于城市交通道路等區域。

截止2017年衡水建成區面積約53km2，市區公園綠地約570hm2，可見市區大部分區域被傳統不透水介質所覆蓋，雨水無法下滲，造成地表徑流量增加。據有關試驗數據，硬化地面的徑流系數高達70%～95%。因此，結合市區道路改建，逐步將路面鋪裝材料改為滲透排水型瀝青路面，以提高雨水下滲率，增加下滲量，減少地表徑流量。滲透排水型瀝青路面上部結構為透水瀝青混凝土，由水泥、骨料、增強劑等拌合而成，呈蜂窩狀結構。為防止滲入的雨水浸泡路基造成破壞，路面下部結構采用不透水材料并設置橫坡。當入滲雨水到達路面下部結構時，可沿橫坡將水通過預埋管件排入附近下凹式綠地或雨水存儲設施中。道路縱坡范圍宜控制在0.3%～6%之間，透水機動車橫拱坡宜采用1%～1.5%。小區、廣場、停車場可采用完全透水層地坪進行鋪設，透水地坪采用碎石骨料、水泥、膠凝材料與水拌和而成，其強度相當于C20—C25混凝土承載力，內部孔隙達20%～25%，具有較高的透水性，滲透雨水通過鋪裝層直接滲入原土中，補充市區地下水，調解局地小氣候，緩解城市熱島效應。道路及相關市政設施鋪設透水材料后，通過入滲作用，可補充市區地下水和凈化水質，消減雨水徑流量，其峰值消減率約為40%～65%。

4.1.2下沉式綠地建設

廣義的下沉式綠地除狹義的下凹式綠地外，還包括洼地、雨水花園、雨水塘、雨水濕地、多功能調蓄等生態雨水設施。根據市區實際情況，在此只討論狹義的下凹式綠地和雨水花園的建設。

(1)下凹式綠地建設。市區道路中間條狀綠化隔離帶和道路兩旁點狀樹池均是凸出于路面的植物帶、點區域，雨水降落到地表匯集后無法進行入綠化帶，綠化帶起不到滯留雨水的作用。因此，選擇將上凸式綠地改為下凹式綠地。綠地下凹深度控制在0.1～0.2m之間，從上至下依次為150mm種植土，150mm卵石，150mm砂土，天然素土，在下凹式綠地底部鋪設坡度5‰的管道，以便將超過綠地滯蓄量的雨水排出。綠地內種植品種以本地耐澇植物為主，樹種以白蠟、法桐等為主，草皮選擇高羊矛等。根據相關研究，在10年一遇暴雨時，下凹式綠地比凸式綠地的入滲量增加36%，徑流量減少53%，洪峰流量降低35%。土壤在植物作用下改善了土壤物理性狀，使其具有良好的下滲功能，憑借下凹空間，具有一定的蓄水空間。

(2)雨水花園建設。雨水花園的主要作用是在充分收集雨水的同時，兼顧美化環境，水體凈化等功能。衡水市做為資源性和工程性缺水型城市，應充分存儲、利用雨水資源，雨水花園為市區留置利用雨水資源，美化環境提供新的建設思路。目前，市區公園綠地面積約570hm2，未來可通過改造現有公園、街心綠地和新建公園等方式進行發展建設。雨水花園宜選擇適宜本地生長且耐淹的白蠟、法桐、紫荊、高羊矛等樹種、植被，營造出高低錯落，疏密有致的植物景觀，布置結構從上至下依次為150mm蓄水層，主要作用是短時存儲收集的徑流；80～150mm覆蓋層，主要作用是保持土壤濕度及內部微生物的多樣性；種植土層，根據植物種類，厚100～1500mm之間，維持花園植物生長；300mm礫石層，加快滲流的快速下滲；底部鋪設排水管道，將收集的徑流輸送至排水或雨水存儲系統。

下凹式綠地和雨水花園主要攔蓄降入綠地或花園內的雨水和周邊徑流，因此計算存儲量時，存在以下水量平穩關系式：

P0+U0=D+E+S+U1+Q

(2)

式中，P0—降雨總量，m3；U0—初始蓄水量，m3；D—徑流損失量，m3；E—蒸發量，m3；S—下滲量，m3；U1—結束時綠地蓄水量，m3；Q—溢流外排量，m3。

下滲量S可通過下式進行計算[16]：

S=KJAsts

(3)

式中，S—滲透量，m3；K—土壤滲透系數，m/s；J—水力坡降，一般可取J=1；As—有效滲透面積，m2；ts—滲透時間，s。

綠地蓄滲率用N(%)，表示降雨過程中綠地滲透、蓄積雨水的量占進入綠地的總雨水徑流量的百分比，可通過下列公式計算：

(4)

式中，Pz—降雨量，mm；F1—綠地(花園)服務區的面積，m2;F2—下凹式綠地(雨水花園)面積，m2；Cn—綠地(雨水花園)服務區徑流系數，參照表2。

表2 徑流系數

根據有關試驗得出如下結論，當有1倍匯水面積時，下凹綠地及雨水花園下凹深度為10～15cm時，對降雨頻率20%～50%的暴雨攔蓄率為100%；當有2倍匯水面積時，下凹深度為15cm時，對降雨頻率5%的暴雨攔蓄率為100%;對降雨頻率10%～50%的暴雨，可使雨水徑流匯集滯后75～30min，通過下凹式綠地和雨水花園的建設，可有效地將匯集范圍內的雨水攔蓄在綠地以內，并將超蓄水量輸送至存儲系統，最大程度地利用雨水資源和補充地下水。

4.2 調蓄與排放措施

衡水市地處平原，適宜建設的調蓄措施主要有調蓄池和蓄水罐。蓄水池分為干、濕兩大類，其中干類調蓄池又分為地上和地下兩種，地上干調蓄池主要建在市區較低處，在非雨季可做為市民休閑娛樂、停車場等用地；地下干調節池主要由混凝土或磚砌結構砌筑，建造于廣場或大型停車場地下。濕類調節池平常保持一定水位，種植植物，形成景觀帶(點)，雨季時收集存儲雨水。調蓄池通常負責匯集面積較大區域雨水的收集與存儲，一般與下沉式綠地和透水鋪裝層下的排水設施相通，聯合運用。蓄水罐負責單個建筑的雨水徑流收集與存儲，通常由玻璃鋼、塑料、鋼材等材料制成。蓄水池和蓄水罐均有消減峰值流量的作用。

排放措施就是將超過入滲能力及存儲設施容量的徑流通過市政管網排出市區。首先應根據城市的發展規劃和水文氣象條件進行排水管網長期規劃和建設，提高新建排水管網標準，逐步改造升級老城區管網建設，設置雨污分流式管網。其次以市區內的胡堂排干、班曹店排干、閘西干渠和迎賓河等排澇干渠為主，進行整修、清淤疏通，聯網打造城市水系建設，形成循環網絡，充分發揮排澇干渠的骨干排水作用。再次加大相關資金投入，提升排水設施維護管理水平，定期疏浚排水管網，確保排水管網暢通。

5 結語

針對衡水市區內澇頻發的問題，從自然原因和人為原因(城市建設)兩方面入手，細致分析了內澇癥結所在。根據“海綿城市”的滲、滯、蓄、排等特點和建設技術要求，研究采用滲透過程控制，加大雨水入滲量；徑流空間控制，增加地表地下存儲；余量末端控制，提高排放能力等方式，以緩解城市內澇壓力，改善市區生態環境。通過“海綿城市”建設，將會減輕市區內澇壓力，緩解城市熱島效應，涵養水源，凈化水質，對調節局地微環境起到積極作用。鑒于以上只是理論分析計算，在實際應用中，應當結合市區實際選取典型地塊(形)進行試驗性建設，取得第一手資料，以便在全市范圍內推廣“海綿城市”建設，早日實現生態宜居型城市。