基于海綿城市理念的水安全防控體系架構(gòu)

李 兵，肖 玲，姜學(xué)偉，蘇晉國，崔 松，魏嬌嬌

(1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 北京分公司，北京 100044；2.青島市李滄區(qū)城市建設(shè)管理局，青島 266100)

21世紀(jì)以來，我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展破壞了城市原有的自然水文過程。同時(shí)，受全球氣候變化和城市“熱島”效應(yīng)的影響，極端天氣日益增多，引發(fā)了一系列的城市內(nèi)澇問題。近些年來，全國各地相繼爆發(fā)了雨水洪澇災(zāi)害，給城市造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了城市的正常運(yùn)行。城市內(nèi)澇問題主要由外部環(huán)境因素和內(nèi)部系統(tǒng)因素兩方面引起的，是當(dāng)前城市水文學(xué)研究的熱點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)給水排水理論的水安全防控體系將排水標(biāo)準(zhǔn)作為內(nèi)澇的防治標(biāo)準(zhǔn)，將排水管網(wǎng)提標(biāo)改造作為解決城市內(nèi)澇的核心技術(shù)[2]，難以應(yīng)對(duì)雨洪發(fā)展面臨的新問題，需要新的理念體系來支撐。海綿城市是國際化城市雨洪管理理念在國內(nèi)的創(chuàng)新和發(fā)展，旨在推廣和應(yīng)用低影響開發(fā)建設(shè)模式，加大城市對(duì)徑流雨水的源頭削減作用，以生態(tài)排水理論有效應(yīng)對(duì)當(dāng)今雨洪發(fā)展面臨的新形勢[3]。

1 基于海綿城市理念的水安全防控體系

海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用[4]。根據(jù)海綿城市建設(shè)和管理理念，城市水安全防控體系應(yīng)對(duì)降落在城市區(qū)域內(nèi)的雨水進(jìn)行科學(xué)管理，加大城市徑流雨水源頭減排的剛性約束，充分發(fā)揮城市綠地、道路、水系等對(duì)雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用。

海綿城市建設(shè)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性，注重內(nèi)外關(guān)系，按照“外部體系構(gòu)建，內(nèi)部體系控制”的指導(dǎo)思想，在外部：通過“上截、中蓄、下排”的手段，建立蓄排平衡系統(tǒng)，有效銜接水安全與城市河道之間的關(guān)系，減少上游客水和下游頂托的影響；在內(nèi)部：通過低影響開發(fā)設(shè)施、市政管網(wǎng)及其附屬設(shè)施、調(diào)蓄設(shè)施及地表行泄設(shè)施等，建立內(nèi)部控制系統(tǒng)，局部因特殊原因仍存在積水的區(qū)域，要根據(jù)積水特點(diǎn)，采取針對(duì)性措施，徹底解決積水問題，保障城市正常的運(yùn)行安全。通過內(nèi)外結(jié)合，最終形成“源頭削減、過程控制和系統(tǒng)治理”的綜合控制體系(圖1)。

圖1 基于海綿城市理念的水安全防控體系架構(gòu)

1.1 外部體系構(gòu)建

合理利用自然條件，保護(hù)現(xiàn)狀自然低洼地塊，保障河渠、坑塘等重要匯水通道，避免盲目填充占用，增強(qiáng)地區(qū)的蓄水、排水能力，建立蓄排平衡系統(tǒng)。城市地塊開發(fā)應(yīng)盡量保留利用原有地表泄水通道，根據(jù)水力模型評(píng)估的城市內(nèi)澇易發(fā)地區(qū)和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，結(jié)合保留下來的洼地、河渠、坑塘等，科學(xué)規(guī)劃蓄滯空間，落實(shí)項(xiàng)目建設(shè)用地，確保規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目能夠如期實(shí)施。

外部體系構(gòu)建可以通過“上截、中蓄、下排”的手段，有效銜接水安全與城市河道之間的關(guān)系，減少上游客水和下游頂托的影響。“上截、中蓄、下排”是城市大排水系統(tǒng)構(gòu)建的主要措施，即“上游截流、中游調(diào)蓄、下游強(qiáng)排”，是容易遭受山洪影響或河流水系影響的城市防洪排澇體系構(gòu)建的總體思路。

1) 上游截流：上游有山洪入侵風(fēng)險(xiǎn)的城市，需要對(duì)山洪采取攔截措施，將洪水引入下游或外部河湖，防止對(duì)城市內(nèi)部造成影響，減輕城市洪澇壓力。

具體措施主要有分洪隧道、截流箱涵和大型管道等，可對(duì)山體洪水或河流水系進(jìn)行分流，降低城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)。上游截流以防洪保安全為基礎(chǔ)，完善防洪減災(zāi)工程體系，實(shí)現(xiàn)分散城區(qū)行洪壓力，保障城市運(yùn)行安全。

2) 中游調(diào)蓄：中游區(qū)域充分利用自然條件和雨水調(diào)蓄設(shè)施，合理布置滯洪空間，增加蓄水能力。

具體措施為充分利用城市開發(fā)建設(shè)中保留下來的洼地、河渠、坑塘等自然條件，規(guī)劃為蓄滯水體，增加城市的滯洪空間；超過自然條件的滯洪能力時(shí)，需要科學(xué)合理布置人工調(diào)蓄設(shè)施，如調(diào)蓄池、調(diào)蓄隧道、調(diào)蓄箱涵等，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰排水，蓄排結(jié)合，共同提高中游地區(qū)的洪澇標(biāo)準(zhǔn)。

3) 下游強(qiáng)排：下游受河道水位頂托，地區(qū)無法正常排水時(shí)，需要采取排澇泵站，通過壓力排水，將區(qū)域積留的雨水快速排除。

具體措施為下游地面高程低于河道洪水位的地塊，在河道水位為常水位時(shí)，雨水可自流排入管道，通過雨水管道排入河道水體；在遭遇河道高潮位頂托時(shí)，通過水利措施(如拍門、鴨嘴閥、止水堰門等)封堵排水口，避免河水發(fā)生倒灌頂托，并在堤岸以內(nèi)、排水出口處設(shè)置排澇泵站，將地區(qū)內(nèi)雨水引入泵站，利用排澇泵站排除區(qū)域范圍內(nèi)的超標(biāo)雨水。

河道水系處于排水系統(tǒng)的末端，接受來自全流域管渠系統(tǒng)和排澇系統(tǒng)的雨水，是提升城市水安全至關(guān)重要的一環(huán)。因此，必須確保河道水系無淤積堵塞，排水通暢；對(duì)于不滿足排洪要求的河道水系，需要通過清淤疏浚和規(guī)劃藍(lán)線控制來實(shí)現(xiàn)，確保河道具有滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的防洪斷面。同時(shí)，控制好河道的水位，確保河道堤防工程的安全，防止河水倒灌，做好排水工程措施與河道系統(tǒng)的有效銜接。

1.2 內(nèi)部體系控制

內(nèi)部體系控制主要通過低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)源頭削減、雨水管渠系統(tǒng)及其附屬設(shè)施過程控制和局部問題整治等措施建立。

1.2.1 低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)源頭削減

低影響開發(fā)指在場地開發(fā)過程中采用源頭、分散式措施維持場地開發(fā)前的水文特征，通過改變城市下墊面的入滲特性來減少產(chǎn)流過程[1]，其核心是維持場地開發(fā)前后水文特征不變[4]。低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的構(gòu)建主要從建筑與小區(qū)、公園與綠地、道路與廣場等源頭進(jìn)行削減地表徑流，提高對(duì)徑流雨水的滲、滯、蓄能力，維持或恢復(fù)城市的“海綿”功能。

1) 建筑與小區(qū)源頭削減思路：優(yōu)先考慮雨落管斷接方式，將建筑屋面的雨水引入周邊綠地中，如雨水花園、下沉式綠地等；如果需要對(duì)雨水進(jìn)行收集回用，可將建筑屋面的雨水接入雨水桶中；坡度較緩(小于15°)的屋頂或平屋頂、綠化率較低的住宅小區(qū)，可考慮采用綠色屋頂；內(nèi)部地面停車場、步行道及自行車道等可采用透水鋪裝材料，增加地面的下滲能力。

2) 公園與綠地源頭削減思路：對(duì)于綠化面積較大、比較集中的綠地，可設(shè)計(jì)為下沉式綠地的形式，除了要消納公園綠地內(nèi)部的產(chǎn)流外，還要考慮與周邊場地的銜接，將周邊匯水面的雨水徑流通過合理豎向引入；對(duì)于公園綠地內(nèi)部的景觀水體，可設(shè)計(jì)為雨水塘的形式，促進(jìn)雨水的滯蓄調(diào)節(jié)以及凈化回用功能；公園與綠地占地面積較大，可根據(jù)地區(qū)總體排水需求，在地下建設(shè)多功能調(diào)蓄設(shè)施，對(duì)雨水徑流量以及水質(zhì)進(jìn)行控制，并對(duì)雨水資源進(jìn)行充分利用。

3) 道路與廣場源頭削減思路：道路與廣場改造應(yīng)結(jié)合內(nèi)外綠地空間、縱坡及標(biāo)準(zhǔn)斷面、雨水系統(tǒng)布局等，通過降低綠化帶標(biāo)高、緣石開口改造等方式，將雨水徑流引到綠化空間，在綠化帶內(nèi)設(shè)置植草溝、雨水花園、下沉式綠地等雨水滯留設(shè)施，凈化、消納雨水徑流；對(duì)于自行車道、人行道以及廣場等地面鋪裝優(yōu)先采用滲透性鋪裝材料。

1.2.2 雨水管渠系統(tǒng)及其附屬設(shè)施過程控制

過程控制是指對(duì)雨水管渠系統(tǒng)及其附屬設(shè)施進(jìn)行合理管控，主要管控措施為：①新建區(qū)，注重城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，按照規(guī)范進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，同時(shí)，提高施工質(zhì)量，避免新敷設(shè)的管道出現(xiàn)破損或埋設(shè)不合理現(xiàn)象的發(fā)生；②已建區(qū)，通過排水管網(wǎng)調(diào)查，對(duì)不滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的管網(wǎng)進(jìn)行局部提標(biāo)改造，對(duì)有缺失的管網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)漏，對(duì)淤積的管道進(jìn)行疏通，對(duì)有缺陷的管網(wǎng)進(jìn)行修復(fù)。

另外，雨水口是城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的重要附屬設(shè)施，地表徑流的雨水首先通過雨水口匯流到雨水管網(wǎng)，再通過雨水管網(wǎng)排至城市河道。因此，要做好雨水口與排水管網(wǎng)的有效銜接，確保排水管網(wǎng)及其附屬設(shè)施通順通暢。

1.2.3 局部問題整治

通過外部和內(nèi)部體系的建立，城市的大部分內(nèi)澇問題將得到解決，局部因特殊原因仍存在積水的區(qū)域，要根據(jù)積水特點(diǎn)，采取針對(duì)性措施，科學(xué)合理地選擇相應(yīng)對(duì)策，精準(zhǔn)治理，確保局部地區(qū)排水的安全性。

局部積水點(diǎn)整治仍需注重內(nèi)外關(guān)系，對(duì)于局部有小山體等外部客水入侵的區(qū)域，需要采取上游截流措施，在山體客水入口處設(shè)新的線性排水溝，將客水引入附近溝渠或河道，減少對(duì)區(qū)域地面造成的影響，減輕區(qū)域排澇壓力。

合理利用內(nèi)部自然條件，通過低影響開發(fā)措施削減地表徑流，增加地表的滲水、滯水、蓄水能力。同時(shí)，對(duì)局部雨水管渠系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性提標(biāo)改造和問題整治，確保排水系統(tǒng)高標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行。對(duì)于仍達(dá)不到排水標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域，可考慮局部建設(shè)調(diào)蓄設(shè)施，對(duì)超標(biāo)雨水進(jìn)行調(diào)蓄，蓄排協(xié)同提高局部的排水標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)局部地區(qū)超標(biāo)雨水的有組織排放。

1.3 各級(jí)水安全防控系統(tǒng)的銜接

基于海綿城市理念構(gòu)建的水安全防控體系是城市應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害的重要保障，各級(jí)系統(tǒng)互相聯(lián)系、互相影響，是一個(gè)有機(jī)的整體，缺一不可，各級(jí)系統(tǒng)銜接關(guān)系如圖2所示。

圖2 各級(jí)水安全防控系統(tǒng)的銜接

外部系統(tǒng)主要包括山體、河道、水庫塘壩等，是城市的大排水系統(tǒng)，可以有效應(yīng)對(duì)30～50年及其以上標(biāo)準(zhǔn)的暴雨、大暴雨降雨事件，防止洪水入侵風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

內(nèi)部系統(tǒng)主要是指居民的日常生活區(qū)域，是城市的小排水系統(tǒng)，可以應(yīng)對(duì)地區(qū)內(nèi)部大雨等標(biāo)準(zhǔn)的降雨條件，防止內(nèi)澇的形成。一般情況下，低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)只能計(jì)算削減水量，沒有數(shù)理統(tǒng)計(jì)的重現(xiàn)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)概念，常用年徑流總量控制率來證明其削減效果，當(dāng)年徑流總量控制率達(dá)到75%時(shí)，可以控制小雨及中雨的降雨事件，通過徑流公式轉(zhuǎn)換，以削減水量轉(zhuǎn)化為小時(shí)降雨量，當(dāng)年徑流總量控制率達(dá)到75%時(shí)，一般可以對(duì)應(yīng)接近1年一遇的小時(shí)降雨量。雨水管渠采用短歷時(shí)降雨的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期來表示設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算設(shè)計(jì)流量[5]，可以有效應(yīng)對(duì)3～5年一遇的大雨事件，當(dāng)雨水管渠輔助于調(diào)蓄設(shè)施及地表行泄設(shè)施時(shí)，可以起到城市防澇的作用，通過降雨公式的對(duì)比轉(zhuǎn)換，可以有效應(yīng)對(duì)30～50年一遇的暴雨事件。

通過各級(jí)水安全防控系統(tǒng)的有效銜接，內(nèi)外結(jié)合，最終形成“源頭、過程和末端”的綜合控制體系，共同應(yīng)對(duì)城市洪澇災(zāi)害，確保城市排水和運(yùn)行的安全。

2 萍鄉(xiāng)市國家海綿城市試點(diǎn)區(qū)水安全防控體系的構(gòu)建

以萍鄉(xiāng)市國家海綿城市試點(diǎn)區(qū)建設(shè)為例，總結(jié)水安全防控體系的構(gòu)建思路，為國內(nèi)其他城市的水安全防控提供借鑒和參考。

萍鄉(xiāng)市國家海綿城市試點(diǎn)區(qū)水安全防控的核心是解決區(qū)內(nèi)嚴(yán)重的內(nèi)澇積水，建設(shè)重點(diǎn)是通過綜合治理疏解暴雨時(shí)產(chǎn)生的山洪，防止河道遭遇瞬時(shí)洪水漫溢造成河道水位頂托、排水不暢等問題的發(fā)生。試點(diǎn)區(qū)范圍內(nèi)低洼地總面積為80.9 hm2，占試點(diǎn)區(qū)總面積的2.5%，海綿城市在建設(shè)中充分利用自然地形，保留并改造八一街、西環(huán)路、萍水北路、南門橋北等12處低洼地，增加自然蓄水空間，按照“外部體系構(gòu)建，內(nèi)部體系控制”的思路，建立水安全防控體系。

2.1 外部體系構(gòu)建

萍鄉(xiāng)市國家海綿城市試點(diǎn)區(qū)內(nèi)主要河道有萍水河和五豐河，針對(duì)試點(diǎn)區(qū)內(nèi)澇積水原因與特點(diǎn)，在外部流域尺度上，對(duì)五豐河采取“上截、中蓄、下排”措施，并與萍水河有效銜接，通過對(duì)河道綜合整治，萍水河干流實(shí)現(xiàn)50年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，五豐河實(shí)現(xiàn)20年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，試點(diǎn)區(qū)水安全防控體系構(gòu)建如圖3所示。

圖3 萍鄉(xiāng)市國家海綿城市試點(diǎn)區(qū)水安全防控體系構(gòu)建

上截：在五豐河上游建設(shè)分洪隧洞，最大分流流量為17.5 m3/s，五豐河水經(jīng)赤山河(萍水河支流)引至萍水湖，進(jìn)行湖體調(diào)蓄，調(diào)蓄庫容為300萬m3。

中蓄：在五豐河中游建設(shè)玉湖，對(duì)五豐河上游水量進(jìn)行調(diào)蓄，調(diào)蓄庫容為50萬m3，將五豐河下游洪峰流量削減至27.5 m3/s，有效減輕了五豐河中下游河道的排澇壓力。

下排：為增強(qiáng)五豐河下游排洪能力，在五豐河下游建設(shè)五豐河與鵝湖連通工程，新建鵝湖排洪泵閘，規(guī)模為60 m3/s，將分洪至鵝湖的五豐河洪水抽排至萍水河。同時(shí)，在五豐河匯入萍水河的河口新建泵閘，規(guī)模為15 m3/s，進(jìn)行強(qiáng)排，將五豐河洪水抽排至萍水河內(nèi)。

2.2 內(nèi)部體系控制

內(nèi)部體系統(tǒng)籌考慮地塊與排水分區(qū)的空間層次，在內(nèi)部地塊層面上，重點(diǎn)優(yōu)化內(nèi)部排水系統(tǒng)，通過小海綿的構(gòu)建，從源頭上實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水的自然消納。根據(jù)地形及排水系統(tǒng)布置，將試點(diǎn)區(qū)劃分為6個(gè)項(xiàng)目建設(shè)片區(qū)，分別為：萍水湖片區(qū)、玉湖片區(qū)、螞蝗河片區(qū)、萬龍灣片區(qū)、西門片區(qū)和白源河片區(qū)。對(duì)6個(gè)項(xiàng)目建設(shè)片區(qū)內(nèi)的142個(gè)源頭地塊進(jìn)行海綿建設(shè)和改造，實(shí)現(xiàn)雨水的自然消納，達(dá)到雨水徑流控制的目標(biāo)。

在排水分區(qū)層面上，通過對(duì)排水分區(qū)內(nèi)部管網(wǎng)進(jìn)行提標(biāo)改造，重點(diǎn)解決現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)偏低的問題。并采取清疏修復(fù)方案，通過吸泥、高壓清洗、人工清淤等措施，對(duì)管道內(nèi)部徹底清理，利用更換管道、修補(bǔ)等處理措施對(duì)破損管道進(jìn)行修復(fù)，整體提升試點(diǎn)區(qū)內(nèi)部雨水排水系統(tǒng)的排水標(biāo)準(zhǔn)。在局部區(qū)域新建7座調(diào)蓄池，總規(guī)模為3.81萬m3，實(shí)現(xiàn)對(duì)超標(biāo)雨水的有組織排放，解決局部區(qū)域的積水問題。

2.3 整體效果

萍鄉(xiāng)市在城市外部構(gòu)建“上截、中蓄、下排”防控系統(tǒng)，上游建設(shè)分洪隧洞，進(jìn)行雨洪優(yōu)化聯(lián)合調(diào)配；中游布設(shè)大型調(diào)蓄水體，暴雨時(shí)蓄滯雨洪，削減下泄洪峰流量，雨后逐步開閘放水，補(bǔ)給城市河流；下游城區(qū)段易澇區(qū)新建雨水箱涵和排澇泵站，解決因排水系統(tǒng)問題導(dǎo)致的局部內(nèi)澇。在內(nèi)部城區(qū)統(tǒng)籌低影響開發(fā)系統(tǒng)、雨水管渠系統(tǒng)和局部系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)，著重解決城市內(nèi)澇問題。通過外部體系構(gòu)建與內(nèi)部體系控制，萍鄉(xiāng)市國家海綿城市試點(diǎn)區(qū)總體上可以有效應(yīng)對(duì)30年一遇的暴雨事件，解決了長期以來歷史遺留的洪澇災(zāi)害問題，為構(gòu)建海綿城市理念的水安全防控體系提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)和真實(shí)借鑒。

3 結(jié)束語

基于海綿城市理念的水安全防控體系通過“外部體系構(gòu)建，內(nèi)部體系控制”的指導(dǎo)思想，在外部建立“上截、中蓄、下排”的蓄排平衡系統(tǒng)，在內(nèi)部建立低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)和雨水管渠系統(tǒng)，并針對(duì)局部問題進(jìn)行整治，系統(tǒng)提高城市水安全標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效應(yīng)對(duì)雨洪發(fā)展面臨的新形勢。基于海綿城市理念的水安全防控體系也為給排水行業(yè)的發(fā)展指明了方向，為給排水學(xué)科的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。