海綿城市設(shè)計(jì)工程技術(shù)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(xiàng)機(jī)能可以像海綿一樣，在一個(gè)相對與正常且能夠適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對雨水等自然的水災(zāi)害，在處理相關(guān)問題時(shí)有適合，穩(wěn)定的彈性；因此，又被稱之為“水彈性城市”[1]。

在新形勢的發(fā)展下，海綿城市設(shè)計(jì)工程被視為可以推動(dòng)城市綠色建筑和城市良好建設(shè)的一項(xiàng)重要綠化整治項(xiàng)目技術(shù)，是建設(shè)創(chuàng)新性智慧城市的一個(gè)重要舉措。

一、海綿城市設(shè)計(jì)工程的技術(shù)要求

針對海綿城市的設(shè)計(jì)理念是致力于解決城市中由于內(nèi)澇、水資源匱乏及水資源污染等自然水災(zāi)害而引出的一系列水資源問題。這就需要將城市中的實(shí)際排水工程與各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)有效結(jié)合。

二、城市排水工程進(jìn)行“海綿化”改造的重要性

城市排水系統(tǒng)就像是一個(gè)水資源的過濾網(wǎng)一樣，它需要對城市中的污水，雨水等水資源進(jìn)行處理，首先就要對城市中的水資源進(jìn)行收集，然后再實(shí)現(xiàn)排放，轉(zhuǎn)移和治理的功能，又被稱為灰色基礎(chǔ)設(shè)施（Grey Infrastrecture）。

相比較與傳統(tǒng)的城市排水系統(tǒng)來說，海綿城市設(shè)計(jì)工程技術(shù)對于缺乏水資源的城市來說，利用價(jià)值會(huì)更多。傳統(tǒng)的城市排水系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工程技術(shù)是要從這種快速處理模式轉(zhuǎn)向生態(tài)化和可循環(huán)利用的方向，這也是城市排水工程技術(shù)進(jìn)行“海綿化”改造的重要目標(biāo)之一。

圖1 傳統(tǒng)排水系統(tǒng)和海綿城市設(shè)計(jì)工程的區(qū)別

同時(shí)，城市排水工程進(jìn)行“海綿化”是要將“綠色設(shè)施”與“灰色設(shè)施”相結(jié)合，將雨水，污水等城市水資源進(jìn)行收集、輸送、凈化、利用、排放等環(huán)節(jié)的內(nèi)容，使他們更有效的統(tǒng)一結(jié)合起來，再大量運(yùn)用到城市的水資源處理中，最高效率的發(fā)揮城市本身的排水和循環(huán)再利用的水功能。

三、城市排水工程的主要內(nèi)容

1.城市排水的工作機(jī)制

城市排水系統(tǒng)通常是由排水管道和污水處理廠組成，在實(shí)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(jìn)行對于城市中水資源的收集，然后運(yùn)送到污水處理廠，經(jīng)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(jī)制示意圖

2.傳統(tǒng)城市排水系統(tǒng)中常見的問題

①傳統(tǒng)城市排水系統(tǒng)為達(dá)到快速排水的效果，過分依賴于管道工程進(jìn)行工作；

②城市排水工程系統(tǒng)龐大，維修成本過高，同時(shí)可持續(xù)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(wǎng)受損度高，老化速度快，排水坡度不高，水流不暢，淤積嚴(yán)重；

⑤處理廠或工程系統(tǒng)中的泵房設(shè)備老化，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，排水能力?。?/p>

⑥整個(gè)工程系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一，完整的管理方法，管道出現(xiàn)許多不合理的亂接現(xiàn)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(dāng)前我國對于城市排水工程的調(diào)研和考察所得，海綿城市設(shè)計(jì)工程的建設(shè)已經(jīng)不能僅僅局限于管道這種低效的灰色設(shè)施工程，而是要將基礎(chǔ)的灰色設(shè)施工程綠色化，科學(xué)化，以實(shí)現(xiàn)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(chǔ)

灰色骨架為基礎(chǔ)是指對排水系統(tǒng)進(jìn)行改造，使得整個(gè)排水系統(tǒng)高效，穩(wěn)定的工程

①提高排水管道的標(biāo)準(zhǔn)，對管網(wǎng)、泵房提標(biāo)改造。其中，管網(wǎng)改造主要是指加大管徑，泵房改造主要是指實(shí)現(xiàn)智能控制，恒壓供水，節(jié)能降耗，滿足城市對供水的需求，保障水壓穩(wěn)定。

②增設(shè)雨水泄洪管道，將管道的網(wǎng)管增大后，排水進(jìn)入各類蓄水收集場所的水體都會(huì)得到相應(yīng)程度的增加，所以我們應(yīng)當(dāng)多增設(shè)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(wǎng)的基礎(chǔ)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(jī)制示意圖

2.綠化設(shè)施工程改造

在城市中排水的整個(gè)工程系統(tǒng)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(guān)系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的完善

在一些降水量相對大的城市來說，可以增設(shè)雨水收集系統(tǒng)。對收集后的雨水進(jìn)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(huán)使用的問題。

②綠化緩沖帶與生態(tài)護(hù)坡

五、海綿城市設(shè)計(jì)工程的地質(zhì)要求

1.地形地貌

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

2.區(qū)域地質(zhì)

擬建場地在勘探孔深度內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有活動(dòng)斷裂帶、空洞、地面塌陷等不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害跡象及暗浜、大孤石、地下障礙物分布，整個(gè)場地地基穩(wěn)定，適宜本工程建設(shè)。

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(zhì)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(zhì)粘土：褐黃色，軟可塑，中等壓縮性。

第4層（Q32-2m、海積）粉質(zhì)粘土：灰色，軟塑，高壓縮性。

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

第5-2層（Q32-1al-m、沖海積）含粉質(zhì)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(zhì)粘土 ：蘭灰色、褐黃色、灰綠色，可塑，厚層狀，干強(qiáng)度中等，中等韌性，稍有光澤。

第7層（Q21al-pl、沖洪積）含粉質(zhì)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(fēng)化凝灰?guī)r：紫紅色、深褐色，硬可塑或稍密～中密，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，局部殘余塊狀結(jié)構(gòu)，巖芯呈土柱狀、礫砂狀，含風(fēng)化碎塊，手捏易碎，遇水易崩解軟化。

第8-2層（J3）強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r：紫紅色，熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，可見晶屑、玻屑等，裂隙很發(fā)育，裂隙面黃褐色黑褐色。

第8-3層（J3）中風(fēng)化凝灰?guī)r：紫紅色，熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，為晶屑玻屑含角礫凝灰?guī)r，原巖主要由粒徑小于2mm 的火山碎屑物質(zhì)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(jìn)行灰色骨架排水系統(tǒng)的改造。

六、海綿城市設(shè)計(jì)工程模擬降水量要求

6.1 面雨量計(jì)算

設(shè)計(jì)流域內(nèi)無雨量站，設(shè)計(jì)流域面積8.62km2小于10km2，點(diǎn)面系數(shù)取1.0，由圖集查得點(diǎn)雨量及Cv值，即為流域面雨量與Cv 值，Cs/Cv根據(jù)圖集規(guī)定為3.5。詳見表2-1。

表2-1 設(shè)計(jì)流域點(diǎn)面雨量參數(shù)表

設(shè)計(jì)雨量Hp計(jì)算按式：，不同歷時(shí)設(shè)計(jì)雨量計(jì)算成果見表2-2。

表2-2 設(shè)計(jì)流域暴雨量計(jì)算表

6.1.1 暴雨衰減指數(shù)

衰減指數(shù)n 按下式計(jì)算：

當(dāng)ti在10min～1hr 之間，

當(dāng)ti在1hr～6hr 之間，

當(dāng)ti在6hr～24hr 之間，

不同歷時(shí)暴雨衰減指數(shù)見表2-3。

表2-3 設(shè)計(jì)流域暴雨衰減指數(shù)計(jì)算表

6.1.2 設(shè)計(jì)雨型

設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程雨型（24 小時(shí)雨型）按圖集規(guī)定，設(shè)τ為單位時(shí)段，將H24 劃分為24/τ個(gè)時(shí)段，老大項(xiàng)雨量排在第18～21 小時(shí)之間，老二項(xiàng)雨量緊排在老大項(xiàng)的前一項(xiàng)，其余時(shí)段項(xiàng)雨量按從大到小次序，奇數(shù)項(xiàng)時(shí)段雨量排在前，偶數(shù)項(xiàng)時(shí)段排在后邊。當(dāng)后面排滿24 小時(shí)后，余下各項(xiàng)時(shí)段雨量從大到小排在前面，最后得出24小時(shí)設(shè)計(jì)雨量過程。

6.2 設(shè)計(jì)洪水

6.2.1 產(chǎn)、匯流計(jì)算

按照SL44-2000《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》規(guī)定，產(chǎn)流計(jì)算可以采用扣損法。匯流計(jì)算按浙江省規(guī)定：流域面積在50km2以下時(shí)，用推理公式法。

本次產(chǎn)流計(jì)算采用扣損法，初損扣20mm，后損每小時(shí)扣1mm，匯流計(jì)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(shí)代表相應(yīng)于τ時(shí)段的最大凈雨，在部分匯流時(shí)代表單一洪峰的凈雨，mm；

F —流域面積，（km2），參數(shù)見表2-1；

τ—流域匯流歷時(shí)，h；

L —沿主流從出口斷面至分水嶺最長距離（km），參數(shù)見表2-1；

J —沿流程L 的平均比降，參數(shù)見表2-1；

m —匯流參數(shù)，根據(jù)流域形狀和下墊面情況，選為浙江省水電院的III 類線進(jìn)行計(jì)算。

6.2.2 設(shè)計(jì)洪水成果

不同頻率設(shè)計(jì)洪水成果見表2-4。

表2-4 不同頻率設(shè)計(jì)洪水成果表

總結(jié)：

通過海綿城市建設(shè)，最大限度地減少城市開發(fā)建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響，將70%的降雨就地消納和利用。到2020年，城市建成區(qū)20%以上的面積達(dá)到目標(biāo)要求；到2030年，城市建成區(qū)80%以上的面積達(dá)到目標(biāo)要求。