極端降雨下水系區(qū)域的匯流機制及優(yōu)化設(shè)計分析探討

沈振龍 于獻彬

摘 要：海綿城市是指像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害方面具有良好“彈性”的城市，也可稱為“水彈性城市”。在海綿城市建設(shè)中，應(yīng)協(xié)調(diào)自然降水、地表水和地下水的系統(tǒng)化，協(xié)調(diào)給水排水等水循環(huán)的所有環(huán)節(jié)，并考慮其復雜性和長期性。雖然海綿城市是基于低影響發(fā)展等現(xiàn)有理念，中國城市水問題處理也有長期的技術(shù)積累，但由于中國城市水問題的復雜性，海綿城市的建設(shè)涉及多個不同的行業(yè)和領(lǐng)域，在海綿城市的推廣和建設(shè)中必然會遇到各種技術(shù)問題。對于在設(shè)計中如何合理地因地制宜組合低影響開發(fā)措施直接影響到海綿城市的建設(shè)效果，本文從極端降雨下水系區(qū)域的匯流機制及優(yōu)化設(shè)計等方面進行了闡述，通過分析指出了目前海綿城市建設(shè)的局限性，為今后海綿城市建設(shè)的發(fā)展方向提供思路。

關(guān)鍵詞：極端降雨 匯流機制 優(yōu)化設(shè)計 海綿城市

Abstract： Sponge city refers to a city that， like a sponge， has good "elasticity" in adapting to environmental changes and responding to natural disasters. It can also be called "water elastic city". In the construction of sponge city， the systematization of natural precipitation， surface water and groundwater， all links of water cycle such as water supply and drainage should be coordinated. What is more， its complexity and long-term nature should be considered. Although sponge city is based on existing concepts such as low impact development， and China's urban water problem treatment also has long-term technical accumulation， due to the complexity of China's urban water problem， the construction of sponge city involves many different industries and fields， and various technical problems are bound to be encountered in the promotion and construction of sponge city. As for how to reasonably combine low impact development measures according to local conditions in the design， which directly affects the construction effect of sponge city， this paper expounds the confluence mechanism and optimal design of water system area under extreme rainfall， points out the limitations of current sponge city construction through analysis， and provides ideas for the development direction of sponge city construction in the future.

Key Words： Extreme rainfall; Confluence mechanism; Optimization design; Sponge city

隨著我國近幾年的高速發(fā)展及城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進，在未來的時間里，農(nóng)村城鎮(zhèn)化仍是社會發(fā)展的主流。城市用地面積不斷拓展，大量的土地被不透水地面取代;而在城市發(fā)展過程中也疏忽地下排水系統(tǒng)的技術(shù)同步，并且不及時維修、系統(tǒng)老化，極易造成排水癱瘓。近年來異常天氣增多，極端降雨頻發(fā)，導致了城市在降雨時產(chǎn)生嚴重的積水和內(nèi)澇，這些問題嚴重影響著城市發(fā)展，為人們的生活埋下一個重大安全隱患。隨著城市的高速發(fā)展，許多問題也愈發(fā)突出，快速城鎮(zhèn)化的背景下，首先，城市用地面積的不斷擴張，致使不透水地表面積突增;其次，城市的發(fā)展使城市自然和人工水系的給排水不能充分發(fā)揮作用[1]，嚴重破壞了自然水循環(huán)的過程，且近幾年異常突發(fā)天氣增多，極端降雨事件頻發(fā)，造成很多城市在夏季汛期出現(xiàn)嚴重內(nèi)澇災(zāi)害[2]，因此，在研究分析極端降雨下水系區(qū)域的匯流機制及其優(yōu)化設(shè)計是解決此問題的重要研究方向。

“海綿城市”這一概念首次在國內(nèi)被使用是在《2012低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》中，主要是為了解決中國城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中的水問題，自此海綿城市建設(shè)理念正式進入中國城鎮(zhèn)化的建設(shè)過程中。海綿城市的建設(shè)過程中應(yīng)優(yōu)先遵循生態(tài)原則，自然方式結(jié)合工程措施，充分利用城市雨水，將其積累、滲透與凈化。

極端降雨是指降雨量值與某一閾值進行比較，高于上限端或者低于下限端 [3]，在中國，極端降雨全部稱為暴雨，一般把每小時降雨量16mm以上，或者連續(xù)12h降雨量30mm以上，抑或連續(xù)24h降雨量達到50mm以上的降雨稱為極端降雨[4-8]。在這一定的時間內(nèi)，實際產(chǎn)生的徑流量遠遠超過了城市所設(shè)計的排泄量就會發(fā)生內(nèi)澇。

1 匯流機制

在匯流機制方面，李麗研究了在數(shù)字流域中通過土力學知識，采用了逐網(wǎng)格匯流演算方法，概化了數(shù)字流域中的河道匯流和坡面匯流特征程度，得到了逐網(wǎng)格產(chǎn)匯流計算的分布式水文模型，可以較好地模擬流域出口斷面的徑流過程[9]。李梅英等借助了一、二維圣維南水動力學模型、堰流理論和種子蔓延算法，推算極端降雨下城市內(nèi)澇演化機理[10]。劉兆存等除提出了流域的產(chǎn)匯流過程處理降雨影響外，還與研究區(qū)域的地形、地貌、土壤、植被、地質(zhì)、水位地質(zhì)等特性有明顯的關(guān)系[11]。劉金濤等建立了適用于柵格單元系統(tǒng)的基于運動波理論的降尺度新安江模型，研究表明：流域產(chǎn)匯流預測受到徑流入滲機制的影響，流域內(nèi)土壤蓄水量時空分布受其顯著影響，進而改變產(chǎn)匯流機制 [12]。金保明等以山坡水文學理論的蓄滿產(chǎn)流機制為出發(fā)點，展開了對山區(qū)流域降雨徑流模擬的研究，以此建立分布式三水源產(chǎn)匯流模型[13]。強文博采用回歸分析法和Mann-kendall趨勢檢驗法研究榆林地區(qū)的降水量和徑流量的趨勢變化，分析其演化規(guī)律，并對兩者的相關(guān)關(guān)系進行討論 14]。以上研究成果對極端降雨下水系區(qū)域的匯流機制具有重要作用，為海綿城市建設(shè)提供了重要的理論基礎(chǔ)。

2 優(yōu)化設(shè)計

在優(yōu)化方面主要從海綿城市措施優(yōu)化和水利措施優(yōu)化兩方面進行探討。

2.1 海綿城市措施優(yōu)化

王衍超基于SWMM模型對區(qū)域降雨情況進行分析，得出LID模式能夠最大化地降低洪水災(zāi)害[15]。易沛媛通過對多孔路面及生物滯留池這兩種措施進行相應(yīng)的搭配，充分發(fā)揮它們的長處，可以有效增加降水的下滲率，減少城市地表徑流，緩解城市內(nèi)澇[16]。謝凌峰等通過SWMM模型，提出低影響開發(fā)模塊設(shè)施單獨設(shè)置和組合設(shè)置，并通過LID設(shè)施的組合，使得雨水積壓效果明顯的減少，并且可以提高雨水資源的利用率，從而降低校園的排水壓力[17]。盧翔等對湖南省城市內(nèi)澇情況進行了調(diào)查，通過數(shù)據(jù)分析情況，利用MIKE FLOOD程序建立了城市排水耦合模型。在已有的實驗基礎(chǔ)上，選取的典型實驗區(qū)域在平原區(qū)的華容縣河西段，進行了排澇模擬計算[18]。

2.2 水利措施優(yōu)化

通過清淤，疏浚河道，實現(xiàn)河道利用最大化，可是在極端降雨的條件下，水量超過了河道對于雨水的承載能力，可以在關(guān)鍵位置設(shè)堰、修建水閘以及在合適的位置修建人工水庫，不僅大大提高了防洪排水能力，使水資源得到收集再用，還可以綠化環(huán)境，加強自然生態(tài)的保護，從而提高城市價值。習榮光等提出建立完好的排水系統(tǒng)是解決內(nèi)澇災(zāi)害的重要措施，蓄水、引水、灌水都應(yīng)在不影響排水的前提下進行[19]。沈黎達等認為溝渠的地勢較低，可以對于地表徑流起到分流作用[20]。許振炷提出借助內(nèi)溝河整治，使其兼?zhèn)渑潘艥骋约皽艨臻g的雙重功能[21]。孫磊等系統(tǒng)地梳理城市黑臭水體成因、治理進展及其常見的治理措施，并結(jié)合黑臭水體治理中存在的水利技術(shù)需求，研究提出城市黑臭水體治理過程中所需的水利措施，包括生態(tài)流量保障、河道整治、河湖水系連通、岸坡修復等水利措施與技術(shù)，以期為城市黑臭水體治理脫困提供技術(shù)參考[22]。海綿城市措施優(yōu)化和水利措施優(yōu)化促進了海綿城市的發(fā)展。

3 需解決的關(guān)鍵科學問題

3.1具體水系區(qū)域在極端降水條件下的匯流演化機制不明確

近幾年，由于二氧化碳等溫室氣體的大量排放，極端氣候的發(fā)生越發(fā)頻繁。在城市建設(shè)中，原來的管道和河流的設(shè)計標準偏低，導致洪澇頻發(fā)。相較于普通降水，極端降水具有突發(fā)性、歷時短和雨量大等特點，那就會造成管道和河流超載，產(chǎn)生地表積水及漫流等水災(zāi)害。為了對現(xiàn)有的水系等進行改造升級提高防洪排澇能力，就需要摸清現(xiàn)有的具體水系區(qū)域匯流演化機制。針對極端降雨下產(chǎn)匯流的復雜性，目前的研究成果還不明了，亟須研究解決。

3.2如何提升極端降雨下水系區(qū)域的防洪抗?jié)衬芰?/p>

極端降雨所導致的徑流量超過了原有的最大排泄量，此時應(yīng)增加改造措施進行改善，對徑流量調(diào)控的常用措施主要有水利措施（設(shè)堰或閘門等）和海綿城市措施（下沉式綠地和植草溝等），如何優(yōu)化組合達到高的防洪排澇標準是另一個重要問題。

4 展望

對于研究城市內(nèi)澇問題，隨著時代發(fā)展，城市排水究其內(nèi)部矛盾是城市的地下排水系統(tǒng)追不上建設(shè)規(guī)模拓展到速度，城市越大，雨水匯集造成的內(nèi)澇災(zāi)害愈發(fā)突出，在已經(jīng)建設(shè)成型的城市中，通過拓展地下排水管道顯然不論是成本還是技術(shù)都是一個巨大的難題，所以在已有城市建設(shè)的程度上尋找新的處理方式是主攻方向，而海綿城市這個概念的引進恰恰是針對此難題的一個突破口，是使脫離自然的城市再“走回去”的鑰匙。海綿城市建設(shè)的最主要目的是通過“蓄、滲、滯、排”等低影響開發(fā)措施，使社會水循環(huán)逐步趨向自然水循環(huán)，模擬自然生態(tài)方式，實現(xiàn)水的自然積累存儲、自然滲透、自然凈化的城市發(fā)展方式，且最大程度地減少社會水循環(huán)對自然水循環(huán)的破壞，有利于保護自然環(huán)境和修復城市生態(tài)系統(tǒng)、提高人類生活質(zhì)量、促進社會經(jīng)濟發(fā)展。

但是海綿城市目前只是探索于小區(qū)域嘗試階段，并沒有大方面推廣，現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)沒有通過大量的實踐來支撐其在防洪排澇方面的積極性，海綿城市建設(shè)與城市的防洪排澇的層次關(guān)系也不夠明確，所以只研究海綿城市的建設(shè)與發(fā)展，卻忽視水利措施在防洪排澇方面的作用，僅單獨依靠海綿城市處理防洪排澇方面問題，實際上還是有不小的難度。

以海綿城市為主，水利措施為輔，以低影響，低成本，高效率的理念，通過組合設(shè)計來解決城市內(nèi)澇問題;在SWMM軟件開發(fā)、海綿城市工程協(xié)同規(guī)劃與設(shè)計技術(shù)、巖土滲流理論、雨洪徑流形成機制、透水工程材料與地下施工技術(shù)等方面開展了系統(tǒng)研究是目前的發(fā)展方向。實現(xiàn)利用城市雨洪模型（SWMM模型），進行城市內(nèi)澇積水的診斷（初評技術(shù)）;片區(qū)和城區(qū)城市海綿體的規(guī)劃;海綿城市建設(shè)的設(shè)計技術(shù);海綿城市建設(shè)的防洪排澇效果影響結(jié)果模擬評估技術(shù);海綿城市建設(shè)目標的可達性分析;“滲、滯、蓄、凈、用、排”措施的協(xié)同布局及調(diào)度運用技術(shù)研發(fā);城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃技術(shù);利用BIM技術(shù)，進行海綿城市工程的設(shè)計、咨詢、建設(shè)的三維建模與信息化管理;水環(huán)境生態(tài)修復技術(shù)研發(fā);大型復雜海綿城市建設(shè)工程的地下施工技術(shù)研發(fā);透水材料的技術(shù)研發(fā)的目標。在深入分析和準確把握城市水環(huán)境與海綿城市建設(shè)需求的基礎(chǔ)上，因地制宜，解決海綿城市建設(shè)過程遇到的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)等技術(shù)難題。

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