崔晨曉，王 芳，張秋霞，李彥軍

（1.河北工程大學(xué) 水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水資源研究所，北京 100038）

濱海平原城市雨洪水利用與調(diào)控分析計(jì)算

崔晨曉1，2，王 芳2，張秋霞2，李彥軍1

（1.河北工程大學(xué) 水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水資源研究所，北京 100038）

濱海平原地區(qū)受地勢(shì)平坦和土壤鹽漬化的影響，雨洪水難以利用，且易發(fā)生城市內(nèi)澇。本文以濱州市北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)為例，從自產(chǎn)水資源利用、水域系統(tǒng)生態(tài)化和城市排澇3個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)分析。通過(guò)規(guī)劃蓄水與供水工程，實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)水資源的有效利用。設(shè)置排咸水系和水閘，防止城市水體的咸化。利用天然河道與城市建設(shè)取土的挖方渠道作為雨水蓄滯空間，并通過(guò)對(duì)水系的綜合調(diào)度，解決城市內(nèi)澇問(wèn)題。

濱海城市；雨洪水；利用技術(shù)；調(diào)控技術(shù)

1 研究背景

城市化是21世紀(jì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要特征之一。到2030年，發(fā)達(dá)國(guó)家的城市人口將達(dá)到83%，發(fā)展中國(guó)家的城市人口也將達(dá)到56%［1］。人口的迅速增加和工業(yè)的快速發(fā)展將導(dǎo)致城市出現(xiàn)嚴(yán)重的水資源危機(jī)［2］。同時(shí)，城市化過(guò)程中不透水下墊面大幅增加極大地改變了原始的產(chǎn)匯流方式，加劇了區(qū)域的洪澇災(zāi)害。2013年中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議提出“建設(shè)自然積存、自然滲透和自然凈化的海綿城市”，其核心是應(yīng)對(duì)城市雨水問(wèn)題，包括城市缺水、雨水流失以及暴雨洪澇等問(wèn)題［3］。濱海城市是人口、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展重要地區(qū)，我國(guó)超過(guò)四分之一的人口和半數(shù)以上國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值分布產(chǎn)生于濱海城市之中［4］。濱海平原城市地勢(shì)平坦、含水層埋深淺、土壤鹽漬化嚴(yán)重，同時(shí)受海洋風(fēng)暴潮影響，情況更加復(fù)雜。

國(guó)外大城市針對(duì)雨水基本上采用“蓄排結(jié)合”方法，倡導(dǎo)在每一塊新開(kāi)發(fā)的場(chǎng)地內(nèi)修建蓄滯水池，用來(lái)削減開(kāi)發(fā)后增加的雨水徑流峰值［5-7］。近年來(lái)國(guó)內(nèi)城市也在積極推廣低影響開(kāi)發(fā)措施（LID，Low Impact Development），對(duì)雨水進(jìn)行控制和利用［8］，結(jié)合城市水景等建設(shè)，通過(guò)修建綠色屋頂、雨水花園和多功能的調(diào)蓄池等措施，以調(diào)蓄市區(qū)暴雨洪水［9-10］。目前濱海城市對(duì)雨水利用也開(kāi)始逐漸重視，但絕大部分城市的雨水利用技術(shù)尚處于探索階段。青島高新區(qū)針對(duì)不同下墊面及建設(shè)進(jìn)度提出“分散式”與“集中式”雨水綜合利用模式［11］，大連提出利用雨水改善生態(tài)環(huán)境的方案［12］。本文以濱州市北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)為例，對(duì)可利用自產(chǎn)水資源量進(jìn)行計(jì)算分析，規(guī)劃相應(yīng)的供水工程，并通過(guò)規(guī)劃儲(chǔ)水空間和綜合調(diào)度，既滿足城市排澇又改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，對(duì)濱海平原城市雨洪水利用進(jìn)行可應(yīng)用性探索。

2 研究區(qū)域和研究思路

2.1 研究區(qū)域 濱州北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)地處山東半島，屬于海河流域的徒駭-馬頰河流域，海岸線長(zhǎng)90 km，面積515.7 km2。由于古代黃河泛濫沖積和海潮侵襲，北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)地貌特征可分為：洼地類（包括平低地和淺平洼地）和灘地類（包括海蝕平地和海蝕砂洲）兩大類，地勢(shì)平坦，地面高程在1.2～3.6 m之間，土壤類型為濱海潮土、濱海鹽化潮土和濱海潮鹽土?，F(xiàn)有耕地165.3 km2，荒堿地39.7 km2，海水養(yǎng)殖與鹽田275 km2，其中鹽田蝦池面積占總面積的53%，長(zhǎng)期的海水浸潤(rùn)與曬鹽加劇了土壤的鹽漬化程度。

區(qū)域內(nèi)有德惠新河、馬頰河、套爾河、山子河、潮河、新河、小開(kāi)河和胡臺(tái)溝等河流，其中馬頰河、德惠新河、郝家溝以及套爾河為排澇行洪河道，山子河、胡臺(tái)溝、王山支溝與郝家溝為淡水引排共用渠道，潮河和新河是引潮河道（圖1）。北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)多年平均降水量562.1 mm，其中6～9月的降雨量占年降雨量的77%。

北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)是國(guó)家戰(zhàn)略黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的一部分，2010年9月29日批準(zhǔn)設(shè)立為省級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū)。根據(jù)《北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃與土地利用規(guī)劃》，預(yù)計(jì)2030年北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)總?cè)丝趯⑦_(dá)到48～65萬(wàn)人，規(guī)劃新建城區(qū)與產(chǎn)業(yè)園區(qū)面積分別為44.9 km2和163.1 km2，共占全區(qū)總面積的40%。目前區(qū)內(nèi)已建成疏港路、北海大街等主干路，路面高程高于周?chē)鷧^(qū)域約1m，路旁存在道路建設(shè)取土而形成的渠道。

圖1 研究區(qū)域

2.2 研究思路 針對(duì)北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)自產(chǎn)水資源難以利用、土壤鹽漬化重且地下水礦化度高以及排澇困難的特點(diǎn)，該區(qū)域雨水利用思路歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面：（1）解決自產(chǎn)水資源利用問(wèn)題。北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)地勢(shì)平緩，匯流分散，水體易咸化，自產(chǎn)水資源作為供水水源難以利用。針對(duì)平原地區(qū)情況與分區(qū)水資源紅線管理的約束，強(qiáng)調(diào)“上游產(chǎn)水下游使用”的思路，搭配相應(yīng)的蓄水與供水工程，實(shí)現(xiàn)濱海平原自產(chǎn)水資源的有效利用；（2）滿足水生態(tài)與水環(huán)境要求。充分考慮鹽漬土壤、咸化地下水的影響和城市水生態(tài)系統(tǒng)的要求，合理規(guī)劃儲(chǔ)水空間布局與形態(tài)，將雨水利用與壓咸排鹽以及綠地建設(shè)相結(jié)合；（3）與城市排澇和防潮相結(jié)合?？紤]到濱海地區(qū)排澇困難，需要合理利用儲(chǔ)水空間。根據(jù)排澇、供水、防潮的不同水位要求，提出合理的排澇調(diào)度方案。

具體研究思路如圖2所示。

圖2 研究思路

3 結(jié)果與分析

3.1 自產(chǎn)水資源與供水工程技術(shù)分析

3.1.1 自產(chǎn)水資源評(píng)價(jià) 考慮城市建成后下墊面的變化，以及平原區(qū)堤防和道路對(duì)天然匯水單元的改變，根據(jù)城市規(guī)劃統(tǒng)一控制高程（3.8m）以及《北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用規(guī)劃》，將建成后的北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)劃分為6個(gè)匯水單元（圖3）。選擇距北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)最近的常家雨量站1964—2012年的實(shí)測(cè)降雨資料，查閱農(nóng)林用地、濕地、工業(yè)和城鎮(zhèn)用地徑流系數(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)［13-15］，由于不同土地利用類型的徑流系數(shù)受時(shí)間與地域的影響不大，因此本文取以上文獻(xiàn)中各土地利用類型徑流系數(shù)的平均值，確定農(nóng)林用地、濕地、工業(yè)和城鎮(zhèn)用地的徑流系數(shù)分別是1.0、0.105、0.06和0.6，計(jì)算出多年平均自產(chǎn)水資源量為8 264萬(wàn)m3。

3.1.2 自產(chǎn)水資源可利用量分析 濱海地區(qū)地勢(shì)平坦，匯流分散且難以利用。在目前分區(qū)水資源管理情況下，自產(chǎn)水資源作為供水水源的利用，需要強(qiáng)調(diào)承接上游下泄水量。

根據(jù)位于北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)上游的馬頰河孫馬村閘和德惠新河胡道口閘2006—2013年的下泄流量資料分析，馬頰河與德惠新河平水年下泄水量共5 500～6 500萬(wàn)m3，中等偏枯年份下泄水量共3 000萬(wàn)m3（表1）。

表1 德惠新河與馬頰河徑流過(guò)程

按照正在實(shí)施的最嚴(yán)格水資源管理制度［16］，北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)的自產(chǎn)地表水資源紅線指標(biāo)為1 722萬(wàn)m3［17］，占自產(chǎn)水資源量的21%，上游下泄水量能夠滿足當(dāng)?shù)赜盟?dāng)?shù)赜盟壤矟M足通常經(jīng)濟(jì)與生態(tài)用水比例。

3.1.3 供水工程規(guī)劃 雨水主要作為工業(yè)用水水源，供給高效燃煤火電、船舶制造工業(yè)和原油加工等工業(yè)，供水量為用水紅線指標(biāo)1 722萬(wàn)m3，其余雨水作為河、湖與濕地的生態(tài)用水。

供水工程的規(guī)劃不僅需要保障水資源的可利用性，同時(shí)還要滿足水生態(tài)與環(huán)境要求。規(guī)劃蓄水工程有兩處，一是兼顧濕地修復(fù)的濕地水源地，二是兼顧景觀的北海新城湖泊。聯(lián)通水路主要是利用德馬溝聯(lián)通德惠新河與馬頰河，利用胡臺(tái)溝閘從德惠新河引水經(jīng)胡臺(tái)溝與山子河進(jìn)蓄水工程（圖4）。在北海新城湖泊設(shè)置取水口，向工業(yè)園區(qū)供水，水量限制在1 722萬(wàn)m3。濕地水源地規(guī)劃深度2.5m，面積6.0 km2，蓄水容積1 500萬(wàn)m3；北海新城供水景觀兩用湖泊規(guī)劃深度3m，面積1.5 km2，蓄水容積為450萬(wàn)m3。水源地可蓄水量共計(jì)1 950萬(wàn)m3。

圖3 匯水單元分區(qū)

圖4 水源與供水工程規(guī)劃

3.2 儲(chǔ)水空間生態(tài)化技術(shù)分析

3.2.1 防止水體咸化設(shè)計(jì) 北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)現(xiàn)狀地面高程在1.2～3.6 m之間，城市規(guī)劃控制高程高3.8 m，區(qū)內(nèi)淺層地下水埋深1～2 m，礦化度3～50 g/L不等。防止水體變咸的設(shè)計(jì)包括以下3個(gè)方面。

（1）防止地表水體與含水層咸水交換。由于區(qū)域內(nèi)地下水埋深淺且礦化度高，為避免地表淡水與含水層咸水的交換，儲(chǔ)水空間應(yīng)避免過(guò)深，盡量保持在海平面或平均高潮位以上。新規(guī)劃水系渠底高程為0.5～2.0m，比降為1∶12 000。

（2）避免供水淡水水源與現(xiàn)有深切含水層河道的半咸水體混合。北海新區(qū)天然河道潮河、新河河底高程在海平面以下4m，深切含水層，河水咸化速度快。為了其他水系的淡水保障，需要盡可能避開(kāi)潮河和新河的鹽污染，因此，在潮河、新河與北海新城水系聯(lián)通處設(shè)置3個(gè)水閘（水閘1～3，如圖5所示），以阻隔咸淡水交換。

圖5 北海新區(qū)防線排澇規(guī)劃與調(diào)度

（3）增加區(qū)域的排鹽渠道。在北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)東側(cè)設(shè)置地下水排咸水系，降低含水層水位，結(jié)合降水淋溶，排出土壤與附近含水層的鹽分（圖5）。排咸工程總長(zhǎng)24 km，通過(guò)5條東西方向水渠將咸水排入套爾河，規(guī)劃溝底高程-0.5～1.0 m，渠道比降1∶2 000～1∶5 000，渠道不設(shè)閘，利用自流排水。北海新區(qū)西北部為咸淡水濕地，為防止?jié)竦叵趟畟?cè)滲，規(guī)劃濕地排咸水系（圖5）將咸淡水濕地與東部城市淡水水系分隔開(kāi)，濕地咸淡水系全長(zhǎng)17.5 km，規(guī)劃渠底高程0.5 m，比降為1∶12 000。

3.2.2 水系形態(tài)與植物配置 健康河湖系統(tǒng)應(yīng)具備相對(duì)穩(wěn)定的生態(tài)結(jié)構(gòu)，并能夠提供人類需求的生態(tài)服務(wù)［18-19］。構(gòu)建城市河湖生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)維護(hù)水循環(huán)，保障水環(huán)境質(zhì)量，合理配置沉水植物、浮游植物、底棲動(dòng)物與魚(yú)類。

北海新區(qū)水系規(guī)劃保留新河、潮河和山子河等天然河流形態(tài)，新規(guī)劃水系大多是利用位于道路旁的城市建設(shè)取土挖方空間，水系采用矩形斷面，靠近道路一側(cè)坡比為1∶2，另一側(cè)為1∶10的緩坡，既可以提高防洪能力，又為生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建提供生境空間。城區(qū)及工業(yè)園區(qū)河湖深度為2.5～3.0m，水深控制在2.0～2.5m，在深水區(qū)種植荷花、浮萍等浮葉植物和硅藻、金魚(yú)藻等沉水植物，可抑制藻類生長(zhǎng)，降低水體濁度，為微生物與底棲動(dòng)物提供生存空間；在淺灘區(qū)種植蘆葦、香蒲等挺水植物，為魚(yú)類、鳥(niǎo)類等動(dòng)物提供棲息環(huán)境；岸坡種植早菊、菖蒲等地被植物和金銀木、丁香等灌木和黑松、垂柳等喬木，兼做城市綠化。

3.3 暴雨洪水利用與防洪排澇技術(shù)分析

3.3.1 暴雨洪水與城市綠地綜合規(guī)劃技術(shù) 根據(jù)常家雨量站實(shí)測(cè)雨量資料，采用年最大值法統(tǒng)計(jì)歷年最大1日降雨量。以矩法確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)，取偏態(tài)系數(shù)C s＝3.5C v，采用P－Ⅲ型頻率曲線進(jìn)行適線，經(jīng)點(diǎn)面折減后，得到最大1日各頻率面雨量。根據(jù)《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》中規(guī)定的“重要干道、重要地區(qū)或短期積水能引起嚴(yán)重后果的地區(qū)，城市雨水規(guī)劃重現(xiàn)期宜采用3～5年”［20］，選用5年一遇最大一日暴雨作為設(shè)計(jì)暴雨。北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)建成后5年一遇最大一日暴雨降水量為117.5mm，暴雨產(chǎn)水量3 147萬(wàn)m3。

利用現(xiàn)有河道與道路建設(shè)挖方空間規(guī)劃城市水系，汛期作為暴雨蓄積空間。蓄積的雨水用于地下水壓咸與城市綠地用水。根據(jù)《建設(shè)部城市綠化規(guī)劃建設(shè)指標(biāo)》（1993）中第五條“城市綠地率到2000年應(yīng)不少于25%，到2010年應(yīng)不少于30%”的規(guī)定，規(guī)劃綠地面積為79km2。綠地模式采用低于地表控高0.25m的下凹式綠地［21］，蓄水容積共1 105萬(wàn)m3（表2）。

表2 城區(qū)及工業(yè)園區(qū)暴雨分析結(jié)果

3.3.2 城市排澇綜合調(diào)度 北海新城汛期排澇還需要考慮潮水的頂托影響，根據(jù)東風(fēng)港觀測(cè)站的潮位資料，汛期（6～9月）平均高潮位為1.25m，為了保障北海新城5年一遇最大一日暴雨產(chǎn)生的澇水可以順利排除，需要將北海新城水位控制在2.3m以下。北海新城水系汛期水位為2.3m，非汛期3.3m。北海新區(qū)西部與南部為農(nóng)灌區(qū)，農(nóng)灌區(qū)要求汛期排澇水位1.3m，非汛期排澇水位1.7m。馬山子鎮(zhèn)水系非汛期取景觀水位3.3 m，汛期按照農(nóng)灌區(qū)排澇水位1.7m運(yùn)行。

針對(duì)不同區(qū)域的不同排澇水位，通過(guò)設(shè)置水閘和綜合調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)排澇要求。在山子河與胡臺(tái)溝聯(lián)通處規(guī)劃水閘（水閘4，圖6），既可以保證西南部農(nóng)灌區(qū)排澇要求，又可以實(shí)現(xiàn)北部高水位運(yùn)行。馬山子鎮(zhèn)澇水排向郝家溝，在與郝家溝交匯處設(shè)置水閘（水閘5，圖6），既可以實(shí)現(xiàn)汛期提閘放水，又可以保證郝家溝的水流不灌入馬山子鎮(zhèn)。工業(yè)園區(qū)澇水通過(guò)4條東西向水渠排向套兒河，在與地下水排咸水系交匯處設(shè)置水閘（水閘6～9，如圖6所示），防止地下咸水與工業(yè)園區(qū)淡水水體混合。北海新城的澇水通過(guò)北海新城湖泊東側(cè)排水溝經(jīng)水閘（水閘3，圖6）排入潮河和新河，再經(jīng)三河口閘排向套爾河。

圖6 北海新區(qū)排澇規(guī)劃與調(diào)度

4 結(jié)論與建議

（1）濱海城市地勢(shì)低平，咸水含水層埋深淺，自產(chǎn)水資源匯流分散，且容易咸化。自產(chǎn)水資源作為供水水源的利用是承接上游下泄的水量。供水工程規(guī)劃應(yīng)避免深切含水層，同時(shí)兼顧城市水體的多種功能。（2）為了改善城區(qū)下墊面的鹽漬化，能夠進(jìn)行宜居城市的綠地建設(shè)，充分利用天然河道與城市建設(shè)取土的挖方空間，設(shè)置排咸水系與下凹式綠地，利用雨水的淋溶，排出土壤中的鹽分，并對(duì)水域系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的生態(tài)化設(shè)計(jì)。（3）濱海平原區(qū)上游灌區(qū)排澇水位、城區(qū)供水、壓咸、排澇與防止風(fēng)暴潮的水位要求不同，需要進(jìn)行綜合調(diào)控。在關(guān)鍵水系聯(lián)通處設(shè)閘，根據(jù)閘上閘下不同的水位要求與鹽度要求進(jìn)行調(diào)度。（4）濱海城市普遍存在地下水礦化度高，土壤鹽漬化重等共性問(wèn)題，淡水水體的咸化是制約濱海城市水資源利用的重要因素。建議開(kāi)展咸化地下水-鹽漬化土壤-地表淡水之間的水鹽運(yùn)移規(guī)律研究，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)與模型模擬等方法，探究咸淡水水體的鹽分運(yùn)移速度，為濱海城市的水資源利用和土壤改良提供基礎(chǔ)支撐。

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Analysis and calcu lation of utilization and regulation technology of rain flood for coastal p lain city

CUI Chenxiao1，2，WANG Fang2，ZHANG Qiuxia2，LI Yanjun1
（1.College ofWater Conservancy and Hydropower，Hebei University of Engineering，Handan 056021，China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

It is difficult to utilize the flood water in the coastal plain area because of the flat plain and soil salinity，which also cause urban water logging.Taking Beihai Economy Developing District in Binzhou City for example，this paper demonstrated how to solve the problems of self-produced water resource utilization，water system ecological development and urban waterlogging prevention.Water storage and supp ly projects were planned to utilize water resource effectively.Salt dischargeable water system and sluices were set up to prevent water from being salty.By dispatching the water system and making use of natural rivers and soil excavation channels as rainwater storage space，the problem of urban water logging was solved.

coastal city；rainwater；utilization technology；regulation technology

TV213

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.03.006

1672-3031（2016）03-0193-06

（責(zé)任編輯：王成麗）

2015-10-19

崔晨曉（1991-），女，河北石家莊人，碩士生，主要從事水文水資源研究。E-mail：ccx19910708@163.com

通迅作者：王芳（1966-），女，內(nèi)蒙古包頭人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事生態(tài)水文研究。E-mail：wangf@iwhr.com