沈振龍 于獻(xiàn)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(duì)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(fù)雜性和長(zhǎng)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(guó)城市水問(wèn)題處理也有長(zhǎng)期的技術(shù)積累，但由于中國(guó)城市水問(wèn)題的復(fù)雜性，海綿城市的建設(shè)涉及多個(gè)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(huì)遇到各種技術(shù)問(wèn)題。對(duì)于在設(shè)計(jì)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(jī)制及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了闡述，通過(guò)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(jī)制 優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(guó)近幾年的高速發(fā)展及城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，在未來(lái)的時(shí)間里，農(nóng)村城鎮(zhèn)化仍是社會(huì)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(guò)程中也疏忽地下排水系統(tǒng)的技術(shù)同步，并且不及時(shí)維修、系統(tǒng)老化，極易造成排水癱瘓。近年來(lái)異常天氣增多，極端降雨頻發(fā)，導(dǎo)致了城市在降雨時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的積水和內(nèi)澇，這些問(wèn)題嚴(yán)重影響著城市發(fā)展，為人們的生活埋下一個(gè)重大安全隱患。隨著城市的高速發(fā)展，許多問(wèn)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(kuò)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(yán)重破壞了自然水循環(huán)的過(guò)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(yán)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(jī)制及其優(yōu)化設(shè)計(jì)是解決此問(wèn)題的重要研究方向。

“海綿城市”這一概念首次在國(guó)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(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展過(guò)程中的水問(wèn)題，自此海綿城市建設(shè)理念正式進(jìn)入中國(guó)城鎮(zhèn)化的建設(shè)過(guò)程中。海綿城市的建設(shè)過(guò)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(jìn)行比較，高于上限端或者低于下限端 [3]，在中國(guó)，極端降雨全部稱為暴雨，一般把每小時(shí)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(dá)到50mm以上的降雨稱為極端降雨[4-8]。在這一定的時(shí)間內(nèi)，實(shí)際產(chǎn)生的徑流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了城市所設(shè)計(jì)的排泄量就會(huì)發(fā)生內(nèi)澇。

1 匯流機(jī)制

在匯流機(jī)制方面，李麗研究了在數(shù)字流域中通過(guò)土力學(xué)知識(shí)，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(jì)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(guò)程[9]。李梅英等借助了一、二維圣維南水動(dòng)力學(xué)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(jī)理[10]。劉兆存等除提出了流域的產(chǎn)匯流過(guò)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(yùn)動(dòng)波理論的降尺度新安江模型，研究表明：流域產(chǎn)匯流預(yù)測(cè)受到徑流入滲機(jī)制的影響，流域內(nèi)土壤蓄水量時(shí)空分布受其顯著影響，進(jìn)而改變產(chǎn)匯流機(jī)制 [12]。金保明等以山坡水文學(xué)理論的蓄滿產(chǎn)流機(jī)制為出發(fā)點(diǎn)，展開了對(duì)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(qiáng)文博采用回歸分析法和Mann-kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法研究榆林地區(qū)的降水量和徑流量的趨勢(shì)變化，分析其演化規(guī)律，并對(duì)兩者的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行討論 14]。以上研究成果對(duì)極端降雨下水系區(qū)域的匯流機(jī)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(jì)

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(jìn)行探討。

2.1 海綿城市措施優(yōu)化

王衍超基于SWMM模型對(duì)區(qū)域降雨情況進(jìn)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(guò)對(duì)多孔路面及生物滯留池這兩種措施進(jìn)行相應(yīng)的搭配，充分發(fā)揮它們的長(zhǎng)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(guò)SWMM模型，提出低影響開發(fā)模塊設(shè)施單獨(dú)設(shè)置和組合設(shè)置，并通過(guò)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(duì)湖南省城市內(nèi)澇情況進(jìn)行了調(diào)查，通過(guò)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取的典型實(shí)驗(yàn)區(qū)域在平原區(qū)的華容縣河西段，進(jìn)行了排澇模擬計(jì)算[18]。

2.2 水利措施優(yōu)化

通過(guò)清淤，疏浚河道，實(shí)現(xiàn)河道利用最大化，可是在極端降雨的條件下，水量超過(guò)了河道對(duì)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(kù)，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(qiáng)自然生態(tài)的保護(hù)，從而提高城市價(jià)值。習(xí)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(jìn)行[19]。沈黎達(dá)等認(rèn)為溝渠的地勢(shì)較低，可以對(duì)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(jìn)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(guò)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(fù)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(jìn)了海綿城市的發(fā)展。

3 需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

3.1具體水系區(qū)域在極端降水條件下的匯流演化機(jī)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(lái)的管道和河流的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，導(dǎo)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(shí)短和雨量大等特點(diǎn)，那就會(huì)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(duì)現(xiàn)有的水系等進(jìn)行改造升級(jí)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(jī)制。針對(duì)極端降雨下產(chǎn)匯流的復(fù)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(dǎo)致的徑流量超過(guò)了原有的最大排泄量，此時(shí)應(yīng)增加改造措施進(jìn)行改善，對(duì)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(dá)到高的防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)是另一個(gè)重要問(wèn)題。

4 展望

對(duì)于研究城市內(nèi)澇問(wèn)題，隨著時(shí)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(guò)拓展地下排水管道顯然不論是成本還是技術(shù)都是一個(gè)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(gè)概念的引進(jìn)恰恰是針對(duì)此難題的一個(gè)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(guò)“蓄、滲、滯、排”等低影響開發(fā)措施，使社會(huì)水循環(huán)逐步趨向自然水循環(huán)，模擬自然生態(tài)方式，實(shí)現(xiàn)水的自然積累存儲(chǔ)、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(huì)水循環(huán)對(duì)自然水循環(huán)的破壞，有利于保護(hù)自然環(huán)境和修復(fù)城市生態(tài)系統(tǒng)、提高人類生活質(zhì)量、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(guò)大量的實(shí)踐來(lái)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(dú)依靠海綿城市處理防洪排澇方面問(wèn)題，實(shí)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(guò)組合設(shè)計(jì)來(lái)解決城市內(nèi)澇問(wèn)題;在SWMM軟件開發(fā)、海綿城市工程協(xié)同規(guī)劃與設(shè)計(jì)技術(shù)、巖土滲流理論、雨洪徑流形成機(jī)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(shí)現(xiàn)利用城市雨洪模型（SWMM模型），進(jìn)行城市內(nèi)澇積水的診斷（初評(píng)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(jì)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(píng)估技術(shù);海綿城市建設(shè)目標(biāo)的可達(dá)性分析;“滲、滯、蓄、凈、用、排”措施的協(xié)同布局及調(diào)度運(yùn)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(jìn)行海綿城市工程的設(shè)計(jì)、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(fù)技術(shù)研發(fā);大型復(fù)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(biāo)。在深入分析和準(zhǔn)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(guò)程遇到的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)等技術(shù)難題。

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