滨海平原城市雨洪水利用与调控分析计算

崔晨晓，王 芳，张秋霞，李彦军

（1.河北工程大学 水电学院，河北 邯郸 056021；2.中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038）

滨海平原城市雨洪水利用与调控分析计算

崔晨晓1，2，王 芳2，张秋霞2，李彦军1

（1.河北工程大学 水电学院，河北 邯郸 056021；2.中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038）

滨海平原地区受地势平坦和土壤盐渍化的影响，雨洪水难以利用，且易发生城市内涝。本文以滨州市北海经济开发区为例，从自产水资源利用、水域系统生态化和城市排涝3个方面进行技术分析。通过规划蓄水与供水工程，实现自产水资源的有效利用。设置排咸水系和水闸，防止城市水体的咸化。利用天然河道与城市建设取土的挖方渠道作为雨水蓄滞空间，并通过对水系的综合调度，解决城市内涝问题。

滨海城市；雨洪水；利用技术；调控技术

1 研究背景

城市化是21世纪人类社会经济发展的主要特征之一。到2030年，发达国家的城市人口将达到83%，发展中国家的城市人口也将达到56%［1］。人口的迅速增加和工业的快速发展将导致城市出现严重的水资源危机［2］。同时，城市化过程中不透水下垫面大幅增加极大地改变了原始的产汇流方式，加剧了区域的洪涝灾害。2013年中央城镇化工作会议提出“建设自然积存、自然渗透和自然净化的海绵城市”，其核心是应对城市雨水问题，包括城市缺水、雨水流失以及暴雨洪涝等问题［3］。滨海城市是人口、经济和社会发展重要地区，我国超过四分之一的人口和半数以上国内生产总值分布产生于滨海城市之中［4］。滨海平原城市地势平坦、含水层埋深浅、土壤盐渍化严重，同时受海洋风暴潮影响，情况更加复杂。

国外大城市针对雨水基本上采用“蓄排结合”方法，倡导在每一块新开发的场地内修建蓄滞水池，用来削减开发后增加的雨水径流峰值［5-7］。近年来国内城市也在积极推广低影响开发措施（LID，Low Impact Development），对雨水进行控制和利用［8］，结合城市水景等建设，通过修建绿色屋顶、雨水花园和多功能的调蓄池等措施，以调蓄市区暴雨洪水［9-10］。目前滨海城市对雨水利用也开始逐渐重视，但绝大部分城市的雨水利用技术尚处于探索阶段。青岛高新区针对不同下垫面及建设进度提出“分散式”与“集中式”雨水综合利用模式［11］，大连提出利用雨水改善生态环境的方案［12］。本文以滨州市北海经济开发区为例，对可利用自产水资源量进行计算分析，规划相应的供水工程，并通过规划储水空间和综合调度，既满足城市排涝又改善当地生态环境，对滨海平原城市雨洪水利用进行可应用性探索。

2 研究区域和研究思路

2.1 研究区域 滨州北海经济开发区地处山东半岛，属于海河流域的徒骇-马颊河流域，海岸线长90 km，面积515.7 km2。由于古代黄河泛滥冲积和海潮侵袭，北海经济开发区地貌特征可分为：洼地类（包括平低地和浅平洼地）和滩地类（包括海蚀平地和海蚀砂洲）两大类，地势平坦，地面高程在1.2～3.6 m之间，土壤类型为滨海潮土、滨海盐化潮土和滨海潮盐土。现有耕地165.3 km2，荒碱地39.7 km2，海水养殖与盐田275 km2，其中盐田虾池面积占总面积的53%，长期的海水浸润与晒盐加剧了土壤的盐渍化程度。

区域内有德惠新河、马颊河、套尔河、山子河、潮河、新河、小开河和胡台沟等河流，其中马颊河、德惠新河、郝家沟以及套尔河为排涝行洪河道，山子河、胡台沟、王山支沟与郝家沟为淡水引排共用渠道，潮河和新河是引潮河道（图1）。北海经济开发区多年平均降水量562.1 mm，其中6～9月的降雨量占年降雨量的77%。

北海经济开发区是国家战略黄河三角洲高效生态经济区的一部分，2010年9月29日批准设立为省级开发区。根据《北海经济开发区产业发展规划与土地利用规划》，预计2030年北海经济开发区总人口将达到48～65万人，规划新建城区与产业园区面积分别为44.9 km2和163.1 km2，共占全区总面积的40%。目前区内已建成疏港路、北海大街等主干路，路面高程高于周围区域约1m，路旁存在道路建设取土而形成的渠道。

图1 研究区域

2.2 研究思路 针对北海经济开发区自产水资源难以利用、土壤盐渍化重且地下水矿化度高以及排涝困难的特点，该区域雨水利用思路归纳起来有以下几个方面：（1）解决自产水资源利用问题。北海经济开发区地势平缓，汇流分散，水体易咸化，自产水资源作为供水水源难以利用。针对平原地区情况与分区水资源红线管理的约束，强调“上游产水下游使用”的思路，搭配相应的蓄水与供水工程，实现滨海平原自产水资源的有效利用；（2）满足水生态与水环境要求。充分考虑盐渍土壤、咸化地下水的影响和城市水生态系统的要求，合理规划储水空间布局与形态，将雨水利用与压咸排盐以及绿地建设相结合；（3）与城市排涝和防潮相结合。考虑到滨海地区排涝困难，需要合理利用储水空间。根据排涝、供水、防潮的不同水位要求，提出合理的排涝调度方案。

具体研究思路如图2所示。

图2 研究思路

3 结果与分析

3.1 自产水资源与供水工程技术分析

3.1.1 自产水资源评价 考虑城市建成后下垫面的变化，以及平原区堤防和道路对天然汇水单元的改变，根据城市规划统一控制高程（3.8m）以及《北海经济开发区土地利用规划》，将建成后的北海经济开发区划分为6个汇水单元（图3）。选择距北海经济开发区最近的常家雨量站1964—2012年的实测降雨资料，查阅农林用地、湿地、工业和城镇用地径流系数的相关文献［13-15］，由于不同土地利用类型的径流系数受时间与地域的影响不大，因此本文取以上文献中各土地利用类型径流系数的平均值，确定农林用地、湿地、工业和城镇用地的径流系数分别是1.0、0.105、0.06和0.6，计算出多年平均自产水资源量为8 264万m3。

3.1.2 自产水资源可利用量分析 滨海地区地势平坦，汇流分散且难以利用。在目前分区水资源管理情况下，自产水资源作为供水水源的利用，需要强调承接上游下泄水量。

根据位于北海经济开发区上游的马颊河孙马村闸和德惠新河胡道口闸2006—2013年的下泄流量资料分析，马颊河与德惠新河平水年下泄水量共5 500～6 500万m3，中等偏枯年份下泄水量共3 000万m3（表1）。

表1 德惠新河与马颊河径流过程

按照正在实施的最严格水资源管理制度［16］，北海经济开发区的自产地表水资源红线指标为1 722万m3［17］，占自产水资源量的21%，上游下泄水量能够满足当地用水，当地用水比例也满足通常经济与生态用水比例。

3.1.3 供水工程规划 雨水主要作为工业用水水源，供给高效燃煤火电、船舶制造工业和原油加工等工业，供水量为用水红线指标1 722万m3，其余雨水作为河、湖与湿地的生态用水。

供水工程的规划不仅需要保障水资源的可利用性，同时还要满足水生态与环境要求。规划蓄水工程有两处，一是兼顾湿地修复的湿地水源地，二是兼顾景观的北海新城湖泊。联通水路主要是利用德马沟联通德惠新河与马颊河，利用胡台沟闸从德惠新河引水经胡台沟与山子河进蓄水工程（图4）。在北海新城湖泊设置取水口，向工业园区供水，水量限制在1 722万m3。湿地水源地规划深度2.5m，面积6.0 km2，蓄水容积1 500万m3；北海新城供水景观两用湖泊规划深度3m，面积1.5 km2，蓄水容积为450万m3。水源地可蓄水量共计1 950万m3。

图3 汇水单元分区

图4 水源与供水工程规划

3.2 储水空间生态化技术分析

3.2.1 防止水体咸化设计 北海经济开发区现状地面高程在1.2～3.6 m之间，城市规划控制高程高3.8 m，区内浅层地下水埋深1～2 m，矿化度3～50 g/L不等。防止水体变咸的设计包括以下3个方面。

（1）防止地表水体与含水层咸水交换。由于区域内地下水埋深浅且矿化度高，为避免地表淡水与含水层咸水的交换，储水空间应避免过深，尽量保持在海平面或平均高潮位以上。新规划水系渠底高程为0.5～2.0m，比降为1∶12 000。

（2）避免供水淡水水源与现有深切含水层河道的半咸水体混合。北海新区天然河道潮河、新河河底高程在海平面以下4m，深切含水层，河水咸化速度快。为了其他水系的淡水保障，需要尽可能避开潮河和新河的盐污染，因此，在潮河、新河与北海新城水系联通处设置3个水闸（水闸1～3，如图5所示），以阻隔咸淡水交换。

图5 北海新区防线排涝规划与调度

（3）增加区域的排盐渠道。在北海经济开发区东侧设置地下水排咸水系，降低含水层水位，结合降水淋溶，排出土壤与附近含水层的盐分（图5）。排咸工程总长24 km，通过5条东西方向水渠将咸水排入套尔河，规划沟底高程-0.5～1.0 m，渠道比降1∶2 000～1∶5 000，渠道不设闸，利用自流排水。北海新区西北部为咸淡水湿地，为防止湿地咸水侧渗，规划湿地排咸水系（图5）将咸淡水湿地与东部城市淡水水系分隔开，湿地咸淡水系全长17.5 km，规划渠底高程0.5 m，比降为1∶12 000。

3.2.2 水系形态与植物配置 健康河湖系统应具备相对稳定的生态结构，并能够提供人类需求的生态服务［18-19］。构建城市河湖生态系统应维护水循环，保障水环境质量，合理配置沉水植物、浮游植物、底栖动物与鱼类。

北海新区水系规划保留新河、潮河和山子河等天然河流形态，新规划水系大多是利用位于道路旁的城市建设取土挖方空间，水系采用矩形断面，靠近道路一侧坡比为1∶2，另一侧为1∶10的缓坡，既可以提高防洪能力，又为生态系统构建提供生境空间。城区及工业园区河湖深度为2.5～3.0m，水深控制在2.0～2.5m，在深水区种植荷花、浮萍等浮叶植物和硅藻、金鱼藻等沉水植物，可抑制藻类生长，降低水体浊度，为微生物与底栖动物提供生存空间；在浅滩区种植芦苇、香蒲等挺水植物，为鱼类、鸟类等动物提供栖息环境；岸坡种植早菊、菖蒲等地被植物和金银木、丁香等灌木和黑松、垂柳等乔木，兼做城市绿化。

3.3 暴雨洪水利用与防洪排涝技术分析

3.3.1 暴雨洪水与城市绿地综合规划技术 根据常家雨量站实测雨量资料，采用年最大值法统计历年最大1日降雨量。以矩法确定统计参数，取偏态系数C s＝3.5C v，采用P－Ⅲ型频率曲线进行适线，经点面折减后，得到最大1日各频率面雨量。根据《城市排水工程规划规范》中规定的“重要干道、重要地区或短期积水能引起严重后果的地区，城市雨水规划重现期宜采用3～5年”［20］，选用5年一遇最大一日暴雨作为设计暴雨。北海经济开发区建成后5年一遇最大一日暴雨降水量为117.5mm，暴雨产水量3 147万m3。

利用现有河道与道路建设挖方空间规划城市水系，汛期作为暴雨蓄积空间。蓄积的雨水用于地下水压咸与城市绿地用水。根据《建设部城市绿化规划建设指标》（1993）中第五条“城市绿地率到2000年应不少于25%，到2010年应不少于30%”的规定，规划绿地面积为79km2。绿地模式采用低于地表控高0.25m的下凹式绿地［21］，蓄水容积共1 105万m3（表2）。

表2 城区及工业园区暴雨分析结果

3.3.2 城市排涝综合调度 北海新城汛期排涝还需要考虑潮水的顶托影响，根据东风港观测站的潮位资料，汛期（6～9月）平均高潮位为1.25m，为了保障北海新城5年一遇最大一日暴雨产生的涝水可以顺利排除，需要将北海新城水位控制在2.3m以下。北海新城水系汛期水位为2.3m，非汛期3.3m。北海新区西部与南部为农灌区，农灌区要求汛期排涝水位1.3m，非汛期排涝水位1.7m。马山子镇水系非汛期取景观水位3.3 m，汛期按照农灌区排涝水位1.7m运行。

针对不同区域的不同排涝水位，通过设置水闸和综合调度来实现排涝要求。在山子河与胡台沟联通处规划水闸（水闸4，图6），既可以保证西南部农灌区排涝要求，又可以实现北部高水位运行。马山子镇涝水排向郝家沟，在与郝家沟交汇处设置水闸（水闸5，图6），既可以实现汛期提闸放水，又可以保证郝家沟的水流不灌入马山子镇。工业园区涝水通过4条东西向水渠排向套儿河，在与地下水排咸水系交汇处设置水闸（水闸6～9，如图6所示），防止地下咸水与工业园区淡水水体混合。北海新城的涝水通过北海新城湖泊东侧排水沟经水闸（水闸3，图6）排入潮河和新河，再经三河口闸排向套尔河。

图6 北海新区排涝规划与调度

4 结论与建议

（1）滨海城市地势低平，咸水含水层埋深浅，自产水资源汇流分散，且容易咸化。自产水资源作为供水水源的利用是承接上游下泄的水量。供水工程规划应避免深切含水层，同时兼顾城市水体的多种功能。（2）为了改善城区下垫面的盐渍化，能够进行宜居城市的绿地建设，充分利用天然河道与城市建设取土的挖方空间，设置排咸水系与下凹式绿地，利用雨水的淋溶，排出土壤中的盐分，并对水域系统进行系统的生态化设计。（3）滨海平原区上游灌区排涝水位、城区供水、压咸、排涝与防止风暴潮的水位要求不同，需要进行综合调控。在关键水系联通处设闸，根据闸上闸下不同的水位要求与盐度要求进行调度。（4）滨海城市普遍存在地下水矿化度高，土壤盐渍化重等共性问题，淡水水体的咸化是制约滨海城市水资源利用的重要因素。建议开展咸化地下水-盐渍化土壤-地表淡水之间的水盐运移规律研究，通过物理实验与模型模拟等方法，探究咸淡水水体的盐分运移速度，为滨海城市的水资源利用和土壤改良提供基础支撑。

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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

（责任编辑：王成丽）

2015-10-19

崔晨晓（1991-），女，河北石家庄人，硕士生，主要从事水文水资源研究。E-mail：ccx19910708@163.com

通迅作者：王芳（1966-），女，内蒙古包头人，教授级高级工程师，主要从事生态水文研究。E-mail：wangf@iwhr.com