“海绵城市”建设对缓解衡水市区内涝的作用与意义

王 磊

(河北省子牙河河务管理处，河北 衡水 053000)

1 概述

衡水市位于河北省平原腹地，华北平原中南部，北与保定市相连，南接邢台市，东部与沧州市和山东省德州市接壤，西部与石家庄市交界，南北长125.5km，东西宽98km，行政区域面积8815km2，下辖11个县(市、区)，其中2区、1市、8个县，截止2017年底，全市总人口429.9万人。

衡水市全境为平原地区，地势自西南向东北缓慢倾斜，海拔高度12～30m，滹沱河、滏阳河、滏阳新河、潴龙河、滏东排河、清凉江、卫运河等河流穿境而过。衡水湖位于桃城区与冀州区之间，蓄水面积75km2，最大蓄水量近2亿m3。

2 海绵城市提出的背景

2.1 城市发展与生态环境的矛盾

随着我国经济的快速发展，城镇规模不断扩大，造成了土地利用方式的快速改变。根据统计部门数据，2003年衡水城镇化率为29.91%，至2017年衡水市城镇化率达到50.6%，增长了20.69%，平均年增长1.48%。根据《衡水市城市总体规划(2015—2030年)》，到2020年城镇化率达到56%，2030年达到69%。衡水市快速发展的同时，占用了大量的、未经开发的原状土地，造成灰色与绿色基础设施的对立。现有的灰色基础设施所占比例较大，与绿色基础设施不能够协调发展，导致对生态环境造成很大的负担，如地下水污染、雨洪灾害等问题。

2.2 水资源匮乏与城市内涝现象共存

近几十年来，由于气候变化，上游山区降水量减少，加之水库拦截和沿河城镇工农业用水量增加，造成河流径流量持续减少，除个别河流外，多数河流呈常年断流状态，为此衡水市靠超采大量地下水来满足社会发展需求。衡水多年平均水资源量只有6.13亿m3，人均水资源占有量148m3，是河北省人均水平的48%，全国人均水平的6.5%。在实施地下水超采综合治理前，衡水市地下水年超采量高达11.6亿m3。衡水市属于资源性与工程性缺水城市，在水资源紧缺的同时，缺乏必要的存蓄水工程，汛期暴雨所产生的雨水资源不仅不能有效利用，反而造成市区严重的内涝灾害，给市区生态环境及城市各方面带来负面影响。

随着衡水市的快速发展，生态环境退化与城市发展的矛盾日渐突出。为此，衡水市提出了建设“水市湖城”战略规划，“五宜”型现代城市目标，即“宜居、宜业、宜商、宜学、宜游”，不断提高衡水基础设施建设，优化城市环境，完善城市各项功能。如何处理好城市与生态环境和谐发展是我们亟需解决的问题，“海绵城市”的建设为我们提供了新的理念与方法，相关概念也正是在此背景下提出的。

3 衡水市区内涝产生的主要原因

3.1 自然原因

衡水市夏季受太平洋副高边缘的偏南气流影响，降水集中。降水量集中指数(PCI)反映年内降水的集中程度和季节性：

(1)

式中，pi—第i月的降水量，通常规定PCI≤10，年降水月分配均匀；PCI介于11～20之间，年降水具有一定集中性，降水呈季节变化；PCI≥20，年降水量异常集中，年内分配明显不均匀。通过1960—2010年衡水市降水资料进行计算，PCI值为20.5，属年降水异常集中，年内分配明显不均匀。符合华北地区降水年内集中程度相对较高的特征。据统计，衡水市年内70%的降雨集中在6—9月的汛期，而汛期的降水量又主要集中在7月下旬至8月上旬的几场暴雨。因此，短时间，高强度的降水是市区产生内涝的原因之一。城市建设所致的硬化不透水路面和密集的城市建筑，使城市相比郊区受到更多的太阳辐射，再加上建筑物本身对风的阻挡或减弱作用，使城市年平均气温比郊区高1.5～2.5℃，从而形成城市热岛效应，增大了城市暴雨的可能性。

3.2 城市下垫面改变原因

城市化使得大片耕地和天然植被为街道、工厂和住宅等建筑物所代替，下垫面的滞水性、渗透性、热力状况均发生明显的变化。市区建设基本以传统市政建筑为主，在建设过程中占用了原有耕地、草(林)地等原生状态土地。路面、便道、停车场、广场及小区等大部分使用硬质不透水介质铺装，改变了原有的下垫面水文条件，阻止或降低了雨水下渗速度，径流系数变大，地面径流量增多；不透水介质糙率远低于原生状态土地糙率，降落到地面的雨水汇集速度加快，减少了径流汇集时间，造成径流量骤然增大，洪峰提前出现且洪水过程线尖而瘦。另一方面，城市在建设过程中，将原有坑塘填平，使其丧失雨水径流消纳能力，造成雨水调蓄能力降低，进一步加剧了城市内涝的严重程度。不同地表结构及其相关数据见表1。

表1 城市化对市区水文环境的影响 单位:%

注：图表来源：引自EPA官网。

3.3 排水系统建设标准偏低及缺乏科学规划

衡水市排水系统建于20世纪60—70年代，划分为河西、河东、铁路北三个排水分区，全部采用截流式合流制排水，即雨水与污水一同排放，三区排水管网总长约230km。市区排水系统存在建设标准偏低和规划不完善、不能与城市发展规划相适应的问题。目前，市区排水标准0.33～0.5年一遇，理论上排水管道可承受17mm/h降雨强度，建设标准偏低，已不能满足市区排水需要，加之部分管道、排水渠淤积严重，造成排水困难；排水系统规划与城市建设发展规划不同步。城市建设中，建设者只是关注眼前局部的排水管道建设，按局部区域的排水量计算排水管径，然后将相同管径的排水管道与上下游或周边排水管网相连接；未考虑当市区面积增加的同时，雨水汇集面积也增加，超过了原来的管网排放能力，造成排水困难；排水系统建设缺乏系统性和不连续性，不能有效解决市区雨水排放问题。

40年峥嵘岁月，40年春华秋实。在改革开放、产业重组、开拓奋进的路上，食品工业成为受益者，并跻身于我国几大产业前列。

4 建设海绵城市措施与缓解城区内涝关系与作用

2014年10月，住建部编制了《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建》(试行)，其中对海绵城市的定义是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。有效缓解城市内涝，保护和改善城市生态环境。根据上述定义，海绵城市的建设是将雨水渗透、过滤，储存、调蓄，末端集中排放等功能集于一体的综合建设项目，海绵城市的建成将提高雨水下渗能力，有效控制雨水径流量，减少水资源污染，缓解城市缺水压力，改善或保持市区水环境的良性循环，为城市生态提供基础保证。

4.1 渗透措施

渗透措施主要包括建设透水铺装层、下沉式绿地和绿色屋顶建设等内容。结合衡水市区实际情况，可将道路、居民小区、广场、停车场等硬化设施改建成透水铺装层；下沉式绿地建设主要包括城市道路中间绿化带改为下凹式绿地，结合已建成公园改造成雨水花园；因绿色屋顶建设需符合荷载、屋顶坡度和防水等方面要求，建议在新建小区和大型公共设施进行相关设施建设。下面就透水铺装层、下凹式绿地和雨水花园进行详述。

4.1.1透水铺装层建设

透水铺装层分为完全透水和渗透排水型铺装层两种类型。完全透水是将渗透雨水通过铺装层直接渗透到原土层，以满足补充地下水、灌溉、调节局地气候等作用，由于铺装层下为原土，承载力较低，一般用于人行便道、广场、停车场等区域；渗透排水是将渗透雨水通过铺装层下部管道排向雨水存储设备或下沉式绿地，以便将雨水进行再生利用，渗透型铺装层下部路基为硬质材料，承载力较大，适用于城市交通道路等区域。

截止2017年衡水建成区面积约53km2，市区公园绿地约570hm2，可见市区大部分区域被传统不透水介质所覆盖，雨水无法下渗，造成地表径流量增加。据有关试验数据，硬化地面的径流系数高达70%～95%。因此，结合市区道路改建，逐步将路面铺装材料改为渗透排水型沥青路面，以提高雨水下渗率，增加下渗量，减少地表径流量。渗透排水型沥青路面上部结构为透水沥青混凝土，由水泥、骨料、增强剂等拌合而成，呈蜂窝状结构。为防止渗入的雨水浸泡路基造成破坏，路面下部结构采用不透水材料并设置横坡。当入渗雨水到达路面下部结构时，可沿横坡将水通过预埋管件排入附近下凹式绿地或雨水存储设施中。道路纵坡范围宜控制在0.3%～6%之间，透水机动车横拱坡宜采用1%～1.5%。小区、广场、停车场可采用完全透水层地坪进行铺设，透水地坪采用碎石骨料、水泥、胶凝材料与水拌和而成，其强度相当于C20—C25混凝土承载力，内部孔隙达20%～25%，具有较高的透水性，渗透雨水通过铺装层直接渗入原土中，补充市区地下水，调解局地小气候，缓解城市热岛效应。道路及相关市政设施铺设透水材料后，通过入渗作用，可补充市区地下水和净化水质，消减雨水径流量，其峰值消减率约为40%～65%。

4.1.2下沉式绿地建设

广义的下沉式绿地除狭义的下凹式绿地外，还包括洼地、雨水花园、雨水塘、雨水湿地、多功能调蓄等生态雨水设施。根据市区实际情况，在此只讨论狭义的下凹式绿地和雨水花园的建设。

(1)下凹式绿地建设。市区道路中间条状绿化隔离带和道路两旁点状树池均是凸出于路面的植物带、点区域，雨水降落到地表汇集后无法进行入绿化带，绿化带起不到滞留雨水的作用。因此，选择将上凸式绿地改为下凹式绿地。绿地下凹深度控制在0.1～0.2m之间，从上至下依次为150mm种植土，150mm卵石，150mm砂土，天然素土，在下凹式绿地底部铺设坡度5‰的管道，以便将超过绿地滞蓄量的雨水排出。绿地内种植品种以本地耐涝植物为主，树种以白蜡、法桐等为主，草皮选择高羊矛等。根据相关研究，在10年一遇暴雨时，下凹式绿地比凸式绿地的入渗量增加36%，径流量减少53%，洪峰流量降低35%。土壤在植物作用下改善了土壤物理性状，使其具有良好的下渗功能，凭借下凹空间，具有一定的蓄水空间。

(2)雨水花园建设。雨水花园的主要作用是在充分收集雨水的同时，兼顾美化环境，水体净化等功能。衡水市做为资源性和工程性缺水型城市，应充分存储、利用雨水资源，雨水花园为市区留置利用雨水资源，美化环境提供新的建设思路。目前，市区公园绿地面积约570hm2，未来可通过改造现有公园、街心绿地和新建公园等方式进行发展建设。雨水花园宜选择适宜本地生长且耐淹的白蜡、法桐、紫荆、高羊矛等树种、植被，营造出高低错落，疏密有致的植物景观，布置结构从上至下依次为150mm蓄水层，主要作用是短时存储收集的径流；80～150mm覆盖层，主要作用是保持土壤湿度及内部微生物的多样性；种植土层，根据植物种类，厚100～1500mm之间，维持花园植物生长；300mm砾石层，加快渗流的快速下渗；底部铺设排水管道，将收集的径流输送至排水或雨水存储系统。

下凹式绿地和雨水花园主要拦蓄降入绿地或花园内的雨水和周边径流，因此计算存储量时，存在以下水量平稳关系式：

P0+U0=D+E+S+U1+Q

(2)

式中，P0—降雨总量，m3；U0—初始蓄水量，m3；D—径流损失量，m3；E—蒸发量，m3；S—下渗量，m3；U1—结束时绿地蓄水量，m3；Q—溢流外排量，m3。

下渗量S可通过下式进行计算[16]：

S=KJAsts

(3)

式中，S—渗透量，m3；K—土壤渗透系数，m/s；J—水力坡降，一般可取J=1；As—有效渗透面积，m2；ts—渗透时间，s。

绿地蓄渗率用N(%)，表示降雨过程中绿地渗透、蓄积雨水的量占进入绿地的总雨水径流量的百分比，可通过下列公式计算：

(4)

式中，Pz—降雨量，mm；F1—绿地(花园)服务区的面积，m2;F2—下凹式绿地(雨水花园)面积，m2；Cn—绿地(雨水花园)服务区径流系数，参照表2。

表2 径流系数

根据有关试验得出如下结论，当有1倍汇水面积时，下凹绿地及雨水花园下凹深度为10～15cm时，对降雨频率20%～50%的暴雨拦蓄率为100%；当有2倍汇水面积时，下凹深度为15cm时，对降雨频率5%的暴雨拦蓄率为100%;对降雨频率10%～50%的暴雨，可使雨水径流汇集滞后75～30min，通过下凹式绿地和雨水花园的建设，可有效地将汇集范围内的雨水拦蓄在绿地以内，并将超蓄水量输送至存储系统，最大程度地利用雨水资源和补充地下水。

4.2 调蓄与排放措施

衡水市地处平原，适宜建设的调蓄措施主要有调蓄池和蓄水罐。蓄水池分为干、湿两大类，其中干类调蓄池又分为地上和地下两种，地上干调蓄池主要建在市区较低处，在非雨季可做为市民休闲娱乐、停车场等用地；地下干调节池主要由混凝土或砖砌结构砌筑，建造于广场或大型停车场地下。湿类调节池平常保持一定水位，种植植物，形成景观带(点)，雨季时收集存储雨水。调蓄池通常负责汇集面积较大区域雨水的收集与存储，一般与下沉式绿地和透水铺装层下的排水设施相通，联合运用。蓄水罐负责单个建筑的雨水径流收集与存储，通常由玻璃钢、塑料、钢材等材料制成。蓄水池和蓄水罐均有消减峰值流量的作用。

排放措施就是将超过入渗能力及存储设施容量的径流通过市政管网排出市区。首先应根据城市的发展规划和水文气象条件进行排水管网长期规划和建设，提高新建排水管网标准，逐步改造升级老城区管网建设，设置雨污分流式管网。其次以市区内的胡堂排干、班曹店排干、闸西干渠和迎宾河等排涝干渠为主，进行整修、清淤疏通，联网打造城市水系建设，形成循环网络，充分发挥排涝干渠的骨干排水作用。再次加大相关资金投入，提升排水设施维护管理水平，定期疏浚排水管网，确保排水管网畅通。

5 结语

针对衡水市区内涝频发的问题，从自然原因和人为原因(城市建设)两方面入手，细致分析了内涝症结所在。根据“海绵城市”的渗、滞、蓄、排等特点和建设技术要求，研究采用渗透过程控制，加大雨水入渗量；径流空间控制，增加地表地下存储；余量末端控制，提高排放能力等方式，以缓解城市内涝压力，改善市区生态环境。通过“海绵城市”建设，将会减轻市区内涝压力，缓解城市热岛效应，涵养水源，净化水质，对调节局地微环境起到积极作用。鉴于以上只是理论分析计算，在实际应用中，应当结合市区实际选取典型地块(形)进行试验性建设，取得第一手资料，以便在全市范围内推广“海绵城市”建设，早日实现生态宜居型城市。