基于海绵城市建设理念的滨海地区水系规划研究

黄丽娇 ，王川涛

(1.深圳市宝安区大空港新城发展事务中心，广东 深圳 518101； 2.中国城市规划设计研究院深圳分院，广东 深圳 518040)

随着社会经济的快速发展和城镇化进程的不断推进，城市防洪排涝水安全、水环境、水资源等问题越来越严峻，水网与城市建设的矛盾不断[1- 3]。滨海河道受洪潮遭遇安全、咸淡水的影响较大，加上北方滨海城市水资源较为短缺，因此在城市规划阶段，以海绵城市理念为指导，研究水安全以及水生态环境问题意义重大。防洪潮安全是城市安全的底线和重要边界，基于防洪潮水安全的风险评估在进行用地规划的过程中可以贯穿始终，为用地布局提供重要依据；通过研究潮位特点与河底高程，可分析不同的咸淡水影响区，根据不同的影响区段，布局咸淡水植物，打造多样化的滨海植被生境。本研究以威海市石家河为例，通过MIKE FLOOD平台构建水力数学模型，对河道两岸洪泛区淹没情况进行分析，为城市用地布局方案提供前置性条件；研究咸淡水的交界界面并进行蓝绿互换空间营造，为城市良好水生态环境塑造提供思路。

1 研究区域概况

石家河位于威海市东南部，在桥头、泊于两镇境内，全长28km，流域面积204km2，有东西两大支流。两支流在桥头村南汇合后，流经泊于镇，经拟建泊于水库调蓄后入海。规划区位于泊于水库坝下至入黄海段。

石家河下游入海段河道长度6.6km，汇水范围24.5km2。现状河道内杂草丛生、河床淤积严重，河堤全部为土堤，防洪标准较低。石家河现状水质良好，但是水量在枯水期存在断流的风险，在规划区上游拟修建泊于水库，调蓄洪峰的同时为石家河下游段提供基本的生态流量。在潮水的作用下，现状石家河部分河段为感潮河流，随着涨落潮来回振荡。

石家河下游两岸现状以农林用地为主，建设用地占少数，主要集中在泊于镇及蒲湾村、泊于家村、大林格村3个村庄内。

防洪排涝安全是城市建设的基石，规划以泊于水库泄流量与黄海潮位进行遭遇分析，判断在设计标准下的最大淹没范围，为城市用地空间布局规划提供重要依据；北方河道平时水量较小，同时预留足够的蓝绿空间，弹性的应对水安全与水环境压力。规划城市空间方案将结合现状的水库、河道、海、村落等要素，从“水、生境、人”3个维度深入挖掘，通过河道治理、资源整合与优化，塑造空间结构与文化特色，打造威海东部滨海新城海绵城市建设的典范。

2 基于数理模型的用地布局前置分析

2.1 数学模型构建

2.1.1模型概化

基于水动力学原理，构建MIKE FLOOD模型，包含MIKE11一维计算模块与MIKE21二维计算模块[4]。MIKE11一维计算模块主要用于模拟河道的水流过程[5- 9]，并可对物质在水体中的对流和扩散进行模拟[10]，与GIS模型结合，可实现洪水淹没范围的可视化[11]；MIKE21二维计算模块结合地形和村庄建筑的分布，主要应用于地表的汇流计算，模拟水流在二维空间上的流动过程。MIKE11和MIKE 21模型具有各自的优势和特点，MIKEFLOOD模型对这两种模型的优势进行了联合[12]，该模型可运用于河流水动力及洪水淹没数值模型构建[13- 14]，可进行内涝分析[15]，并为水动力优化和生态工程规模确定等提供依据[16]。

MIKE11模型以石家河入海段为计算单元，河道长度共6600m，并根据实地测量数据输入现状断面资料；MIKE21模型以泊于水库至入海段所属的分水岭为边界线，总计算面积为24.5km2，模型以边长为10m的正方形网格对计算区域地形进行离散处理。

2.1.2边界条件

(1)设计标准

根据GB/T50805—2012《城市防洪工程设计规范》、《威海市城市总体规划》，考虑规划区的功能定位，确定石家河下游入海段防洪标准为50年一遇。

(2)潮位下边界条件

根据威海海洋站1986—2006 年潮位观测资料，采用P-Ⅲ型频率曲线进行适线分析，计算不同设计频率下的潮位，见表1。

表1 威海海洋站年最高潮位设计成果

(3)上游洪水边界条件

通过《中国暴雨统计参数图集》与《山东省水文图集》查算最大24h降雨量均值与不同设计频率下24h的设计点雨量，结果见表2。

设计面雨量采用点面系数法进行计算。根据《山东省水文图集》，计算50年一遇以及最大24h降雨量均值下，泊于水库的入库洪水过程线，并按照《泊于水库工程可行性研究报告》的库容—面积曲线等相关参数计算泄水曲线，结果如图1—2所示。

图1 50年一遇泊于水库入库与下泄设计洪水过程

图2 最大日均值降雨量下泊于水库入库与下泄设计洪水过程

2.1.3模型参数选取

(1)MIKE21二维模型参数选取

MIKE21水动力模块需要输入的模型数据主要有两类：一类为基本参数，包括模拟范围、时间设置、模块选择；另一类为物理参数包括求解格式、干湿边界、涡粘系数、底摩擦力、初始条件等参数，具体见表3。

表3 MIKE21二维模型参数设置表

表2 最大24h设计点雨量成果

(2)MIKE11一维模型参数选取

MIKE11水动力模块主要有河道平面文件、河道断面文件、边界条件以及参数文件4个子模块。河道平面与断面文件为实际勘测资料，下边界条件为潮位，上边界条件为泊于水库的泄水曲线，在参数文件中主要设置河道的糙率，为0.032。

(3)模型率定

采用威海气象站、威海海洋潮位站2012年8月17日实测降雨、实测潮位进行模拟，石家河模型的测算水位与实测水位较为接近，说明模型具有较高的可信度，可进一步进行防洪安全的风险评估。

2.2 基于防洪安全下的用地布局前置分析

结合现状地形条件，根据设计的防洪标准，分析和模拟不同洪潮遭遇工况下洪水的淹没范围，为城市用地布局提供前提条件，预留出洪水蓄滞、行泄空间，并与规划范围内的道路交通系统、景观绿地系统等有机结合，打造水陆相融共生的空间特色。

(1)以潮为主

通过五十年一遇高潮位遭遇多年最大24h降雨均值产生的洪水，得出在以潮为主的设计工况下规划区内场地的淹没情况，如图3所示。结果表明，该工况下的淹没范围主要集中在靠近入海口处，这是由于上升的海潮水位产生顶托作用，导致河道洪水排放不畅，从而在地势低洼处形成洪水淹没区。

(2)以洪为主

以洪为主的方案通过五十年一遇洪水过程遭遇外海多年平均高潮位的模拟分析，得出在设计工况下规划区内场地的淹没情况，如图4所示。结果表明，该工况下的淹没范围较大，约267.6hm2，虽然潮水的顶托作用较小，但是河道的洪量较大，洪水排除不及时，增加了河道两岸的淹没范围。

图3 以潮为主的工况下河道两岸地面积水深度响应分析图

图4 以洪为主工况下河道两岸地面积水深度响应分析图

淹没范围、淹没深度、淹没时间是防洪安全分析的三大要素，通过模拟在自然状态下，遭遇50年一遇降雨时，考虑上游水库调度与下游潮水的顶托，得出综合的联动响应。淹没范围可为用地空间布局提供依据和支撑，而淹没深度与淹没时间则在竖向与时间的维度上做出更为具体的衡量，分析结果表明，淹没深度为0.3～4.72m，约34%的淹没区域集中在1.0～1.5m的范围内；通过分析水位变化与场地竖向的关系，得出河道桩号在1700、3300、5600m处的淹没时间分别为7h、8h50min以及11h20min，分析结果表明，越靠近入海口处，受到潮水的顶托作用越强，排水受到的阻力越强，淹没的时间也随之增加。

结合上述两种遭遇组合，采用2个洪水水面线的外包线作为50年一遇设计洪水水面线。洪水位在多处高于周边的场地，造成多处出现洪泛区，威胁周边场地安全，规划建设用地需规避洪泛区域。

石家河规划区设计洪水水面线见表4。

表4 石家河规划区段设计洪水水面线

为了保证防洪安全，在石家河洪水淹没范围内，主要进行生态湿地建设，不布置永久性用地。规划进一步分析了50年一遇洪水遭遇50年一遇潮水位，在该工况下，规划建设用地内亦无洪水影响，如图5所示，用地方案布局合理，城市建设安全能够得到保障。

结合洪水的行泄分析，石家河下游段规划以绿地为主，不进行密集开发，在用地布局中预留出足够的生态空间作为洪涝的调蓄空间，形成吸纳洪涝水的海绵体，充分发挥其“蓄水、滞水、涵养水源”的功能，打造东部滨海新城海绵城市建设示范先行区。

图5 基于水力模型分析下的石家河两岸用地布局图

3 水生态环境营造

3.1 “蓝绿互换”的滨海河道生境营造

根据丰水期与枯水期等不同时期的水量，建设“蓝绿互换”的海绵城市森林公园。同时，滨海河道消落带的变化带来了不同的植物景观效果，如图6所示，丰水期为“蓝”格局，形成开阔的水面，储蓄洪水并涵养地下水源；枯水期为“绿”格局，以湿地景观和绿色植被为主。

通过河道的生态岸线改造，形成可渗透性融合界面过滤径流，为鱼类等水生动物和两栖类动物提供栖息、繁衍和避难场所，增加自然生物多样性，综合发挥最大的生态效益。

图6 丰水期、枯水期等不同时期河道淹没图

3.2 咸淡水分区

根据威海站历年来的逐日潮位变化以及石家河入海段的河底高程，确定石家河潮水的影响范围为河流入海口上游1.8km左右，如图7所示。在河口区域，含盐度会随着与海域的距离长短呈现出不同变化，在潮水与淡水经过复杂的互动混合后，可形成不同类型植物的生长环境，塑造丰富的植被景观，并为鸟类及水生动物提供适宜的栖息环境。

4 结语

目前，水力学模型已能够精准地模拟洪涝灾害的演进过程，将水力数学模型应用于城市规划中，为城市建设的开发边界提出支撑，可使规划用地布局更加合理。通过MIKE FLOOD水力模型，结合城市河道、现状场地标高等情况，可得到规划区不同降雨工况下的洪水淹没及淹没风险范围，从而合理布局洪水行泄通道和最大调蓄空间。咸淡水交换是滨海河道的主要特征，可通过研究潮位特点与河底高程，分析不同的咸淡水影响区，结合丰水期与枯水期等不同时期的水量，营造多

图7 石家河潮汐影响区分布图

样化的动植物生境，形成“蓝绿互换”的海绵城市森林公园，从而发挥更大的生态效益。