极端降雨下水系区域的汇流机制及优化设计分析探讨

2021-03-10沈振龙于献彬

科技创新导报 2021年25期

沈振龙于献彬

摘要：海绵城市是指像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害方面具有良好“弹性”的城市，也可称为“水弹性城市”。在海绵城市建设中，应协调自然降水、地表水和地下水的系统化，协调给水排水等水循环的所有环节，并考虑其复杂性和长期性。虽然海绵城市是基于低影响发展等现有理念，中国城市水问题处理也有长期的技术积累，但由于中国城市水问题的复杂性，海绵城市的建设涉及多个不同的行业和领域，在海綿城市的推广和建设中必然会遇到各种技术问题。对于在设计中如何合理地因地制宜组合低影响开发措施直接影响到海绵城市的建设效果，本文从极端降雨下水系区域的汇流机制及优化设计等方面进行了阐述，通过分析指出了目前海绵城市建设的局限性，为今后海绵城市建设的发展方向提供思路。

关键词：极端降雨汇流机制优化设计海绵城市

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

随着我国近几年的高速发展及城镇化建设的不断推进，在未来的时间里，农村城镇化仍是社会发展的主流。城市用地面积不断拓展，大量的土地被不透水地面取代;而在城市发展过程中也疏忽地下排水系统的技术同步，并且不及时维修、系统老化，极易造成排水瘫痪。近年来异常天气增多，极端降雨频发，导致了城市在降雨时产生严重的积水和内涝，这些问题严重影响着城市发展，为人们的生活埋下一个重大安全隐患。随着城市的高速发展，许多问题也愈发突出，快速城镇化的背景下，首先，城市用地面积的不断扩张，致使不透水地表面积突增;其次，城市的发展使城市自然和人工水系的给排水不能充分发挥作用[1]，严重破坏了自然水循环的过程，且近几年异常突发天气增多，极端降雨事件频发，造成很多城市在夏季汛期出现严重内涝灾害[2]，因此，在研究分析极端降雨下水系区域的汇流机制及其优化设计是解决此问题的重要研究方向。

“海绵城市”这一概念首次在国内被使用是在《2012低碳城市与区域发展科技论坛》中，主要是为了解决中国城镇化发展过程中的水问题，自此海绵城市建设理念正式进入中国城镇化的建设过程中。海绵城市的建设过程中应优先遵循生态原则，自然方式结合工程措施，充分利用城市雨水，将其积累、渗透与净化。

极端降雨是指降雨量值与某一阈值进行比较，高于上限端或者低于下限端 [3]，在中国，极端降雨全部称为暴雨，一般把每小时降雨量16mm以上，或者连续12h降雨量30mm以上，抑或连续24h降雨量达到50mm以上的降雨称为极端降雨[4-8]。在这一定的时间内，实际产生的径流量远远超过了城市所设计的排泄量就会发生内涝。

1 汇流机制

在汇流机制方面，李丽研究了在数字流域中通过土力学知识，采用了逐网格汇流演算方法，概化了数字流域中的河道汇流和坡面汇流特征程度，得到了逐网格产汇流计算的分布式水文模型，可以较好地模拟流域出口断面的径流过程[9]。李梅英等借助了一、二维圣维南水动力学模型、堰流理论和种子蔓延算法，推算极端降雨下城市内涝演化机理[10]。刘兆存等除提出了流域的产汇流过程处理降雨影响外，还与研究区域的地形、地貌、土壤、植被、地质、水位地质等特性有明显的关系[11]。刘金涛等建立了适用于栅格单元系统的基于运动波理论的降尺度新安江模型，研究表明：流域产汇流预测受到径流入渗机制的影响，流域内土壤蓄水量时空分布受其显著影响，进而改变产汇流机制 [12]。金保明等以山坡水文学理论的蓄满产流机制为出发点，展开了对山区流域降雨径流模拟的研究，以此建立分布式三水源产汇流模型[13]。强文博采用回归分析法和Mann-kendall趋势检验法研究榆林地区的降水量和径流量的趋势变化，分析其演化规律，并对两者的相关关系进行讨论 14]。以上研究成果对极端降雨下水系区域的汇流机制具有重要作用，为海绵城市建设提供了重要的理论基础。

2 优化设计

在优化方面主要从海绵城市措施优化和水利措施优化两方面进行探讨。

2.1 海绵城市措施优化

王衍超基于SWMM模型对区域降雨情况进行分析，得出LID模式能够最大化地降低洪水灾害[15]。易沛媛通过对多孔路面及生物滯留池这两种措施进行相应的搭配，充分发挥它们的长处，可以有效增加降水的下渗率，减少城市地表径流，缓解城市内涝[16]。谢凌峰等通过SWMM模型，提出低影响开发模块设施单独设置和组合设置，并通过LID设施的组合，使得雨水积压效果明显的减少，并且可以提高雨水资源的利用率，从而降低校园的排水压力[17]。卢翔等对湖南省城市内涝情况进行了调查，通过数据分析情况，利用MIKE FLOOD程序建立了城市排水耦合模型。在已有的实验基础上，选取的典型实验区域在平原区的华容县河西段，进行了排涝模拟计算[18]。

2.2 水利措施优化

通过清淤，疏浚河道，实现河道利用最大化，可是在极端降雨的条件下，水量超过了河道对于雨水的承载能力，可以在关键位置设堰、修建水闸以及在合适的位置修建人工水库，不仅大大提高了防洪排水能力，使水资源得到收集再用，还可以绿化环境，加强自然生态的保护，从而提高城市价值。习荣光等提出建立完好的排水系统是解决内涝灾害的重要措施，蓄水、引水、灌水都应在不影响排水的前提下进行[19]。沈黎达等认为沟渠的地势较低，可以对于地表径流起到分流作用[20]。许振炷提出借助内沟河整治，使其兼备排水排涝以及滞留空间的双重功能[21]。孙磊等系统地梳理城市黑臭水体成因、治理进展及其常见的治理措施，并结合黑臭水体治理中存在的水利技术需求，研究提出城市黑臭水体治理过程中所需的水利措施，包括生态流量保障、河道整治、河湖水系连通、岸坡修复等水利措施与技术，以期为城市黑臭水体治理脱困提供技术参考[22]。海绵城市措施优化和水利措施优化促进了海绵城市的发展。

3 需解决的关键科学问题

3.1具体水系区域在极端降水条件下的汇流演化机制不明确

近几年，由于二氧化碳等温室气体的大量排放，极端气候的发生越发频繁。在城市建设中，原来的管道和河流的设计标准偏低，导致洪涝频发。相较于普通降水，极端降水具有突发性、历时短和雨量大等特点，那就会造成管道和河流超载，产生地表积水及漫流等水灾害。为了对现有的水系等进行改造升级提高防洪排涝能力，就需要摸清现有的具体水系区域汇流演化机制。针对极端降雨下产汇流的复杂性，目前的研究成果还不明了，亟须研究解决。

3.2如何提升极端降雨下水系区域的防洪抗涝能力

极端降雨所导致的径流量超过了原有的最大排泄量，此时应增加改造措施进行改善，对径流量调控的常用措施主要有水利措施（设堰或闸门等）和海绵城市措施（下沉式绿地和植草沟等），如何优化组合达到高的防洪排涝标准是另一个重要问题。

4 展望

对于研究城市内涝问题，随着时代发展，城市排水究其内部矛盾是城市的地下排水系统追不上建设规模拓展到速度，城市越大，雨水汇集造成的内涝灾害愈发突出，在已经建设成型的城市中，通过拓展地下排水管道显然不论是成本还是技术都是一个巨大的难题，所以在已有城市建设的程度上寻找新的处理方式是主攻方向，而海绵城市这个概念的引进恰恰是针对此难题的一个突破口，是使脱离自然的城市再“走回去”的钥匙。海绵城市建设的最主要目的是通过“蓄、渗、滞、排”等低影响开发措施，使社会水循环逐步趋向自然水循环，模拟自然生态方式，实现水的自然积累存储、自然渗透、自然净化的城市发展方式，且最大程度地减少社会水循环对自然水循环的破坏，有利于保护自然环境和修复城市生态系统、提高人类生活质量、促进社会经济发展。

但是海绵城市目前只是探索于小区域尝试阶段，并没有大方面推广，现有的理论基础没有通过大量的实践来支撑其在防洪排涝方面的积极性，海绵城市建设与城市的防洪排涝的层次关系也不够明确，所以只研究海绵城市的建设与发展，却忽视水利措施在防洪排涝方面的作用，仅单独依靠海绵城市处理防洪排涝方面问题，实际上还是有不小的难度。

以海绵城市为主，水利措施为辅，以低影响，低成本，高效率的理念，通过组合设计来解决城市内涝问题;在SWMM软件开发、海绵城市工程协同规划与设计技术、岩土渗流理论、雨洪径流形成机制、透水工程材料与地下施工技术等方面开展了系统研究是目前的发展方向。实现利用城市雨洪模型（SWMM模型），进行城市内涝积水的诊断（初评技术）;片区和城区城市海绵体的规划;海绵城市建设的设计技术;海绵城市建设的防洪排涝效果影响结果模拟评估技术;海绵城市建设目标的可达性分析;“渗、滞、蓄、净、用、排”措施的协同布局及调度运用技术研发;城市排水系统的规划技术;利用BIM技术，进行海绵城市工程的设计、咨询、建设的三维建模与信息化管理;水环境生态修复技术研发;大型复杂海绵城市建设工程的地下施工技术研发;透水材料的技术研发的目标。在深入分析和准确把握城市水环境与海绵城市建设需求的基础上，因地制宜，解决海绵城市建设过程遇到的规划、设计、建设等技术难题。

参考文献

[1]张诗阳，王向荣.区域水系影响下的宁波州城空间特征研究[J].中国园林，2017，33（11）：47-52.

[2]姜芊孜，李金煜，王广兴.济南市主城区内涝积水特征及成因分析[J].水利规划与设计，2021（3）：47-52.

[3]孔锋，史培军，方建，等.全球变化背景下极端降水时空格局变化及其影响因素研究进展和展望[J].灾害学，2017，32（2）：165-174.

[4]史培军，孔锋，方佳毅.中国年代际暴雨时空变化格局[J].地理科学，2014，34（11）：1281-1290.

[5]史培军，孙劭，汪明，等.中国气候变化区划（1961～2010年）[J]. 中国科学：地球科学，2014，44（10）：2294-2306.

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[7]方建，杜鹃，徐伟，等.气候变化对洪水灾害影响研究进展[J].地球科学进展，2014，29（9）：1085-1093.

[8]史培军，孔锋，叶谦，等.灾害风险科学发展与科技减灾[J].地球科学进展，2014，29（11）：1205-1211.

[9]李丽.分布式水文模型的汇流演算研究[D].南京：河海大学，2007.

[10]李梅英，庞国楹，夏爱生，等.极端暴雨灾害下城市内涝演化机理[J].军事交通学院学报，2014，16（3）：86-89.

[11]刘兆存，金生，韩丽华.国内流域产汇流模型与应用分析[J].地球信息科学，2007（3）：96-103.