基于海绵城市理念的水安全防控体系架构

李 兵，肖 玲，姜学伟，苏晋国，崔 松，魏娇娇

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司 北京分公司，北京 100044；2.青岛市李沧区城市建设管理局，青岛 266100)

21世纪以来，我国城市化进程的快速发展破坏了城市原有的自然水文过程。同时，受全球气候变化和城市“热岛”效应的影响，极端天气日益增多，引发了一系列的城市内涝问题。近些年来，全国各地相继爆发了雨水洪涝灾害，给城市造成了巨大的经济损失，严重影响了城市的正常运行。城市内涝问题主要由外部环境因素和内部系统因素两方面引起的，是当前城市水文学研究的热点[1]。传统给水排水理论的水安全防控体系将排水标准作为内涝的防治标准，将排水管网提标改造作为解决城市内涝的核心技术[2]，难以应对雨洪发展面临的新问题，需要新的理念体系来支撑。海绵城市是国际化城市雨洪管理理念在国内的创新和发展，旨在推广和应用低影响开发建设模式，加大城市对径流雨水的源头削减作用，以生态排水理论有效应对当今雨洪发展面临的新形势[3]。

1 基于海绵城市理念的水安全防控体系

海绵城市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[4]。根据海绵城市建设和管理理念，城市水安全防控体系应对降落在城市区域内的雨水进行科学管理，加大城市径流雨水源头减排的刚性约束，充分发挥城市绿地、道路、水系等对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用。

海绵城市建设强调系统性，注重内外关系，按照“外部体系构建，内部体系控制”的指导思想，在外部：通过“上截、中蓄、下排”的手段，建立蓄排平衡系统，有效衔接水安全与城市河道之间的关系，减少上游客水和下游顶托的影响；在内部：通过低影响开发设施、市政管网及其附属设施、调蓄设施及地表行泄设施等，建立内部控制系统，局部因特殊原因仍存在积水的区域，要根据积水特点，采取针对性措施，彻底解决积水问题，保障城市正常的运行安全。通过内外结合，最终形成“源头削减、过程控制和系统治理”的综合控制体系(图1)。

图1 基于海绵城市理念的水安全防控体系架构

1.1 外部体系构建

合理利用自然条件，保护现状自然低洼地块，保障河渠、坑塘等重要汇水通道，避免盲目填充占用，增强地区的蓄水、排水能力，建立蓄排平衡系统。城市地块开发应尽量保留利用原有地表泄水通道，根据水力模型评估的城市内涝易发地区和内涝风险评估的高风险地区，结合保留下来的洼地、河渠、坑塘等，科学规划蓄滞空间，落实项目建设用地，确保规划建设项目能够如期实施。

外部体系构建可以通过“上截、中蓄、下排”的手段，有效衔接水安全与城市河道之间的关系，减少上游客水和下游顶托的影响。“上截、中蓄、下排”是城市大排水系统构建的主要措施，即“上游截流、中游调蓄、下游强排”，是容易遭受山洪影响或河流水系影响的城市防洪排涝体系构建的总体思路。

1) 上游截流：上游有山洪入侵风险的城市，需要对山洪采取拦截措施，将洪水引入下游或外部河湖，防止对城市内部造成影响，减轻城市洪涝压力。

具体措施主要有分洪隧道、截流箱涵和大型管道等，可对山体洪水或河流水系进行分流，降低城市洪涝风险。上游截流以防洪保安全为基础，完善防洪减灾工程体系，实现分散城区行洪压力，保障城市运行安全。

2) 中游调蓄：中游区域充分利用自然条件和雨水调蓄设施，合理布置滞洪空间，增加蓄水能力。

具体措施为充分利用城市开发建设中保留下来的洼地、河渠、坑塘等自然条件，规划为蓄滞水体，增加城市的滞洪空间；超过自然条件的滞洪能力时，需要科学合理布置人工调蓄设施，如调蓄池、调蓄隧道、调蓄箱涵等，实现错峰排水，蓄排结合，共同提高中游地区的洪涝标准。

3) 下游强排：下游受河道水位顶托，地区无法正常排水时，需要采取排涝泵站，通过压力排水，将区域积留的雨水快速排除。

具体措施为下游地面高程低于河道洪水位的地块，在河道水位为常水位时，雨水可自流排入管道，通过雨水管道排入河道水体；在遭遇河道高潮位顶托时，通过水利措施(如拍门、鸭嘴阀、止水堰门等)封堵排水口，避免河水发生倒灌顶托，并在堤岸以内、排水出口处设置排涝泵站，将地区内雨水引入泵站，利用排涝泵站排除区域范围内的超标雨水。

河道水系处于排水系统的末端，接受来自全流域管渠系统和排涝系统的雨水，是提升城市水安全至关重要的一环。因此，必须确保河道水系无淤积堵塞，排水通畅；对于不满足排洪要求的河道水系，需要通过清淤疏浚和规划蓝线控制来实现，确保河道具有满足设计标准的防洪断面。同时，控制好河道的水位，确保河道堤防工程的安全，防止河水倒灌，做好排水工程措施与河道系统的有效衔接。

1.2 内部体系控制

内部体系控制主要通过低影响开发雨水系统源头削减、雨水管渠系统及其附属设施过程控制和局部问题整治等措施建立。

1.2.1 低影响开发雨水系统源头削减

低影响开发指在场地开发过程中采用源头、分散式措施维持场地开发前的水文特征，通过改变城市下垫面的入渗特性来减少产流过程[1]，其核心是维持场地开发前后水文特征不变[4]。低影响开发雨水系统的构建主要从建筑与小区、公园与绿地、道路与广场等源头进行削减地表径流，提高对径流雨水的渗、滞、蓄能力，维持或恢复城市的“海绵”功能。

1) 建筑与小区源头削减思路：优先考虑雨落管断接方式，将建筑屋面的雨水引入周边绿地中，如雨水花园、下沉式绿地等；如果需要对雨水进行收集回用，可将建筑屋面的雨水接入雨水桶中；坡度较缓(小于15°)的屋顶或平屋顶、绿化率较低的住宅小区，可考虑采用绿色屋顶；内部地面停车场、步行道及自行车道等可采用透水铺装材料，增加地面的下渗能力。

2) 公园与绿地源头削减思路：对于绿化面积较大、比较集中的绿地，可设计为下沉式绿地的形式，除了要消纳公园绿地内部的产流外，还要考虑与周边场地的衔接，将周边汇水面的雨水径流通过合理竖向引入；对于公园绿地内部的景观水体，可设计为雨水塘的形式，促进雨水的滞蓄调节以及净化回用功能；公园与绿地占地面积较大，可根据地区总体排水需求，在地下建设多功能调蓄设施，对雨水径流量以及水质进行控制，并对雨水资源进行充分利用。

3) 道路与广场源头削减思路：道路与广场改造应结合内外绿地空间、纵坡及标准断面、雨水系统布局等，通过降低绿化带标高、缘石开口改造等方式，将雨水径流引到绿化空间，在绿化带内设置植草沟、雨水花园、下沉式绿地等雨水滞留设施，净化、消纳雨水径流；对于自行车道、人行道以及广场等地面铺装优先采用渗透性铺装材料。

1.2.2 雨水管渠系统及其附属设施过程控制

过程控制是指对雨水管渠系统及其附属设施进行合理管控，主要管控措施为：①新建区，注重城市市政基础设施建设，按照规范进行高标准建设，同时，提高施工质量，避免新敷设的管道出现破损或埋设不合理现象的发生；②已建区，通过排水管网调查，对不满足排放标准的管网进行局部提标改造，对有缺失的管网进行补漏，对淤积的管道进行疏通，对有缺陷的管网进行修复。

另外，雨水口是城市雨水管网系统的重要附属设施，地表径流的雨水首先通过雨水口汇流到雨水管网，再通过雨水管网排至城市河道。因此，要做好雨水口与排水管网的有效衔接，确保排水管网及其附属设施通顺通畅。

1.2.3 局部问题整治

通过外部和内部体系的建立，城市的大部分内涝问题将得到解决，局部因特殊原因仍存在积水的区域，要根据积水特点，采取针对性措施，科学合理地选择相应对策，精准治理，确保局部地区排水的安全性。

局部积水点整治仍需注重内外关系，对于局部有小山体等外部客水入侵的区域，需要采取上游截流措施，在山体客水入口处设新的线性排水沟，将客水引入附近沟渠或河道，减少对区域地面造成的影响，减轻区域排涝压力。

合理利用内部自然条件，通过低影响开发措施削减地表径流，增加地表的渗水、滞水、蓄水能力。同时，对局部雨水管渠系统进行针对性提标改造和问题整治，确保排水系统高标准运行。对于仍达不到排水标准的区域，可考虑局部建设调蓄设施，对超标雨水进行调蓄，蓄排协同提高局部的排水标准，实现局部地区超标雨水的有组织排放。

1.3 各级水安全防控系统的衔接

基于海绵城市理念构建的水安全防控体系是城市应对洪涝灾害的重要保障，各级系统互相联系、互相影响，是一个有机的整体，缺一不可，各级系统衔接关系如图2所示。

图2 各级水安全防控系统的衔接

外部系统主要包括山体、河道、水库塘坝等，是城市的大排水系统，可以有效应对30～50年及其以上标准的暴雨、大暴雨降雨事件，防止洪水入侵风险的发生。

内部系统主要是指居民的日常生活区域，是城市的小排水系统，可以应对地区内部大雨等标准的降雨条件，防止内涝的形成。一般情况下，低影响开发雨水系统只能计算削减水量，没有数理统计的重现期设计标准概念，常用年径流总量控制率来证明其削减效果，当年径流总量控制率达到75%时，可以控制小雨及中雨的降雨事件，通过径流公式转换，以削减水量转化为小时降雨量，当年径流总量控制率达到75%时，一般可以对应接近1年一遇的小时降雨量。雨水管渠采用短历时降雨的设计重现期来表示设计标准和计算设计流量[5]，可以有效应对3～5年一遇的大雨事件，当雨水管渠辅助于调蓄设施及地表行泄设施时，可以起到城市防涝的作用，通过降雨公式的对比转换，可以有效应对30～50年一遇的暴雨事件。

通过各级水安全防控系统的有效衔接，内外结合，最终形成“源头、过程和末端”的综合控制体系，共同应对城市洪涝灾害，确保城市排水和运行的安全。

2 萍乡市国家海绵城市试点区水安全防控体系的构建

以萍乡市国家海绵城市试点区建设为例，总结水安全防控体系的构建思路，为国内其他城市的水安全防控提供借鉴和参考。

萍乡市国家海绵城市试点区水安全防控的核心是解决区内严重的内涝积水，建设重点是通过综合治理疏解暴雨时产生的山洪，防止河道遭遇瞬时洪水漫溢造成河道水位顶托、排水不畅等问题的发生。试点区范围内低洼地总面积为80.9 hm2，占试点区总面积的2.5%，海绵城市在建设中充分利用自然地形，保留并改造八一街、西环路、萍水北路、南门桥北等12处低洼地，增加自然蓄水空间，按照“外部体系构建，内部体系控制”的思路，建立水安全防控体系。

2.1 外部体系构建

萍乡市国家海绵城市试点区内主要河道有萍水河和五丰河，针对试点区内涝积水原因与特点，在外部流域尺度上，对五丰河采取“上截、中蓄、下排”措施，并与萍水河有效衔接，通过对河道综合整治，萍水河干流实现50年一遇的防洪标准，五丰河实现20年一遇的防洪标准，试点区水安全防控体系构建如图3所示。

图3 萍乡市国家海绵城市试点区水安全防控体系构建

上截：在五丰河上游建设分洪隧洞，最大分流流量为17.5 m3/s，五丰河水经赤山河(萍水河支流)引至萍水湖，进行湖体调蓄，调蓄库容为300万m3。

中蓄：在五丰河中游建设玉湖，对五丰河上游水量进行调蓄，调蓄库容为50万m3，将五丰河下游洪峰流量削减至27.5 m3/s，有效减轻了五丰河中下游河道的排涝压力。

下排：为增强五丰河下游排洪能力，在五丰河下游建设五丰河与鹅湖连通工程，新建鹅湖排洪泵闸，规模为60 m3/s，将分洪至鹅湖的五丰河洪水抽排至萍水河。同时，在五丰河汇入萍水河的河口新建泵闸，规模为15 m3/s，进行强排，将五丰河洪水抽排至萍水河内。

2.2 内部体系控制

内部体系统筹考虑地块与排水分区的空间层次，在内部地块层面上，重点优化内部排水系统，通过小海绵的构建，从源头上实现对雨水的自然消纳。根据地形及排水系统布置，将试点区划分为6个项目建设片区，分别为：萍水湖片区、玉湖片区、蚂蝗河片区、万龙湾片区、西门片区和白源河片区。对6个项目建设片区内的142个源头地块进行海绵建设和改造，实现雨水的自然消纳，达到雨水径流控制的目标。

在排水分区层面上，通过对排水分区内部管网进行提标改造，重点解决现状排水系统的标准偏低的问题。并采取清疏修复方案，通过吸泥、高压清洗、人工清淤等措施，对管道内部彻底清理，利用更换管道、修补等处理措施对破损管道进行修复，整体提升试点区内部雨水排水系统的排水标准。在局部区域新建7座调蓄池，总规模为3.81万m3，实现对超标雨水的有组织排放，解决局部区域的积水问题。

2.3 整体效果

萍乡市在城市外部构建“上截、中蓄、下排”防控系统，上游建设分洪隧洞，进行雨洪优化联合调配；中游布设大型调蓄水体，暴雨时蓄滞雨洪，削减下泄洪峰流量，雨后逐步开闸放水，补给城市河流；下游城区段易涝区新建雨水箱涵和排涝泵站，解决因排水系统问题导致的局部内涝。在内部城区统筹低影响开发系统、雨水管渠系统和局部系统各个环节，着重解决城市内涝问题。通过外部体系构建与内部体系控制，萍乡市国家海绵城市试点区总体上可以有效应对30年一遇的暴雨事件，解决了长期以来历史遗留的洪涝灾害问题，为构建海绵城市理念的水安全防控体系提供了宝贵经验和真实借鉴。

3 结束语

基于海绵城市理念的水安全防控体系通过“外部体系构建，内部体系控制”的指导思想，在外部建立“上截、中蓄、下排”的蓄排平衡系统，在内部建立低影响开发雨水系统和雨水管渠系统，并针对局部问题进行整治，系统提高城市水安全标准，能够有效应对雨洪发展面临的新形势。基于海绵城市理念的水安全防控体系也为给排水行业的发展指明了方向，为给排水学科的发展奠定了理论基础。