海绵城市设计工程技术研究

文／ 李雷

海绵城市具体是指对城市的雨水，洪水等水资源的管理，这是新一代的城市雨水，洪水管理的新型概念，比喻城市的各项机能可以像海绵一样，在一个相对与正常且能够适应环境变化和应对雨水等自然的水灾害，在处理相关问题时有适合，稳定的弹性；因此，又被称之为“水弹性城市”[1]。

在新形势的发展下，海绵城市设计工程被视为可以推动城市绿色建筑和城市良好建设的一项重要绿化整治项目技术，是建设创新性智慧城市的一个重要举措。

一、海绵城市设计工程的技术要求

针对海绵城市的设计理念是致力于解决城市中由于内涝、水资源匮乏及水资源污染等自然水灾害而引出的一系列水资源问题。这就需要将城市中的实际排水工程与各项相关技术有效结合。

二、城市排水工程进行“海绵化”改造的重要性

城市排水系统就像是一个水资源的过滤网一样，它需要对城市中的污水，雨水等水资源进行处理，首先就要对城市中的水资源进行收集，然后再实现排放，转移和治理的功能，又被称为灰色基础设施（Grey Infrastrecture）。

相比较与传统的城市排水系统来说，海绵城市设计工程技术对于缺乏水资源的城市来说，利用价值会更多。传统的城市排水系统的核心设计是快干快排，虽然这种形式对于一些降水量大的城市来说，排放效率更高。但是对于降水量低的城市来说用处却不大。而海绵城市设计工程技术是要从这种快速处理模式转向生态化和可循环利用的方向，这也是城市排水工程技术进行“海绵化”改造的重要目标之一。

图1 传统排水系统和海绵城市设计工程的区别

同时，城市排水工程进行“海绵化”是要将“绿色设施”与“灰色设施”相结合，将雨水，污水等城市水资源进行收集、输送、净化、利用、排放等环节的内容，使他们更有效的统一结合起来，再大量运用到城市的水资源处理中，最高效率的发挥城市本身的排水和循环再利用的水功能。

三、城市排水工程的主要内容

1.城市排水的工作机制

城市排水系统通常是由排水管道和污水处理厂组成，在实行城市中对于雨水，污水等城市水资源的分流制情况下，由排水管道先进行对于城市中水资源的收集，然后运送到污水处理厂，经过一系列的污水处理再排出或再利用[2]。

图2 城市排水工作机制示意图

2.传统城市排水系统中常见的问题

①传统城市排水系统为达到快速排水的效果，过分依赖于管道工程进行工作；

②城市排水工程系统庞大，维修成本过高，同时可持续性低；

③雨水、污水被排掉后，地下水在城市中得不到充分的利用；

④官网受损度高，老化速度快，排水坡度不高，水流不畅，淤积严重；

⑤处理厂或工程系统中的泵房设备老化，设计标准低，排水能力小；

⑥整个工程系统缺乏统一，完整的管理方法，管道出现许多不合理的乱接现象，使得污水收集率低。

四、城市排水工程“海绵化”的改造措施

基于当前我国对于城市排水工程的调研和考察所得，海绵城市设计工程的建设已经不能仅仅局限于管道这种低效的灰色设施工程，而是要将基础的灰色设施工程绿色化，科学化，以实现城市排水工程的“海绵化”改造。具体改造措施如下：

1.灰色骨架为基础

灰色骨架为基础是指对排水系统进行改造，使得整个排水系统高效，稳定的工程

①提高排水管道的标准，对管网、泵房提标改造。其中，管网改造主要是指加大管径，泵房改造主要是指实现智能控制，恒压供水，节能降耗，满足城市对供水的需求，保障水压稳定。

②增设雨水泄洪管道，将管道的网管增大后，排水进入各类蓄水收集场所的水体都会得到相应程度的增加，所以我们应当多增设雨水泄洪管道。

③打造深隧工程。深邃管道工程是在于原有管网的基础上提升和加以深化，使得地下的排水功能多元化。

图3 深邃管道工程的工作机制示意图

2.绿化设施工程改造

在城市中排水的整个工程系统中主要集中于城市的道路中，所以通过改善城市道路周边的相关系统设施，可以将海绵城市做到更充分。具体改造方式有以下几种：

①雨水收集系统的完善

在一些降水量相对大的城市来说，可以增设雨水收集系统。对收集后的雨水进行过滤和处理，这样不仅解决了城市的排水问题，又解决了水资源处理和循环使用的问题。

②绿化缓冲带与生态护坡

五、海绵城市设计工程的地质要求

1.地形地貌

拟建工程场地位于象山湾北侧的宁波奉化区莼湖镇，场地滨海傍山，主要有农田、丘陵边缘、海域（滩涂、养殖塘、航道）、海岛等不同地貌单元[1]。

2.区域地质

拟建场地在勘探孔深度内未发现有活动断裂带、空洞、地面塌陷等不良地质作用和地质灾害迹象及暗浜、大孤石、地下障碍物分布，整个场地地基稳定，适宜本工程建设。

第1-1层（Q43ml、人工堆积）素填土：杂色，松散，极不均匀。

第1-2层（Q43al-l、冲湖积）粉质粘土：褐黄色、灰褐色，可塑，中等压缩性。

第2层（Q42m、海积）淤泥：灰色，流塑，高压缩性。

第3层（Q32-2al-l、冲湖积）粉质粘土：褐黄色，软可塑，中等压缩性。

第4层（Q32-2m、海积）粉质粘土：灰色，软塑，高压缩性。

第5-1层（Q32-1al-l、冲湖积）粉质粘土 ：灰黄、褐黄色，可塑，厚层状，干强度中等，中等韧性，稍有光泽。本层有缺失现象。

第5-2层（Q32-1al-m、冲海积）含粉质粘土角砾：褐黄色、灰褐色，稍密～中密，湿，中等偏低压缩性。

第6层（Q31al-l、冲湖积）粉质粘土 ：兰灰色、褐黄色、灰绿色，可塑，厚层状，干强度中等，中等韧性，稍有光泽。

第7层（Q21al-pl、冲洪积）含粉质粘土角砾：褐黄色、灰黄色，中密，局部稍密，湿，中等偏低压缩性。

第8-1层（AnQ）全风化凝灰岩：紫红色、深褐色，硬可塑或稍密～中密，原岩结构基本破坏，局部残余块状结构，岩芯呈土柱状、砾砂状，含风化碎块，手捏易碎，遇水易崩解软化。

第8-2层（J3）强风化凝灰岩：紫红色，熔结凝灰结构，块状构造，可见晶屑、玻屑等，裂隙很发育，裂隙面黄褐色黑褐色。

第8-3层（J3）中风化凝灰岩：紫红色，熔结凝灰结构，块状构造，为晶屑玻屑含角砾凝灰岩，原岩主要由粒径小于2mm 的火山碎屑物质组成，晶屑、玻屑为主，含角砾。

因此可在第1-1层和第1-2层进行灰色骨架排水系统的改造。

六、海绵城市设计工程模拟降水量要求

6.1 面雨量计算

设计流域内无雨量站，设计流域面积8.62km2小于10km2，点面系数取1.0，由图集查得点雨量及Cv值，即为流域面雨量与Cv 值，Cs/Cv根据图集规定为3.5。详见表2-1。

表2-1 设计流域点面雨量参数表

设计雨量Hp计算按式：，不同历时设计雨量计算成果见表2-2。

表2-2 设计流域暴雨量计算表

6.1.1 暴雨衰减指数

衰减指数n 按下式计算：

当ti在10min～1hr 之间，

当ti在1hr～6hr 之间，

当ti在6hr～24hr 之间，

不同历时暴雨衰减指数见表2-3。

表2-3 设计流域暴雨衰减指数计算表

6.1.2 设计雨型

设计暴雨时程雨型（24 小时雨型）按图集规定，设τ为单位时段，将H24 划分为24/τ个时段，老大项雨量排在第18～21 小时之间，老二项雨量紧排在老大项的前一项，其余时段项雨量按从大到小次序，奇数项时段雨量排在前，偶数项时段排在后边。当后面排满24 小时后，余下各项时段雨量从大到小排在前面，最后得出24小时设计雨量过程。

6.2 设计洪水

6.2.1 产、汇流计算

按照SL44-2000《水利水电工程设计洪水计算规范》规定，产流计算可以采用扣损法。汇流计算按浙江省规定：流域面积在50km2以下时，用推理公式法。

本次产流计算采用扣损法，初损扣20mm，后损每小时扣1mm，汇流计算采用推理公式法，推理公式的一般形式为：

式中：

Qm—洪峰流量，m3/s；

h —在全面汇流时代表相应于τ时段的最大净雨，在部分汇流时代表单一洪峰的净雨，mm；

F —流域面积，（km2），参数见表2-1；

τ—流域汇流历时，h；

L —沿主流从出口断面至分水岭最长距离（km），参数见表2-1；

J —沿流程L 的平均比降，参数见表2-1；

m —汇流参数，根据流域形状和下垫面情况，选为浙江省水电院的III 类线进行计算。

6.2.2 设计洪水成果

不同频率设计洪水成果见表2-4。

表2-4 不同频率设计洪水成果表

总结：

通过海绵城市建设，最大限度地减少城市开发建设对生态环境的影响，将70%的降雨就地消纳和利用。到2020年，城市建成区20%以上的面积达到目标要求；到2030年，城市建成区80%以上的面积达到目标要求。