基于生态海绵流域的防洪排涝体系研究——以深圳市坪山河流域为例

王秀英 ，白音包力皋 ，崔 巍 ，穆祥鹏 ，王 浩 ，2

(1.中国水利水电科学研究院，100038，北京；2.水安全与水科学协同创新中心，210098，南京)

城镇建设在自然流域之内，具有流域的自然属性， 随着社会发展，流域内城镇化比重增大，形成“高度城镇化流域”。 “海绵城市”建设主要解决的是局部雨洪管理问题。 面对高度城镇化带来的诸多水问题，“海绵城市” 建设可以考虑从土地价值昂贵、空间紧张的城市内部向城市外部扩展，从“高度城镇化”区域向其周边“流域”拓展，从流域角度，寻求解决城市水问题更广阔的操作空间。 中国水资源战略研究会蔡其华理事长在2016 年3 月22 日举办的国家水安全战略研究论坛上提出了“生态海绵流域”概念。 生态海绵流域建设是以流域水循环过程为主线，充分发挥流域对水循环天然调节作用; 规范人类水土资源开发活动，减少对自然水循环的扰动; 系统布局地表灰色基础设施与绿色基础设施，建设土壤水和地下水水库; 融合现代信息技术的新进展， 实现地表—土壤—地下多过程、水量—水质—泥沙—水生态的联合调控，系统解决流域水问题。

对于南方城市防洪排涝问题，仅靠海绵城市是不够的， 因为暴雨期长、雨量大，而且往往同时遭遇外江洪水，洪涝同时出现。 用生态海绵流域的思想解决高度城镇化流域的水问题不仅为解决城市防洪排涝问题提供了更为开阔的思路，也为传统防洪排涝体系建设注入了新的内涵，提出了新的标准。 相对城市内部，对于流域而言，“海绵”有更加深刻的内涵和发挥空间。 生态海绵流域防洪排涝体系建设需要转变传统的防洪排涝工程思路，通过系统性模块化构筑防洪系统与排涝系统，采取“源头、过程、末端”全过程洪涝管理策略，遵循问题诊断—目标确定—方案制定—效果评估流程， 将工程措施与非工程措施结合，在防洪保安全的同时，也为规范人类水土资源开发活动提供支持。

一、生态海绵流域防洪排涝体系构建

1.结构框架

当流域不透水表面比率超过10%就预示着河流自然属性衰退，人工属性增强，高度城镇化流域特征显现。 在城市防洪排涝体系建设过程中， 需要理清流域与城市的关系，协调宏观流域防洪工程、中观城市排涝工程和微观局部建筑区排水工程的嵌套与叠加关系，以及非工程措施与管理系统的统筹关系。 基于生态海绵流域的“高度城镇化流域”防洪排涝体系的基本构架见图1。 防洪系统和排涝系统既包含传统工程内容， 也包含海绵空间管控和海绵体建设。 通过LID 系统、预警预报、法规制度、信息平台等不同形式提升人们的防洪排涝意识和能力，规范人们的开发建设活动。

2.核心策略

高度城镇化流域防洪排涝需要从单纯依赖灰色基础设施向灰色、绿色与蓝色基础设施协同共生转变，从外洪内涝各自为政向原则统一、协同治理转变，开辟新的治理思路。流域自上而下遵循“源头蓄、渗，过程疏、滞，末端排、调”相结合的策略，实现防洪排涝安全的同时， 达到雨水径流污染控制、雨水资源利用、水生态系统修复等综合目标， 创建新型流域整体治理模式。

源头蓄、渗：流域层面充分利用上游水库群，通过构建智慧管理调配平台精准预报、精准调度，增强水库防洪调蓄能力， 实现洪水控制管理，为提高河道防洪标准创造条件。 同时，尽可能发挥明沟系统、塘床系统及河道系统的调蓄功能，增加滞蓄洪水的水面面积。 中下游城镇增加雨水下渗，尤其在地下水水位低、下渗条件良好的片区， 采用低影响开发技术，增加新建片区、更新改造区透水性下垫面比例。

图1 生态海绵流域防洪排涝体系

过程疏、滞：流域层面包含两层含义，一是疏通河道，对阻水桥涵实施改造工程， 疏通主干行洪通道；在河道生态治理思想指导下，对干支流实施河道拓宽、 岸坡修复或加高加固、山洪截流等措施；二是疏通沿河道的蓝线防护区， 结合城乡改造，疏解河道蓝线范围人群，清除蓝线范围内违法建筑，形成综合利用的行洪通道缓冲区。 在城镇建设层面践行低影响开发， 实现雨水蓄滞， 利用城市绿地、公园、绿化带等位置，建设下凹式绿地系统，滞留地表径流，有条件的雨水排放口附近建设人工湿地、 景观生态沟。

末端排、调：排除流域出口下游行洪障碍，通过排洪河道、沟渠快速排泄洪水，确保防洪安全。 城镇建设层面构建排水主干网络系统，保证涝水顺利排放， 结合河道综合治理工程，提高河道防洪标准。 城镇建成区下游排洪能力不足时，可考虑建设快排通道或通过下游郊野公园、湿地公园等形式建设调洪缓冲区，成为建成区海绵系统的良好补充，避免下游排洪不畅造成城区河道壅水。

3.构建流程

基于生态海绵流域的防洪排涝体系建设与完善主要遵循 “问题诊断—目标确定—方案制定—效果评估”的流程。 依据城镇发展定位、存在问题确定防洪排涝及径流管理目标；以问题为导向，以目标为依据，分解建设任务，制定建设方案；根据建设条件， 近期方案与远期方案结合，分步实施综合措施，评估工程效果；再次诊断问题，补充改善建设方案。 经过反复不断提升与完善，防洪排涝体系将得到全面提升。 基于生态海绵流域的防洪排涝体系构建流程见图2。

图2 基于生态海绵流域的防洪排涝体系构建流程

二、坪山河流域防洪排涝体系构建

1.流域概况

坪山河为东江水系淡水河的一级支流，是深圳市五大河流之一。 坪山河流域在深圳境内流域总面积为129.4 km2，其中 78 km2属于基本生态控制线范围，其余51.4 km2属于建设用地，集中于坪山河干流两岸。坪山河干流 （深圳市境内） 长 13.5 km，平均比降 1.41‰， 有一级支流 11条、二级支流3 条。坪山河具有明显的人工化痕迹， 目前承担的生态系统服务功能主要为排洪、 排污，同时作为重要的景观廊道， 还具备景观美化、 提供休闲娱乐公共空间的功能。

2.流域防洪排涝潜在风险分析

（1）降雨特征

采用Mann-Kendall 趋势分析方法分析坪山河流域降雨分布规律，结果显示： 近35 年降雨及暴雨总体呈两阶段变化规律， 1991 年之前总体呈现不显著减少趋势；1991 年之后总体呈现不显著增加趋势；汛期降雨量和年暴雨次数曲线的趋势线斜率更大，近年出现的UFk与UBk曲线交点接近1.96 显著性线，表明近年来暴雨次数更多，强度增大。

（2）暴雨洪涝灾害风险

考虑致灾因子、孕灾环境、承灾体和防灾减灾能力的综合作用，构建坪山河流域暴雨洪涝灾害风险评估模型，如式（1）所示。

式中，FDRI 为暴雨洪涝灾害风险指数，其值越大，则灾害风险度越高；Xh、Xe、Xv和 Xr的值分别表示致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性和防灾减灾能力因子的指数；Wh、We、Wv分别为危险性、敏感性、脆弱性因子的权重，采用层次分析法确定；α 为常数（0≤α≤1），用来描述防洪减灾能力对减少总的FDRI 所起的作用。

按照层次分析法确定的权重叠加后得到暴雨洪涝灾害风险指数分布。 经评估，坪山河流域中部和东北部为洪涝灾害发生的高风险区， 其四周临近地区存在较高洪灾风险；西部、东南部和东部的山区风险较低。 中高风险区涵盖了建成区的大部分， 是洪涝灾害的防治重点。

（3）河道防洪风险

坪山河干流走向为西南至东北，西、南两侧为山地，河流处于高程较低的狭长地带， 河道两岸地面较高，无明显堤防。 坪山河干流大部分河段已按100 年一遇防洪标准完成河道整治，但根据河道堤防行洪能力复核计算， 仍存在约4 km 河段因河道狭窄、桥梁阻水等原因导致防洪不达标，尤其东纵路～建设路段河道严重束窄，行洪能力不足。 另外还存在堤防冲刷破坏、坍塌、基本设施不完善等问题。支流堤防达标率仅为20%， 部分河段尚未开展治理工程。

（4）城镇化开发对干流防洪影响

坪山河流域1990 年以前基本没有典型的城镇建设用地，以农村居民点为主。 2000 年城镇用地增加，旱地面积显著减少。 2000—2018 年，城镇用地由 12.82 km2增加至 44.73 km2，水田、 灌木林和其他林地基本消失，旱地面积也大为减少。 城镇化快速发展引起地表径流量增加，汇流时间缩短，导致坪山河干流洪水峰值增加。 经水文模型和水动力模型核算，未来建设用地增加至51.4 km2，流域出口位置100 年一遇洪峰流量将增加6.09%， 干流水面线随之升高0.09～0.24 m。

3.防洪排涝体系建设目标

综合考虑流域地形特征，兼顾流域防洪与城市排涝的需要，确定坪山河干流防洪排涝体系建设目标包含三项，即流域防洪标准、城市排涝标准、年径流总量控制率。

（1）流域防洪标准

依据 《防洪标准》（GB 50201—2014）规定，坪山河干流防洪标准为100 年一遇，支流为 20 年一遇～50 年一遇。 为满足未来经济发展需要，应逐步清理蓝线范围内防洪障碍物，为进一步提高防洪标准预留空间。

（2）城市内涝防治标准

参照深圳市新建雨水管渠、泵站及附属设施设计标准， 新建雨水管渠、 附属设施设计重现期为5 年一遇； 特别重要地区为10 年一遇或10年一遇以上重现期。

（3）年径流总量控制率

根据 《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》和《深圳市海绵城市规划要点和审查细则》， 研究确定坪山河流域平均年径流控制率75%，对应的设计降雨量为36.4 mm。经分解，现状建成区、新建改造区和生态保护区年径流控制率分别为50%、70%、80%。

为了在城市建设和防洪排涝工程建设过程中落实低影响开发控制目标，坪山河流域年降雨径流总量控制率目标可转换为雨水径流控制体积。 流域规划建成区面积为51.4 km2，生态保护控制区面积为78.0 km2，相应径流控制体积目标为分别为141.29 万 m3和 337.74 万 m3。

4.建设方案

坪山河生态海绵流域防洪排涝体系工程措施考虑将河流上游生态保护控制区“海绵流域”防洪体系与中下游建成区“海绵城市”排涝系统统一考虑，按照“源头、过程、末端”全过程开展工程建设，并将工程措施与非工程措施相结合。

（1）源头蓄、渗工程

①水库防洪工程。 现状16 座水库集雨面积为49.3 km2， 占生态保护控制区面积（78 km2）的 63.2%。 为达到调蓄洪水的目标，需要提高中小型水库的校核洪水标准，增大雨洪调蓄能力。 同时利用现有水库群，建设调蓄隧洞，形成聚合水库，通过联合调度，提高水库调蓄效率。

②径流控制工程。生态保护控制区需达到年径流控制雨水量337.74 万m3的目标，主要措施是增加塘坝工程，将水库集雨面积增加到控制区面积的75%；中小水库间建设雨洪利用沟渠等；增强小型水库、塘坝连通性，改变现状部分水库功能用途，增加雨水调蓄功能。

（2）过程疏、滞工程

①行洪通道整治疏通工程。 实施坪山河干流综合整治工程以及主要支流综合整治工程，通过扩宽河道、改造或拆除阻水桥梁、加高加固堤防岸坡等措施， 保障坪山河干流防洪达到100年一遇设计标准， 支流达到20 年一遇～50 年一遇设计标准； 增强工程管理维护等基本设施建设，贯通巡河线路，完善河道管理和防洪抢险物资仓库建设。 远期从流域尺度着手，结合河道综合整治，扩展沿河道的雨洪利用空间，并通过流域内部下垫面低影响开发，截留清洁径流等措施，滞蓄削减洪水，维护流域防洪安全。

②新建城区海绵工程。 通过屋顶雨水收集、下沉式绿地建设、透水铺装等技术进行雨水径流控制，以实现规划新建区和更新改造区径流控制目标。

（3）末端排、调工程

①排水工程设施。 排水工程设施主要包括排水管网新建改建、行洪通道疏通提标。 流域规划新建雨水管渠297.01 km， 改扩建雨水管渠 268.96 km； 建设涝水行洪通道总长度8.11 km，总设计流量达132 m3/s。

②建成区调蓄工程。 结合干流综合整治工程建设雨水收集调蓄设施44 202 m3； 在城市更新改造工程实施过程中开辟地下调蓄空间。

（4）非工程措施

防洪排涝非工程措施主要包括提高城市暴雨监测水平、防洪排涝预警水平、完善通信广播系统以及编制应急预案、洪涝风险图管理、宣传培训演练、防汛排涝设施维护等，以减少洪水内涝损失。

暴雨防洪排涝预警预报系统主要由监测系统和预警预报系统组成。防洪监测主要为重点防洪河段水位流量监测 （如坪山河干流东纵路段、赤坳水汇口下游），与临时堤防、沙袋等防洪物资调配进行联动，根据上游降水数据和河道水深预测未来水位，对潜在涉水风险提前识别、预警。 城市内涝积水监测主要由城市下立交积水监测和城市道路积水监测两部分组成，实现内涝监测、预警和防治功能。

依据监测数据做出的决策需要通过畅通的通信系统传达到每一个防洪排涝责任单位、责任人以及广大市民， 并及时采取关闭滨河公园、涉水参观设施， 增加沿河巡逻人员，禁止进入河道公园等管理措施。

汛前汛后均应对河道堤防、排水设施、管网、监测系统、防灾标志标牌等防汛排涝设施进行维护、 检修，定期开展防汛排涝人员的应急演练，根据防洪排涝效果修订完善应急预案。

三、防洪效果评估

经模型评估，坪山河干流以疏浚河道、加固堤防为主，断面不拓宽的治理方案能够有效降低局部河段100年一遇洪水位。 防洪瓶颈河段两岸建筑物结合市政改造， 腾退河道蓝线空间后，干流局部将会有拓宽空间，可实现行洪设计断面宽度。 综合治理措施实施后，能够达到防洪目标，但仍需要严格落实海绵城市治理措施， 控制因城市开发造成的洪峰流量增加， 确保城市建设不增加地表径流。

四、结论与展望

生态海绵流域理念为解决传统防洪问题和日益严重的城市内涝问题提供了新的思路，未来还需要结合流域水文过程与城市水文过程特征，构建并逐步细化、完善流域和城市兼顾的水动力模型和海绵设施建设的目标可达性评估模型，为优化防洪排涝措施提供技术支持。