城市雨洪多功能調(diào)蓄技術(shù)

　　我國(guó)水資源的緊張狀況以城市為中心的地區(qū)尤為突出。在全國(guó)600多座城市中，有一半以上的城市缺水，其中108座嚴(yán)重缺水。一方面，這些城市遭受嚴(yán)重缺水的困擾，地下水資源被超量開采，地下水位逐年下降；另一方面，暴雨峰流量逐年增加，每年的雨季城區(qū)大量的雨水外排，城市排水系統(tǒng)不堪重負(fù)，暴雨在許多城市造成嚴(yán)重的水澇災(zāi)害，損失巨大。僅以2004年7月10日和12日分別發(fā)生在北京和上海的暴雨為例，這兩座城市先后遭受了暴雨襲擊，造成市區(qū)大范圍的水澇，嚴(yán)重阻礙城市交通，由此帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。城市的高速發(fā)展導(dǎo)致大量雨水資源的流失和水澇災(zāi)害并由此引發(fā)一系列的城市生態(tài)環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題，已經(jīng)成為城市可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。如何科學(xué)合理地利用城市雨水資源、有效地削減暴雨徑流和水澇，近年來(lái)成為一個(gè)廣受關(guān)注的重大課題，北京已經(jīng)開始大量地推廣雨水利用技術(shù)，越來(lái)越多的城市也在開展研究或應(yīng)用^{[1]~ [7]}。

合理利用城市雨水資源不僅能緩解缺水矛盾，還能減少暴雨徑流帶來(lái)的危害，改善城市生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但城市雨水利用是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到城市建設(shè)的方方面面和許多學(xué)科，因此對(duì)城市雨水利用的科學(xué)性也提出更高的要求。

　　城市雨水多功能調(diào)蓄是充分體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的思想，以調(diào)蓄暴雨峰流量為核心，把排洪減澇、雨洪利用與城市的景觀、生態(tài)環(huán)境和城市其它一些社會(huì)功能更好地結(jié)合，高效率地利用城市寶貴土地資源的一類綜合性的城市治水和雨洪利用設(shè)施。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，這些設(shè)施能較大幅度地提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，降低排洪設(shè)施的費(fèi)用，更經(jīng)濟(jì)、顯著地調(diào)蓄利用城市雨水資源和改善城市生態(tài)環(huán)境。

　　多功能調(diào)蓄是在傳統(tǒng)的、功能單一的雨水調(diào)節(jié)池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的（圖1），這類設(shè)施與一般雨水調(diào)節(jié)池的最明顯的區(qū)別是，暴雨設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高，規(guī)模大，而在非雨季或沒(méi)有大的暴雨時(shí)，這些設(shè)施可以全部或部分地正常發(fā)揮城市景觀、公園、綠地、停車場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、市民休閑集會(huì)和娛樂(lè)場(chǎng)所等多種功能，從而顯著地提高對(duì)城市雨洪科學(xué)化管理與利用的水平和效益/投資比。

 

　　用圖2所示斷面示意圖簡(jiǎn)略地說(shuō)明多功能調(diào)蓄設(shè)施的概念和具體運(yùn)用。在非暴雨季節(jié)，調(diào)蓄池保持干的狀態(tài)或維持較低的正常水位，有水區(qū)域在常水位較小的水位變化范圍里主要起到景觀、雨水的調(diào)蓄利用和改善生態(tài)環(huán)境等作用；在無(wú)水和水位之上的高地區(qū)域則可以建造綠地、停車場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)或其它活動(dòng)場(chǎng)所。當(dāng)發(fā)生多年一遇的大暴雨時(shí)，利用常水位和最高水位（專門設(shè)計(jì)的溢流口處）之間巨大的空間來(lái)貯存調(diào)蓄暴雨峰

　　流量，減少洪峰對(duì)周邊或下游重要區(qū)域的水澇災(zāi)害，暴雨過(guò)后再通過(guò)利用、排放、下滲、蒸發(fā)等逐漸恢復(fù)到正常水位。調(diào)蓄容量、集水放水方式和時(shí)間、溢流口大小、景觀和安全防護(hù)措施等等具體設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)匯水流域、安全要求、水澇可能造成的損失評(píng)價(jià)和其它現(xiàn)場(chǎng)條件綜合考慮，整個(gè)設(shè)施的設(shè)計(jì)更需要通過(guò)復(fù)雜的程序包括技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和多專業(yè)的綜合分析來(lái)完成。

 

 

　　由于設(shè)計(jì)的暴雨發(fā)生概率很低，在達(dá)到安全排洪減澇和雨水利用目的的同時(shí)，使城市稀缺的土地資源得到更充分的利用，多功能利用包括創(chuàng)造城市水景或濕地、為動(dòng)植物提供棲息環(huán)境、改善城市景觀和生態(tài)環(huán)境、增加地下水補(bǔ)給、創(chuàng)造城市公園、綠地、停車場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、市民休閑集會(huì)和娛樂(lè)場(chǎng)所等。

近二十年來(lái)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家在城市雨洪的科學(xué)化管理領(lǐng)域（包括防洪澇、治水、雨洪資源利用、雨水徑流的污染控制和城市生態(tài)修復(fù)等分支）取得很大的發(fā)展和成效，創(chuàng)立了比較系統(tǒng)的科學(xué)與技術(shù)體系。城市雨洪控制與利用的多功能調(diào)蓄就是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。

　　日本由于國(guó)土資源的稀缺和多發(fā)性水災(zāi)等自然因素，是提倡實(shí)施多功能調(diào)蓄最具代表性的國(guó)家。在日本，這種設(shè)施大致經(jīng)歷了以下這樣一個(gè)發(fā)展過(guò)程：

　?。?） 準(zhǔn)備期：時(shí)間主要集中在70年代，這段時(shí)期主要是對(duì)多功能調(diào)蓄設(shè)施進(jìn)行一些研究和示范性的應(yīng)用。

　?。?） 發(fā)展期：時(shí)間主要集中在80年代，這段時(shí)期主要是對(duì)多功能調(diào)蓄設(shè)施開展更廣泛地應(yīng)用并進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)的積累和總結(jié)。

　?。?）飛躍期：時(shí)間主要集中在90年代，這段時(shí)期多功能調(diào)蓄設(shè)施得到了廣泛的推廣運(yùn)用，在多方面取得了顯著的成效。

　　多功能雨水調(diào)蓄池從它的功能上可以分為兩大類：一是利用低凹地、池塘、濕地、人工池塘等收集調(diào)蓄雨水。雨水匯入調(diào)蓄池之前應(yīng)該進(jìn)行必要的截污處理，再充分利用調(diào)蓄池內(nèi)的水生植物如蘆葦、菖蒲、睡蓮水蔥等和其它生物資源對(duì)集蓄的雨水進(jìn)行凈化處理，防止水質(zhì)惡化，保持水體良好的生態(tài)景觀效果；二是將其建成與市民生活相關(guān)的設(shè)施，如利用凹地建成城市小公園、綠地、停車場(chǎng)、網(wǎng)球場(chǎng)、兒童游樂(lè)場(chǎng)和市民休閑鍛煉場(chǎng)所等，這些場(chǎng)所的底部一般都采用滲水的材料，當(dāng)暴雨來(lái)臨時(shí)可以暫時(shí)將高峰流量貯存在其中，并作為一種滲透塘，暴雨過(guò)后，雨水繼續(xù)下滲或外排，并且設(shè)計(jì)在一定時(shí)間（比如48小時(shí)或更短的時(shí)間）內(nèi)完全放空，這種雨水調(diào)蓄設(shè)施多數(shù)時(shí)間處于無(wú)水狀態(tài)，可以用作多功能場(chǎng)所。從整個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)看，它還可以有效地削減水土的流失，補(bǔ)充地下水。

　　日本全國(guó)年均降雨量為1800mm，高于世界年均的800mm，年徑流量為6700億m³，洪水曾是日本主要的自然災(zāi)害之一。八十年代，日本建設(shè)省就開始推行雨水貯留滲透計(jì)劃，利用雨水補(bǔ)充涵養(yǎng)地下水、復(fù)活泉水、恢復(fù)河川基流，調(diào)蓄削減洪峰流量，減少洪澇災(zāi)害。而日本是一個(gè)島國(guó)，土地資源十分寶貴，因此從七十年代就開始研究多功能調(diào)蓄，以充分發(fā)揮土地的效益。

　　例如位于日本千葉縣的長(zhǎng)津川調(diào)節(jié)池，它的儲(chǔ)蓄量為170，000m³，面積為66，000m²，調(diào)蓄高度為4.4m。修復(fù)和整治該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境時(shí)考慮了當(dāng)?shù)鼐用竦男枰?，以“家鄉(xiāng)的河川、典型的河川”為主題設(shè)計(jì)的多功能調(diào)蓄設(shè)施廣場(chǎng)，由濕地、跑步道、草坪廣場(chǎng)和游戲廣場(chǎng)等組成。周圍堤岸上設(shè)計(jì)保留了原有的地形、地貌和植被、植物。濕地周邊水生植物茂盛，坡面上做了綠化，在保持良好的凈化作用的同時(shí)使景色清新自然，吸引了附近居民和兒童前來(lái)休閑、玩耍。在長(zhǎng)津川調(diào)蓄設(shè)施中包含了兩種雨水多功能調(diào)蓄池，景觀池屬于第一種，而游戲廣場(chǎng)、草坪廣場(chǎng)則屬于第二種。在枯水期，景觀池中的水位于常水位，維持整個(gè)調(diào)蓄設(shè)施中唯一的親水區(qū)域，人們可以到這里來(lái)散步、娛樂(lè)和休閑；在豐水期，當(dāng)暴雨來(lái)臨時(shí)，警報(bào)提醒游人疏散，此時(shí)的游戲廣場(chǎng)、草坪廣場(chǎng)作為雨水調(diào)蓄滲透塘進(jìn)行蓄水，暴雨過(guò)后儲(chǔ)蓄的雨水下滲，在削減洪峰流量的同時(shí)補(bǔ)充地下水源。類似的多功能　　調(diào)蓄設(shè)施在日本還有許多，表1總結(jié)部分有代表性的實(shí)例^[8]。

　　由于各國(guó)的自然條件和發(fā)展水平不同，雨水多功能調(diào)蓄的具體運(yùn)用也有所不同，如美國(guó)的蓄洪排澇設(shè)施也有許多在旱季用作孩子們踢球游玩的場(chǎng)所；德國(guó)有不少將雨水的輸送和儲(chǔ)存與城市景觀建設(shè)、環(huán)境改善融為一體，既有效利用了雨水資源，減輕了排水和處理系統(tǒng)的壓力，也緩解水澇的發(fā)生。

兒童游樂(lè)場(chǎng)調(diào)節(jié)池

停車場(chǎng)

 

   

　　北京是全國(guó)政治、文化中心，多年平均降雨量不到600mm，人均擁有水資源在世界120多個(gè)國(guó)家的首都及大城市中居百位之后；可利用水資源40億m³，其中地表水15億m³，是世界上最缺水的城市之一。嚴(yán)重的缺水已成為制約經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的主要因素?？墒敲磕甑谋┯昙竟?jié)，大量的雨水流失，造成城區(qū)水澇，給人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了很大的不便甚至是災(zāi)難性的損失。如2004年7月10日北京城區(qū)在5小時(shí)平均降雨量達(dá)到70mm，造成70多個(gè)路段嚴(yán)重積水，數(shù)千輛汽車被淹，數(shù)十條交通線路中斷^[9]，造成極大的損失和影

 

表1   日本城市雨洪多功能調(diào)蓄設(shè)施應(yīng)用實(shí)例

地點(diǎn)	貯存量 ( m3 )	貯存池面積(㎡)	水深 （m）	構(gòu)造形式	多功能利用
崎玉縣	700，000	316，000	2.9	河川洪水溢流堤調(diào)節(jié)池	景觀池、校園、公園、底層架空式批發(fā)商業(yè)中心
崎玉縣川越市	45，590	25，900	4.4	挖掘式	公園、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所（網(wǎng)球場(chǎng)、門球場(chǎng)）
慶應(yīng)私立大學(xué)校園	50，130			挖掘式調(diào)節(jié)池、地下貯存池	景觀池、停車場(chǎng)、空地
千葉縣佐倉(cāng)市	30，745	9，060	5.0	挖掘式調(diào)節(jié)池	公園、景觀池、花壇、噴水池等
神奈川縣橫濱市	6，045	10，210	0.6	挖掘式調(diào)節(jié)池	高爾夫球場(chǎng)、練習(xí)場(chǎng)、停車場(chǎng)
東京新宿區(qū)	30，000	10，000	3.5	河川洪水溢流堤/ 挖掘式	住宅、公園
千葉縣船橋市	170，000	66，000	4.4	河川洪水溢流堤調(diào)節(jié)池	景觀池、草坪廣場(chǎng)、游戲廣場(chǎng)
青森縣青森市	590，000	263，200	4	河川洪水溢流堤調(diào)節(jié)池	小學(xué)、中學(xué)、駕駛訓(xùn)練中心

響，引起市政府和社會(huì)的普遍重視。王歧山市長(zhǎng)就尖銳地指出，北京人天天盼水，水來(lái)了又怕水，這暴露出北京城市建設(shè)、市政基礎(chǔ)設(shè)施等方面存在“軟肋”。它不僅又一次向人們敲響警鐘，也給專業(yè)科技工作者提出一個(gè)迫切需要解決的難題。

北京和我國(guó)許多的城市都同時(shí)面臨嚴(yán)重缺水、雨水徑流對(duì)城市水系的嚴(yán)重污染和城區(qū)多發(fā)性水澇的困擾，也十分重視城市生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù)。北京已經(jīng)有多年雨水利用研究與應(yīng)用基礎(chǔ)、土地資源也越來(lái)越緊缺和昂貴。因此，繼續(xù)深入開展多功能調(diào)蓄技術(shù)研究無(wú)疑具有前瞻性，符合城市可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想，以北京為例來(lái)討論多功能調(diào)蓄的應(yīng)用對(duì)我國(guó)許多城市也是十分必要和具有重要意義。

　　一般的雨水儲(chǔ)存最大的問(wèn)題是儲(chǔ)存池容積受到限制，不容易達(dá)到明顯調(diào)蓄暴雨洪峰的目的，而且占地和投資都大，閑置時(shí)間長(zhǎng)，影響雨水利用系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，在降雨集中、暴雨多的地區(qū)和城市，這個(gè)問(wèn)題尤為突出。

我國(guó)較大規(guī)模的城市雨洪調(diào)蓄利用主要體現(xiàn)（局限）在一些已有的湖泊、水庫(kù)、河道和少量的城市濕地等，也有少量的利用地下大型管渠或調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)暴雨峰流量，大量應(yīng)用受到許多限制。如何結(jié)合我國(guó)城市發(fā)展的現(xiàn)實(shí)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕涤陾l件、雨水徑流水質(zhì)、城市生態(tài)環(huán)境狀況、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與發(fā)展水平、以及城市的總體規(guī)劃，科學(xué)、合理、安全地設(shè)計(jì)這種新型的生態(tài)型雨洪多功能調(diào)蓄利用設(shè)施，還有許多問(wèn)題和復(fù)雜的因素需要考慮，有待通過(guò)深入的研究來(lái)逐步地推廣實(shí)施。

　　城市化的發(fā)展使得北京建成區(qū)面積不斷增大，1986－2002年建成區(qū)面積變化如圖3所示。

 

　　從圖中數(shù)據(jù)可以看出，在十幾年時(shí)間內(nèi)，北京建成區(qū)面積擴(kuò)大了近一倍。城市面積的擴(kuò)大意味著城市不透水面積也相應(yīng)增加，雨水徑流量也隨之增加。根據(jù)1986－2002年統(tǒng)計(jì)的年降雨量可大致估算出每年產(chǎn)生的雨水徑流量（按北京城區(qū)綜合徑流系數(shù)ψ＝0.55計(jì)算），結(jié)果見(jiàn)圖4：

　　圖4表明，即使在枯水年（1999年），產(chǎn)生的徑流量也有7194.42萬(wàn)m³，而豐水年（1994年降雨量813.2mm）產(chǎn)生的徑流量高達(dá)20886.15萬(wàn)m³。

 

　　1998年以來(lái)，北京建筑工程學(xué)院、北京市城市節(jié)水辦、北京市水利局等積極開展了城市雨水資源利用的研究和示范工程，已經(jīng)有十多個(gè)不同類型與規(guī)模的雨水利用工程投入運(yùn)行，雨水利用已納入北京總體規(guī)劃修編內(nèi)容和全市范圍的推廣計(jì)劃；包括東方太陽(yáng)城和奧運(yùn)場(chǎng)館等大型雨水利用工程在內(nèi)的許多雨水利用項(xiàng)目都在設(shè)計(jì)或建設(shè)中。北京的雨水利用也帶動(dòng)了其它一些城市積極開展這方面的研究和應(yīng)用工作。但至今的這些研究和應(yīng)用還主要是集中在雨水的收集儲(chǔ)存利用和滲透兩大分支領(lǐng)域，上述意義的城市雨水多功能調(diào)蓄設(shè)施還很少涉及。

　　北京積極開展系統(tǒng)的雨水利用無(wú)疑有利于減少雨水資源的流失和緩解缺水局面，但對(duì)削減多年一遇的暴雨洪峰、從根本上解決城區(qū)的水澇（不完全統(tǒng)計(jì)，經(jīng)常嚴(yán)重淹水區(qū)域41處）顯然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

圖5是北京近十年來(lái)的月平均降雨量。很明顯，北京的降雨非常不均勻，主要集中在5-9月（占全年降雨量的85.7 %以上），而且多以暴雨的形式出現(xiàn)，我國(guó)許多城市的降雨規(guī)律也類似。如果在雨水利用系統(tǒng)中靠普通的儲(chǔ)存池對(duì)這些雨水進(jìn)行調(diào)蓄以達(dá)到削減洪峰的目的，那么所需的池體規(guī)模、投資和占地都將十分龐大，而在一年中的絕大部分時(shí)間又處于閑置狀態(tài)。這對(duì)寸土寸金的北京而言，顯然是不經(jīng)濟(jì)的，從雨水工程的投資回收期看也是不經(jīng)濟(jì)的。

　　我國(guó)正在進(jìn)行新一輪的土地利用總體規(guī)劃修編，樹立和落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，推行嚴(yán)格的土地管理制度，切實(shí)保護(hù)耕地特別是基本農(nóng)田，保護(hù)土地生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)格控制建設(shè)用地規(guī)模。對(duì)科學(xué)地利用城市寶貴的土地資源也提出了更高要求。在城市采用多功能雨水調(diào)蓄設(shè)施，暴雨季節(jié)可以用于雨水的貯存滲透利用和蓄洪，而在非暴雨季節(jié)可用于其它的用途，實(shí)現(xiàn)合理、經(jīng)濟(jì)地利用有限土地資源的目的。例如，北京城市的綠化覆蓋率逐年提高，從1988年的25％增至2002年的40.6％，按建成區(qū)面積計(jì)算，2002年的綠化面積約有257 km²。利用部分綠地，在合適的位置或條件下建成多功能雨水調(diào)蓄設(shè)施，比如建成風(fēng)景雅致的小公園，豐富和改善城市景觀，在暴雨季節(jié)才用作雨水貯存或滲透，從而實(shí)現(xiàn)充分發(fā)揮土地資源的效益和有效地利用城市雨水資源、控制水澇、改善環(huán)境等一舉多得的目的。

　　在北京某住宅區(qū)雨水利用項(xiàng)目中采納了多功能調(diào)蓄的設(shè)計(jì)思想，利用大面積的景觀湖調(diào)蓄雨水，常水位以上是綠地和高爾夫球場(chǎng)。當(dāng)發(fā)生多年一遇的暴雨時(shí)，水位上升，淹沒(méi)部分高爾夫球場(chǎng)區(qū)域，雨后通過(guò)雨水利用、蒸發(fā)和滲透使水位逐漸恢復(fù)到常水位。既增加雨水的調(diào)蓄利用量，又提高了小區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)，湖濱帶的生態(tài)設(shè)計(jì)還改善小區(qū)的整體生態(tài)環(huán)境。

　　雨水多功能調(diào)蓄特別適用于城鄉(xiāng)結(jié)合部、衛(wèi)星城鎮(zhèn)、新開發(fā)區(qū)、大型生態(tài)住區(qū)或保護(hù)區(qū)、公園、城市綠化帶、高速路和立交橋附近的綠化帶、城市低洼地、有足夠的匯水面和徑流量排洪壓力大的區(qū)域等。例如，在北京新的總體規(guī)劃中的“兩帶”和環(huán)繞城區(qū)的生態(tài)綠化帶、奧林匹克公園、一些地勢(shì)較低經(jīng)常遭受水澇災(zāi)害的區(qū)域等，都可以因地制宜地考慮采用這種設(shè)施。

綜上所述，對(duì)于缺水和水澇嚴(yán)重的城市，多功能雨水調(diào)蓄是一種綜合性的生態(tài)型治水方案。因地制宜地研究實(shí)施適用的多功能調(diào)蓄設(shè)施，科學(xué)地開發(fā)利用城市雨洪，不僅可增加可用水資源，回補(bǔ)地下水，緩解城市嚴(yán)重的缺水局面，還要能明顯地削減洪峰流量，提高城市防洪防澇標(biāo)準(zhǔn)，改善城市環(huán)境，充分地利用土地資源，最大限度地發(fā)揮城市土地資源的綜合效益。

 

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