海綿理念下城市街區(qū)小微水系優(yōu)化策略分析

鄺燕良，王慧君

（1.深圳深態(tài)環(huán)境科技有限公司，廣東 深圳 518048；2.中節(jié)能鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518048）

當(dāng)前，城市發(fā)展面臨著由“增量擴(kuò)張”的粗放式發(fā)展向“存量挖潛”的集約式發(fā)展轉(zhuǎn)型[1]。但在長期城市發(fā)展過程中，水務(wù)相關(guān)部門側(cè)重于高等級水系的防洪排澇建設(shè)，等級偏低的小微型水系則成為無人看管的“真空地帶”[2]。在流域尺度劃分上，城市建成區(qū)的小微水系在我國標(biāo)準(zhǔn)水系級別和一般的水系分類中都處于最小尺度的末級支流及支流水系，屬小微水體定義里的溝、渠、溪[3]，在城市開發(fā)過程中逐漸被改造、填埋或因城市建設(shè)而中斷、消失，導(dǎo)致城市普遍性存在著雨水內(nèi)澇頻發(fā)、城市內(nèi)河湖水系污染嚴(yán)重和水資源缺乏且分布不均等問題[4]。隨著“海綿城市”的深入建設(shè)與發(fā)展，人們逐漸意識到城市的自然本底和水系格局是城市防洪排澇的天然基質(zhì)和廊道，是得天獨(dú)厚的“海綿體”[5，6]。本文的研究對象聚焦于城市建成區(qū)街區(qū)內(nèi)小微型河段尺度的水系連通優(yōu)化，通過合理的規(guī)劃和建設(shè)搭建好海綿城市藍(lán)網(wǎng)骨架，滿足城市建設(shè)的“彈性”訴求，實(shí)現(xiàn)“小雨不積水、大雨不內(nèi)澇、水體不黑臭、熱島有緩解”的建設(shè)目標(biāo)[7，8]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于鄭州市西部，面積61 km2，城鎮(zhèn)用地面積近20 a來以1 km2/a的速度增加，2018年達(dá)32.88 km2，占全區(qū)總面積53.77%。地勢整體呈南高北低自然傾斜，東、北部地形開闊，較為平坦；西、南部承接丘陵山地，地勢起伏不平，高差超過500 m。境內(nèi)水系格局為“兩河一渠”（即汜水河、枯河和中心路排洪渠），豐枯水季流量差異巨大，屬季節(jié)性河流。

1.2 設(shè)計理念與方法

1.2.1 遵循地形地貌長期形成的“產(chǎn)-匯-流”水文格局

城市內(nèi)部的小尺度河流水系空間在長久的自然力作用下，順應(yīng)自然原始的地形地貌特征，形成相對穩(wěn)定的“產(chǎn)-匯-流”水文過程[9]。城市開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致的地形地貌變動等通常都會打破原有的水循環(huán)平衡，水文格局的連通性和流動性受到破壞。通過修復(fù)、連通以及重新構(gòu)建的方式建立新的相對穩(wěn)定的“產(chǎn)-匯-流”水文格局，是生態(tài)水系規(guī)劃設(shè)計的基礎(chǔ)。

1.2.2 城市水生態(tài)問題診斷

運(yùn)用ArcGIS、infoWorks模型、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等多種技術(shù)方法對研究區(qū)域進(jìn)行生態(tài)診斷，識別城市發(fā)展過程中形成的綠地破碎、水資源短缺、城市內(nèi)澇、水環(huán)境差等一系列水生態(tài)問題，并對其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和主要影響因素進(jìn)行分析，為下一步水系及水生態(tài)優(yōu)化設(shè)計指明方向。

1.2.3 藍(lán)綠系統(tǒng)結(jié)合的小微水系優(yōu)化設(shè)計

在現(xiàn)有城市藍(lán)綠系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以海綿城市“滲、滯、蓄、凈、用、排”理念對小微水系進(jìn)行連通、優(yōu)化以及新建，形成城市內(nèi)部的小微水系新格局，滿足城市的“彈性”需求。

2 現(xiàn)狀特征與問題診斷

2.1 特殊地形疊加城市快速擴(kuò)張加劇城市內(nèi)澇

研究區(qū)域?qū)儆谇鹆甑孛玻细弑钡妥匀粌A斜，東、北部地勢平坦以5°以下的平地為主；西、南部承接丘陵山地，地勢起伏不平，坡度多在10°以上。主城區(qū)位于東、北部的平坦地區(qū)，近20 a來快速向西、南高地擴(kuò)張，建成區(qū)面積擴(kuò)大接近100%。在城市擴(kuò)張過程中原有的沖溝、農(nóng)田排水溝等小微水系被填平，不透水面比例快速上升。如此一來，一方面在增大降雨地表徑流量的同時，減少了自然雨水排放通道；另一方面城市自北向南擴(kuò)張，地面高程逐漸從120 m上升至180 m左右，在大至暴雨情況下南部城區(qū)的雨水會沿著地形道路倒灌至北部老城區(qū)，加劇老城區(qū)的內(nèi)澇積水。圖1為研究區(qū)域地形地貌圖，圖2為研究區(qū)域城市擴(kuò)張圖，圖3為2018年7月26日實(shí)地考察時遇到的暴雨洪水沿南北向主干道洛寧路倒灌城區(qū)的場景。

圖1 地形地貌

圖2 城市擴(kuò)張

圖3 洛寧路內(nèi)澇積水場景

2.2 雨水資源利用程度低，水資源短缺

研究區(qū)域多年平均降雨量607 mm，多年平均地表水資源量524萬m3，人均水資源量僅為全國平均的1/40。同時，根據(jù)統(tǒng)計當(dāng)?shù)啬晷钏繛?萬m3，僅占多年平均地表水資源的0.57%，雨水資源開發(fā)利用率極低。這也為海綿城市建設(shè)中加強(qiáng)雨水資源蓄集利用、增強(qiáng)城市水資源“彈性”提出了明確需求。

2.3 排水防澇體系不完善，城市缺乏內(nèi)部水系

研究區(qū)域的水系格局為“兩河一渠”，整個城區(qū)分為2個排水分區(qū)，分別是汜水河排水分區(qū)和枯河排水分區(qū)，城區(qū)內(nèi)部缺乏排澇水系，主要通過排水管網(wǎng)排入中心路排洪渠和枯河。缺乏內(nèi)部小微水系、管網(wǎng)集水面積過大、排水距離過長、排水口偏少等問題都增加了城市排水排澇的難度。同時，排水管網(wǎng)南新北舊，但南部新增的建成區(qū)缺乏雨水排放口，仍然接入北部舊城區(qū)管網(wǎng)排放的排水特征和地形上南高北低的特點(diǎn)疊加，加劇了城市內(nèi)澇的嚴(yán)重程度。通過infoWorks模型對研究區(qū)域排水系統(tǒng)模擬發(fā)現(xiàn)，中心路、金華路、錦江路和丹江路在1 a一遇的情況下出現(xiàn)較為嚴(yán)重的內(nèi)澇積水。圖4為研究區(qū)域排水分區(qū)圖，圖5為城區(qū)內(nèi)澇infoWorks模擬結(jié)果圖。

圖4 研究區(qū)域排水分區(qū)示意

圖5 城區(qū)內(nèi)澇infoWorks模擬結(jié)果示意

3 水系優(yōu)化與設(shè)計策略

3.1 排水格局優(yōu)化策略

經(jīng)過infoWorks模型模擬和現(xiàn)狀排水特征診斷分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的2個排水分區(qū)的城市排水格局導(dǎo)致南部新建城區(qū)的雨水全部匯集至主城區(qū)排放，這是造成主城區(qū)內(nèi)澇的一個重要原因。在研究過程中利用GIS進(jìn)行自然匯水分析，發(fā)現(xiàn)南部新建區(qū)域在自然匯水中并不屬于枯河流域，而是屬于東部另一個行政區(qū)的索河流域，其通過歷史自然形成的沖溝橫溝與索河連通，但橫溝在城市長期發(fā)展過程中被填埋而連通中斷。同時，行政區(qū)劃限制了市政雨水管網(wǎng)接入枯河流域排放。因此，在排水格局優(yōu)化中計劃把原有的2個排水分區(qū)優(yōu)化成3個排水分區(qū)（如圖6所示），新增1個南部排水分區(qū)將雨水就近排入歷史形成的水系橫溝（現(xiàn)為中斷干涸狀態(tài)），并通過行政協(xié)調(diào)恢復(fù)該排水區(qū)與區(qū)域主要水系索河的連通。

圖6 研究區(qū)域排水分區(qū)優(yōu)化示意

3.2 街區(qū)生態(tài)排澇水系優(yōu)化策略

針對研究區(qū)域內(nèi)部缺乏街區(qū)尺度的排澇水系，本次排澇水系優(yōu)化在分析城區(qū)內(nèi)部生態(tài)安全格局的基礎(chǔ)上把生態(tài)廊道和排澇水系規(guī)劃設(shè)計相結(jié)合，建設(shè)“藍(lán)綠一體”的城市生態(tài)水系格局，然后對歷史匯水通道和小微水系進(jìn)行修復(fù)，連通生態(tài)廊道內(nèi)的水系，構(gòu)成完整的城市內(nèi)部生態(tài)排澇體系。其中，結(jié)合生態(tài)廊道形成了以洛寧水系、橫溝、丹江水系、錦江水系和中心排渠為主的“兩縱三橫”的城市內(nèi)部排水格局，通過對匯水通道和小微水系進(jìn)行修復(fù)新增了新城水系和左照溝水系，滿足街區(qū)內(nèi)部排水要求。所有的規(guī)劃水系采用20 a一遇的城市排澇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水系設(shè)計的同時保留現(xiàn)有城市雨水管網(wǎng)排澇系統(tǒng)，形成地上地下2套并行且連通的雨洪排澇系統(tǒng)，共同應(yīng)對城市內(nèi)部的暴雨內(nèi)澇問題。如丹江路綠地總面積34 hm2，現(xiàn)狀是一條高空電網(wǎng)通道，里面種滿了灌木和小樹。當(dāng)降雨量超過1 a一遇時，丹江路成為雨水排放的備選路線，地表徑流將繼續(xù)向東流向金華路，再向北流向街道。我們的優(yōu)化方案是結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡叵码娋W(wǎng)廊道建設(shè)，利用丹江路的綠地作為排澇水系，當(dāng)降雨量小于1 a一遇時仍通過原雨水管道排放，在金華路進(jìn)入橫溝；當(dāng)降雨量超過1 a一遇時利用丹江路綠地水系將多余的水排入上街區(qū)東側(cè)的季節(jié)性河流橫溝中。研究區(qū)域綠地廊道規(guī)劃示意如圖7所示，研究區(qū)域內(nèi)部水系設(shè)計示意如圖8所示。

圖7 研究區(qū)域綠地廊道規(guī)劃示意

圖8 研究區(qū)域內(nèi)部水系設(shè)計示意

3.3 雨水資源蓄滯利用策略

海綿城市建設(shè)要求實(shí)現(xiàn)雨水徑流蓄滯，同時由于研究區(qū)域雨水資源利用率極低且人均水資源量匱乏，在內(nèi)部水系優(yōu)化設(shè)計中必須考慮增加雨水集蓄設(shè)施。建成區(qū)內(nèi)部按照海綿城市建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃需要滿足70%的年徑流控制率，本次雨水蓄滯策略采用公共綠地中集中的較大容積的人工調(diào)蓄體來代替?zhèn)鹘y(tǒng)海綿城市建設(shè)中大面積鋪展的下凹綠地收集周邊匯水區(qū)的雨水，在增強(qiáng)雨水資源可利用性的同時，也增加了公共綠地的親水性和景觀效果。以丹江水系為例，綠地水系在滿足20 a一遇排澇過流斷面設(shè)計的基礎(chǔ)上增加雨水塘調(diào)蓄，通過計算，沿丹江水系自上而下設(shè)計5個平均蓄水深度2 m、總面積1.45 hm2的雨水坑塘就能夠滿足周邊2.5 km2匯水區(qū)域70%的海綿調(diào)蓄目標(biāo)。丹江水系及雨水調(diào)蓄塘平面，如圖9所示。

圖9 丹江水系及雨水調(diào)蓄塘平面

3.4 水系景觀提升優(yōu)化策略

城區(qū)內(nèi)部街區(qū)尺度的小微水系作為城市重要的公共綠色空間，也承擔(dān)著街區(qū)內(nèi)部居民親水娛樂以及提升街區(qū)景觀風(fēng)貌的作用[10]。本次策略在規(guī)劃水系的基礎(chǔ)上結(jié)合沿線景觀特點(diǎn)采用相應(yīng)的水景觀，在雨水調(diào)蓄、防洪排澇的同時提升街區(qū)風(fēng)貌。如在洛寧路商業(yè)街區(qū)商業(yè)建筑空間建設(shè)人工景觀水系，提升商業(yè)街區(qū)的親水娛樂功能。錦江路、丹江路廊道水系則結(jié)合水系建設(shè)帶狀海綿公園，作為研究區(qū)域的城市綠色長廊、活力休閑客廳和生態(tài)濕地科普基地。錦江路帶狀海綿公園設(shè)計平面示意，如圖10所示。

圖10 錦江路帶狀海綿公園設(shè)計平面示意

另外，根據(jù)南高北低的地形特點(diǎn)，在洛寧路南端設(shè)置景觀補(bǔ)水點(diǎn)，利用水質(zhì)凈化廠的尾水進(jìn)行間歇式景觀補(bǔ)水，沿洛寧路形成溪流景觀。洛寧路人工景觀水系斷面設(shè)計示意，如圖11所示。

圖11 洛寧路人工景觀水系斷面設(shè)計示意

4 結(jié)論

在城市發(fā)展中不僅要重視地下雨水排放系統(tǒng)，同樣要加強(qiáng)地面街區(qū)尺度的小微水系的保護(hù)和修復(fù)。本次研究通過街區(qū)尺度的小微水系規(guī)劃設(shè)計為研究區(qū)域增加了地面排水系統(tǒng)，改變了不合理的雨水排澇格局和局部區(qū)域“大雨必澇”的現(xiàn)象，并將生態(tài)格局與生態(tài)水系建設(shè)相結(jié)合，形成了“藍(lán)綠一體”的城市內(nèi)部生態(tài)體系。洛寧路、丹江路、錦江路綠地等不僅是城市綠地廊道，也是重要的城市內(nèi)部排澇水系。

城市街區(qū)內(nèi)部的小微水系對城市排澇及雨水調(diào)蓄具有十分重要的意義，海綿理念下的城市規(guī)劃應(yīng)首先保護(hù)和恢復(fù)內(nèi)部的小微水系及調(diào)蓄水體，盡可能地利用公共區(qū)域進(jìn)行雨水資源調(diào)蓄回用。這次城區(qū)內(nèi)部的小微水系優(yōu)化設(shè)計實(shí)踐表明，街區(qū)尺度的小微水系規(guī)劃設(shè)計對城市內(nèi)澇防治、海綿城市建設(shè)和景觀提升具有十分積極的作用。