基于海綿城市建設(shè)理念的濱海地區(qū)水系規(guī)劃研究

黃麗嬌 ，王川濤

(1.深圳市寶安區(qū)大空港新城發(fā)展事務(wù)中心，廣東 深圳 518101； 2.中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院深圳分院，廣東 深圳 518040)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，城市防洪排澇水安全、水環(huán)境、水資源等問題越來越嚴(yán)峻，水網(wǎng)與城市建設(shè)的矛盾不斷[1- 3]。濱海河道受洪潮遭遇安全、咸淡水的影響較大，加上北方濱海城市水資源較為短缺，因此在城市規(guī)劃階段，以海綿城市理念為指導(dǎo)，研究水安全以及水生態(tài)環(huán)境問題意義重大。防洪潮安全是城市安全的底線和重要邊界，基于防洪潮水安全的風(fēng)險評估在進行用地規(guī)劃的過程中可以貫穿始終，為用地布局提供重要依據(jù)；通過研究潮位特點與河底高程，可分析不同的咸淡水影響區(qū)，根據(jù)不同的影響區(qū)段，布局咸淡水植物，打造多樣化的濱海植被生境。本研究以威海市石家河為例，通過MIKE FLOOD平臺構(gòu)建水力數(shù)學(xué)模型，對河道兩岸洪泛區(qū)淹沒情況進行分析，為城市用地布局方案提供前置性條件；研究咸淡水的交界界面并進行藍綠互換空間營造，為城市良好水生態(tài)環(huán)境塑造提供思路。

1 研究區(qū)域概況

石家河位于威海市東南部，在橋頭、泊于兩鎮(zhèn)境內(nèi)，全長28km，流域面積204km2，有東西兩大支流。兩支流在橋頭村南匯合后，流經(jīng)泊于鎮(zhèn)，經(jīng)擬建泊于水庫調(diào)蓄后入海。規(guī)劃區(qū)位于泊于水庫壩下至入黃海段。

石家河下游入海段河道長度6.6km，匯水范圍24.5km2?，F(xiàn)狀河道內(nèi)雜草叢生、河床淤積嚴(yán)重，河堤全部為土堤，防洪標(biāo)準(zhǔn)較低。石家河現(xiàn)狀水質(zhì)良好，但是水量在枯水期存在斷流的風(fēng)險，在規(guī)劃區(qū)上游擬修建泊于水庫，調(diào)蓄洪峰的同時為石家河下游段提供基本的生態(tài)流量。在潮水的作用下，現(xiàn)狀石家河部分河段為感潮河流，隨著漲落潮來回振蕩。

石家河下游兩岸現(xiàn)狀以農(nóng)林用地為主，建設(shè)用地占少數(shù)，主要集中在泊于鎮(zhèn)及蒲灣村、泊于家村、大林格村3個村莊內(nèi)。

防洪排澇安全是城市建設(shè)的基石，規(guī)劃以泊于水庫泄流量與黃海潮位進行遭遇分析，判斷在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下的最大淹沒范圍，為城市用地空間布局規(guī)劃提供重要依據(jù)；北方河道平時水量較小，同時預(yù)留足夠的藍綠空間，彈性的應(yīng)對水安全與水環(huán)境壓力。規(guī)劃城市空間方案將結(jié)合現(xiàn)狀的水庫、河道、海、村落等要素，從“水、生境、人”3個維度深入挖掘，通過河道治理、資源整合與優(yōu)化，塑造空間結(jié)構(gòu)與文化特色，打造威海東部濱海新城海綿城市建設(shè)的典范。

2 基于數(shù)理模型的用地布局前置分析

2.1 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

2.1.1模型概化

基于水動力學(xué)原理，構(gòu)建MIKE FLOOD模型，包含MIKE11一維計算模塊與MIKE21二維計算模塊[4]。MIKE11一維計算模塊主要用于模擬河道的水流過程[5- 9]，并可對物質(zhì)在水體中的對流和擴散進行模擬[10]，與GIS模型結(jié)合，可實現(xiàn)洪水淹沒范圍的可視化[11]；MIKE21二維計算模塊結(jié)合地形和村莊建筑的分布，主要應(yīng)用于地表的匯流計算，模擬水流在二維空間上的流動過程。MIKE11和MIKE 21模型具有各自的優(yōu)勢和特點，MIKEFLOOD模型對這兩種模型的優(yōu)勢進行了聯(lián)合[12]，該模型可運用于河流水動力及洪水淹沒數(shù)值模型構(gòu)建[13- 14]，可進行內(nèi)澇分析[15]，并為水動力優(yōu)化和生態(tài)工程規(guī)模確定等提供依據(jù)[16]。

MIKE11模型以石家河入海段為計算單元，河道長度共6600m，并根據(jù)實地測量數(shù)據(jù)輸入現(xiàn)狀斷面資料；MIKE21模型以泊于水庫至入海段所屬的分水嶺為邊界線，總計算面積為24.5km2，模型以邊長為10m的正方形網(wǎng)格對計算區(qū)域地形進行離散處理。

2.1.2邊界條件

(1)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB/T50805—2012《城市防洪工程設(shè)計規(guī)范》、《威海市城市總體規(guī)劃》，考慮規(guī)劃區(qū)的功能定位，確定石家河下游入海段防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

(2)潮位下邊界條件

根據(jù)威海海洋站1986—2006 年潮位觀測資料，采用P-Ⅲ型頻率曲線進行適線分析，計算不同設(shè)計頻率下的潮位，見表1。

表1 威海海洋站年最高潮位設(shè)計成果

(3)上游洪水邊界條件

通過《中國暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》與《山東省水文圖集》查算最大24h降雨量均值與不同設(shè)計頻率下24h的設(shè)計點雨量，結(jié)果見表2。

設(shè)計面雨量采用點面系數(shù)法進行計算。根據(jù)《山東省水文圖集》，計算50年一遇以及最大24h降雨量均值下，泊于水庫的入庫洪水過程線，并按照《泊于水庫工程可行性研究報告》的庫容—面積曲線等相關(guān)參數(shù)計算泄水曲線，結(jié)果如圖1—2所示。

圖1 50年一遇泊于水庫入庫與下泄設(shè)計洪水過程

圖2 最大日均值降雨量下泊于水庫入庫與下泄設(shè)計洪水過程

2.1.3模型參數(shù)選取

(1)MIKE21二維模型參數(shù)選取

MIKE21水動力模塊需要輸入的模型數(shù)據(jù)主要有兩類：一類為基本參數(shù)，包括模擬范圍、時間設(shè)置、模塊選擇；另一類為物理參數(shù)包括求解格式、干濕邊界、渦粘系數(shù)、底摩擦力、初始條件等參數(shù)，具體見表3。

表3 MIKE21二維模型參數(shù)設(shè)置表

表2 最大24h設(shè)計點雨量成果

(2)MIKE11一維模型參數(shù)選取

MIKE11水動力模塊主要有河道平面文件、河道斷面文件、邊界條件以及參數(shù)文件4個子模塊。河道平面與斷面文件為實際勘測資料，下邊界條件為潮位，上邊界條件為泊于水庫的泄水曲線，在參數(shù)文件中主要設(shè)置河道的糙率，為0.032。

(3)模型率定

采用威海氣象站、威海海洋潮位站2012年8月17日實測降雨、實測潮位進行模擬，石家河模型的測算水位與實測水位較為接近，說明模型具有較高的可信度，可進一步進行防洪安全的風(fēng)險評估。

2.2 基于防洪安全下的用地布局前置分析

結(jié)合現(xiàn)狀地形條件，根據(jù)設(shè)計的防洪標(biāo)準(zhǔn)，分析和模擬不同洪潮遭遇工況下洪水的淹沒范圍，為城市用地布局提供前提條件，預(yù)留出洪水蓄滯、行泄空間，并與規(guī)劃范圍內(nèi)的道路交通系統(tǒng)、景觀綠地系統(tǒng)等有機結(jié)合，打造水陸相融共生的空間特色。

(1)以潮為主

通過五十年一遇高潮位遭遇多年最大24h降雨均值產(chǎn)生的洪水，得出在以潮為主的設(shè)計工況下規(guī)劃區(qū)內(nèi)場地的淹沒情況，如圖3所示。結(jié)果表明，該工況下的淹沒范圍主要集中在靠近入?？谔?，這是由于上升的海潮水位產(chǎn)生頂托作用，導(dǎo)致河道洪水排放不暢，從而在地勢低洼處形成洪水淹沒區(qū)。

(2)以洪為主

以洪為主的方案通過五十年一遇洪水過程遭遇外海多年平均高潮位的模擬分析，得出在設(shè)計工況下規(guī)劃區(qū)內(nèi)場地的淹沒情況，如圖4所示。結(jié)果表明，該工況下的淹沒范圍較大，約267.6hm2，雖然潮水的頂托作用較小，但是河道的洪量較大，洪水排除不及時，增加了河道兩岸的淹沒范圍。

圖3 以潮為主的工況下河道兩岸地面積水深度響應(yīng)分析圖

圖4 以洪為主工況下河道兩岸地面積水深度響應(yīng)分析圖

淹沒范圍、淹沒深度、淹沒時間是防洪安全分析的三大要素，通過模擬在自然狀態(tài)下，遭遇50年一遇降雨時，考慮上游水庫調(diào)度與下游潮水的頂托，得出綜合的聯(lián)動響應(yīng)。淹沒范圍可為用地空間布局提供依據(jù)和支撐，而淹沒深度與淹沒時間則在豎向與時間的維度上做出更為具體的衡量，分析結(jié)果表明，淹沒深度為0.3～4.72m，約34%的淹沒區(qū)域集中在1.0～1.5m的范圍內(nèi)；通過分析水位變化與場地豎向的關(guān)系，得出河道樁號在1700、3300、5600m處的淹沒時間分別為7h、8h50min以及11h20min，分析結(jié)果表明，越靠近入?？谔?，受到潮水的頂托作用越強，排水受到的阻力越強，淹沒的時間也隨之增加。

結(jié)合上述兩種遭遇組合，采用2個洪水水面線的外包線作為50年一遇設(shè)計洪水水面線。洪水位在多處高于周邊的場地，造成多處出現(xiàn)洪泛區(qū)，威脅周邊場地安全，規(guī)劃建設(shè)用地需規(guī)避洪泛區(qū)域。

石家河規(guī)劃區(qū)設(shè)計洪水水面線見表4。

表4 石家河規(guī)劃區(qū)段設(shè)計洪水水面線

為了保證防洪安全，在石家河洪水淹沒范圍內(nèi)，主要進行生態(tài)濕地建設(shè)，不布置永久性用地。規(guī)劃進一步分析了50年一遇洪水遭遇50年一遇潮水位，在該工況下，規(guī)劃建設(shè)用地內(nèi)亦無洪水影響，如圖5所示，用地方案布局合理，城市建設(shè)安全能夠得到保障。

結(jié)合洪水的行泄分析，石家河下游段規(guī)劃以綠地為主，不進行密集開發(fā)，在用地布局中預(yù)留出足夠的生態(tài)空間作為洪澇的調(diào)蓄空間，形成吸納洪澇水的海綿體，充分發(fā)揮其“蓄水、滯水、涵養(yǎng)水源”的功能，打造東部濱海新城海綿城市建設(shè)示范先行區(qū)。

圖5 基于水力模型分析下的石家河兩岸用地布局圖

3 水生態(tài)環(huán)境營造

3.1 “藍綠互換”的濱海河道生境營造

根據(jù)豐水期與枯水期等不同時期的水量，建設(shè)“藍綠互換”的海綿城市森林公園。同時，濱海河道消落帶的變化帶來了不同的植物景觀效果，如圖6所示，豐水期為“藍”格局，形成開闊的水面，儲蓄洪水并涵養(yǎng)地下水源；枯水期為“綠”格局，以濕地景觀和綠色植被為主。

通過河道的生態(tài)岸線改造，形成可滲透性融合界面過濾徑流，為魚類等水生動物和兩棲類動物提供棲息、繁衍和避難場所，增加自然生物多樣性，綜合發(fā)揮最大的生態(tài)效益。

圖6 豐水期、枯水期等不同時期河道淹沒圖

3.2 咸淡水分區(qū)

根據(jù)威海站歷年來的逐日潮位變化以及石家河入海段的河底高程，確定石家河潮水的影響范圍為河流入?？谏嫌?.8km左右，如圖7所示。在河口區(qū)域，含鹽度會隨著與海域的距離長短呈現(xiàn)出不同變化，在潮水與淡水經(jīng)過復(fù)雜的互動混合后，可形成不同類型植物的生長環(huán)境，塑造豐富的植被景觀，并為鳥類及水生動物提供適宜的棲息環(huán)境。

4 結(jié)語

目前，水力學(xué)模型已能夠精準(zhǔn)地模擬洪澇災(zāi)害的演進過程，將水力數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于城市規(guī)劃中，為城市建設(shè)的開發(fā)邊界提出支撐，可使規(guī)劃用地布局更加合理。通過MIKE FLOOD水力模型，結(jié)合城市河道、現(xiàn)狀場地標(biāo)高等情況，可得到規(guī)劃區(qū)不同降雨工況下的洪水淹沒及淹沒風(fēng)險范圍，從而合理布局洪水行泄通道和最大調(diào)蓄空間。咸淡水交換是濱海河道的主要特征，可通過研究潮位特點與河底高程，分析不同的咸淡水影響區(qū)，結(jié)合豐水期與枯水期等不同時期的水量，營造多

圖7 石家河潮汐影響區(qū)分布圖

樣化的動植物生境，形成“藍綠互換”的海綿城市森林公園，從而發(fā)揮更大的生態(tài)效益。