基于生態(tài)海綿流域的防洪排澇體系研究
——以深圳市坪山河流域?yàn)槔?/h1>

2020-12-09 03:09:00王秀英白音包力皋穆祥鵬

中國水利訂閱 2020年22期 收藏

關(guān)鍵詞：山河防洪海綿

王秀英 ，白音包力皋 ，崔 巍 ，穆祥鵬 ，王 浩 ，2

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.水安全與水科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，210098，南京)

城鎮(zhèn)建設(shè)在自然流域之內(nèi)，具有流域的自然屬性， 隨著社會(huì)發(fā)展，流域內(nèi)城鎮(zhèn)化比重增大，形成“高度城鎮(zhèn)化流域”。 “海綿城市”建設(shè)主要解決的是局部雨洪管理問題。 面對(duì)高度城鎮(zhèn)化帶來的諸多水問題，“海綿城市” 建設(shè)可以考慮從土地價(jià)值昂貴、空間緊張的城市內(nèi)部向城市外部擴(kuò)展，從“高度城鎮(zhèn)化”區(qū)域向其周邊“流域”拓展，從流域角度，尋求解決城市水問題更廣闊的操作空間。 中國水資源戰(zhàn)略研究會(huì)蔡其華理事長在2016 年3 月22 日舉辦的國家水安全戰(zhàn)略研究論壇上提出了“生態(tài)海綿流域”概念。 生態(tài)海綿流域建設(shè)是以流域水循環(huán)過程為主線，充分發(fā)揮流域?qū)λh(huán)天然調(diào)節(jié)作用; 規(guī)范人類水土資源開發(fā)活動(dòng)，減少對(duì)自然水循環(huán)的擾動(dòng); 系統(tǒng)布局地表灰色基礎(chǔ)設(shè)施與綠色基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)土壤水和地下水水庫; 融合現(xiàn)代信息技術(shù)的新進(jìn)展， 實(shí)現(xiàn)地表—土壤—地下多過程、水量—水質(zhì)—泥沙—水生態(tài)的聯(lián)合調(diào)控，系統(tǒng)解決流域水問題。

對(duì)于南方城市防洪排澇問題，僅靠海綿城市是不夠的， 因?yàn)楸┯昶陂L、雨量大，而且往往同時(shí)遭遇外江洪水，洪澇同時(shí)出現(xiàn)。 用生態(tài)海綿流域的思想解決高度城鎮(zhèn)化流域的水問題不僅為解決城市防洪排澇問題提供了更為開闊的思路，也為傳統(tǒng)防洪排澇體系建設(shè)注入了新的內(nèi)涵，提出了新的標(biāo)準(zhǔn)。 相對(duì)城市內(nèi)部，對(duì)于流域而言，“海綿”有更加深刻的內(nèi)涵和發(fā)揮空間。 生態(tài)海綿流域防洪排澇體系建設(shè)需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的防洪排澇工程思路，通過系統(tǒng)性模塊化構(gòu)筑防洪系統(tǒng)與排澇系統(tǒng)，采取“源頭、過程、末端”全過程洪澇管理策略，遵循問題診斷—目標(biāo)確定—方案制定—效果評(píng)估流程， 將工程措施與非工程措施結(jié)合，在防洪保安全的同時(shí)，也為規(guī)范人類水土資源開發(fā)活動(dòng)提供支持。

一、生態(tài)海綿流域防洪排澇體系構(gòu)建

1.結(jié)構(gòu)框架

當(dāng)流域不透水表面比率超過10%就預(yù)示著河流自然屬性衰退，人工屬性增強(qiáng)，高度城鎮(zhèn)化流域特征顯現(xiàn)。 在城市防洪排澇體系建設(shè)過程中， 需要理清流域與城市的關(guān)系，協(xié)調(diào)宏觀流域防洪工程、中觀城市排澇工程和微觀局部建筑區(qū)排水工程的嵌套與疊加關(guān)系，以及非工程措施與管理系統(tǒng)的統(tǒng)籌關(guān)系。 基于生態(tài)海綿流域的“高度城鎮(zhèn)化流域”防洪排澇體系的基本構(gòu)架見圖1。 防洪系統(tǒng)和排澇系統(tǒng)既包含傳統(tǒng)工程內(nèi)容， 也包含海綿空間管控和海綿體建設(shè)。 通過LID 系統(tǒng)、預(yù)警預(yù)報(bào)、法規(guī)制度、信息平臺(tái)等不同形式提升人們的防洪排澇意識(shí)和能力，規(guī)范人們的開發(fā)建設(shè)活動(dòng)。

2.核心策略

高度城鎮(zhèn)化流域防洪排澇需要從單純依賴灰色基礎(chǔ)設(shè)施向灰色、綠色與藍(lán)色基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同共生轉(zhuǎn)變，從外洪內(nèi)澇各自為政向原則統(tǒng)一、協(xié)同治理轉(zhuǎn)變，開辟新的治理思路。流域自上而下遵循“源頭蓄、滲，過程疏、滯，末端排、調(diào)”相結(jié)合的策略，實(shí)現(xiàn)防洪排澇安全的同時(shí)， 達(dá)到雨水徑流污染控制、雨水資源利用、水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)等綜合目標(biāo)， 創(chuàng)建新型流域整體治理模式。

源頭蓄、滲：流域?qū)用娉浞掷蒙嫌嗡畮烊?，通過構(gòu)建智慧管理調(diào)配平臺(tái)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)、精準(zhǔn)調(diào)度，增強(qiáng)水庫防洪調(diào)蓄能力， 實(shí)現(xiàn)洪水控制管理，為提高河道防洪標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)造條件。 同時(shí)，盡可能發(fā)揮明溝系統(tǒng)、塘床系統(tǒng)及河道系統(tǒng)的調(diào)蓄功能，增加滯蓄洪水的水面面積。 中下游城鎮(zhèn)增加雨水下滲，尤其在地下水水位低、下滲條件良好的片區(qū)， 采用低影響開發(fā)技術(shù)，增加新建片區(qū)、更新改造區(qū)透水性下墊面比例。

圖1 生態(tài)海綿流域防洪排澇體系

過程疏、滯：流域?qū)用姘瑑蓪雍x，一是疏通河道，對(duì)阻水橋涵實(shí)施改造工程， 疏通主干行洪通道；在河道生態(tài)治理思想指導(dǎo)下，對(duì)干支流實(shí)施河道拓寬、 岸坡修復(fù)或加高加固、山洪截流等措施；二是疏通沿河道的藍(lán)線防護(hù)區(qū)， 結(jié)合城鄉(xiāng)改造，疏解河道藍(lán)線范圍人群，清除藍(lán)線范圍內(nèi)違法建筑，形成綜合利用的行洪通道緩沖區(qū)。 在城鎮(zhèn)建設(shè)層面踐行低影響開發(fā)， 實(shí)現(xiàn)雨水蓄滯， 利用城市綠地、公園、綠化帶等位置，建設(shè)下凹式綠地系統(tǒng)，滯留地表徑流，有條件的雨水排放口附近建設(shè)人工濕地、 景觀生態(tài)溝。

末端排、調(diào)：排除流域出口下游行洪障礙，通過排洪河道、溝渠快速排泄洪水，確保防洪安全。 城鎮(zhèn)建設(shè)層面構(gòu)建排水主干網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，保證澇水順利排放， 結(jié)合河道綜合治理工程，提高河道防洪標(biāo)準(zhǔn)。 城鎮(zhèn)建成區(qū)下游排洪能力不足時(shí)，可考慮建設(shè)快排通道或通過下游郊野公園、濕地公園等形式建設(shè)調(diào)洪緩沖區(qū)，成為建成區(qū)海綿系統(tǒng)的良好補(bǔ)充，避免下游排洪不暢造成城區(qū)河道壅水。

3.構(gòu)建流程

基于生態(tài)海綿流域的防洪排澇體系建設(shè)與完善主要遵循 “問題診斷—目標(biāo)確定—方案制定—效果評(píng)估”的流程。 依據(jù)城鎮(zhèn)發(fā)展定位、存在問題確定防洪排澇及徑流管理目標(biāo)；以問題為導(dǎo)向，以目標(biāo)為依據(jù)，分解建設(shè)任務(wù)，制定建設(shè)方案；根據(jù)建設(shè)條件， 近期方案與遠(yuǎn)期方案結(jié)合，分步實(shí)施綜合措施，評(píng)估工程效果；再次診斷問題，補(bǔ)充改善建設(shè)方案。 經(jīng)過反復(fù)不斷提升與完善，防洪排澇體系將得到全面提升。 基于生態(tài)海綿流域的防洪排澇體系構(gòu)建流程見圖2。

圖2 基于生態(tài)海綿流域的防洪排澇體系構(gòu)建流程

二、坪山河流域防洪排澇體系構(gòu)建

1.流域概況

坪山河為東江水系淡水河的一級(jí)支流，是深圳市五大河流之一。 坪山河流域在深圳境內(nèi)流域總面積為129.4 km2，其中 78 km2屬于基本生態(tài)控制線范圍，其余51.4 km2屬于建設(shè)用地，集中于坪山河干流兩岸。坪山河干流 （深圳市境內(nèi)） 長 13.5 km，平均比降 1.41‰， 有一級(jí)支流 11條、二級(jí)支流3 條。坪山河具有明顯的人工化痕跡， 目前承擔(dān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能主要為排洪、 排污，同時(shí)作為重要的景觀廊道， 還具備景觀美化、 提供休閑娛樂公共空間的功能。

2.流域防洪排澇潛在風(fēng)險(xiǎn)分析

（1）降雨特征

采用Mann-Kendall 趨勢(shì)分析方法分析坪山河流域降雨分布規(guī)律，結(jié)果顯示： 近35 年降雨及暴雨總體呈兩階段變化規(guī)律， 1991 年之前總體呈現(xiàn)不顯著減少趨勢(shì)；1991 年之后總體呈現(xiàn)不顯著增加趨勢(shì)；汛期降雨量和年暴雨次數(shù)曲線的趨勢(shì)線斜率更大，近年出現(xiàn)的UFk與UBk曲線交點(diǎn)接近1.96 顯著性線，表明近年來暴雨次數(shù)更多，強(qiáng)度增大。

（2）暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)

考慮致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和防災(zāi)減災(zāi)能力的綜合作用，構(gòu)建坪山河流域暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，如式（1）所示。

式中，F(xiàn)DRI 為暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，其值越大，則災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度越高；Xh、Xe、Xv和 Xr的值分別表示致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力因子的指數(shù)；Wh、We、Wv分別為危險(xiǎn)性、敏感性、脆弱性因子的權(quán)重，采用層次分析法確定；α 為常數(shù)（0≤α≤1），用來描述防洪減災(zāi)能力對(duì)減少總的FDRI 所起的作用。

按照層次分析法確定的權(quán)重疊加后得到暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布。 經(jīng)評(píng)估，坪山河流域中部和東北部為洪澇災(zāi)害發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)， 其四周臨近地區(qū)存在較高洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；西部、東南部和東部的山區(qū)風(fēng)險(xiǎn)較低。 中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)涵蓋了建成區(qū)的大部分， 是洪澇災(zāi)害的防治重點(diǎn)。

（3）河道防洪風(fēng)險(xiǎn)

坪山河干流走向?yàn)槲髂现翓|北，西、南兩側(cè)為山地，河流處于高程較低的狹長地帶， 河道兩岸地面較高，無明顯堤防。 坪山河干流大部分河段已按100 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)完成河道整治，但根據(jù)河道堤防行洪能力復(fù)核計(jì)算， 仍存在約4 km 河段因河道狹窄、橋梁阻水等原因?qū)е路篮椴贿_(dá)標(biāo)，尤其東縱路～建設(shè)路段河道嚴(yán)重束窄，行洪能力不足。 另外還存在堤防沖刷破壞、坍塌、基本設(shè)施不完善等問題。支流堤防達(dá)標(biāo)率僅為20%， 部分河段尚未開展治理工程。

（4）城鎮(zhèn)化開發(fā)對(duì)干流防洪影響

坪山河流域1990 年以前基本沒有典型的城鎮(zhèn)建設(shè)用地，以農(nóng)村居民點(diǎn)為主。 2000 年城鎮(zhèn)用地增加，旱地面積顯著減少。 2000—2018 年，城鎮(zhèn)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，旱地面積也大為減少。 城鎮(zhèn)化快速發(fā)展引起地表徑流量增加，匯流時(shí)間縮短，導(dǎo)致坪山河干流洪水峰值增加。 經(jīng)水文模型和水動(dòng)力模型核算，未來建設(shè)用地增加至51.4 km2，流域出口位置100 年一遇洪峰流量將增加6.09%， 干流水面線隨之升高0.09～0.24 m。

3.防洪排澇體系建設(shè)目標(biāo)

綜合考慮流域地形特征，兼顧流域防洪與城市排澇的需要，確定坪山河干流防洪排澇體系建設(shè)目標(biāo)包含三項(xiàng)，即流域防洪標(biāo)準(zhǔn)、城市排澇標(biāo)準(zhǔn)、年徑流總量控制率。

（1）流域防洪標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù) 《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201—2014）規(guī)定，坪山河干流防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，支流為 20 年一遇～50 年一遇。 為滿足未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，應(yīng)逐步清理藍(lán)線范圍內(nèi)防洪障礙物，為進(jìn)一步提高防洪標(biāo)準(zhǔn)預(yù)留空間。

（2）城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)

參照深圳市新建雨水管渠、泵站及附屬設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， 新建雨水管渠、 附屬設(shè)施設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為5 年一遇； 特別重要地區(qū)為10 年一遇或10年一遇以上重現(xiàn)期。

（3）年徑流總量控制率

根據(jù) 《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》和《深圳市海綿城市規(guī)劃要點(diǎn)和審查細(xì)則》， 研究確定坪山河流域平均年徑流控制率75%，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量為36.4 mm。經(jīng)分解，現(xiàn)狀建成區(qū)、新建改造區(qū)和生態(tài)保護(hù)區(qū)年徑流控制率分別為50%、70%、80%。

為了在城市建設(shè)和防洪排澇工程建設(shè)過程中落實(shí)低影響開發(fā)控制目標(biāo)，坪山河流域年降雨徑流總量控制率目標(biāo)可轉(zhuǎn)換為雨水徑流控制體積。 流域規(guī)劃建成區(qū)面積為51.4 km2，生態(tài)保護(hù)控制區(qū)面積為78.0 km2，相應(yīng)徑流控制體積目標(biāo)為分別為141.29 萬 m3和 337.74 萬 m3。

4.建設(shè)方案

坪山河生態(tài)海綿流域防洪排澇體系工程措施考慮將河流上游生態(tài)保護(hù)控制區(qū)“海綿流域”防洪體系與中下游建成區(qū)“海綿城市”排澇系統(tǒng)統(tǒng)一考慮，按照“源頭、過程、末端”全過程開展工程建設(shè)，并將工程措施與非工程措施相結(jié)合。

（1）源頭蓄、滲工程

①水庫防洪工程。 現(xiàn)狀16 座水庫集雨面積為49.3 km2， 占生態(tài)保護(hù)控制區(qū)面積（78 km2）的 63.2%。 為達(dá)到調(diào)蓄洪水的目標(biāo)，需要提高中小型水庫的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)，增大雨洪調(diào)蓄能力。 同時(shí)利用現(xiàn)有水庫群，建設(shè)調(diào)蓄隧洞，形成聚合水庫，通過聯(lián)合調(diào)度，提高水庫調(diào)蓄效率。

②徑流控制工程。生態(tài)保護(hù)控制區(qū)需達(dá)到年徑流控制雨水量337.74 萬m3的目標(biāo)，主要措施是增加塘壩工程，將水庫集雨面積增加到控制區(qū)面積的75%；中小水庫間建設(shè)雨洪利用溝渠等；增強(qiáng)小型水庫、塘壩連通性，改變現(xiàn)狀部分水庫功能用途，增加雨水調(diào)蓄功能。

（2）過程疏、滯工程

①行洪通道整治疏通工程。 實(shí)施坪山河干流綜合整治工程以及主要支流綜合整治工程，通過擴(kuò)寬河道、改造或拆除阻水橋梁、加高加固堤防岸坡等措施， 保障坪山河干流防洪達(dá)到100年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， 支流達(dá)到20 年一遇～50 年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)； 增強(qiáng)工程管理維護(hù)等基本設(shè)施建設(shè)，貫通巡河線路，完善河道管理和防洪搶險(xiǎn)物資倉庫建設(shè)。 遠(yuǎn)期從流域尺度著手，結(jié)合河道綜合整治，擴(kuò)展沿河道的雨洪利用空間，并通過流域內(nèi)部下墊面低影響開發(fā)，截留清潔徑流等措施，滯蓄削減洪水，維護(hù)流域防洪安全。

②新建城區(qū)海綿工程。 通過屋頂雨水收集、下沉式綠地建設(shè)、透水鋪裝等技術(shù)進(jìn)行雨水徑流控制，以實(shí)現(xiàn)規(guī)劃新建區(qū)和更新改造區(qū)徑流控制目標(biāo)。

（3）末端排、調(diào)工程

①排水工程設(shè)施。 排水工程設(shè)施主要包括排水管網(wǎng)新建改建、行洪通道疏通提標(biāo)。 流域規(guī)劃新建雨水管渠297.01 km， 改擴(kuò)建雨水管渠 268.96 km； 建設(shè)澇水行洪通道總長度8.11 km，總設(shè)計(jì)流量達(dá)132 m3/s。

②建成區(qū)調(diào)蓄工程。 結(jié)合干流綜合整治工程建設(shè)雨水收集調(diào)蓄設(shè)施44 202 m3； 在城市更新改造工程實(shí)施過程中開辟地下調(diào)蓄空間。

（4）非工程措施

防洪排澇非工程措施主要包括提高城市暴雨監(jiān)測(cè)水平、防洪排澇預(yù)警水平、完善通信廣播系統(tǒng)以及編制應(yīng)急預(yù)案、洪澇風(fēng)險(xiǎn)圖管理、宣傳培訓(xùn)演練、防汛排澇設(shè)施維護(hù)等，以減少洪水內(nèi)澇損失。

暴雨防洪排澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)組成。防洪監(jiān)測(cè)主要為重點(diǎn)防洪河段水位流量監(jiān)測(cè) （如坪山河干流東縱路段、赤坳水匯口下游），與臨時(shí)堤防、沙袋等防洪物資調(diào)配進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，根據(jù)上游降水?dāng)?shù)據(jù)和河道水深預(yù)測(cè)未來水位，對(duì)潛在涉水風(fēng)險(xiǎn)提前識(shí)別、預(yù)警。 城市內(nèi)澇積水監(jiān)測(cè)主要由城市下立交積水監(jiān)測(cè)和城市道路積水監(jiān)測(cè)兩部分組成，實(shí)現(xiàn)內(nèi)澇監(jiān)測(cè)、預(yù)警和防治功能。

依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做出的決策需要通過暢通的通信系統(tǒng)傳達(dá)到每一個(gè)防洪排澇責(zé)任單位、責(zé)任人以及廣大市民， 并及時(shí)采取關(guān)閉濱河公園、涉水參觀設(shè)施， 增加沿河巡邏人員，禁止進(jìn)入河道公園等管理措施。

汛前汛后均應(yīng)對(duì)河道堤防、排水設(shè)施、管網(wǎng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、防災(zāi)標(biāo)志標(biāo)牌等防汛排澇設(shè)施進(jìn)行維護(hù)、 檢修，定期開展防汛排澇人員的應(yīng)急演練，根據(jù)防洪排澇效果修訂完善應(yīng)急預(yù)案。

三、防洪效果評(píng)估

經(jīng)模型評(píng)估，坪山河干流以疏浚河道、加固堤防為主，斷面不拓寬的治理方案能夠有效降低局部河段100年一遇洪水位。 防洪瓶頸河段兩岸建筑物結(jié)合市政改造， 騰退河道藍(lán)線空間后，干流局部將會(huì)有拓寬空間，可實(shí)現(xiàn)行洪設(shè)計(jì)斷面寬度。 綜合治理措施實(shí)施后，能夠達(dá)到防洪目標(biāo)，但仍需要嚴(yán)格落實(shí)海綿城市治理措施， 控制因城市開發(fā)造成的洪峰流量增加， 確保城市建設(shè)不增加地表徑流。

四、結(jié)論與展望

生態(tài)海綿流域理念為解決傳統(tǒng)防洪問題和日益嚴(yán)重的城市內(nèi)澇問題提供了新的思路，未來還需要結(jié)合流域水文過程與城市水文過程特征，構(gòu)建并逐步細(xì)化、完善流域和城市兼顧的水動(dòng)力模型和海綿設(shè)施建設(shè)的目標(biāo)可達(dá)性評(píng)估模型，為優(yōu)化防洪排澇措施提供技術(shù)支持。

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