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城市雨洪多功能调蓄技术(图)

时间:2016-04-19  来源:  编辑:  浏览:179次
城市的高速发展导致大量雨水资源的流失和水涝灾害并由此引发系列的城市生态环境和社会问题,已经成为城市可?#20013;?#21457;展的重要制约因素…如何科学合理地利用城市雨水资源有效地削减暴雨径流和水涝,近年来成为个广受关注的重大课题,北京已经开始大量地推广雨水利用技术,越来越多的城市也在开展研究或应用…合理利用城市雨水资源不仅能缓解缺水矛盾,还能减少暴雨径流带来的危害,改善城市生态环境,促进经济的发展…

我国水资源的紧张状况以城市为中心的地区尤为突出。在全国600多座城市中,有一半以上的城市缺水,其中108座严重缺水。?#29615;?#38754;,这些城市遭受严重缺水的困扰,地下水资源被超量开采,地下水位逐年下降;另?#29615;?#38754;,暴雨峰流量逐年增加,每年的雨季城区大量的雨水外排,城市排水系统不堪重负,暴雨在许多城市造成严重的水涝灾害,损失巨大。仅以2004年7月10日和12日分别发生在北京和上海的暴雨为例,这两座城市先后遭受了暴雨袭击,造成市区大范围的水涝,严重阻碍城市交通,由此带来巨大的经济损失和恶劣的社会影响。城市的高速发展导致大量雨水资源的流失和水涝灾害并由此引发一系列的城市生态环境和社会问题,已经成为城市可?#20013;?#21457;展的重要制约因素。如何科学合理地利用城市雨水资源、有效地削减暴雨径流和水涝,近年来成为一个广受关注的重大课题,北京已经开始大量地推广雨水利用技术,越来越多的城市也在开展研究或应用。

    合理利用城市雨水资源不仅能缓解缺水矛盾,还能减少暴雨径流带来的危害,改善城市生态环境,促进经济的发展。但城市雨水利用是一项复杂的系统工程,涉及到城市建设的方方面面和许多学科,因此对城市雨水利用?#30446;?#23398;性也提出更高的要求。 

    1多功能雨水调蓄概述 

    1.1多功能调蓄的定义、发展和意义

    城市雨水多功能调蓄是充分体现可?#20013;?#21457;展的思想,以调蓄暴雨峰流量为核心,把排洪减涝、雨洪利用与城市的景观、生态环境和城市其它一些社会功能更好地结合,高效率地利用城市宝贵土地资源的一类综合性的城市治水和雨洪利用设施。通过合理的设计,这些设施能较大幅度地提高防洪标准,降低排洪设施的费用,更经济、?#28798;?#22320;调蓄利用城市雨水资源和改善城市生态环境。

    多功能调蓄是在传统的、功能单一的雨水调节池的基础上发展起来的(图1),这类设施与一般雨水调节池的最明显的区别是,暴雨设计标准较高,规模大,而在非雨季或没有大的暴雨时,这些设施可以全部或部分地正常发挥城市景观、公园、绿地、停车场、运动场、市民休闲集会和娱乐场所等多种功能,从而?#28798;?#22320;提高对城市雨洪科学化管理与利用的水平和效益/投资比。 


   图1 多功能调蓄的发展

用图2所?#24452;?#38754;示意?#25216;?#30053;地说明多功能调蓄设施的概念和具体运用。在非暴雨季节,调蓄池保持干的状态或维持?#31995;?#30340;正常水位,有水区域在常水位较小的水位变化范围里主要起到景观、雨水的调蓄利用和改善生态环境等作用;在无水和水位之上的高地区域则可?#36234;?#36896;绿地、停车场、运动或其它活动场所。当发生多年一遇的大暴雨时,利用常水位和最高水位(专门设计的溢流口处)之间巨大?#30446;?#38388;来贮存调蓄暴雨峰

    流量,减少洪峰?#28798;?#36793;或下游重要区域的水涝灾害,暴雨过后再通过利用、排放、下渗、蒸发等逐渐恢复到正常水位。调蓄容量、集水放水方式和时间、溢流口大小、景观和安全防护措施等等具体设计应该根据汇水流域、安全要求、水涝可能造成的损失评价和其它现场条件综合考虑,整个设施的设计更需要通过复杂的程序包括技术经济分析和多专业的综合分析来完成。 


    图2 多功能调蓄设施断面示意

由于设计的暴雨发生概率很低,在达到安全排洪减涝和雨水利用目的的同时,使城市稀缺的土地资源得到更充分的利用,多功能利用包括创造城市水景或湿地、为动植物提供栖息环境、改善城市景观和生态环境、增加地下水补给、创造城市公园、绿地、停车场、运动场、市民休闲集会和娱乐场所等。

    近二十年来,一些发达国家在城市雨洪?#30446;?#23398;化管理领域(包括防洪涝、治水、雨洪资源利用、雨水径流的污?#31350;?#21046;和城市生态修复等分支)取得很大的发展和成效,创立了比较系统?#30446;?#23398;与技术体系。城市雨洪控制与利用的多功能调蓄就是在这种背景下应运而生。

    日本由于国土资源的稀缺和多发性水灾等自然因素,是提倡实施多功能调蓄最具代表性的国家。在日本,这种设施大致经历了以下这样一个发展过程:

    (1)准备期:时间主要集中在70年代,这?#38382;?#26399;主要是对多功能调蓄设施进行一些研究和示范性的应用。

    (2)发展期:时间主要集中在80年代,这?#38382;?#26399;主要是对多功能调蓄设施开展更广泛地应用并进行经验的积累和总结。

    (3)飞跃期:时间主要集中在90年代,这?#38382;?#26399;多功能调蓄设施得到了广泛的推广运用,在多方面取得了?#28798;?#30340;成效。 



    1.2分类

    多功能雨水调蓄池从它的功能上可以分为两大类:一是利用低凹地、池塘、湿地、人工池塘等收集调蓄雨水。雨水汇入调蓄池之前应该进行必要的截污处理,再充分利用调蓄池内的水生植物如芦苇、菖蒲、睡莲水葱等和其它生物资源?#32422;?#33988;的雨水进行净化处理,防止水质恶化,保持水体良好的生态景观效果;二是将其建成与市民生活相关的设施,如利用凹地建成城市小公园、绿地、停车场、网球场、儿童游乐场和市民休闲?#22303;?#22330;所等,这些场所的底部一般都采用渗水的材料,当暴雨来临时可以暂时将高峰流量贮存在其中,并作为一种渗透塘,暴雨过后,雨水继续下渗或外排,并且设计在一定时间(比如48小时或更短的时间)内完全放空,这种雨水调蓄设施多数时间处于无水状态,可以用作多功能场所。从整个水循环系统看,它还可以有效地削减水土的流失,补充地下水。 
    
    2.多功能雨水调蓄设施在国外的应用

    日本全国年均降雨量为1800mm,高于世界年均的800mm,年径流量为6700亿m3,洪水曾是日本主要的自然灾害之一。八十年代,日本建设省就开始推行雨水贮留渗透计划,利用雨水补充涵养地下水、复活泉水、恢复河川基流,调蓄削减洪峰流量,减少洪涝灾害。而日本是一个岛国,土地资源十分宝贵,因此从七十年代就开始研究多功能调蓄,以充分发挥土地的效益。

    例如位于日本千?#26029;?#30340;长津川调节池,它的储蓄量为170,000m3,面积为66,000m2,调蓄高度为4.4m。修复和整治该地区的生态环境时考虑了当地?#29992;?#30340;需要,以“家乡的河川、典型的河川”为主题设计的多功能调蓄设施广场,由湿地、跑?#38477;饋?#33609;坪广场和游戏广场等组成。周围堤岸上设计保留了原有的地形、地貌和植被、植物。湿地周边水生植物茂盛,坡面上做了绿化,在保持良好的净化作用的同时使景色清新自然,吸引了附近?#29992;?#21644;儿童前来休闲、玩耍。在长津川调蓄设施中包含了两种雨水多功能调蓄池,景观池属于第一种,而游戏广场、草坪广场则属于第二种。在枯水期,景观池中的水位于常水位,维持整个调蓄设施中唯一的亲水区域,人们可以到这里来散步、娱乐和休闲;在丰水期,当暴雨来临时,警报提醒游人疏散,此时的游戏广场、草坪广场作为雨水调蓄渗透塘进行蓄水,暴雨过后储蓄的雨水下渗,在削减洪峰流量的同时补充地下水源。类似的多功能调蓄设施在日本还有许多,表1总结部分有代表性的实例。

    由于各国的自然条件和发展水平不同,雨水多功能调蓄的具体运用也有所不同,如美国的蓄洪排涝设施也有许多在?#23548;?#29992;作孩?#29992;?#36386;球游玩的场所;德国有不少将雨水的输送和储存与城市景观建设、环境改善融为一体,既有效利用了雨水资源,减轻了排水和处理系统的压力,也缓解水涝的发生。

 

    多功能调蓄的概念

     贮存量:30,000(m3)

    贮存池面积:10.000(㎡)

    贮存水深:3.5(m)

    儿童游乐场调节池



    停车场绿地调节与排洪口高水位溢流口

 

    水景建筑与雨洪调节、儿童游乐场所、调蓄池与网球场

    3多功能雨水调蓄在我国城市的推广

    北京是全国政治、文化中心,多年平均降雨量不到600mm,人均拥有水资源在世界120多个国家的首?#25216;?#22823;城市中?#24433;?#20301;之后;可利用水资源40亿m3,其中地表水15亿m3,是世界上最缺水的城市之一。严重的缺水已成为制约经济和社会发展的主要因素。可是每年的暴雨季节,大量的雨水流失,造成城区水涝,给人们的生产和生活带来了很大的不便甚至是灾?#30740;?#30340;损失。如2004年7月10日北京城区在5小时平均降雨量达到70mm,造成70多个?#33539;?#20005;重积水,数千辆汽?#24403;謊停?#25968;十条交通线路中断,造成极大的损失和影响。

 

    表1 日本城市雨洪多功能调蓄设施应用实例

王歧山市长?#22270;?#38160;地指出,北京人天天盼水,水来了又怕水,这暴露出北京城市建设、市政基础设施等方面存在“软肋”。它不仅又一次向人们敲响警钟,也给专业科技工作者提出一个迫切需要解决的难题。

    北京和我国许多的城市都同时面临严重缺水、雨水径流对城市水系的严重污染和城区多发性水涝的困扰,也十分重视城市生态环境的保护和修复。北京已经有多年雨水利用研究与应用基础、土地资源也越来越紧缺和昂贵。因此,继续深入开展多功能调蓄技术研?#35838;?#30097;具有前瞻性,符合城市可?#20013;?#21457;展的战略思想,以北京为例来?#33268;?#22810;功能调蓄的应用对我国许多城市也是十分必要和具有重要意义。

    一般的雨水储存最大的问题是储存池容积受到限制,不容?#29366;?#21040;明显调蓄暴雨洪峰的目的,而?#33402;?#22320;和投资都大,闲置时间长,影响雨水利用系统的经济性,在降雨集中、暴雨多的地区和城市,这个问题尤为突出。

    我国较大规模的城市雨洪调蓄利用主要体现(局限)在一些已有的湖?#30784;?#27700;库、河道和少量的城市湿地等,也有少量的利用地下大型管渠或调节池调节暴雨峰流量,大量应用受到许多限制。如何结合我国城市发展的现实,根据当地的降雨条件、雨水径流水质、城市生态环境状况、基础设施建设与发展水平、?#32422;?#22478;市的总体规划,科学、合理、安全地设计这?#20013;?#22411;的生态型雨洪多功能调蓄利用设施,还有许多问题和复杂的因素需要考虑,有待通过深入的研究来逐步地推广实施。 

    3.1北京城区雨水资源及其利用

    城市化的发展使得北京建成区面积不断增大,1986-2002年建成区面积变化如图3所示。


    图3 1986—2002年北京建成区面积(根据《北京年鉴》的数据整理)

从图中数据可以看出,在十几年时间内,北京建成区面积扩大了近一倍。城市面积的扩大意味着城市不透水面积也相应增加,雨水径流量也随之增加。根据1986-2002年统计的年降雨量可大致估算出每年产生的雨水径流量(按北京城区综合径流系数ψ=0.55计算),结果见图4:

图4表明,即使在枯水年(1999年),产生的径流量也有7194.42万m3,而丰水年(1994年降雨量813.2mm)产生的径流量高达20886.15万m3。 图41986—2002年北京城区产生的雨水径流量估算。

    1998年以来,北京建筑工程学院、北京市城市节水办、北京市水利局等积极开展了城市雨水资源利用的研究和示范工程,已经有十多个不同类型与规模的雨水利用工程?#24230;?#36816;行,雨水利用已纳入北京总体规划修编内容和全市范围的推广计划;包括东方太阳城和奥运场馆等大型雨水利用工程在内的许多雨水利用项目都在设计或建设中。北京的雨水利用也带动了其它一些城市积极开展这方面的研究和应用工作。但?#20004;?#30340;这些研究和应用还主要是集中在雨水的收集储存利用和渗透两大分支领域,上述意义的城市雨水多功能调蓄设施还很少涉及。 

    3.2多功能雨水调蓄的应用

    北京积极开展系统的雨水利用无疑有利于减少雨水资源的流失和缓解缺水?#32622;媯?#20294;对削减多年一遇的暴雨洪峰、从根本上解决城区的水涝(不完全统计,经常严重淹水区域41处)显然还?#23545;?#19981;够。

    图5是北京近十年来的月平均降雨量。很明显,北京的降雨非常不均匀,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?#38382;?#20986;现,我国许多城市的降雨规律也类似。如果在雨水利用系统中?#31185;?#36890;的储存池对这些雨水进行调蓄?#28304;?#21040;削减洪峰的目的,?#25970;此?#38656;的池体规模、投资和占地都将十分庞大,而在一年中的绝大部分时间又处于闲置状态。这?#28304;?#22303;寸金的北京而言,显然是不经济的,从雨水工程的投资回收期看也是不经济的。

    图5 北京近十年来月平均降雨量

我国正在进行新一轮的土地利用总体规划修编,树立和落实科学发展观,推行严格的土地管理制度,切?#24403;?#25252;耕地特别是基本农田,保护土地生态环境,严格控制建设用地规模。对科学地利用城市宝贵的土地资源也提出了更高要求。在城市采用多功能雨水调蓄设施,暴雨季节可以用于雨水的贮存渗透利用和蓄洪,而在非暴雨季节可用于其它的用途,实现合理、经济地利用有限土地资源的目的。例如,北京城市的绿化覆盖?#25163;?#24180;提高,从1988年的25%增至2002年的40.6%,按建成区面积计算,2002年的绿化面积约有257km2。利用部?#33268;?#22320;,在合适的位置或条件下建成多功能雨水调蓄设施,比如建成风景雅致的小公园,丰富和改善城市景观,在暴雨季节才用作雨水贮存或渗透,从而实现充分发挥土地资源的效益和有效地利用城市雨水资源、控制水涝、改善环境等一举多得的目的。

    在北京某住宅区雨水利用项目中采纳了多功能调蓄的设计思想,利用大面积的景观湖调蓄雨水,常水位以上是绿地和高尔夫球场。当发生多年一遇的暴雨时,水位上升,淹没部分高尔夫球场区域,雨后通过雨水利用、蒸发和渗透使水位逐渐恢复到常水位。既增加雨水的调蓄利用量,又提高了小区的防洪标准,湖滨带的生态设计还改善小区的整体生态环境。

    雨水多功能调蓄特别适用于城乡结合部、卫星城镇、新开发区、大型生态住区或保护区、公园、城市绿化带、高速路和立交桥附近的绿化带、城市低洼地、有足够的汇水面和径流量排洪压力大的区域等。例如,在北京新的总体规划中的“两带”和环绕城区的生态绿化带、奥?#21046;?#20811;公园、一些地?#24179;系?#32463;常遭受水涝灾害的区域等,都可以因地制宜地考虑采用这种设施。

    综上所述,?#26434;?#32570;水和水涝严重的城市,多功能雨水调蓄是一种综合性的生态型治水方案。因地制宜地研究实施适用的多功能调蓄设施,科学地开发利用城市雨洪,不仅可增加可用水资源,回补地下水,缓解城市严重的缺水?#32622;媯?#36824;要能明显地削减洪峰流量,提高城市防洪防涝标准,改善城市环境,充分地利用土地资源,最大限度地发挥城市土地资源的综合效益。

项目?#36234;?#24179;台
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