海绵城市给排水设计在城市防洪排涝中的应用

摘要：随着城市化进程的加快，城市面临的洪涝灾害问题日益严重，传统的排水系统已难以应对极端天气带来的挑战，因此海绵城市理念应运而生，成为提升城市防洪排涝能力的重要手段。因此，深入研究海绵城市的给排水设计，对于提升城市的抗洪能力、优化水资源配置以及改善城市生态环境具有重要的现实意义。

关键词：海绵城市；给排水设计；城市；防洪排涝

引言

海绵城市通过模拟自然水循环，强调雨水的源头控制、过程调节和生态利用，旨在实现雨水的“渗、滞、蓄、净、用”五大功能，最大限度地减少雨水径流，提高雨水的利用效率。在城市防洪排涝设计中，海绵城市的应用不仅增强了城市的雨水管理能力，还能有效减轻内涝发生的风险，通过构建下沉式绿地、雨水花园、透水铺装和蓄水池等多种低影响开发设施，海绵城市能够提升土壤的渗透能力，降低地表径流，同时增加城市的水体蒸发和蒸腾作用，从而调节城市微气候。此外，海绵城市的设计还考虑到了水资源的可持续利用，通过雨水收集系统实现雨水的二次利用，缓解城市用水压力。

1.海绵城市给排水设计在城市防洪排涝中的应用

1.1、增强城市雨水管理能力

海绵城市的给排水设计在城市防洪排涝中扮演着至关重要的角色，主要体现在增强城市雨水管理能力方面，根据中国气象局的数据显示，近年来极端降雨事件频发，某些城市年降水量的高峰值比历史平均水平增加了30%以上，这一变化给传统排水系统带来了巨大压力。海绵城市通过引入“渗、滞、蓄、净、用”五大功能，实现了对降雨的有效管理，例如，雨水花园和透水铺装的设计能够提高土壤渗透率，通常可达到30%至50%甚至更高，从而显著减少地表径流，缓解内涝风险。在具体应用中，海绵城市通过建设雨水存储、回用系统，可以有效存储降雨水量，一些示范项目显示，采用海绵技术后，局部地区的雨水径流量减少了约60%。此外，雨水收集系统的实施，不仅可以将雨水用于灌溉和冲厕等非饮用用途，还可以降低城市用水需求，减少自来水的使用量。据统计，某些地区实施雨水回用系统后，雨水利用率达到50%以上，极大地缓解了城市水资源紧张的状况，因此海绵城市的给排水设计通过有效的雨水管理，不仅提升了城市应对极端降雨的能力，还促进了水资源的可持续利用，为城市的生态安全提供了保障。

1.2、提升城市生态环境质量

海绵城市的给排水设计在防洪排涝中的应用，不仅关注于水的管理，更注重提升城市生态环境质量，这一设计理念强调通过生态工程手段，恢复和重建城市的自然水文循环，城市绿地的覆盖率提高10%可以将城市的平均温度降低1℃，缓解城市热岛效应。而在海绵城市的设计中，绿地、湿地和雨水花园等生态设施的建设具有显著的生态效益，这些设施不仅能够有效吸收和储存雨水，还能通过植物的蒸散作用，增加空气湿度，改善城市的微气候环境。根据生态经济学的研究，湿地系统的水质净化能力可以达到90%以上，这意味着通过合理布局的海绵设施，城市雨水在流入河流或湖泊之前，可以显著降低污染物浓度，从而提高水体质量。此外，海绵城市还通过建设生态廊道和生物滞留设施，促进城市生物多样性，数据显示，实施海绵城市建设后，某些地区的生物多样性指数提高了15%-25%。通过这些措施，海绵城市不仅增强了城市的防洪排涝能力，还为提升生态环境质量、改善居民生活质量创造了良好的条件。因此，海绵城市的给排水设计在城市生态系统的恢复与重建中，发挥着重要的作用，使城市在应对气候变化和生态危机的过程中，能够实现可持续发展。

2. 当前城市防洪排涝现状分析

2.1、城市内涝频发的现状

近年来城市内涝现象在全球范围内愈发严重，尤其是在中国的一些大城市，频繁的极端降雨事件使得城市内涝的发生频率大幅上升，根据中国气象局的数据，过去十年间，中国年均降水量增加了约10%，而一些城市在特定的暴雨天气下，小时降水量可达到50毫米以上，这一降雨强度远超传统排水系统的设计标准。以北京为例，2022年一场特大暴雨造成了城区多个地区积水深度达到1米，导致交通瘫痪和市政设施损毁，经济损失高达数十亿元。城市化进程的加速，尤其是硬化地面和建筑物的增加，使得雨水的自然渗透和蒸发能力下降，导致地表径流量显著增加，根据《城市内涝防治研究》报告显示，城市雨水径流量的增加可达40%-60%。此外，许多城市的排水系统设计标准仍然停留在20世纪，不能满足当前气候变化带来的降雨强度提升，这一现状不仅对城市居民的日常生活造成了影响，还对城市基础设施的安全和运行带来了严峻挑战。

2.2、排水设施老化与维护不足

我国许多城市的排水设施建设始于上世纪，随着城市的快速发展，这些设施的老化问题日益严重，根据2022年《城市排水与污水处理设施现状调查报告》，我国主要城市的排水管网中，超过30%的管道已使用超过30年，部分城市甚至达到50年。由于长期缺乏有效的维护和更新，许多排水管道出现了不同程度的破损、堵塞和沉降，导致排水能力大幅下降。例如，在某些城市，排水管道的有效流通能力降低了约40%，使得在暴雨来袭时，排涝效率显著降低。同时，城市排水系统的管理和维护经费也相对不足，许多地方在排水设施的日常检查和保养上投入有限，缺乏系统的管理机制，这一现状不仅影响了城市的排水能力，还增加了内涝发生的风险。此外，部分城市在城市规划时未能充分考虑排水设施的布局与更新，导致新建区域与老旧排水系统之间的衔接不畅，进一步加剧了城市的防洪排涝压力。总体来看，排水设施的老化与维护不足，已成为制约城市防洪排涝能力提升的重要因素。

2.3、气候变化对城市排水的影响

气候变化的加剧对城市防洪排涝现状产生了深远的影响，极端天气事件的频繁发生使得城市排水系统面临前所未有的挑战，根据联合国气候变化框架公约（UNFCCC）发布的报告，全球范围内，极端降雨事件的发生频率在过去几十年中增加了约30%。在我国，气候变化导致的降水模式变化，尤其是强降水频率增加，已成为城市内涝的重要诱因，比如以广州为例，2017年发生的一场强降雨，降水量达到250毫米，造成多个地区严重内涝，部分路段积水深度超过2米，交通和市政设施受到严重影响。气候变化还导致雨水集中排放的趋势加剧，某些城市在短时间内出现的暴雨，降水强度甚至达到每小时100毫米，这一强度远超大部分城市排水系统的设计能力。此外，气候变化还引发了水文循环的变化，使得土壤的持水能力下降，增加了地表径流，进一步加剧了内涝风险，根据相关研究数据，城市雨水径流的增加幅度可高达60%，这使得现有的排水设施在应对极端气候时显得捉襟见肘，因此气候变化的影响已经成为当前城市防洪排涝体系需面对的一项重大挑战。

3.海绵城市给排水设计在城市防洪排涝中的应用

3.1、雨水收集与利用系统的设计

海绵城市的设计理念强调在城市中有效收集和利用雨水，以减轻城市内涝和洪水风险，雨水收集与利用系统的设计是海绵城市的核心组成部分之一。雨水收集利用系统包含雨水入渗、雨水收集回用、雨水调蓄排放。雨水入渗包含埋地入渗和地面入渗。雨水收集回用包含收集、弃流、雨水储存、水质处理和雨水回用。如果雨水比较干净，也可以不设置初期雨水弃流。通过雨水收集利用系统的建设，削减面源污染，与年径流总量控制率相匹配，满足海绵城市建设目标和指标要求。例如：某项目，主要用地有建筑屋面、道路广场、停车场及绿化。对不同的下垫面采用不同的设计。道路及铺装（广场、停车场等硬化）采用透水铺装，地表径流通过道路坡度进入植草沟，再排入下凹式绿地或雨水花园。设置雨水蓄水池和雨水处理设施收集雨水，处理后雨水回用于路面冲洗和绿化浇洒。通过这样的非工程措施及工程措施，不仅可以有效减少雨水径流，降低内涝风险，控制径流污染，还能为城市绿化、灌溉和其他用水需求提供可再生水源，实现开发区域的可持续水循环。

3.2、透水铺装技术的应用

透水铺装技术是海绵城市建设中的重要手段之一，通过铺设透水性材料来提高雨水的渗透和下渗能力，从而减少地表径流，缓解城市洪涝问题。透水铺装材料的种类多样，包括透水混凝土、透水砖和透水沥青等，在具体应用过程中，设计师需根据不同场地的使用功能和交通流量选择合适的材料，比如在人行道和广场等低交通流量区域可以选用透水砖或者透水混凝土，城市道路的人行道上，则可以选用透水混凝土透水沥青。透水砖的渗透系数不小于0.01L·m2/s，透水混凝土的渗透系数不小于0.5L·m2/s，透水沥青的渗透系数不小于0.53L·m2/s。铺装设计时需考虑其承载能力及耐久性，确保在长期使用中保持良好的透水性能。施工过程中，底层需设置一定的坡度以引导雨水向透水材料渗透，通常设置坡度为1%至2%，同时还应在透水铺装的周围设置排水沟，以避免积水现象。此外，在透水铺装下方设置蓄水层，可以有效地储存雨水并供植物根系吸收，从而促进城市绿化和生物多样性，这些透水铺装技术的综合应用，有助于实现雨水的自然循环，减轻城市排水系统的压力。

3.3、雨水花园与生态湿地的建设

雨水花园和生态湿地是海绵城市中重要的雨水管理措施，通过植被和土壤的自然过滤作用，提升雨水的水质，减缓地表径流。雨水花园的设计通常包括适合当地气候和土壤条件的植物选型，设计深度一般为30至60厘米，以确保雨水能够有效渗透和被植被吸收，比如在北方地区，可以选择耐旱的本土植物，通常其根系深入土壤，有助于增加土壤的透水性和持水能力。生态湿地的建设则需要较大的面积，设计时需考虑水体的深度和水流的速度，通常水深保持在50至100厘米，以保证良好的水质净化效果。在雨水花园和生态湿地中，通常会采用生物滞留池的设计，通过设置多层土壤和植物的组合，能够有效去除80%以上的悬浮物和重金属污染物，经过雨水花园的处理，进入地下水的水质可达到国家排放标准的要求。此外，雨水花园和生态湿地的建设，还能提供生物栖息地，提升城市的生态环境，促进城市可持续发展。

3.4、智能雨水管理系统的引入

在海绵城市建设中，智能雨水管理系统的引入标志着技术与管理的深度融合，能够实现对城市雨水的高效监控与调度，该系统通常由传感器、数据采集设备、分析平台和决策支持系统组成，能够实时监测降雨量、土壤湿度、地下水位等关键参数，比如安装在城市不同区域的雨量传感器可以精确获取降雨数据，数据传输至云平台进行集中分析。通过数据分析，系统可以预测降雨强度和可能引发的内涝风险，并根据实时情况调整雨水排放策略。具体而言，智能系统可根据实时雨量数据和预测模型，控制雨水的引流和储存，比如当降雨强度达到特定阈值时，系统会自动开启雨水储存池的阀门，确保雨水及时入池，减少地表径流。根据某城市的数据模型，当降雨强度超过50毫米/小时时，系统能够实现超过90%的雨水收集率，从而显著降低内涝风险。此外，智能雨水管理系统还可与城市排水系统联动，通过控制阀门和泵站的开关，优化排水路径，减少排水系统的负担。

结语

综上所述，海绵城市给排水设计在城市防洪排涝中的应用，不仅为解决城市内涝问题提供了有效的技术路径，也为城市的可持续发展奠定了坚实的基础，通过将雨水收集、储存和利用纳入城市规划，海绵城市设计实现了对雨水的“源头控制”，有效减少了地面径流，提高了雨水的渗透和蒸发能力，这种设计理念强调自然与城市基础设施的和谐共生，不仅优化了水资源的循环利用，还增强了城市对极端天气的抵御能力。在实际应用中，通过建立智能雨水管理系统，城市能够实时监测雨水情况，快速响应降雨事件，自动调节排水和储水策略，最大程度地减轻内涝风险。提升了城市的生态环境质量，改善了居民的生活品质。总之，海绵城市给排水设计不仅是应对城市防洪排涝的必要措施，更是实现城市韧性和可持续发展的重要途径，为建设更加宜居、生态和智慧的城市提供了强有力的支持。

参考文献：

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