基于海绵城市理念的城市水系规划设计实践--以鹤壁市为例

基于海绵城市理念的城市水系规划设计实践--以鹤壁市为例

曾建军

中林生态环境规划设计（深圳）有限公司   广东.深圳  518000

摘要：城市水系是城市大排水空间的重要载体，在防洪排涝、城市排水系统以及城市生态环境治理等方面都有着不可或缺的作用，因此，对于海绵城市试点，建设和保护城市内河水系至关重要。

关键词：海绵城市；生态修复；城市黑臭水体；存在问题；

1前言

由于海绵城市建设在我国刚刚起步，国内普遍对水系在城市大排水系统中的骨架作用认识不足，简单地认为水系海绵城市建设就是河道的生态治理，无非就是采用生态材料，比如生态袋、生态混凝土、生态石笼挡墙等，许多地方在建设过程中简单粗暴地将河道治理的项目纳入海绵城市建设中，缺少对山水林田湖草等自然生态体系的构建，缺少对城市整体空间排水的模拟计算，只是对河道进行截污、清淤、换水等工程化处理方式[1]。

客观来讲，在保证城市排涝安全为前提，通过水量的合理配置、水环境的提升改善、亲水岸线的塑造，实现年径流总量控制，消除城市黑臭水体，对于改善城市水环境和提升城市生态品质具有重要作用。因此，如何进行城市水系治理，如何通过规划设计手法，为城市水系建设提供系统化的解决方案，是在当下国家大力推广黑臭水体治理以及海绵城市试点建设背景下当前规划设计行业内的重点和难点。

2现状概况及存在问题

鹤壁市位于河南省北部， “海绵城市”试点区内主要城市水系包括护城河、棉丰渠、天赉渠以及二支渠等，水系总长约33.8km[2]。根据气象局统计数据，鹤壁近30年2084场降雨记录（去除2mm及以下不产生径流的降雨记录，将其余1119次降雨排序）统计分析结果，中雨、小雨降雨次数占90.1%，但降雨量只占45.8%；大雨、暴雨雨量次数占9.9%，降雨量占比为44.2%。由此可见鹤壁市暴雨期间降雨量巨大，易形成洪涝灾害。

2.1城市内河水环境污染问题突出,水体黑臭现象明显，水质亟待提升

试点区域内除淇河常年保持Ⅱ类水质，鹤壁新城区其他内河水环境状况不容乐观。由于现状排水系统没有形成完善的雨污分流排水体系。部分污水排入城市雨水管网，雨季时，混合污水溢出后直接排入水体。棉丰渠、护城河等水系沿线存在污水偷排的现象，致使两条水系有明显的水体黑臭现象。通过对河道典型断面进行取样检测，根据检测结果,护城河北部（黎阳路—湘江路段）属于“轻度黑臭”，长度为3.57km。如表2-1所示：

表2-1城市内河现状（2016年）水质指标

2.2上游两侧为合流制，溢流污染严重

护城河上游为雨污合流制，根据排口调查共有5处合流制溢流口。通过Infoworks ICM软件运行典型年间隔5分钟降雨数据，模拟在典型年降雨条件下，溢流口溢流污染频次非常高，表明污染非常严重。如表 2-2、图 3-1 所示：

表2-2溢流次数信息统计表

注：此次统计单场降雨过程中的多次溢流视为1次溢流。

2.3岸线多数未经整治，景观效果较差

水系岸线多数未经整治，倾倒垃圾和侵占绿地现象较为严重，植被种类单一且大量枯死造成景观效果较差。部分河段现状渠道较深、边坡较陡、稳定性差，存在安全隐患，造成了初期雨水污染、生活污水直排污染、水体自净能力丧失、滨水生境单调、水设施与城市用地缺少功能融合、滨水生境单一。

2.4城市内河生态水量严重不足,河道存在卡脖子点，排涝能力不足

城市内河主要依靠从天赉渠渠首引水，但目前仅在农灌时期，会下放一定水量，平日仅能保障二支渠和迎宾馆补充一定生态水量。因此，城市内河生态水量没有得到应有的保障，生态水量严重不足，这直接导致了河道内水生态环境的恶化。

鹤壁在20世纪90年末至21世纪初进行城市水系整治时，水系与道路交叉处存在多处采用管涵的建设形式，成为水系的“卡脖子点”，在遭遇极端降雨时这些位置容易出现拥堵，降低城市水系的排水能力，并由此带来顶托、地面排水不畅等问题。如图 2-2、2-3、2-4、2-5 所示：

3.鹤壁海绵城市水系治理实践

鹤壁市水系建设的总体目标为：通过水量的合理配置，水环境的提升改善，亲水岸线的塑造，消除城市黑臭水体。具体为水质达到Ⅳ水体标准，且不得劣于现状水质；河道护岸生态护岸改造比例应达到90%；内涝防治标准按30年一遇（24h降雨量262.5mm）设计降雨不内涝。

3.1污染物来源评价

（1）城市点源污染

治理前鹤壁新区的点源污染主要包括合流制排水片区的溢流污染、部分城中村的污水直排和部分企业的污水偷排等。目前规划区北部部分区域仍为雨污合流制，合流制管网约39公里，合流制管网占总雨水管网长度的13.4%。存在合流制溢流污染及污水偷排现象，致使工业、生活污水直接排入城市水体，严重降低了护城河、盖族沟等的水环境质量。 鹤壁新区现状合流污水溢流排水口分布如图3-1：

（2）城市面源污染

城市面源污染的主要来源是通过降雨形成的，在降雨经过各种下垫面，包括屋面、园路广场、铺装道路、绿地等，携带大量的污染性气体，最终均会沿着雨水管道排水城市水体，使得城市入河排水口局部初期雨水水质接近生活污水[3]。鹤壁市雨水水质指标参考值[6]见表3-1：

（3）城市内源污染

城市内源污染主要由两类污染物组成，一类是水体中的水生植物形成的腐败物以及各类漂浮垃圾、悬浮物，一类是水体自身底泥污染物[3]。在水体污染严重的水系中，水体底泥中污染物的释放量能达到外源污染的总量。

结合试点区内雨污水水质、河道内源污染情况，分别量化计算各水系的各类污染源比重，其中分流污染为分流制排放口的雨水径流污染，面源污染为通过护岸进入水系的雨水径流污染。可以看出，试点区内棉丰渠、护城河北段由于其汇水区域基本为雨污合流制，面源污染和分流污染所占的比例较低，约为20%左右；护城河中段、护城河南段、淇河、天赉渠的汇水区域内基本为雨污分流制，面源污染和分流污染为水系的主要污染源，约占70%～90%左右。 鹤壁市主要河道污染源如图3-2：

3.2规划设计技术路线

城市水系以水环境问题为主，同时存在一定的水安全问题。如护城河汇水区域内，北部多为雨污合流制，存在合流制溢流污染问题，造成现状水质较差，北段为上报黑臭水体段；河道多采用箱涵，暗管过路，造成一定程度的排水不畅。护城河汇水区域的黑臭水体治理是按照海绵城市建设技术路线为指导，通过以下四个方面统筹解决水环境和水安全问题:1.控源截污主要包括建筑小区、道路、绿地等进行系统性的海绵城市改造，包括对小区雨污水管道进行识别，做到雨污分流，对雨水排放口进行净化方可排入河道。2.内源治理主要包括水系清淤、投加菌种、水生植物净化等措施。3.生态修复主要包括生态岸线建设、打通断头河、涵洞改桥梁措施。4.活水提质主要是利用淇河、雨水、再生水作为河道补充水源，提高水系流动性。护城河改造技术路线如图3-2所示：

3.3水环境改善与保障方案

3.3.1控源截污

控源截污是城市黑臭水体治理和水环境改善的根本，通过详细的排口调查按照排口类型，根据鹤壁市实际情况，分别采取不同的控制策略。

对于分流制雨水排水口（FY），源头地块和道路可进行海绵改造的地段优先进行海绵改造，通过海绵城市建设削减和控制面源污染；源头改造不具备实施条件或者改造不彻底的地段，通过雨水口末端净化措施予以处理，处理后排放至河道。

对于分流制雨污混接雨水排水口（FH），源头地块和道路可进行海绵改造的，优先进行海绵改造，通过海绵城市建设从源头解决雨污混接问题；源头改造不具备条件或者条件不彻底的，通过雨水口末端建设截污纳管，将旱季的污水、初期的雨污混合污水截流至污水厂。

对于合流制排水口（HZ），在实现雨水分流改造前，将旱季产生的污水通过末端的截污纳管，截流至污水厂处理。如图 3-3 所示：

图3-3控源截污技术路线图

（1）消除城市点源污染

对于新建排水系统，在雨水设施设计、建设过程中要加强雨水设施的阶段性检查及最后的验收工作，严格控制管网衔接，建立必要的审核机制，防止开发建设中产生新的管道混接乱接；新建建筑接入已有分流制排水系统时，加大排污管理力度，对污水乱排进行控制，禁止出现雨污管道混接现象。如图3-4 所示：

图3-4以雨污分流改造为主的项目分布图

对汇水范围内的雨污混接管线，根据其混接类型，制定针对性的改造方案。对于污水管接入雨水管的混接点，将混接管线予以封堵，同时将污水引入下游污水管线。对雨水管接入污水管的混接点，将混接管线予以封堵，同时将雨水引入下游雨水管线。按照这样的方式对护城河汇水范围内存在7处雨污混接进行改造。如图3-5、3-6 所示：

（2）控制城市面源污染

城市面源污染的控制的主要措施为源头项目的海绵城市建设或雨水管末端净化设施（雨水湿地、渗透塘等），考虑到鹤壁海绵城市试点区内城市水系两侧以现状建设用地为主且空间有限，难以保证雨水末端净化设施的用地，因此主要依靠源头项目的海绵城市建设控制面源污染。

根据汇水范围的产汇流特征分析结果，开发前的年径流总量控制率为72.43%。采用XP Drainage软件，对汇水范围内的合友花园、教育局、淇滨大道等20个典型项目进行详细的建模、分析和计算，并输入相关的雨水径流污染数据，推求出年径流总量控制率与主要污染物削减率的对应点状分布图如下，通过拟合分析得到汇水范围的年径流总量控制率与污染物削减率的关系曲线。由于各类项目在建设时采用的海绵设施有一定差异，因此，各个项目在同样的年径流总量控制率的污染削减效果相差是比较大的。为更加准确、客观的表示两者的关系，分别生成了平均拟合曲线（灰色）和最不利拟合曲线（蓝色）。如图3-7所示：

图3-7面源污染削减率与年径流总量控制率的对应关系曲线

通过水环境容量计算，汇水范围在实现点源污染有效控制的前提下，面源污染（以COD计）应削减40%才能达到水环境容量的要求。为确保面源污染控制效果，通过查询最不利拟合曲线可知，面源污染削减40%对应的年径流总量控制率为70%，可实现鹤壁市海绵城市规划目标。

在控规拼合底图上进行年径流总量控制率分解，指标分解时主要考虑项目的绿地率、建设年代、地下空间开发利用程度等特点，结合汇水范围内项目设计进度和成果，对项目的年径流总量控制率进行分解。如图3-8 所示：

图3-8不同建设项目的年径流总量控制率分解图

3.3.2内源治理

内源污染的控制，主要通过清淤疏浚来实现，不仅可以将水体的内源污染物清除，还可以增大水体库容的。但是在清淤疏浚过程中，要进行清淤量计算来确定清除淤泥的量，以防把水生植物、底栖生物一起清理掉，造成生物链系的统破坏。通过以水力清淤为主机械清淤为辅的方式对河道进行清淤[3]。河道现状底泥分布情况，内河分段清淤深度分为0.4～0.6m、0.6～0.8m、0.8～1.0m三个等级。

3.3.3引清活水

定期定量向黑臭水体中补入清洁水源，提高水系的流动性和污染物的稀释、扩散与分解[5]。城市内河补水水源共三类，即城市自然降雨、淇河以及城市再生水。

依据海绵城市建设目标要求，水质目标为不低于地表水Ⅳ类，水系补水不仅应满足河道的常水位，同时应保障河道一定的流动性和换水周期。参照北京奥林匹克森林公园等案例相关要求，确定护城河基本的换水周期为每月一次（3月到11月），考虑到结冰等原因，冬季（12月-次年2月）换水周期为两月一次。

生态补水量计算公式为：

生态需水量=蒸发水量+渗透水量+河道容积×换水次数

其中，鹤壁市近十年的水面蒸发量平均值约为834.3mm（见表3-2），考虑到地下水位较低，城市水系整治时采用膨润土防水毯做防渗处理，渗漏量按3mm/d计。

表3‑2鹤壁市近十年水面蒸发量统计表

灌溉水量主要是通过天赉渠向下游灌溉水量，根据对2020年天赉渠有效灌溉面积估算为1.5万亩，参考相关农业灌溉用水定额（取130立方米/亩），有效灌溉系数取0.7计算，天赉渠需调配280万立方米/年，灌溉月份为4月到8月。

（1）枯水年补水方案

此情景是保障城市内河水质安全的基本方案，3月到11月，换水周期为一个月一次，12月到次年2月，换水周期为2个月一次。城市内河生态需求量为360万立方米/年，加上天赉渠农灌补水280万立方米/年，则总计需从淇河渠首每年引水量为 640万立方米/年。补水方案一情景下逐月引水量如图3-9：

（2）平水年补水方案

平水年补水方案是在枯水年的基础上，提高补水水量，使得河道形成一定的跌水景观。

根据瀑布水流形态和厚度，可将瀑布形态分为以下三种：延壁流淌式（0~2cm）、悬挂式瀑身（3~5cm）和气势磅礴的悬挂式瀑身（5cm以上）。常见瀑布形态如图3-10：

规划设计将水系跌水景观分为一般景观和重要景观两种类型，分别对应于悬挂式瀑身和气势磅礴的悬挂式瀑身来确定需水量，实际工程一般采用实用堰，计算公式如下：

                                          （3.1）

Q为流量，单位为立方米/秒；

m 为流量系数，一般曲线形实用堰可取0.45；

b 为堰宽，单位为米；

H 为堰上水深，单位为米；

考虑到鹤壁水系河道宽度较窄，同时鹤壁依旧为北方水资源紧缺城市，因此一般景观瀑布堰上水深选取下限值3cm，气势磅礴的瀑布堰上水深选下限值5cm，计算相应其断面线流量分别为10和21L/(m.s)。水景观参数见表3-3：

表3‑3水景观参数一览表

平水年补水方案，选择按照悬挂式瀑布的一般景观流量进行计算。除冬季外，河道断面流量选10L/(m.s)，冬季补水量减半。则此情景下，城市内河生态水量需求量为850万立方米/年，加上天赉渠农灌补水280万立方米/年，则总计需从淇河渠首每年引水量为1120万立方米/年。补水方案二情景下逐月引水量如图3-11：

（3）丰水年补水方案

在丰水年份，可以适当提高补水水量，增加城市河道水系流动性，提供城市水系景观品质。因此，补水方案三，按照可以产生气势较为磅礴的悬挂式瀑布景观的流量计算。除冬季外，其他季节河道断面流量选21L/(m.s)，冬季补水量同补水情景2。城市内河生态水量需求量为1600万立方米/年，加上天赉渠农灌补水280万立方米/年，则总计需从淇河渠首每年引水量为1880万立方米/年。补水方案三情景下逐月引水量如图3-12：

3.4生态护岸

根据海绵城市建设要求，消除三面光现象，水系护坡均应采用生态型护坡。

对仅有景观功能而不承担排涝功能的河道（二支渠、四支渠），可放缓护岸坡比，用草坡入水的方式来增加亲水性[4]。

对具有防洪排涝功能的河道（护城河、棉丰渠），对常水位以下部位采用石笼护坡，以防水浪冲刷和水土流失，常水位以上斜坡实行乔灌草相结合的种植形式，达至水系景观的效果。同时根据实际用地情况，尽量拓展河道宽度形成阶梯式的河岸。平时河岸平台可以形成方便市民亲水的场所，降雨时河岸平台可以淹没，便于行洪。经过排涝计算，护城河经疏浚后即可满足防洪要求，不需要新建堤防。护城河在松江路至湘江路段（5.3km）常水位以下采用膨润土进行处理，河底回填土；在湘江路到淇河段（6.6km）不进行防渗处理，河水自然下渗，补充城市地下水。护城河的边坡防护采用两种型式，一种为生态雷诺护垫加生态护坡；另一种为土工格室加生态护坡的形式，护坡高程至常水位+0.5m，护坡坡比≥1:1.5。如图 3-13、3-14 所示：

图3-13护城河断面示意图

3.5生态修复技术

根据鹤壁新区河道的具体情况，选择适合鹤壁实情的生态修复技术，比如生物处理、复氧技术、水生植物净化、生态浮床技术等，这样能从多个途径调节水质、增加水体的生态循环，以达到水体生物和植物形成稳定的生态系统，使水体有自己净的能力。

（1）生物处理：多种生物技术结合改善水质

通过水生动物的加入，补充水生态的食物链，可以调节水体的生态系统，稳定水体生物群落，使水生生物共生，来达到水体净化的功能。经过对现有水质的研究，本次水体生物处理主要采用底栖动物。分三期引入不动的底栖物，初期引入腹足类底，包括铜锈环棱螺、梨形环棱螺等，中期引入瓣鳃类包括河蚬、褶纹冠蚌、无齿蚌、三角帆蚌，后期引入节肢类，包括青虾、细足米虾。

（2）水生植物净化法

水生植物净化系统是以沉水植物群落为主导。沉水植物主要是通过对水体中的氮磷等营养物质进行吸收，起到净化水质的作用。本次主要采用的水生植物为矮生耐寒苦草配合当地本土沉水植物来组成植物群落。这种植物群落，可以形成稳定的水生态系统，提高水质净化的能力、降低运维成本。本次规划设计沉水植物覆盖率占试点河道的80%及以上，其中矮生耐寒苦草覆盖率占50%，以保证整个水体的稳定。水生植物群落示意如图3-15：

（3）生态浮床技术 ：

生态浮床是针对富营养化水体缺乏景观及水质较差而研发的，一般应用于垂直硬质驳岸河段，生态浮床的作用抗风消浪、降低悬浮物、降解氮磷、净化空气、提高水体透明度，同时可以通过人工的布置形式营造不同的水体景观，增加观赏性。浮床植物主要有美人蕉、黄菖蒲、水菖蒲、梭鱼草、鸢尾、粉绿狐尾藻、海寿花、水蓼、水芹、泽泻等。

（4）复氧技术：

在方案设计阶段，有意识地结合景观效果设置水景喷泉，这样在保证景观效果的同时对水体进行曝气复氧，可以增加溶解氧，分解有机质，提高生物活性，达到提高水质的目标。根据水体在河道中的停留时间，沿河道设置曝气点。

3.6水质监测

根据中南金尚环境工程有限公司提供的水质监测数据和《鹤壁市护城河（黎阳路-湘江路）黑臭水体治理情况评估报告》，目前护城河黑臭水体已经全面消除，河道水质良好，全面实现了IV类及以上的水质目标。如图3-19所示：

根据项目现有的监测数据显示，经过海绵城市系统规划设计对削减城市黑臭水体、提升城市生态环境具有重要价值。

4结论

海绵城市理念下的城市水系规划设计是个复杂的系统工程，其中重点在黑臭水体治理，黑臭现象在水体中体现,其根源在水系沿线的土地资源好坏,核心点就在于城市管网的梳理，最关键的点在入河的雨水排口。基于海绵城市建设，从流域的角度，系统解决城市水系汇水区内的问题，结合城市水系水景观打造，统筹解决城市水系的水环境问题。

结合鹤壁市水资源匮乏的特点以及水环境目标，在不同景观效果情景下，模拟计算城市水系建设需要的补水量，通过与城市水资源供给能力对接、充分利用再生水和雨水作为补水水源的前提下，确定城市水系补水方案，支撑水系的长效运行。

按照海绵城市要求雨污分流改造完成后，城市内河水质明显改善，基本达到地表水Ⅳ类水质标准。分别量化各类污染源比重，针对性的采取生态修复技术。通过模型模拟评估，可以验证夏季一个月一次的换水周期，可以显著提高鹤壁市水质安全保障能力。

由此可见，在保证城市排涝安全为前提，并通过水量的合理配置、水环境的提升改善、亲水岸线的塑造，可以实现年径流总量的控制，消除城市黑臭水体的目标，为城市水系建设提供了系统化的解决方案。

参考文献:

[1]严飞，海绵城市建设中水系规划设计的思考与措施 [期刊论文]《给水排水》，2016年。

[2]周飞祥,基于海绵城市建设的雨污分流改造模式研究——以鹤壁市为例[期刊论文]《给水排水》，2018年。

[3]周飞祥等，城市黑臭水体治理的实践与探索——以河南省鹤壁市海绵城市为例 [期刊论文]《建设科技》，2016年。

[4]黄怡,丘陵地区新城空间规划中海绵格局的构建研究[期刊论文]《中华建设》,2018年。

[5]陈琦，海绵城市发展革新及建设途径 [期刊论文]《建设工程技术与设计》，2016年。

[6]卢玉环等，鹤壁市海绵城市建设中雨水花园植物的选择及应用[期刊论文]《建设科技》，2017年。