张家口市城市水文效应措施探析

摘要：指出了海绵城市作为新一代城市雨洪管理的全新理念，对城市的环境变化具有良好的适应性，且能够应对雨水可能为城市带来的各种自然灾害。以张家口市城市水文为背景，探讨了该市基于海绵城市概念在透水铺装、下沉式绿地方面的水文效应应对措施。

关键词：水文效应；海绵城市；透水铺装；下沉式绿地；雨水

中图分类号：TU984

文献标识码：A文章编号：16749944（2016）12023403

1引言

张家口市作为一座快速发展中的中型城市，近年来在水文效应建设方面取得了较大进步。但随着城镇化建设的快速发展，城市雨洪管理也引起了社会各界的关注。因此，探讨基于海绵城市理念的张家口市在未来需要建设诸如透水铺装、下沉式绿地这样的有效水文效应措施，以改善城市水文建设，具有一定的现实意义。

2张家口市市区水文效应概况

张家口市主城区位于河北省的西北部地区，是蒙古高原与华北平原的主要过渡带，也是洋河流域山间盆地中的重要组成部分。该市主城区面积约为970 km2，预计在2020年实现2080 km2的城市面积扩建。该城市的水文特点鲜明，由于主城区南北两边具有最大为111.5m的高差，所以整个市区呈现不规则的河谷盆地特征。在张家口的主城区内拥有东西沙河、清水河，分布在城区的东西两方，自东西、南北贯穿整个主城区，水文条件相当丰富。

近年来，张家口市的城市建设发展非常迅速，但是随之而来的热岛效应、高程建筑障碍效应也影响到了城区汛期内的降雨量，其中尤以雷暴雨次数增加最为明显。随着城区面积的逐年扩大和旧城区改造工程的不断推进，张家口市渐渐出现了道路硬化、地表透水面积比重增大、城区截留、下渗损水量降低等现象，这也使得市区内的地下水汇集时间被大大滞后，增加了城市河流的径流系数和集流速度。如此一来，城市下游的洪水过程线就日益增高，造成了洪峰的提前出现和城市地表径流量的过分增加。

根据2015年的《河北省张家口市水资源评价报告》中显示，张家口市的水文条件，尤以地下水为主已经处于严重超采阶段，地下水水位逐年下降，且低洼排水问题也日益严重，对于张家口而言，也面临着空前的水文效应危机。所以，为了日益膨胀的城市人口数量和日益提升的市民生活需求，张家口市必须解决自身所存在的水文效应不利因素，缓解水资源分配不均及洪峰自然灾害所带来的城市潜在危机[1]。

3张家口市基于海绵城市建设的城市水文效应应对措施

就目前现状来看，张家口市所采用的依然是“雨水口―雨水管渠―市政管线”的传统水文管理模式。所以按照市内老城区的官方设计布局来看，设计管径偏小（DN60～DN100之间），整个市区的雨水管网普及率仅为70 %不到，这与城市的实际排雨水量存在较大差距。这就造成了张家口市市区地表雨水径流污染严重，例如汽车泄漏汽油、轮胎磨损、防冻剂、城市屋面材料所带来的污物都被排放到雨水管渠中，对雨水水质的污染非常明显。基于这种水文效应不利状况，张家口市建设海绵城市是相当有必要的。

3.1张家口市区降雨状况及雨水资源量

张家口市的降水集中在汛期（6～9月），这一期间降水量占到全年降水总量的70 %左右，10～12月则降雨量最少。按照我国的暴雨分级标准来看，张家口市在特大暴雨方面表现不明显，属于降雨比例比较缓和的地区。

按照张家口市的雨水资源总量来看，围绕这一数据来考虑建设海绵城市是相当重要的。特别是在“十二五”规划之后，张家口市希望在2020年前实现对雨水资源收集建设用地面积超过60000万m2，所以本文给出雨水收集资源总量的公式为：

Re=ψ×A×Ha。

其中ψ代表了张家口市的地表径流系数，一般常规取值为0.9，而A代表了城市市区的汇水面积，Ha则代表了张家口市一年的总降水量。所以将数据代入上述公式计算得出张家口市建设海绵城市后的每年雨水资源收集总量将达到3亿m3，这一数字对于城市雨水资源利用潜能的开发价值是很高的，值得尝试。

3.2透水铺装设计、应用及建议

3.2.1透水铺装的设计

将孔隙率较高且透水性较好的材料应用于道路路面建设就叫做透水铺装，它是海绵城市建设的基本工程要素之一。透水铺装可以使雨水很好地渗入到道路路面的内部，以达到贮存一定雨水的效果，随时便于管道排水，降低洪峰流量，削弱径流系数，使得城市洪涝灾害危险系数大幅度削弱。一般来说，透水铺装是由土基、垫层、基层、过滤层和面层所共同构成的。另外，透水铺装对缓解城市温室效应，降低路面温度也有好处，这样一来，道路的寿命也被大大延长。

透水铺装在设计方面所采纳的地表径流系数规范在0.05～0.5范围内，这一数据与它主要使用材料的孔隙率、透水特性有很大关系，也就是说，径流系数决定了道路路面雨水渗透量，由此可以确定透水铺装中路基层厚度的确认方法：

H=0.1I720k100T60n。

在上述确认方法的公式中，H就代表了透水基层的总厚度，而I表示城市平均的降雨强度（mm/h），k代表土基的饱和渗透系数，T表示降雨时间（min），最后n代表了道路路面蓄水层的孔隙率。根据该式来判断透水铺装的功能性非常有效果，而且它也可以帮助透水铺装工程选择材料，确保道路路面在降雨时及时下渗雨水，使路面有较高的抗压能力。

3.2.2透水铺装在张家口市的应用

在张家口市，透水铺装技术仍然处于起步阶段，但整体上所取得的效果还是较为明显的。考虑到张家口市湿陷性的土基结构，所以当土基处于干燥条件下，土体结构整体相对稳定。而如果土体的含水量增加到一定程度时，就很容易出现土体结构的破坏，使土基强度大幅度被削弱，对建筑及道路的沉陷带来很大危险。所以在张家口市的市区透水铺装时，应该考虑这些特殊的地质条件，并采取相应的防治策略。

就以对土基的湿陷性消除而言，张家口市所采用的是以3∶7为基础比例的灰土垫层法。该方法的技术核心就是分层夯实，按照路面土基的龄期不同而为其赋予不同的承载力、密实度与隔水性，确保它拥有较好的垫层优势。张家口市的灰土垫层一般设置在≥1.0 m的厚度范围内，并且采用了分层压实的方法，确保分层厚度始终≤200 mm。再者，城市路面还采用了冲击压实法对路基进行了补强，一定程度消除了路基由于被冲击碾压所存在的湿陷性。这种方法可以消除1.2 m左右的黄土湿陷性。

在基层的改进方面，考虑到张家口市地下水水位较深，而土基位置又通常高于地下水水位位置，所以可以见得土基受到地下水影响可能很小。因此专门针对土基的湿陷性来对基层雨水下渗问题进行对策，所以在条件允许的情况下为基层设计以DN50为基础的PVC排水盲管，并充分利用到市区内普遍的4 %土基顶部坡度，确保多余雨水能够顺基层流入到PVC排水盲管中，保证城市内许多人工景观和绿色植物带能够得到充分的水分灌溉。这也是利用到了张家口市在雨季中雨水过度饱和的自然因素，顺利将雨水排除并利用，同时也大大降低了对透水铺装结构的破坏性[2]。

3.3下沉式绿地的设计、应用及建议

下沉式绿地主要包括雨水湿地、生物滞留设施等等。在城市中，它一般表示的是低洼式的凹陷绿地，即高程低于周边路面高度约20 cm内的下沉区域。

3.3.1下沉式绿地的设计

下沉式绿地在设计过程中所需要考虑的设计参数很多，它也是海绵城市设计中的主要核心之一，以下对下沉式绿地的水量平衡进行分析得出：

W=S+U。

在公式中，W代表了下沉式绿地的总体水汇流量（m3），S代表了下沉式绿地在下沉时段的雨水下渗量（m3），U代表了在下沉时段的绿地蓄水量差值（m3）。因此可以得出雨水的渗蓄率公式为：

N=S+ΔU（PzF1Cn+PzF2）/1000×100 %。

在该公式中，所反映的正是下沉式绿地对降水方面的渗蓄能力，这其中Pz代表了城市降雨量（mm），F1代表了下沉式绿地服务范围内的集水面积（m2），F2代表了下沉式绿地的总面积（m2），Cn代表了绿地服务范围内的径流系数。

根据城市雨水的下渗量：

S=60KJF2T。

由此来计算土壤渗透率及渗蓄时间，则能够得出以下算式：

f=F1F2。

按照下沉式绿地的相关参数展开分析，并对其进行优化设计，所以说当下沉式绿地的坡度合适时，雨水就会顺利汇集于绿地之中。若能在路缘石附近设计300～500 mm宽度的开口，更利于雨水径流的流入。而如果下沉式绿地在雨水汇集形成饱和状态后，还可以通过雨水管渠来进行雨水排出。

3.3.2下沉式绿地在张家口市的应用

张家口市市区的土壤渗透系数较大，能够快速的对径流雨水进行吸收，所以对它的下沉式绿地设计可以直接采用原有土壤进行相关植物的栽入。在设计中，为下沉式绿地保持0.05～0.30 m的下凹深度，总体保证其高程小于路面高程。并在下沉式绿地中设置雨水口以随时收集降水时出现的溢流雨水。所以该市的雨水渗蓄f值保持在10 %以上范围。

在计算中，如果f值为负值，就说明市区的下沉式绿地不需要太大下凹深度也能进行雨水下渗，这也证明绿地的下渗效果相当出色。但当f值超过100 %时，就证明城市的下沉式绿地在渗蓄量上大于雨水收集面积的雨水，并且存在一定的收集富余量[3]。

4结语

基于海绵城市概念对张家口市的城市水文建设提出了相关设计及应用策略，弥补了传统治理下城市地表径流流量过大且地下水水位日益降低的问题。证明了海绵城市对于张家口未来的市区水文效应建设是相当必要的，这种低影响开发技术结合城市传统的雨水管理方法，让城市的水文生态环境在保持不变的情况下还能抵御更多自然灾害，真正实现了“水弹性城市”的标准。

收稿日期：20160505

作者简介：夏应冰（1991―），男，东华理工大学地球科学学院硕士研究生。

[HT][CDH01248*4/5]

参考文献：

[1]

褚永军.张家口市城市水文效应对策研究[J].河北建筑工程学院学报，2015（2）：108～110.

[2]王君.城市水文效应的规划对策研究[D].长沙：湖南大学，2012.22～25.

[3]弓亚栋.建设海绵城市的研究与实践探索[D].西安：长安大学，2015.44～47.