孫 龍，阮曉波

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

改革開放以來，中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程發(fā)展迅速，然而粗放的城市發(fā)展模式產(chǎn)生了一系列嚴(yán)重的水環(huán)境、水生態(tài)惡化問題，城市水資源短缺問題普遍[1]。為了解決水資源短缺、水質(zhì)惡化、城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)等城市水環(huán)境問題，各地區(qū)正大力建設(shè)“海綿城市”。目前我國城市的低影響開發(fā)建設(shè)取得了一定的成績，但作為城市重要組成部分的港口區(qū)域，其低影響開發(fā)研究目前尚處于一片空白。港口建設(shè)使原有植被和土壤被不透水地面所代替，在雨水多的季節(jié)加速了雨水在硬化路面的匯集，使洪峰流量迅速形成，影響港區(qū)正常的生產(chǎn)作業(yè)和生活。港區(qū)作為城市的重要組成部分，不應(yīng)成為城市低影響開發(fā)建設(shè)的灰色地帶，有必要針對港區(qū)規(guī)劃、建設(shè)的現(xiàn)狀及各類灰色基礎(chǔ)設(shè)施布置的特點，逐步、有條件地引入低影響開發(fā)設(shè)施，科學(xué)、合理地利用量大、經(jīng)濟性佳的雨洪資源，最大化地降低港口建設(shè)對原有海域及陸域生態(tài)系統(tǒng)的破壞，改善港區(qū)水環(huán)境。

本文在我國城市降雨與城市水資源短缺的矛盾日益突出的大環(huán)境下，針對港口生態(tài)系統(tǒng)長期遭到忽視的現(xiàn)狀，以集裝箱港區(qū)為例，將海綿城市低影響開發(fā)概念融入港區(qū)建設(shè)，結(jié)合港區(qū)雨水的集蓄利用及港區(qū)景觀效應(yīng)，從規(guī)劃發(fā)展(宏觀)及設(shè)計建造(微觀)兩個方面對港區(qū)海綿城市建設(shè)進(jìn)行深入研究，構(gòu)建港區(qū)整體生態(tài)系統(tǒng)、雨水集蓄利用設(shè)施及港區(qū)景觀構(gòu)造，實現(xiàn)港口雨洪資源科學(xué)合理的開發(fā)利用。

1 研究思路

海綿港區(qū)的開發(fā)建設(shè)是一個全新的領(lǐng)域，本文將從港區(qū)目前的現(xiàn)狀出發(fā)，以集裝箱港區(qū)為例，針對港區(qū)目前的平面布局及使用要求，通過總體分析提出合適的低影響開發(fā)目標(biāo)，針對港區(qū)功能特點，制定各專項控制要求以落實總體分析制定的控制目標(biāo)，再通過合理的水文徑流模型計算將低影響開發(fā)控制指標(biāo)落實至各地塊。

通過總體分析，對港區(qū)總平面布置進(jìn)行深入研究，明確各地塊的低影響開發(fā)適宜性，通過對各地塊的面積占比進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定各功能區(qū)低影響開發(fā)對總體開發(fā)目標(biāo)實現(xiàn)的貢獻(xiàn)程度，從而確定低影響開發(fā)的重點實施區(qū)域。根據(jù)各地塊的面積占比，提出港區(qū)低影響開發(fā)水文、水力計算模型，根據(jù)低影響開發(fā)總體控制指標(biāo)確定各地塊具體的控制指標(biāo)，根據(jù)不同情況提出多種組合控制方案，并對組合控制方案進(jìn)行比選及分析，提出不同港區(qū)適宜的分區(qū)控制指標(biāo)。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 研究技術(shù)路線

2 低影響開發(fā)控制目標(biāo)

根據(jù)集裝箱港區(qū)(簡稱港區(qū))特點，前方碼頭通常不具備低影響開發(fā)設(shè)施構(gòu)造的條件，低影響開發(fā)設(shè)施的布置主要集中在后方陸域，如堆場、道路、停車場、綠地、排水溝等。本文結(jié)合碼頭后方堆場、道路、排水溝等設(shè)施的布置形式和結(jié)構(gòu)特點，確定海綿港區(qū)低影響開發(fā)的總體控制目標(biāo)為徑流總量、峰值流量、徑流污染控制目標(biāo)以及雨水資源化利用目標(biāo)。

2.1 徑流總量

根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》[2]，理想狀態(tài)下，徑流總量控制目標(biāo)應(yīng)以開發(fā)建設(shè)后徑流排放量接近開發(fā)建設(shè)前自然地貌時的徑流排放量為標(biāo)準(zhǔn)。自然地貌往往按照綠地考慮，一般情況下，綠地的年徑流總量外排率為15%～20%，因此，借鑒發(fā)達(dá)國家實踐經(jīng)驗，年徑流總量最佳控制率為80%～85%。

根據(jù)對目前國內(nèi)眾多港口功能布局調(diào)研分析，堆場是占地面積最大的功能區(qū)，其次為道路。針對不同的港區(qū)，通過采用透水鋪裝或?qū)ο浣侵鈪^(qū)域進(jìn)行綠地化設(shè)計，可將堆場徑流系數(shù)降低至0.40～0.55；道路根據(jù)車輛荷載的不同，可采取不同徑流系數(shù)的透空式鋪面結(jié)構(gòu)；通過設(shè)置海綿排水溝來有效地凈化、收集、儲存、利用雨水。堆場、道路等區(qū)域在港區(qū)平面中占總面積比例為85%～90%，根據(jù)目前在各類海綿城市道路結(jié)構(gòu)中采用透水鋪裝之后0.40～0.55的概化徑流系數(shù)，考慮一定的富余系數(shù)，確定港口陸域徑流總量目標(biāo)控制率為35%～50%，即概化綜合徑流系數(shù)控制在0.50～0.65，具體須結(jié)合港區(qū)實際情況及當(dāng)?shù)亟涤晏攸c確定。

2.2 徑流峰值

為保障港區(qū)安全，防止內(nèi)澇，在低影響開發(fā)港區(qū)，區(qū)域雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期等設(shè)計參數(shù)仍應(yīng)按照GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》(2016年版)執(zhí)行，但在徑流系數(shù)取值上，可相對傳統(tǒng)港區(qū)略微降低，參照徑流總量控制目標(biāo)，通過水文徑流模型模擬，峰值流量控制目標(biāo)確定為0.7～0.9。

2.3 徑流污染

雨水徑流中的污染物主要有營養(yǎng)物(N、P)、固體懸浮物、有機物和重金屬等，其污染過程主要受降雨量、土地利用等因素的影響[3-4]。在港區(qū)徑流污染中，SS(污水中懸浮物濃度)往往與其他污染物指標(biāo)具有一定的相關(guān)性，因此一般可采用SS作為徑流污染物控制指標(biāo)。通過不同功能區(qū)的年SS總量去除率經(jīng)年徑流總量(年均降雨量×雨量徑流系數(shù)×匯水面積)加權(quán)平均計算，得到低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的年SS總量去除率為40%～60%。

2.4 雨水資源化利用

從理論上講，港區(qū)雨水資源化利用最大值即為實施低影響開發(fā)設(shè)施之后的地表徑流總量，即0.5～0.7。在實際確定雨水資源化利用目標(biāo)時，須綜合考慮港區(qū)用水需求、場地條件、降雨的不均勻性、工程投資等方面的因素，以滿足生產(chǎn)需求為主，根據(jù)各港區(qū)實際情況確定雨水資源化利用目標(biāo)。

3 海綿港區(qū)水文徑流計算

本文以某典型港區(qū)排水系統(tǒng)匯水區(qū)域為研究對象，基于暴雨洪水管理模型(storm water management model，SWMM)，模擬某次典型降雨下的徑流產(chǎn)生量，分析降雨與產(chǎn)流的臨界關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上為港區(qū)排水和低影響開發(fā)設(shè)計提供參考。

3.1 研究區(qū)域與子匯水區(qū)劃分

某典型港區(qū)排水系統(tǒng)匯水區(qū)域的面積為28.3萬m2，不透水面積比例為91%，其中停車場、水面、綠化、空箱堆場、軌道吊堆場、路面分別占3%、0.3%、5%、16%、54%、22.7%，見圖2?；谕恋乩玫乩硇畔⑾到y(tǒng)(geographic information system,GIS)資料和區(qū)域管網(wǎng)匯流特征，根據(jù)6種土地利用的邊界，以GIS和SWMM軟件對區(qū)域進(jìn)行匯水區(qū)劃分。按照目前的豎向設(shè)計，港區(qū)徑流流向為直接排入雨水管網(wǎng)。

圖2 集裝箱港區(qū)現(xiàn)狀土地利用類型

3.2 產(chǎn)匯流理論

針對不透水地表面積增加帶來的產(chǎn)流變化，在SWMM產(chǎn)流模型中將地表分為不透水區(qū)、透水區(qū)和混合區(qū)3類，其中綠地的下滲與產(chǎn)流本文采用Horton模型進(jìn)行模擬。

3.2.1不透水區(qū)產(chǎn)流

對于地表不透水區(qū)，其產(chǎn)流損失主要以填洼為主，并伴隨著縫隙入滲。本文采用Linsley產(chǎn)流模型，并結(jié)合徑流系數(shù)φ對模型做出改進(jìn)，通過分步遞推得到各時段的產(chǎn)流量ht為：

ht=φPt-dt

(1)

式中：Pt為第t時段的降雨量；dt為第t時段洼蓄水的增量。

3.2.2透水區(qū)產(chǎn)流

對于地表透水區(qū)，其產(chǎn)流損失主要為填洼、植物截流及下滲。本次模型采用Horton公式作為入滲方程進(jìn)行計算，得到透水區(qū)各時段的產(chǎn)流量Rt為：

(2)

(3)

3.2.3混合區(qū)產(chǎn)流

將不透水區(qū)的產(chǎn)流和降雨量疊加作為透水區(qū)的修正降雨輸入，再按照透水區(qū)的產(chǎn)流計算方法進(jìn)行計算。設(shè)降雨歷時為T，則透水區(qū)雨強與不透水區(qū)產(chǎn)流的疊加可表示為：

(4)

式中：I為T時段內(nèi)的累計疊加雨量；i為降雨強度；r(t-τ)為不透水區(qū)的時刻產(chǎn)量率；τ為不透水區(qū)匯流時間，若τ較小，則可忽略不計；A1、A2分別為不透水區(qū)、透水區(qū)的面積。

透水區(qū)、不透水區(qū)和混合區(qū)地表的徑流產(chǎn)生后進(jìn)行匯流，其流量與匯水區(qū)坡度和下墊面曼寧系數(shù)有關(guān)，公式為：

(5)

式中：Q為地表匯流量；B為子匯水區(qū)漫流寬度；n為曼寧糙率系數(shù)；d為蓄水深度；dp為洼蓄深度；S為子匯水區(qū)坡度。

3.3 徑流計算

取重現(xiàn)期P=3 a的設(shè)計暴雨進(jìn)行計算。一次降雨歷時為120 min，假設(shè)降雨強度均勻，取5 min為一個時段，即認(rèn)為降雨強度在每5 min內(nèi)相同，而在各個5 min之間不同，并以各5 min時段瞬時雨強的平均值作為5 min時段的雨強。蒸發(fā)量采用當(dāng)?shù)啬硽庀笳镜娜照舭l(fā)量作為輸入數(shù)據(jù)。降雨徑流模擬參數(shù)包括空間參數(shù)及透水(不透水)下墊面的曼寧系數(shù)、初始洼蓄量、透水下墊面土壤最大入滲速率(穩(wěn)定入滲速率)等，其中空間參數(shù)根據(jù)GIS空間分析工具直接獲得，其他參數(shù)采用該區(qū)域已經(jīng)率定、驗證的參數(shù)值，具體參數(shù)取值為：面積為0.09～15.2萬m2，子匯水區(qū)寬度為131～375 m，坡度為0.04%～1.15%；不透水下墊面的面積比例為100%，曼寧系數(shù)為0.013，洼蓄量為1.27 mm；透水下墊面的最大、穩(wěn)定入滲速率分別為1.12、0.012 mmmin，衰減速率常數(shù)為2 h-1，曼寧系數(shù)為0.15，洼蓄量為7.62 mm。

不透水區(qū)、透水區(qū)、混合區(qū)及整個港區(qū)綜合產(chǎn)流過程見圖3。各區(qū)域的概化徑流系數(shù)為：不透水區(qū)為0.88；透水區(qū)為0.35；混合區(qū)為0.73；港區(qū)為0.83。

圖3 P=3 a各區(qū)域產(chǎn)流過程線

3.4 低影響開發(fā)規(guī)劃

根據(jù)功能區(qū)的占地面積及相應(yīng)的低影響開發(fā)潛力，可以把港口陸域徑流系數(shù)降低。通過低影響開發(fā)改變不透水區(qū)概化徑流系數(shù)，以此削減凈雨強度峰值及總量?，F(xiàn)規(guī)劃將不透水區(qū)的概化徑流系數(shù)通過徑流模擬分別降低至0.8、0.6、0.4(P=3 a的設(shè)計暴雨工況下)，分別對應(yīng)工況1、2、3，經(jīng)SWMM模型模擬后的港區(qū)產(chǎn)流過程見表1。

表1 不同時間的港區(qū)概化徑流系數(shù)

港區(qū)不透水區(qū)主要由堆場、停車場、路面等功能區(qū)組成，根據(jù)港區(qū)綜合徑流系數(shù)目標(biāo)0.50～0.65的控制要求，分別考慮0.50、0.55、0.60、0.65共4種徑流總量控制工況，通過港區(qū)水文徑流SWMM模型模擬，可以求得各種工況下各功能區(qū)概化徑流系數(shù)控制要求，即堆場徑流系數(shù)控制要求在0.4～0.6，道路徑流系數(shù)控制要求在0.28～0.68，其他區(qū)域徑流系數(shù)控制要求在0.27～0.69。

4 低影響結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

凡是能促進(jìn)雨水下滲及存儲，降低雨水地表徑流的，均為低影響開發(fā)設(shè)施。根據(jù)港口功能設(shè)施布局特點，適宜作為低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建的主要功能區(qū)有港區(qū)堆場、港區(qū)道路、港區(qū)集排水溝、建筑屋頂、停車場、綠化場地及生態(tài)集水池等區(qū)域設(shè)施；本文重點敘述堆場及集水溝設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 堆場設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

集裝箱堆場低影響開發(fā)設(shè)計應(yīng)主要從以下兩方面開展：1)改善堆場鋪面結(jié)構(gòu)的透水性，從而增加堆場的透水面積；2)對集裝箱箱角、作業(yè)機械跑道等之外區(qū)域進(jìn)行綠地化設(shè)計，以達(dá)到對堆場進(jìn)行徑流總量和峰值控制的目的。

港口堆場主要分為散貨堆場、件雜貨堆場及集裝箱堆場等，散貨堆場由于貨種多為煤礦、礦粉、砂、糧食等細(xì)顆粒物料，上覆細(xì)顆粒物料容易堵塞鋪面孔隙，造成孔隙淤堵，故散貨堆場一般不適合進(jìn)行低影響透水性設(shè)計。較為適合進(jìn)行低影響開發(fā)的主要為件雜貨堆場及集裝箱堆場，本文主要針對集裝箱堆場進(jìn)行展開論述。

4.1.1堆場鋪面結(jié)構(gòu)透水性設(shè)計

港區(qū)堆場的鋪面結(jié)構(gòu)層主要由面層、基層和墊層組成。目前港區(qū)堆場常用的面層結(jié)構(gòu)主要有混凝土鋪面、連鎖塊鋪面、瀝青鋪面、獨立塊鋪面等，這些鋪面結(jié)構(gòu)幾乎不具有透水性；基層主要分為穩(wěn)定類、貧混凝土和粒料類，這些材料具有一定的透水性；墊層一般采用級配碎石等，主要用于透水和調(diào)整施工基面，因此墊層具有良好的透水性。港區(qū)堆場進(jìn)行低影響開發(fā)設(shè)計時，在確保鋪面結(jié)構(gòu)整體強度的前提下，從改善面層和基層結(jié)構(gòu)的透水性方面進(jìn)行考慮。

目前場地常用的透水性面層多采用透水瀝青混合料、透水水泥混凝土、透水磚等多孔材料[5]。然而，無論是透水瀝青混合料、透水水泥混凝土還是透水磚，其強度均與材料孔隙率有關(guān)，孔隙率越小，強度越高，但孔隙率過小會影響透水效果。因此，透水性鋪面材料應(yīng)具有適中的孔隙率和適當(dāng)?shù)膹姸?，使其在保證承載力的基礎(chǔ)上具有良好的透水效果[6]。

基層材料宜采用透水性好的級配砂礫、級配碎石或多孔隙水泥穩(wěn)定碎石等，可以保證基層具有恰當(dāng)?shù)膹姸群洼^好的透水性；另外，在墊層與土基之間須設(shè)置無紡?fù)凉た椢?，起到隔離土基細(xì)粒料堵塞透水層的作用。堆場雨水下滲至土基型透水性鋪面結(jié)構(gòu)如圖4a)所示。

若考慮將堆場下滲的雨水進(jìn)行收集再利用，則可以在面層和基層之間設(shè)置過濾層，為面層施工提供穩(wěn)定工作平臺的同時，也起到初步過濾污染物的作用，同時透入水可以通過透水過濾層均勻分布到基層；另外，可以在墊層下鋪設(shè)防滲土工布，以便雨水存儲在墊層底的集水管中，然后排至蓄水池進(jìn)行二次利用。堆場收集雨水型透水性鋪面結(jié)構(gòu)如圖4b)所示。

根據(jù)常用透水混凝土、透水瀝青及透水磚的主要技術(shù)性能指標(biāo)，在透水系數(shù)大于0.8 mms的情況下，根據(jù)典型一般降雨過程線過程模擬，實際概化徑流系數(shù)可達(dá)到0.40～0.55，可以滿足水文徑流計算對堆場鋪面所要求的徑流系數(shù)限值。再結(jié)合目前港區(qū)堆場流動荷載及不同堆場貨種荷載(集裝箱箱角荷載8～11 MPa，件雜貨堆場荷載60～120 kPa)要求，透水鋪面結(jié)構(gòu)完全可以滿足港區(qū)極限荷載指標(biāo)；但由于透水材料強度性能指標(biāo)(彈模較小、泊松比較大)相對傳統(tǒng)鋪面結(jié)構(gòu)材料有一定折減，故而在同等情況下，所需的鋪面結(jié)構(gòu)及下墊層材料厚度均有所增加。

綜合上述分析，港區(qū)堆場透水鋪筑的主要設(shè)計流程如圖5所示。

上述透水鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)施設(shè)計主要適用于港區(qū)堆場、道路及停車場等功能設(shè)施。

圖4 堆場透水性鋪面結(jié)構(gòu)

圖5 港區(qū)堆場透水鋪筑的主要設(shè)計流程

4.1.2堆場綠地化設(shè)計

針對集裝箱堆場特殊布置形式，可采取堆場箱角間綠地化設(shè)計。根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，集裝箱碼頭重箱堆場集裝箱應(yīng)按箱門同向堆放，間距宜取0.4 m。另外，集裝箱與地面之間通過箱角接觸并傳遞荷載，每一個箱角的接地面積只有178 mm×162 mm(長×寬)。因此，為了方便20 ft和40 ft(1 ft約合0.305 m)集裝箱同時在一個箱區(qū)進(jìn)行裝卸、堆存作業(yè)，本文考慮在相鄰兩個箱位之間沿長邊方向設(shè)置一條寬0.8 m的鋪面結(jié)構(gòu)以承受箱角荷載，其他區(qū)域布置綠化，如圖6a)所示。對于每一個箱位而言，綠地面積占比為71.83%，如圖6b)所示。

圖6 堆場綠地設(shè)計及綠地面積占比

由于堆場的布置有多種形式，綜合考慮龍門起重機、集卡等作業(yè)通道所占用的鋪面面積，每一個箱區(qū)的綠地面積約占整個箱區(qū)總面積的50%～60%，綜合徑流系數(shù)可控制在0.40～0.55，相比于傳統(tǒng)的堆場設(shè)計大幅增加了雨水下滲的總量，可有效控制徑流總量和徑流峰值。

4.2 集水溝設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)有散雜貨碼頭配套堆場的含塵雨水被認(rèn)為是污水，不能直接排入水體，為滿足環(huán)境保護(hù)要求，該配套堆場內(nèi)含塵雨水的治理模式一般為：堆場內(nèi)部布設(shè)排水溝(或偏溝)，用以收集堆場內(nèi)的含塵雨水，在排水溝末端設(shè)置含塵污水處理廠，將排水溝收集的含塵雨水處理后回收利用或排放。

現(xiàn)有集裝箱碼頭配套堆場的雨水可以直接排入水體，一般的模式為：堆場內(nèi)部設(shè)排水溝(或偏溝)，用以收集堆場內(nèi)的雨水，在排水溝末端設(shè)置溝管連接井，通過溝管連接井將收集雨水并入港區(qū)雨水系統(tǒng)，并最終排入附近水體。

在港區(qū)低影響開發(fā)設(shè)計中，通過在各類不同類型堆場內(nèi)采用透水鋪裝、箱角結(jié)構(gòu)、綠色屋頂及增加綠化面積等技術(shù)降低堆場的徑流系數(shù)，使得雨水收集的總量變少。本文通過對排水溝進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，在排水溝內(nèi)部中間增加含有吸附物質(zhì)的吸附層，對收集的雨水提供一定的凈化作用，雨水在通過吸附層后，下滲至明溝下端。通過這一工藝手段，使從堆場內(nèi)收集的水能夠再次使用，通過港區(qū)雨水管線，提供一部分供給海綿港區(qū)內(nèi)的景觀濕地使用。海綿港區(qū)排水溝如圖7所示。

圖7 生態(tài)排水溝設(shè)計

5 結(jié)論

1)針對港區(qū)特點，創(chuàng)新性地將海綿城市低影響開發(fā)概念融入港區(qū)建設(shè)，通過總體分析提出港區(qū)低影響開發(fā)建設(shè)的總體目標(biāo)和各專項控制目標(biāo)。

2)結(jié)合港區(qū)特點進(jìn)行海綿港區(qū)的布置研究，提出適合進(jìn)行低影響開發(fā)的設(shè)施及重點實施區(qū)域。

3)在各類碼頭中，散貨碼頭由于污染性較高，不適合采用低影響透水性設(shè)計，較為適合進(jìn)行低影響開發(fā)的主要為件雜貨及集裝箱堆場，同時在堆場各類功能區(qū)中，較為適合進(jìn)行低影響開發(fā)的區(qū)域主要是堆場、道路、集排水溝、建筑屋頂?shù)葏^(qū)域。

4)通過建立適合港區(qū)的水文徑流模型——SWMM模型，結(jié)合港區(qū)綜合徑流控制要求，提出一般港區(qū)各功能區(qū)的概化徑流系數(shù)要求，為港口低影響開發(fā)建設(shè)提供一種全新的思路，實現(xiàn)港口雨洪科學(xué)合理的開發(fā)利用。

5)主要從技術(shù)角度對低影響開發(fā)理念引用至港區(qū)其適用性進(jìn)行探索性研究，尚缺乏經(jīng)濟效益分析內(nèi)容，而大面積采用透水鋪裝、綠色屋頂?shù)鹊陀绊懺O(shè)施須著重考慮其經(jīng)濟效益指標(biāo)，后續(xù)將針對該方面內(nèi)容展開重點研究。