中国市政工程西北设计研究院有限公司
摘要：随着海绵城市建设在国内各城市的大范围兴起，各种与之相关的规划理念及工程措施也相继出现。明沟系统作为海绵城市建设的重要形式，在国外一些地区有很多成功的应用案例，但在国内的海绵城市建设中还未得到充分的重视。本文介绍了生态明沟系统对于城市排水和环境的重要意义，并通过国内外实际工程案例说明明沟排水的优势及具体做法。同时将生态明沟排水的概念应用到深圳某区域的排水规划中。
关键词：海绵城市；生态明沟排水系统；排水规划
1. 概述
城市排水系统是现代化城市不可缺少的基础设施，不仅起到防洪排涝的作用，也是水污染控制和水环境保护体系的重要环节。我国的排水系统经历了漫长的发展过程，形成了一定的规模，发挥了应有的作用，但在实践中仍然暴露了许多矛盾和问题，如极端天气下内涝频发、城市雨水径流污染严重、雨水资源大量流失和由此带来的一系列城市环境问题。
2014年11月，为贯彻落实习近平总书记讲话及中央城镇化工作会议精神，大力推进建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”，保护和改善城市生态环境，促进生态文明建设，住建部组织编制和发布了《海绵城市建设技术指南》[1]，提出了海绵城市建设——低影响开发雨水系统构建的基本原则，规划控制目标分解、落实及其构建技术框架，明确了城市规划、工程设计、建设、维护及管理过程中低影响开发雨水系统构建的内容、要求和方法，并提供了我国部分实践案例。
当前，深圳市某新区已进入大规模开发、跨越式发展时期，并且规划先行，开展了大量工作，编制了一系列规划，这些上层次指导性规划均倡导将低影响开发模式作为该区河流域开发建设的基本理念，为践行低影响开发模式奠定了良好基础。通过合理的管理措施及技术手段，引导实践低影响开发模式下的城市开发建设，从源头控制面源污染、削减洪峰、涵养水源，是新区当前开发的关键任务。
2. 明沟排水系统的定义、分类和特点
2.1 明沟排水的定义
明沟排水是相对于暗渠或管道排水而言。传统明沟排水是在地面上开挖出小沟（小渠），其断面通常是梯形或矩形，来收集和排除地表水或地下水，沟底顺排水方向不断降低（正坡），水流依靠自身重力流动。明沟作为人类城市文明出现以来最早应用的排水形式之一已有数千年的历史。人类建设的最早的排洪、给排水、水利工程也都是明沟。中国战国时代公元前270多年前修建的白起渠是早期人类文明的明沟工程范例。
随着现代城市的发展，为了释放地面空间，不影响交通、场地使用或观瞻，明沟逐步加盖，或以地下管渠系统所取代。然而，人们并未过多考虑开发对原有生态环境造成的影响，逐渐增多的自然灾害促使人们开始反思城市化与灾害之间的某种关联。
低影响开发模式的主要目标即将雨水流量尽可能控制在城市开发之前的水平。近期住建部提出的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》可有效指导各地新型城镇化建设过程中，加大城市径流雨水源头减排的刚性约束，优先利用自然排水系统，建设生态排水设施，有效缓解城市内涝、削减城市径流污染负荷、节约水资源、保护和改善城市生态环境。
上述城市建设理念的推广为城市明沟系统的应用创造了新的机遇。以植被浅沟、植草洼地、渗沟、下凹式绿地、雨水湿地等措施为代表的低影响开发模式赋予了城市明沟系统新的涵义。
2.2 排水明沟的分类
2.2.1 以断面类型划分
本次研究的明沟系统属于城市排水系统，包括硬质断面排水明沟及符合低影响开发理念的生态明沟，具体分类如下：.png)
图2-1. 按断面类型划分明沟系统
与传统的排水明沟相比, 低影响的生态明沟包含的技术措施应用更广泛, 不仅包括常见的植草排水沟，还包括雨水花园、雨水湿地、植生滞留槽及下凹绿化带等。
2.2.2 以应用范围划分
本次研究的明沟系统应用范围较为广泛，可以覆盖开发地块内部到市政排水系统、河流水系等雨水汇流的全过程，根据其应用范围可作如下划分：
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图2-2 按应用范围划分明沟系统
2.3 生态明沟排水的特点
城市建设过程应充分考虑河网的调蓄、缓冲和排水作用，因地制宜采用不同类型的排水模式。在本次规划中，除不透水断面的明沟排水系统外，重点提出符合低影响开发理念的生态明沟系统，包括植草排水沟、下凹绿地、植生滞留槽、雨水花园及生态护坡的河道、排洪渠等，除具有传统明沟排水系统的特点外，还具备环境友好的优点，分述如下：
（1）生态明沟系统能够下渗、滞流、蓄存、排放多管齐下，削减洪峰，涵养地下水；
（2）改变部分区域传统硬质渠道的建设模式，采用可渗水结构，增加雨水的入渗量，削减洪峰流量；
（3）输送雨水的同时截留和降解面源污染，减轻受纳水体的污染负荷
（4）断面软化、绿化的明沟排水系统与自然环境融合度高，能够起到提升景观效果的功能
3. 国内外明沟排水系统实践
3.1 国外案例
3.1.1 新加坡的明沟排水、集水体系
同为滨海城市的新加坡利用城市明沟系统进行雨水导排和水资源收集利用已走在了世界前列。总面积约710km²，年均降雨量2400毫米，由于河流短小、降雨量大且缺乏蓄水空间，使城市发展过程中面临内涝和水资源短缺问题。明沟排水系统不仅起到导排雨水、防止洪涝的作用，同时也承担了城市供水收集系统的功能。
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图3-1 新加坡生态明沟实例
（1）明沟系统参与内涝防治
2011年6月新加坡乌节路发生严重的淹水事件，特别是的暴雨使全岛多个地方出现突发性城市内涝，导致交通瘫痪数小时，引起了新加坡社会各界的广泛关注。新加坡公用事业局成立专家顾问团，提出了内涝整治的若干建议，其中具体工程措施包括：建立新型排水系统，从源头—路径—末端等三个方面实施“排水—阻水—储水一体化”方案，减少城市排水系统风险。其中源头控制即包括社区蓄水池及池塘、绿色屋顶、雨水花园、草沟、透水路面等。
（2）明沟系统参与供水收集
新加坡在全国范围内建立13个集雨区为主的水资源收集体系：雨水通过明沟——明渠（暗管）——河流收集流入蓄水池，输送到水厂进行处理后进入供水管网系统。新加坡每天耗水130万m3左右，其中百分之五十的水源来自收集到的雨水。
3.1.2 德国鲁尔工业区恩瑟尔河治理成果
德国鲁尔工业区未开发时，恩瑟尔河是一条蜿蜒的自然河流，水系长达350km，流经沼泽湿地区域，水质纯净。伴随着工业区的开发，恩瑟尔河曾被当做工业区的排污河，河道硬质化，接纳了工业区所有的生活及工业污水，水质严重污染。随着鲁尔工业区的没落和对生态保护的重视不断提升，为了修复河流的水环境付出了巨大的财力物力。.png)
图3-2 德国鲁尔工业区恩瑟尔河区位
恩瑟尔河流域治理是鲁尔工业区更新计划中耗资最巨、耗时最长的一个项目，共分为三个主要阶段：
（1）污水厂及沿河污水收集系统建设阶段
历时7年（1991-1997年），耗资4亿五千万马克，建成了世界最大的一座生物污水处理厂。与污水厂配套、同时建成的还有与河道平行敷设，长约80km的污水收集系统。
（2）雨污分流阶段
实现彻底的雨污分流，使雨水直接进入河川径流、污水进入地下水道。前后历经20-30年，建成了长达400km的地下污水收集系统。同时，于流域上中下游兴建了若干分散污水处理站。
（3）河道整治及景观提升阶段
对曾经建设成钢筋混凝土的沟渠进行拆除、以天然材料修葺，恢复自然形态的河道断面。治理过的河段经过一定时间的封溪保育之后，显现了强大的自我修复能力，鱼虾回归，生态得到真正的恢复，河岸居民生活品质得到了彻底的提升。
图3-3 恩瑟尔河边坡治理前后对比
3.2 国内案例
（1）明沟排水系统用于横琴新区
横琴新区建设用地范围地势平坦低矮，且河流水系全部为感潮河段，综合交错且密集的明沟排水系统能够使建设区内雨水管渠以最短的距离入河，最大可能的避免了潮水顶托，防止内涝。
横琴新区规划的明沟排水系统有四个分区，分别为北区排洪系统、中心沟排洪系统、东南区排洪系统、西南区排洪系统，
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图3-4 横琴新区防洪潮明沟系统布局
洪潮组合：采用横琴新区围内50年一遇暴雨遭遇外海10年一遇高潮的组合潮位。中心沟常水位按1.50m控制；
排洪渠：中心沟排洪渠断面采用生态复合型，向陆域延伸25m划分为建设退让线；规划排洪渠以明渠形式为主，渠宽5m以上渠道不得加盖；排洪渠管理范围为内顶边向外不小于5~10m，排洪渠安全保护范围为管理范围的外缘线向外延伸5~15m；
截洪沟：沿大、小横琴山与建设用地边缘布置，高水高排、低水低排、禁止将山洪接入城市雨水管网。
（2）生态明沟的广泛应用
生态明沟系统作为新型的排水及控制径流污染的模式，在北京奥林匹克森林公园中心区、天津中新生态城、广州中新知识城、深圳光明新区国家LID示范区等新区的规划中逐步实践。
4.1 区域自然特点
（1）地形地貌
新区某河流域位于深圳市东部海岸山系北麓，处于背风坡，地势较高，故其支流多源于此处（即干流南边）。而河道干流北侧，地势较低，以台地为多，故支流较少。全流域地貌以丘陵、台地、低山为主，具体地貌类型统计见表4-1。
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图4-1 深圳某新区地形地貌
表4-1 某河流域地貌类型统计表
流域东西走向为宽谷冲积台地和剥蚀平原，适于开发建设；西部为低山丘陵；南部为连片山地，属砂页岩和花岗岩赤红壤，石英砂含量高，易于崩解。
（2）坡度分析
坡度分析表明中北部浅丘陵和坪山盆地地势舒缓，高差较小，其中中部东西走向为宽谷冲积台地和剥蚀平原，约70 km2内的地形高差小于40m，坡度小于10%，建设区用地坡度在0%-25%内的用地面积占规划范围面积的88.4%。
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图4-2 某新区坡度分析图
4.2 区域排水现状及存在的问题
主河道和支流基本都为明渠，只有极少部分处于建成区下的暗渠。部分河道正在实施生态河道整治工程。
部分建成区已进行雨污分流改造，但仍有很大区域为合流制排水。
干流河道自净能力较强，上游两支流汇合后进入干流河床，水质较好，随着支流汇入，水质变差。下游的干流河道断面较为生态、开发强度较低、污染源减少，下游交接断面处河流水质有所好转，但仍为劣V类。
主河道北侧支流由于穿越建成区，河道污染严重。南侧各支流均发源于南侧山体，各支流的共同特点是上游水库水质较好，表现为清澈透明，但是流经建成区后，因沿河有大量污染物排入，到中下游污染越发严重，到下游处，因水体自净的作用，河道水质有所改善，但是河口水质依然全部劣于V类。
4.3 规划应用
4.3.1 规划原则
新区明沟系统规划原则主要有：
（1）按水务部门文件要求，结合现状和近期建设项目，无特殊情况明渠不可改造为暗渠
（2）规划区内截洪沟全部纳入明沟系统
（3）生态控制线内雨水、排洪尽可能全部采用明沟
（4）重点在坡度较陡、近山靠湖等处设置明沟
（5）市政走廊、绿化带、半月环等地设置明沟
流域内支流的暗渠段，应结合河道整治及城市更新改造，适时打开上盖，恢复明渠，建设生态渠道。
4.3.2 总体方案
（1）本次规划考虑对某河干流上游及中下游沿线河道蓝线内设置湿地系统，可处理污水厂尾水或净化雨水径流后排入河道内。
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图4-3流域湿地园设置位置示意图
根据国内外初期雨水研究相关结论表明，初期雨水与本流域地形地貌、面源污染程度及降雨资料等诸多因素密切相关。本次规划布置沿河生态湿地系统，具体布置原则如下：
1）雨水花园可建设在有用地条件的雨水入河口位置，并尽可能位于河道蓝线范围内。
2）在有条件的绿地或公园内分散设置小型市政初期雨水利用设施，结合雨水花园的设置，就地调蓄处理，初期雨水调蓄池的数量及规模可待进一步研究后确定。
（2）沿山区周边建设截洪沟系统，实现雨洪分流、清浊分流。
新区范围内南部主要为山区，雨水相对洁净，如直接流入城市建成区，增大市政雨水管网的排水负担，同时浪费优质水资源。故本次规划考虑沿规划南坪路南侧、老横坪公路北侧布置截洪沟系统，有效利用山区雨洪资源作为河道水体补充水源，实现“雨洪分流、清浊分流”，规划截洪沟按50年一遇防洪标准核算其断面。
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图4-4 山区截洪沟布置示意图
（3）新建小区、公园、广场、绿地，丘陵边缘、近河地带布置明沟雨水系统。
在分流制排水体制的前提下，局部地区雨水系统修建为明渠，可以解决排水暗管（渠）的各种问题，如清淤方便、实施简单，经济合理等优点。考虑到以上情况，本次规划建议在排水（雨水）系统的起端，如新建小区、公园、广场、绿地，丘陵边缘、近河地带以排水明沟取代雨水暗管（渠）。按照暴雨强度公式计算[2]排水明沟，建议选用梯形断面，根据用地条件，合理选取边坡系数m值。
4.3.3明沟系统规划控制指标
（1）防洪及排涝标准
1）干流：根据《城市防洪工程设计规范》（GB/T50805-2012）[3]规定，并综合考虑《深圳市防洪（潮）规划（修编）报告（2014～2020年）》，确定某河干流防洪标准为100年一遇。
2）支流：根据《新区中心区规划》，新区定位为科学发展和综合配套改革示范区；产业发展战略支撑地、新的城市经济增长极。对中心区定位为城市次中心，对防洪的要求较高。且水系汇水面积范围内全部为城镇，地面已基本硬化，导致下渗流量小，汇流时间短，地面洪峰流量大而急，考虑到以上各种因素，并结合《深圳市防洪（潮）规划报告（修编）（2010~2020）》等相关规划成果，支流水系统一采用50年一遇防洪标准。
3）排洪渠（截洪沟）
设计标准：50年一遇；
4）雨水管渠及排水浅沟
排水管渠设计标准按5年一遇设计，防涝标准按50年一遇设计。规划明确了深圳市内涝灾害标准：①积水时间超过30min，积水深度超过0.15m，积水范围超过1000平方米。
（2）径流控制指标
1）总体目标
建设项目可选用以下分类用地综合雨量径流系数作为规划设计目标，综合雨量径流系数应按规划建设后的下垫面进行加权评估。
表4-2 综合径流系数控制表[4]
注：①其他未注明用地类型（非特殊污染物地区）的可按0.5执行。②混合型用地按主用地类型选择。③新建项目及完全更新项目按表中规定数值执行、改造项目可参考执行。
2）单项控制指标
绿地下沉比率：鉴于中心区具有较高的规划建设标准，且规划地表水体及绿地面积较大，因此建议控制高程低于周围汇水区域的低影响开发设施（含下凹式绿地、雨水花园、具有调蓄功能的水体等）的面积占室外绿地总面积的比例控制在50%以上，即：
4.3.4 明沟水力计算
（1）一般排水明沟计算
1）暴雨强度公式或雨水管渠水力模型
综合径流系数：旧城区取0.8，新城区取0.7。
设计暴雨强度公式采用深圳现有单一重现期暴雨强度公式[5]。
2）水力模型
雨水管渠水力模型计算设计雨型为短历时雨型。短历时雨型采用芝加哥雨型推求重现期为1~10年，历时2小时1分钟间隔短历时雨型，雨峰系数r=0.35，降雨量根据《深圳市新一代暴雨强度公式及计算图表》求得：1年一遇为71.4mm，2年一遇为86.3mm，3年一遇为95.0mm，5年一遇为106.1mm，10年一遇为121.1mm。
（2）河道及截洪沟计算
洪水计算针对河渠面积和平均比降不同，采用不同方法。
1）广东省综合单位线法
范围内干支流汇水面积较大（5km2以上），平均比降较大，故应用《广东省暴雨径流查算图表》手册[6]，利用雨量资料和设计暴雨，采用广东省综合单位线法，间接推求流域各断面设计洪水。
2）广东省水文总站地区经验公式
对于区内部分汇水面积较小的支流、排洪渠（5km2以下），平均比降较小，本次规划洪水计算应用广东省水文总站地区经验公式计算：
Qp＝C1×H24p×（1/θ0.15）F0.84
或Qp＝C2×H24p×F0.84
式中Qp—设计洪峰流量（m3/s）
C1—与频率有关的流量系数，见下表
C2—与频率有关的流量系数，见下表
H24p—24小时频率设计雨量(mm)
θ—集水区域特征参数，θ＝L/J1/3，L为河长（km），J为坡降。
F—汇水面积（km2）
表4-3设计频率与C1、C2值关系表
4.3.5 明沟的典型构造形式
明沟除了排除雨水的基本功能，还应具有某些附加功能，例如绿化美化，提供亲水环境，成为休闲活动场所，提升生态环境品质等。明沟设计施工还需要满足基本的水工结构要求，具有构筑物在结构方面的所有属性。
（1）道路明沟、排水边沟形式
采用生态明沟排水方式的道路：路面雨水宜首先汇入道路红线内绿化带，当红线内绿地空间不足时，可由建设主管部门协调，将道路雨水引入道路红线外城市绿地进行消纳、排除；道路排水宜采用生态明沟，并通过溢流排放系统与下游水体或城市雨水管渠系统衔接，保证上下游排水系统的通畅。
道路横断面设计应优化道路横坡坡向、路面与道路绿带及周边绿地的竖向关系等，便于径流汇入明沟系统。
图4-5 典型道路明沟排水断面及意向图
（2）河道断面形式
河道断面形式应根据用地条件、河道空间尺度及功能，在满足防洪要求的前提下合理设计断面形式。以下结合具体案例，列举了新区河道整治的一些断面做法，包括矩形、梯形等断面形式。
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图4-6 矩形明沟典型断面
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图4-7 梯形明沟典型断面（一）
4.3.6 明沟维护保养
一般来讲，明沟比暗沟、暗管都易于维护保养。在建设施工和维护保养的定位、巡检、进出、清淤、维修、大众参与等各个方面均具有明显的优势。
明沟维护需要有工程措施，例如为减少进入的泥沙设置的沉砂池及其清淤设施，为维护人员设置的扶梯、爬梯、通道，为游人设置的栏杆、甬道、照明等。还有人员，工具，车辆的配置。
5. 小结与思考
5.1 小结
新区有独特的自然地理环境，南部区域山地众多，地形起伏较大，河流水系发达、自然环境良好、土壤渗透性较好，适宜开展低影响开发示范项目的建设。本次研究的明沟系统包括河道、明渠、截洪沟、草沟、雨水花园等类型，对环境的适应性强，是值得推广的排水设施。对新区而言，除现有的河道水系外，部分建设区域和生态区的雨水系统可考虑摒弃传统的埋地暗管或暗渠，代之以城市雨水明沟，其优点突出体现在以下方面：
（1）布置雨水明沟系统，并结合小型雨水调蓄设施、雨水花园的布置，可有效收集利用雨水资源，并从源头削减面源污染，降低末端污染治理工程的难度与造价。
（2）在绿地系统中布置雨水明沟系统，地表径流经过绿地的阻滞，可有效延缓径流时间，削减洪峰流量。
（3）在道路两侧布置雨水明沟系统，为其他市政管线预留地下空间，减少系统埋深，降低工程费用。
（4）雨水明沟系统相对于传统的管（渠）系统而言，工程实施简单、管养维护方便、城市垃圾易清扫、面源污染易控制，更为经济。
（5）明沟系统与城市景观相融合，提升市政设施的景观功能和价值。
5.2 问题思考
（1）规划指标难落实，约束力不强，缺乏可操作的法律依据
对于明沟排水系统，除已明确的设计防洪排涝标准以外，还存在一些难以量化的目标，如低影响开发的明沟系统对于污染控制及迟滞洪峰的要求，可操作性不强。
因此，应完善相关法律、法规，保障规划实施，并积极开展公众参与，形成决策者、设计者、开发商和民众之间的良性互动，发动群众共同监督规划实施。
（2）新理念、新指标对传统规划控制体系的冲突
传统规划指标控制内容较为成熟，责任主体与管控模式相对明晰，但随着城市发展与环境之间的矛盾复杂性凸显，高标准、新要求的提出，业内存在对一些基本理论、系统框架和重大关系理解不足，认识不清等问题，加之对新型雨水系统设施激励措施不足，数据资料和技术知识缺乏，专业人员抵触，规范标准约束力不强，往往造成规划理念难以落实的现实情况。
因此，专业的团体包括规划师、生态学家、建筑师、工程师、景观设计师、承包人和开发者作为主流的低影响开发实践最具影响力的代表，需要承担起对客户、公众和政策制定者的理念提倡和教育推广。
（3）明沟系统在设计、实施、管理过程中面临的技术难点
明沟排水系统位于地表，与浅埋的市政管道如燃气、电力、给水等管线竖向位置冲突，因此市政管线与明沟的交叉处理需要特别注意。明沟的设计与周边用地及景观协调量较大，尤其是设计建设具有径流污染控制功能的生态明沟系统，需要更大的占地面积和更精细化的设计理念。另外，针对明沟系统的良好维护和后续管理是保障防洪排涝安全的关键，因此须对明沟进行日常清理，避免垃圾、水土流失等造成填塞。虽然较暗渠的维护相对简单，但工作面较大。
因此，在规划编制过程或在方案确定前，应通过各类规划技术方法及手段，评估方案的具体绩效，并提出改善建议反馈到方案编制中。该类规划评估主要包括规划方案评估、经济可行性评估两方面
参考文献
[1] 海绵城市建设指南，住房和城乡建设部，2014.
[2] 张辰，等. 室外排水设计规范，中国计划出版社，2014.
[3] 谢熙曦，等.城市防洪工程设计规范，中国计划出版社，2012.
[4] 宁天竹，等. 坪山新区明沟系统规划研究，深圳市规划和国土资源委员会，2015.
[5] 深圳市暴雨强度公式及查算图表，深圳市气象局，深圳市规划和国土资源委员会，2015.
[6] 广东省暴雨径流查算图表，广东省水文总站，1991.
论文作者:马之光
论文发表刊物:《基层建设》2016年15期
论文发表时间:2016/11/15
标签：明沟论文; 雨水论文; 系统论文; 河道论文; 断面论文; 城市论文; 径流论文; 《基层建设》2016年15期论文;