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如何解决城市地下水匮乏和内涝难题？
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我国是全世界城市化速度最快的国家之一。根据国家统计局公布的《2017 年国民经济和社会发展统计公报》，2017 年末，我国常住人口城镇化率达到 58.52%，预计到 2020 年前后，城镇化率将超过60%。我国城市化的规模、速度和复杂度都是俄罗斯和欧美发达国家所无法比拟的，多数城市在规划建设初期低估了城市化的发展速度，因此城市人口的迅速增长和城市规模的快速发展致使城市水问题日益凸显。住房和城乡建设部 2010 年的调查统计显示：在受调查的351 个大中城市中，有 213 个城市曾经发生过轻度或重度的积水内涝灾害，其中有 137 个城市内涝灾害一年超过 3 次，包括干旱少雨的西安、沈阳等西部和北部城市。有 74.6%的城市在内涝发生时的最大积水深度大于 50mm，超过 90%的城市积水深度大于15mm，有 57 个城市的最大积水时间大于 12h。近年来，我国多次发生特大洪涝灾害事件，如 2012 年北京“7.21”特大洪涝、2007 年济南“7.18”特大洪涝等。应对城市水安全问题，发展相应的工程和非工程措施已经迫在眉睫。
造成如此严重的城市洪涝灾害问题，主要有 5 个原因：
一是城市化导致的不透水面积增加，城市化的进程伴随着大量楼房建设，混凝土、沥青路面铺设，这些表面都是硬质化的不透水表面，研究表明地表从天然植被覆盖到 75%～100%不透水面的转变时，下渗水量从 50%缩减到 15%，地表产流量从 10%提升到 55%，过高的不透水面占有率使地表在降雨之后迅速产生大量地表径流，缩短了洪峰出现时间，提高了地面洪水水量，加重城市洪涝灾害。
二是城市雨岛效应，属于城市化的水文效应，其改变了局部气候和下垫面条件，使城市地区强降雨增加，降雨强度(或雨强)峰值增高，降雨强度曲线尖瘦，极易在短时间汇集巨大的水量，产生城市地表洪水。
三是城市排水基础设施建设不足，我国过快的城市化进程使大多数城市排水基础设施建设严重不足，多数城市排水系统建设的设计暴雨重现期不足 1 年，导致这些地区的暴雨洪水积水严重，另外城市内排水系统(管网)与外排水系统(河道)衔接不协调，加剧了城市雨水外排的难度。
四是城市基础设施中下凹式设施的增加，随着城市交通网络的发展，下凹式立交桥、地下通道等地势较低设施的数目不断增长，极易出现内涝，从而导致整个交通系统陷入瘫痪，危害城市居民和社会发展。
五是城市排水设施维护管理不善，由于年久失修和无法做到定期维护，多数城市排水管网淤塞严重，加之原本管道设计标准较低，使城市洪水外排速度更加雪上加霜。
以上原因所造成的城市严重水问题受到了社会和政府越来越深切的关注，为了解决这些问题，国家提出“海绵城市”这一全新的理念。2015 年，财政部、住房和城乡建设部、水利部联合启动了海绵城市建设试点工作，将海绵城市建设提上日程，并在首批 16 个试点城市中进行初步摸索。海绵城市理念源自低影响开发建设模式，依托已有的防洪排涝体系，建设多种城市景观，赋予其对天然雨水径流的蓄存、下渗、净化和缓释作用，降低洪涝灾害对城市的影响，实现城市水资源充分利用。海绵城市的建设途径有以下 3 个方面：一是保护原有生态系统，这其中包括诸如湖泊、湿地、沟渠等水生态敏感区；二是生态修复，改变粗放式的建设模式，运用生态手段修复遭到破坏的自然景观；三是低影响开发，综合建设多样化的低影响开发设施，使城市的水文状态保持在开发建设之前的状态。海绵城市创建在我国尚属于新的课题，其作为新兴的城市开发模式，必将随着试点城市的推广而成为我国城市开发建设的新标杆。
济南市作为海绵城市的第一批试点城市，在全国率先开展低影响开发及海绵城市的探索和实践。济南市是我国北方代表性内陆城市，属暖温带半湿润大陆性季风气候。在汛期(6～9 月)，降水量占全年降水总量的 70%～80%，汛期暴雨强度大、历时短、空间分布不均匀。由于地形南高北低，短历时高强度暴雨在南部山区易形成山洪涌入南部城区，威胁周边居民的生命财产安全。市内主要交通干道网格状分布，且多为东西、南北走向，加之城市比降较大，形成了人工的南北向行洪干渠，将南部山洪引导至低洼市区中心，放大山洪致灾规模和效应。城区骨干排水系统布局不合理，排水管网系统整体排涝能力低下，居民小区建成时间较长，缺乏完善的排水排污系统。市区河道、排洪沟多汇入小清河，小清河属于平原型水系，比降小、河道狭窄，过水能力严重不足，再加上汛期外河水位往往超过小清河水位，造成小清河排水量远远不如排入量，易漫溢致灾。大量的汛期降水无法储存，雨洪只能通过城市陆面和内部河流的汇聚进入黄河排走。而在非汛期，由于降水稀少，用水量大，加之水资源利用效率低下，存在严重的缺水问题。
以上表明济南市在汛期易遭受雨洪灾害的侵袭，在非汛期又面临水资源紧张的问题。因此，研发海绵城市关键技术与设施，并将其应用到城市建设中，对济南市至关重要。目前，海绵城市建设尚处于起步阶段，其建设标准、工程和非工程措施、管理政策等尚不完善，加之济南市特殊的地理环境和社会需求，亟须建设和发展适用于济南市的雨水收集和利用技术以及评估分析方法，保障海绵城市建设的顺利，实现效益最大化。
《透水铺装蓄渗与堵塞机理研究》以全国第一批海绵城市试点城市中的济南市为例，研究多层复合排水沥青路面铺装，结合面层沥青混合料试验和整体铺装下渗产流、堵塞维护试验两大部分，对多层复合排水沥青路面的强度和功能性进行深入研究。同时，结合透水铺装堵塞特性试验，对透水混凝土堵塞效应影响因素及堵塞机理进行研究和分析。
(1)将 SBS 高黏度沥青作为排水沥青面层结合料，通过试配法确定不同级配下对应的沥青混合料空隙率，对比 70#基质沥青，探索 SBS 高黏度沥青混合料在水稳定度方面的性能提升，探究空隙率的不同对沥青混合料渗透系数的具体影响情况。
(2)按照 2 年、5 年、10 年、20 年、50 年一遇的情况，使用济南市暴雨公式计算得到对应的降雨量，作为人工降雨的雨强标准，依照不同的铺装结构铺设对比试验段，探究不同的铺装结构在不同的雨强条件下的下渗产流特征。①对四条试验段进行堵塞处理，探究不同的铺装结构在堵塞之后的产蓄流特征变化规律。②对四条试验段进行高压冲洗(模拟路段维护)，探究不同的铺装结构在路面维护后的产蓄流特征变化规律。
(3)研究透水铺装堵塞发生的根本原因，普通透水混凝土材料堵塞的影响因素；研究 3 种堵塞效应的因素，包括堵塞剂的种类、上部水头和水平水头的流动速度；引入电阻率法，对堵塞材料试验前后的相对渗透率进行量化分析；对高压水清洗法进行定性研究并建立堵塞模型。
(4)对3种孔隙率的再生骨料透水混凝土进行4种不同堵塞条件下的循环堵塞试验，分析再生骨料透水混凝土在粗砂堵塞、细砂堵塞、粗细砂混合堵塞条件下的水力特性，通过对比试验，研究和分析在粗砂堵塞、细砂堵塞的基本堵塞条件下的不同堵塞方式及机理。
采用排水沥青路面和透水混凝土路面是海绵城市建设的重要内容，可以有效解决城市地下水匮乏及城市内涝等问题，同时促进地表水循环，在一定程度上缓解城市热岛效应，对我国海绵城市建设具有重要意义。本书研究适用于北方半湿润城市的新型海绵体的建设工艺技术，增强城市路面雨水下渗能力、减少涝水、净化水质、降低热岛效应，创新防洪排水、雨水资源利用和水质改善的综合利用模式，破解北方半湿润城市的水安全保障难题，为城市防灾减灾、水资源利用、水质改善与生态修复重建等提供重要基础，研究成果具有广阔的市场应用前景。
作者简介 杨涛，教授，博导。现任河海大学水文水资源学院院长。从事极端水文事件和数据水文学研究，揭示了非稳态条件下极端降水与洪涝灾害形成机理，构建了气候变化条件下极端水文事件非结构化预测模型，创建了水库群调节与反调节文化粒子群新算法，构建了大数据驱动的突发水灾害预测预报模式。主持国家自然科学基金项目3项，国家重点研发课题1项，国家博士后特等资助1项，国家172重大水利工程服务项目1项，成果在大江大河流域的洪水预报调度、墒情监测预报、水资源调配、应急管理等科学研究与生产实践中得到广泛应用和检验，并被欧盟地平线计划大型国际合作项目ISI-MIP2采用，水文监测预报知识产权成功向中国企业500强、中国民企百强转化5项。指导大四本科生在国际顶级期刊《MaterialsHorizons》（影响因子14.356）发表非常规水资源利用新材料的重要科研成果，创建全球水资源管理青年领袖计划，提高了中国专业人才培养的国际影响。研究成果在《Journal ofGeophysical Research》《Water Resources Research》《Journal ofHydrology》《Environmental ResearchLetters》《水利学报》《水科学进展》等国内外著名期刊发表学术论文121篇（SCI收录85篇），SCI总引用1856次（他引1637次），入选ESI高被引论文6篇，热点论文1篇，2篇SCI引用超过150次，H指数29。担任多个国内外期刊《Journal ofHydrology》和《Groundwater》副主编、《J. of Arid Land》和《水文》编委，国际水资源学会中国委员会常务理事、国际气象组织WMO干旱组召集人、中国自然资源学会水资源专业委员会副主任委员、中国地理学会水文地理专业委员会工作委员会副主任委员、江苏省地理学会常务理事。作为主要完成人，研究成果荣获国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖5项，省部级二等奖2项，澳大利亚联邦政府InternationalEndeavor Fellowship、中国水利学会刘光文青年科技奖。 
本文摘编自《透水铺装蓄渗与堵塞机理研究》一书文前及第一章部分，有删减修改，标题为编者所加。
《透水铺装蓄渗与堵塞机理研究》
杨 涛 师鹏飞 胡高辉 陈徐东 著
ISBN 978-7-03-065777-0
责任编辑：惠 雪 曾佳佳
《透水铺装蓄渗与堵塞机理研究》针对透水铺装的面层结构开展了相关的强度和功能性方面的研究，探究了不同级配条件下透水铺装的水稳定性能，研究了多层透水铺装在不同降雨强度、堵塞情况和维护模拟后的下渗产流，分析评估了透水铺装的排水、滞洪和滤水效果。同时，本书还开展了不同孔隙率透水路面的循环堵塞试验，探究了堵塞剂材料、水头和水平流速三种因素对堵塞效果的影响，揭示了透水铺装的堵塞机理，并结合CT 扫描试验技术进行了验证。 本书可作为高等院校和科研院所相关专业研究生的学习用书，也可为海绵城市建设及水资源利用相关研究提供一定的参考。
本书目录
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前言
1 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 海绵城市发展 3
1.3 排水沥青铺装路面 5
1.4 透水混凝土铺装路面 8
1.5 本书主要内容 9
2 现场试验条件及设备 11
2.1 研究区概况 11
2.1.1 地理位置 11
2.1.2 水文气象 11
2.2 试验条件概况 12
2.2.1 实验室及仪器概况 12
2.2.2 降雨条件的选择及测定原理 19
2.3 本章小结 22
3 透水铺装面层试验研究 23
3.1 试验设计 23
3.1.1 试验原理 23
3.1.2 试验方案设计 25
3.1.3 试验步骤 27
3.2 SBS 高黏度改性沥青混合料水稳定性能研究 30
3.2.1 70#基质沥青空隙率对水稳定性能的影响分析 31
3.2.2 SBS 高黏度改性沥青空隙率对水稳定性能的影响分析 32
3.2.3 不同沥青结合料对水稳定性能的影响分析 34
3.3 SBS 高黏度改性沥青混合料透水性能研究 35
3.3.1 水头差对渗透系数的影响研究 35
3.3.2 空隙率对渗透系数的影响研究 37
3.4 本章小结 39
4 透水铺装下渗产流试验研究 40
4.1 试验设计 40
4.1.1 试验原理 40
4.1.2 试验方案设计 41
4.1.3 试验步骤 45
4.2 新型多层排水沥青设计及原理 46
4.3 不同雨强下排水沥青铺装下渗产流 48
4.3.1 降雨强度波动和径流量波动分析 48
4.3.2 初始状态不同雨强下排水沥青铺装下渗产流 48
4.4 堵塞情况下排水沥青铺装下渗产流 55
4.5 模拟维护后排水沥青铺装下渗产流 63
4.6 本章小结 72
5 透水铺装堵塞特性试验研究 74
5.1 试验研究 74
5.1.1 试验原材料与配合比 74
5.1.2 堵塞材料 75
5.1.3 堵塞仿真试验 75
5.1.4 变水头循环堵塞试验 77
5.1.5 变水头循环清洗试验 77
5.2 试验结果与讨论 78
5.2.1 多种因素对堵塞程度的影响 78
5.2.2 堵塞材料对堵塞程度的影响 83
5.2.3 高压水清洗对堵塞程度的影响 86
5.3 本章小结 87
6 再生骨料透水铺装堵塞机理研究 88
6.1 透水混凝土试验装置研制 88
6.2 试验方案 89
6.2.1 试验原材料与配合比 89
6.2.2 配合比设计 90
6.2.3 试件的制作与养护 90
6.2.4 渗透性测量 91
6.2.5 堵塞模拟 92
6.2.6 CT 技术法 93
6.3 试验结果分析 94
6.3.1 重复试验 94
6.3.2 透水混凝土的水力学特性 95
6.3.3 粗砂堵塞下的渗透性能 97
6.3.4 细砂堵塞下的渗透性能 99
6.3.5 粗细砂堵塞下的渗透性能 101
6.3.6 粗细砂相互作用的研究 102
6.4 CT 技术法研究混凝土堵塞机理 103
6.4.1 粗砂堵塞下的混凝土试件 103
6.4.2 细砂堵塞下的混凝土试件 105
6.4.3 等质量粗细砂堵塞下的混凝土试件 106
6.4.4 在粗砂后加入细砂的混凝土试件 107
6.5 本章小结 108
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