我國是全世界城市化速度最快的國家之一。根據國家統計局公布的《2017 年國民經濟和社會發展統計公報》，2017 年末，我國常住人口城鎮化率達到 58.52%，預計到 2020 年前後，城鎮化率將超過60%。我國城市化的規模、速度和複雜度都是俄羅斯和歐美發達國家所無法比擬的，多數城市在規劃建設初期低估了城市化的發展速度，因此城市人口的迅速增長和城市規模的快速發展致使城市水問題日益凸顯。住房和城鄉建設部 2010 年的調查統計顯示：在受調查的351 個大中城市中，有 213 個城市曾經發生過輕度或重度的積水內澇災害，其中有 137 個城市內澇災害一年超過 3 次，包括乾旱少雨的西安、瀋陽等西部和北部城市。有 74.6%的城市在內澇發生時的最大積水深度大於 50mm，超過 90%的城市積水深度大於15mm，有 57 個城市的最大積水時間大於 12h。近年來，我國多次發生特大洪澇災害事件，如 2012 年北京「7.21」特大洪澇、2007 年濟南「7.18」特大洪澇等。應對城市水安全問題，發展相應的工程和非工程措施已經迫在眉睫。
造成如此嚴重的城市洪澇災害問題，主要有 5 個原因：
一是城市化導致的不透水面積增加，城市化的進程伴隨著大量樓房建設，混凝土、瀝青路面鋪設，這些表面都是硬質化的不透水表面，研究表明地表從天然植被覆蓋到 75%～100%不透水面的轉變時，下滲水量從 50%縮減到 15%，地表產流量從 10%提升到 55%，過高的不透水面佔有率使地表在降雨之後迅速產生大量地表徑流，縮短了洪峰出現時間，提高了地面洪水水量，加重城市洪澇災害。
二是城市雨島效應，屬於城市化的水文效應，其改變了局部氣候和下墊麵條件，使城市地區強降雨增加，降雨強度(或雨強)峰值增高，降雨強度曲線尖瘦，極易在短時間匯集巨大的水量，產生城市地表洪水。
三是城市排水基礎設施建設不足，我國過快的城市化進程使大多數城市排水基礎設施建設嚴重不足，多數城市排水系統建設的設計暴雨重現期不足 1 年，導致這些地區的暴雨洪水積水嚴重，另外城市內排水系統(管網)與外排水系統(河道)銜接不協調，加劇了城市雨水外排的難度。
四是城市基礎設施中下凹式設施的增加，隨著城市交通網絡的發展，下凹式立交橋、地下通道等地勢較低設施的數目不斷增長，極易出現內澇，從而導致整個交通系統陷入癱瘓，危害城市居民和社會發展。
五是城市排水設施維護管理不善，由於年久失修和無法做到定期維護，多數城市排水管網淤塞嚴重，加之原本管道設計標準較低，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嚴重水問題受到了社會和政府越來越深切的關注，為了解決這些問題，國家提出「海綿城市」這一全新的理念。2015 年，財政部、住房和城鄉建設部、水利部聯合啟動了海綿城市建設試點工作，將海綿城市建設提上日程，並在首批 16 個試點城市中進行初步摸索。海綿城市理念源自低影響開發建設模式，依託已有的防洪排澇體系，建設多種城市景觀，賦予其對天然雨水徑流的蓄存、下滲、淨化和緩釋作用，降低洪澇災害對城市的影響，實現城市水資源充分利用。海綿城市的建設途徑有以下 3 個方面：一是保護原有生態系統，這其中包括諸如湖泊、溼地、溝渠等水生態敏感區；二是生態修復，改變粗放式的建設模式，運用生態手段修復遭到破壞的自然景觀；三是低影響開發，綜合建設多樣化的低影響開發設施，使城市的水文狀態保持在開發建設之前的狀態。海綿城市創建在我國尚屬於新的課題，其作為新興的城市開發模式，必將隨著試點城市的推廣而成為我國城市開發建設的新標杆。
濟南市作為海綿城市的第一批試點城市，在全國率先開展低影響開發及海綿城市的探索和實踐。濟南市是我國北方代表性內陸城市，屬暖溫帶半溼潤大陸性季風氣候。在汛期(6～9 月)，降水量佔全年降水總量的 70%～80%，汛期暴雨強度大、歷時短、空間分布不均勻。由於地形南高北低，短歷時高強度暴雨在南部山區易形成山洪湧入南部城區，威脅周邊居民的生命財產安全。市內主要交通幹道網格狀分布，且多為東西、南北走向，加之城市比降較大，形成了人工的南北向行洪乾渠，將南部山洪引導至低洼市區中心，放大山洪致災規模和效應。城區骨幹排水系統布局不合理，排水管網系統整體排澇能力低下，居民小區建成時間較長，缺乏完善的排水排汙系統。市區河道、排洪溝多匯入小清河，小清河屬於平原型水系，比降小、河道狹窄，過水能力嚴重不足，再加上汛期外河水位往往超過小清河水位，造成小清河排水量遠遠不如排入量，易漫溢致災。大量的汛期降水無法儲存，雨洪只能通過城市陸面和內部河流的匯聚進入黃河排走。而在非汛期，由於降水稀少，用水量大，加之水資源利用效率低下，存在嚴重的缺水問題。
以上表明濟南市在汛期易遭受雨洪災害的侵襲，在非汛期又面臨水資源緊張的問題。因此，研發海綿城市關鍵技術與設施，並將其應用到城市建設中，對濟南市至關重要。目前，海綿城市建設尚處於起步階段，其建設標準、工程和非工程措施、管理政策等尚不完善，加之濟南市特殊的地理環境和社會需求，亟須建設和發展適用於濟南市的雨水收集和利用技術以及評估分析方法，保障海綿城市建設的順利，實現效益最大化。
《透水鋪裝蓄滲與堵塞機理研究》以全國第一批海綿城市試點城市中的濟南市為例，研究多層複合排水瀝青路面鋪裝，結合面層瀝青混合料試驗和整體鋪裝下滲產流、堵塞維護試驗兩大部分，對多層複合排水瀝青路面的強度和功能性進行深入研究。同時，結合透水鋪裝堵塞特性試驗，對透水混凝土堵塞效應影響因素及堵塞機理進行研究和分析。
(1)將 SBS 高黏度瀝青作為排水瀝青面層結合料，通過試配法確定不同級配下對應的瀝青混合料空隙率，對比 70#基質瀝青，探索 SBS 高黏度瀝青混合料在水穩定度方面的性能提升，探究空隙率的不同對瀝青混合料滲透係數的具體影響情況。
(2)按照 2 年、5 年、10 年、20 年、50 年一遇的情況，使用濟南市暴雨公式計算得到對應的降雨量，作為人工降雨的雨強標準，依照不同的鋪裝結構鋪設對比試驗段，探究不同的鋪裝結構在不同的雨強條件下的下滲產流特徵。①對四條試驗段進行堵塞處理，探究不同的鋪裝結構在堵塞之後的產蓄流特徵變化規律。②對四條試驗段進行高壓衝洗(模擬路段維護)，探究不同的鋪裝結構在路面維護後的產蓄流特徵變化規律。
(3)研究透水鋪裝堵塞發生的根本原因，普通透水混凝土材料堵塞的影響因素；研究 3 種堵塞效應的因素，包括堵塞劑的種類、上部水頭和水平水頭的流動速度；引入電阻率法，對堵塞材料試驗前後的相對滲透率進行量化分析；對高壓水清洗法進行定性研究並建立堵塞模型。
(4)對3種孔隙率的再生骨料透水混凝土進行4種不同堵塞條件下的循環堵塞試驗，分析再生骨料透水混凝土在粗砂堵塞、細砂堵塞、粗細砂混合堵塞條件下的水力特性，通過對比試驗，研究和分析在粗砂堵塞、細砂堵塞的基本堵塞條件下的不同堵塞方式及機理。
採用排水瀝青路面和透水混凝土路面是海綿城市建設的重要內容，可以有效解決城市地下水匱乏及城市內澇等問題，同時促進地表水循環，在一定程度上緩解城市熱島效應，對我國海綿城市建設具有重要意義。本書研究適用於北方半溼潤城市的新型海綿體的建設工藝技術，增強城市路面雨水下滲能力、減少澇水、淨化水質、降低熱島效應，創新防洪排水、雨水資源利用和水質改善的綜合利用模式，破解北方半溼潤城市的水安全保障難題，為城市防災減災、水資源利用、水質改善與生態修復重建等提供重要基礎，研究成果具有廣闊的市場應用前景。
【來源：科學出版社】
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