趙佳慧 王 晨 郭孟津 黃景媛 胡曉涵 陶 潔

(鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 水利與環(huán)境國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，河南 鄭州 450001)

隨著全球氣候變暖和人類活動的影響，區(qū)域降雨特性發(fā)生改變，極端天氣事件增加；與此同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市的現(xiàn)代化進(jìn)程越來越快，大量人口向城市遷移，城市區(qū)域用地面積急劇增加，地面硬化程度大幅度增加，對徑流形成過程造成了很大影響[1]。當(dāng)發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)，不透水面積的增加導(dǎo)致入滲量下降，產(chǎn)生的大量地表徑流不能及時(shí)疏通排放帶來嚴(yán)重的內(nèi)澇積水問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自2006年開始鄭州市平均每年遭遇嚴(yán)重暴雨內(nèi)澇災(zāi)害(降雨量大于100 mm)次數(shù)為15次，平均每年的暴雨內(nèi)澇災(zāi)害損失超過2億元[2]。一方面城市積水過多不僅阻礙城市交通正常運(yùn)行，影響居民正常的生產(chǎn)、生活，甚至危害到居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，而且制約城市綠色健康發(fā)展；另一方面，高校作為城市中重要的大型生活居住區(qū)，不可避免受到內(nèi)澇影響，造成車輛行駛困難，妨礙師生行走及正常上課，所以校園積水問題應(yīng)當(dāng)引起重視。此次研究選取鄭州大學(xué)新校區(qū)柳園作為研究區(qū)域，針對校園積水問題展開深入調(diào)查和分析研究，通過搜集相關(guān)降雨資料進(jìn)行降雨特征分析以及制定合理化的監(jiān)測方案分析形成內(nèi)澇的原因，并在此基礎(chǔ)上提出部分合理化建議，為學(xué)校建設(shè)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)域概況

鄭州大學(xué)新校區(qū)位于鄭州市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)西北部，距鄭洛高速公路西入口1.5 km，南臨科學(xué)大道，北臨蓮花街，東臨石楠路，西四環(huán)穿區(qū)而過。整個(gè)新校區(qū)由長椿路劃分為東西兩個(gè)地塊。西側(cè)地塊南北長約2 100 m，東西寬約1 100 m；東側(cè)地塊南北長約600 m，東西長約840 m。主要包括教學(xué)區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū)、體育活動區(qū)、綠地、道路等，總面積284.4 hm2，其中綠地總面積113.4 hm2，綠地率約為40%[2]。鄭州市屬暖溫帶—北亞熱帶過渡型大陸性季風(fēng)氣候，冷暖適中、四季分明、雨熱同期、干冷同季。隨著四季的明顯交替，依次呈現(xiàn)為春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雨的特點(diǎn)。一年四季降水量變化比較大，汛期降水集中，汛期四個(gè)月的降水占全年64.0%～66.6%。同時(shí)，夏季天氣多變，出現(xiàn)強(qiáng)降水特別是局地性強(qiáng)降水的概率很大。

鄭州大學(xué)新校區(qū)柳園生活園區(qū)為研究區(qū)域(見圖1)，其中主要積水區(qū)為泊月路段、厚德大道柳園路段及泊月路和厚德大道的十字交叉口，這些區(qū)域積水問題十分突出，幾乎逢大雨必澇，一定程度影響了校內(nèi)交通及學(xué)生正常生活。

2 積水成因分析

2.1 氣候原因

1)全球變暖。在全球氣候變暖背景下，極端氣候頻發(fā)，導(dǎo)致氣象災(zāi)害頻發(fā)，局部地區(qū)雨情、汛情、旱情、災(zāi)情超過歷史記錄，因?yàn)?zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2 363億元，甚至于2020年6月2日，中國氣象局啟動重大氣象災(zāi)害(暴雨)四級應(yīng)急響應(yīng)。鄭州雨熱同期，時(shí)有內(nèi)澇發(fā)生。在夏季突發(fā)暴雨時(shí)，鄭州大學(xué)新校區(qū)校園極易產(chǎn)生積水，甚至形成雨季校園“看海”的情況。

2)熱島效應(yīng)。鄭州大學(xué)新校區(qū)位于高新技術(shù)開發(fā)區(qū)西北部，該地區(qū)近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市化進(jìn)程不斷加快，硬化地面面積占比不斷加大，城市綠地面積占比降低。此外，由于高層建筑物的增加，導(dǎo)致熱量散失受阻，空氣循環(huán)不暢，形成了城市熱島效應(yīng)，對區(qū)域小氣候產(chǎn)生了一定的影響。城區(qū)空氣中凝結(jié)核充足，有利于城市局部暴雨形成。在雨季，城市重力式的排水方式根本不能完成正常排水需求，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與城市發(fā)展的速度不相匹配，易引發(fā)城市內(nèi)澇和積水問題。

2.2 區(qū)域建設(shè)規(guī)劃

1)下墊面硬化率高。鄭州大學(xué)新校區(qū)柳園宿舍園區(qū)，道路大多以柏油路、水泥路為主，透水路面面積小，極大地改變了天然情況的下墊面條件，導(dǎo)致雨水下滲受阻，產(chǎn)匯流時(shí)間縮短，洪峰形成時(shí)間縮短以及排雨量增大，加劇了排水管道工作壓力，更容易產(chǎn)生內(nèi)澇積水問題。

2)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低。鄭州大學(xué)新校區(qū)初建于2000年，隨著氣候條件的改變、校園規(guī)劃面積的增大和基礎(chǔ)設(shè)施的完善，地面不透水率有了很大的變化，早期的排水系統(tǒng)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)低、管徑小，無法滿足現(xiàn)在的需求。

3)排水口數(shù)量少且經(jīng)常淤積堵塞。路面排水能力與排水口的數(shù)量有很大關(guān)系，本研究區(qū)域的道路排水口的數(shù)量不足，且排水口直接暴露于路面，容易被落葉等一些垃圾堵塞，如厚德大道與泊月路交匯處就存在此種情況，導(dǎo)致排水嚴(yán)重不暢，形成下雨必積水的情況。

4)路面低洼不平，地勢高低不平。研究區(qū)域主干道由于車輛和人的長期通行以及道路旁植物根系生長的影響，造成了路面不平整，使雨水集中在低洼處，部分路段的少量雨水滿溢過雨水口，最終聚集在地勢相對較低的區(qū)域。研究區(qū)主要積水路段為厚德大道與泊月路交匯處、4號宿舍樓東南側(cè)道路以及其他路面低洼不平路段。道路旁的花壇草地地勢高于路面，雖有路肩石減少行車道雨水滲透，但由于部分草地植被稀疏，無法攔蓄多余雨水，導(dǎo)致雨水沿坡流向道路，形成積水。

3 降水特征分析

研究區(qū)位于鄭州市西邊的高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，選取賈魯河中牟站1997年—2008年降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行降水時(shí)間特征分析。賈魯河發(fā)源于新密市白寨鄉(xiāng),向東北流經(jīng)鄭州市,至市區(qū)北郊折向東流,經(jīng)中牟,入開封,過尉氏縣、扶溝縣、西華縣,后至周口市入沙潁河,最終注入淮河,屬于淮河的二級支流[3]。中牟縣位于東經(jīng)113.98°，北緯34.72°，屬典型的中緯度暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，雨熱同期。

3.1 降水量年際變化特征

鄭州大學(xué)新校區(qū)1997年—2008年共12年來降水量變化如圖2所示，多年平均年降水量為585.4 mm，降雨量最大值和最小值分別是915.3 mm(2003年)和317.3 mm(1997年)。12年中降水量低于平均值有7年,在-45.8%～-4.9%之間,降水量高于平均值有5年在24.8%～56.3%之間，說明鄭州大學(xué)新校區(qū)多年平均降雨量降水差異較大，時(shí)空分布不均，存在明顯的豐水年和枯水年[4]。

3.2 降水量年內(nèi)變化特征

月平均降水量如圖3所示，降水年內(nèi)分配不均勻，隨季節(jié)變化起伏較大，降水量在1月～5月呈現(xiàn)為持續(xù)增長趨勢，6月略有下降，6月～7月降水量的增長十分明顯，自7月開始，降水量逐月下降。月平均降水量的最大值和最小值分別為147.17 mm(7月，占全年的25.67%)和7.62 mm(1月，占全年的1.33%)。

各季節(jié)平均降水量分布如表1所示，可以看出研究區(qū)域的降水量隨季節(jié)變化大，季度平均降水量最大值和最小值分別為312.77 mm(夏季)和26.05 mm(冬季)，全年降水主要集中在夏季，降水量占全年的半數(shù)以上，春季降水量略多于秋季，冬季最少。春、夏、秋、冬四季降水量占全年降水量的百分比分別為21.59%，54.56%，19.31%，4.54%[5]。

表1 1997年—2008年四季平均降水量

圖4是1997年—2008年十年間日降水量大于50 mm的暴雨發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，研究區(qū)域的暴雨主要集中在7月、8月份，7月、8月份的暴雨次數(shù)占10年的76.2%?？傮w來說，研究區(qū)域的降水主要集中在春夏秋三季，夏季最多，降水量占到全年的半數(shù)以上，暴雨主要發(fā)生在7月、8月份[6]。

4 解決方案研究

1)減少地表徑流。鄭州大學(xué)新校區(qū)柳園地面平坦、硬化程度高、透水性較差，地面徑流大。當(dāng)發(fā)生較大降雨時(shí)，下滲量和截留量較小，容易產(chǎn)生較大的路面徑流，給排水管道造成較大的壓力，積水不能及時(shí)排出。為此，可以增大園區(qū)的綠化面積，增加下滲量和截留量。在地表適當(dāng)增加排水井口，促進(jìn)地表積水順利排出，減少積水和徑流。

2)增大地面下滲能力。研究園區(qū)地面多以水泥、瀝青、不透水磚構(gòu)成，地面硬化程度高，下滲量極小。我們建議，對于宿舍樓之間空地可采用透水磚重新鋪裝，或者也可采用透水性較好的地面材料，以增大地面下滲能力，補(bǔ)充地下水并能削減一定量的峰值流量。

3)合理布設(shè)綠化。宿舍周圍的綠色植被不僅可以美化環(huán)境、隔聲降噪、凈化空氣、愉悅身心，在降雨過程中還能起到截留蓄洪的作用。因此在宿舍周圍應(yīng)該增大綠地花壇面積，合理規(guī)劃，組合種植各類植被。此外還可以布置低勢綠地和植草溝，增大填洼率，分擔(dān)排水系統(tǒng)的部分輸送雨水徑流的壓力[7]。