历史文化遗产是城市发展的独特资源,是城市的名片,是彰显城市特色和提高城市综合竞争力的重要因素,历史文化街区是城市中最具代表性和具有规模的历史文化遗产,因此成为城市保护与发展的闪亮点和重要规划对象。但是,由于历史文化街区通常建设年代较早,其现有市政基础设施普遍存在标准低、设施老旧、容量不足、实施空间小等诸多问题,特别是近几年极端气候频发,城市内涝已严重威胁到居民的正常人身安全,成为公众及媒体的聚焦点。鼓浪屿作为2015年住建部、国家文物局首批认定的30个历史文化街区之一,在2013年的“5·16”及“7·19”2场暴雨时,出现严重的内涝现象。如何在保护历史文化街区的同时,提升排水标准,改善生活居住环境,成为历史文化街区保护提升的一大难题。

　　 本文以厦门市鼓浪屿历史文化街区为例,结合其独特的地理环境及历史文化街区保护的特殊性,剖析城市水安全问题,采用排水模型方法对常规雨水及超常规内涝防治系统进行评估并提出改造措施,构建基于海绵城市的历史文化街区水安全体系。

　　 本文研究范围为厦门市鼓浪屿,位于厦门岛西南侧,面积1.87km²,是首批国家历史文化街区,也是我国东南沿海著名的风景名胜区。由于特殊的历史文化背景和得天独厚的自然条件,鼓浪屿建筑呈现出东西方文化碰撞、交融的独特形态,因而享有“万国建筑博览会”的美誉,构成以秀丽山海环境为风景,以异国建筑情调为风貌,城景相映,兼具自然风景和人文环境风貌特色^[1] 。

　　 鼓浪屿的城市肌理主要分3个阶段形成(见图1)。第1阶段是1902年鼓浪屿沦为公共租界,受到海岛自然条件的制约,建设的范围主要局限在距东部轮渡码头不远的龙头路片区,西方列强为其建筑任意选址,道路及其他市政设施依需要建设,以将主要公共设施连接起来为目标,形成了最初结构不清晰、线型蜿蜒曲折的道路骨架。

　　 第2阶段为1927年,随着华侨进驻鼓浪屿和东北部码头的建设,岛的中部和北部得到开发。西方人向岛的东部和东南部聚集,而华人的建设主要集中在岛的中部和北部。西方人的建筑以二、三层洋房为主,一般带有较大的花园,形成了散落布局、疏密有致的城市肌理;华人的建设以二、三层的别墅为主,但建筑体量相对较小,形成了紧凑的城市肌理。

　　 第3阶段为1935年,鼓浪屿的城市建设已基本成型,空间肌理随地形变化呈现出不同的特点,且基本保留至今。山上建筑呈分散点式分布,基本上是沿等高线布局;山下地势平坦处则分片布局形成巷道空间;由山上至山下建筑又形成垂直于等高线的线性排列,因此形成有地势变化的巷道空间。

　　 鼓浪屿的街道也主要是形成于20世纪30年代公共租界时期。由于当时鼓浪屿尚未有“自上而下”的规划建设,道路主要根据自然地形,连接散布全岛的建筑,因此形成了有机生长、蜿蜒曲折的街巷结构^[3] 。此外,由于当时车行还未成为城市的主要交通方式,再加上受到海岛自然地势条件的制约,鼓浪屿街巷空间系统以步行尺度为主,道路红线宽度基本在4~6m。

　　 鼓浪屿岛上现有历史风貌建筑390多座,大部分分布于鼓浪屿岛的中部、东南和东北部,主要包括别墅、公馆和民居;领事馆建筑、教堂建筑(安献堂、天主堂、福音堂、三一堂);公共企事业建筑(医院、万国俱乐部、大北电报局、会审公堂);园林景观建筑等多种类型。

　　 这些历史风貌建筑大部分建于20世纪初期,已经具有60~90年不等的历史,虽有经过不同程度的修缮,但由于建筑多数是砖木或砖混结构,通常其使用寿命为50年左右,目前历史风貌建筑的总体质量不容乐观。

　　 鼓浪屿目前在整体空间结构环境、建筑类型、建筑风格形态、装饰特征方面,保持着较为完整的城市历史景观,使其成为亚太地区甚至世界范围内,在多元文化共同影响下具有发展、完善的近代居住型社区。但是,鼓浪屿现状排水管道系统多数建于20世纪30年代至60年代,现状排水体制为截流式合流制,排水管道多为合流制排水管沟,存在易淤积、排水能力不足等问题,特别是每年台风暴雨或遇上天文大潮,部分地段如龙头路、鹿礁路更是由于地势低洼,常常发生海水倒灌甚至有一定深度的内涝,严重影响居民游客的正常出行安全。同时鼓浪屿现状道路基本为2~6 m宽,道路上管位多被其他管线占据,大规模实施改造难以实现,历次整改仅进行局部改造,水安全问题仍突出。

　　 海绵城市的水系统建设主要通过统筹低影响开发雨水系统、城市雨水管渠系统及超标雨水径流排放系统三大系统构成。对于高频率1年一遇之内的降雨,主要通过绿色屋顶、透水铺装、雨水花园、植草沟和小型雨水湿地等设施来构建低影响开发雨水系统,以控制径流污染物为主;对于常规1~10年一遇的降雨,则主要通过雨水管渠、调蓄池、泵站、雨水湿地和多功能调蓄设施等来构建城市雨水管渠系统;对于超过10年一遇的降雨,则以自然及人工水体、水生态敏感区与洪泛区、大型多功能调蓄设施、行泄通道和大型调蓄设施等来应对,见图3。

　　 本次鼓浪屿历史文化街区水安全体系构建的整体思路,重点在于结合鼓浪屿历史文化街区的街巷空间狭窄,城市肌理蜿蜒紧凑及风貌建筑需要保护的特性,通过建立鼓浪屿全岛的排水模型,对常规雨水及超常规内涝防治系统进行评估提升,对鼓浪屿排水系统进行全面的梳理,提出街区最优的改造策略,解决历史文化街区城市内涝的水安全问题。

　　 本次主要采用英国InfoWorks ICM排水模型软件,综合鼓浪屿历史文化街区的雨水排涝设施、本地暴雨特征、海潮影响、城市用地分布等信息,对现状排水系统进行评估,识别易涝风险区域,诊断系统的局限性及洪涝成因,并根据规划目标改造现有的排水管网系统,对排涝骨干工程的不同规划方案进行评估,选择最优设计方案,力求通过局部关键节点的改造来提升系统规模,避免大拆大建,降低影响,并制定相应管理措施,构建海绵城市排水体系。其评估流程见图4。

　　 ICM排水模型包括产流及汇流模块。产流过程主要是变化降雨、下渗、蒸发、洼地存储等;汇流过程主要是坡面汇流,以及使降水和径流量减少或延缓的各种微影响过程。产汇流模型将逐时模拟降雨的产汇流过程,科学反映了不同降雨雨型和不同频率降雨量下径流系数的动态变化。

　　 本规划区透水下垫面如林地、绿地等降雨产流采用Horton下渗法模拟;不透水下垫面如道路、屋顶等降雨产流采用固定径流系数法^[5]。汇流模型采用SWMM非线性水库法模拟产流模型中划分的若干个透水和不透水子集水区的地面汇流过程。具体参数如表1所示。

　　 地表产汇流进入雨水管网系统后,在雨水管网中的流动状态更为复杂,通常采用圣维南方程组通过动力波法进行全解,动态模拟重力流、压力流和逆向流等。

　　 同时由于鼓浪屿历史文化街区地处沿海,雨水管渠以直排入海为主,排水防涝易受潮位顶托的影响,潮位越高,排水能力越小,反之则越大。因此,在边界条件的选取上,根据国家海洋局厦门分局对43年实测资料的统计分析结果,在日常降雨下,选定多年平均潮位过程线(最高2.44 m)作为城市雨水管渠系统评估的边界条件。降雨遭遇风暴潮或天文大潮的极端情况时,选定2年一遇潮位过程线(最高3.91m)作为超标雨水径流排放系统评估的边界条件,见图5。同时降雨过程线及潮位过程线采用最不利组合,即潮位峰值与设计降雨的峰值拟合为同一时刻。

　　 根据厦门市2008年管网普查数据及后续的施工图和现场踏勘,通过拓扑结构分析和检查后,建立鼓浪屿历史文化街区的排水管网模型网络,共2 003个检查井节点、1 992条管道、1 807个子集水区。

　　 地面数字高程模型是采用该片区1∶2 000DEM数字高程模型导入ICM排水模型软件中,通过ArcGIS地形分析,在掌握“地有高低”的基础上判断“流有缓急”,从而精确预测雨水径流在地面上的流向。

　　 (1)情景1:现状评估。主要基于鼓浪屿现状排水管网、下垫面及设定的边界条件,对鼓浪屿全岛的排水防涝能力进行评估。分别评估设计降雨重现期1年、5年、10年、50年条件下,城市雨水管渠系统及超标径流排放系统的能力。

　　 (2)情景2:雨水管渠系统提升评估。雨水管渠系统规划标准为在多年平均潮位(最高2.44 m)的边界条件下,城市雨水管渠遭遇5年一遇的降雨时,地面不应有明显积水,通过对鼓浪屿历史文化街区排水管网进行问题剖析,对问题点进行改造评估,最终达到评估标准。

　　 (3)情景3:内涝防治系统提升评估。内涝防治系统规划标准为在风暴潮或天文大潮2年一遇潮位(最高3.91m)的边界条件下,城市遭遇50年一遇的降雨时,地面积水深度不超过15cm,通过对城市的易涝点进行剖析,分析内涝原因,采取工程措施与非工程措施相结合,最终达到规划目标。

　　 模型评估结果见图6、图7。

　　 从上述模型评估结果来看,在多年平均潮位2.44m边界条件下,现状城市雨水管渠系统基本满足1~2年雨水重现期标准。东部管网系统基本建成,排水条件较好;南部和北部部分区域市政管线未建设,存在较大积水风险。在1年一遇设计降雨下,内厝澳、龙头路片区陆续出现明显积水,在5年一遇设计降雨下,积水点明显增多,积水深度也有所加深。积水点与历史调查积水情况基本吻合。

　　 在多年平均潮位3.91m边界条件下,现状内涝防治系统由于海潮顶托作用明显,积水点明显增多,积水深度也有所加深。由于整个排水系统没有对超标雨水径流进行合理规划,在重现期标准逐渐提高的情况下,积水点不断扩大,在50年一遇设计降雨下,局部地势低洼地区大面积受淹,局部积水深度超过40cm。

　　 通过现状雨水管渠系统的评估,分析鼓浪屿现状排水能力达不到1年一遇的设计标准,主要原因有:(1)管道标高错接;(2)局部管道大管接小管,存在水力瓶颈;(3)部分管道逆坡,下游出口能力不足;(4)管径小,管道维护难,淤积严重,排水能力下降。

　　 因此在雨水管渠系统提升上,首先对现状错接及存在局部水力瓶颈的雨水管道进行改造,其次,对于雨水管道下游出现超负荷的管道,采取增大管径或新建出水口的方式进行改造。通过本次改造,鼓浪屿雨水管渠系统基本满足5年一遇地面不产生明显积水。具体评估结果见图8。

　　 鼓浪屿历史文化街区内涝现象的发生,除了极端气候、防潮等因素外,造成鼓浪屿局部区域短时间产生严重内涝的原因主要是:

　　 (1)行泄通道建设年限较早、设防标准不足。鼓浪屿局部排洪渠建设标准偏低,整个系统的排涝能力较弱,抵抗超标雨水风险的能力不足。大量超标雨水不能有效收集引导,漫流至低洼地段,造成城市内涝。

　　 (2)部分片区地势低洼,易受海潮顶托。鼓浪屿龙头片区为岛上最繁华的商业街区之一,但由于龙头片区部分地势低至3.5m,台风风暴潮时不但由于海潮顶托排水能力不畅,更常常发生海水倒灌,严重威胁片区居民游客的安全。

　　 因此,针对内涝防治系统构建存在的两大体系问题,本文分别提出相应的对策。

　　 (1)构建城市超标雨水径流行泄通道。鼓浪屿的地形地势呈现中间高四周低的坡向,因此在超标雨水径流行泄通道的构建上,优先采用地表径流通道进行转输径流,但由于鼓浪屿现有的地形地貌基本以保护、保留为主,另外部分历史风貌建筑位于自然的地面行泄通道路径上,因此有必要辅以工程性措施对超标雨水进行有效的转输和组织,对排涝能力不足的通道进行提升改造。见图9、表2。

　　 (2)规划雨水调蓄设施。考虑到龙头片区地势低洼,易受海潮顶托。规划在龙头路街心公园设置雨水调蓄池,调蓄池占地面积2 800 m²,有效水深2m,采用地下式结构,在外海高潮位时,龙头路片区低区雨水进入调蓄池调蓄,当外海水位降低时,再排入大海;街心公园绿化带设计成“下沉式绿地”,并取消周边侧石,增加道路绿化带蓄水下渗能力,见图10。

　　 通过上述系统提升改造,鼓浪屿超标雨水径流排放系统可基本满足50年一遇地面积水不超过15cm。具体评估结果见图11。

　　 (1)随着极端气候发生频率的不断增加和城市的不断建设,城市内涝防治城市成为一个长期复杂而且艰巨的系统工程,但是国内现状排水系统设计标准偏低,历史文化街区更是存在街巷空间狭窄,城市肌理蜿蜒紧凑及风貌建筑需要保护的特性,大规模全面改造难以实现,通过基于海绵城市的水安全体系的构建,可以为城市内涝问题提供一个有效可行的解决方案。

　　 (2)在对鼓浪屿历史文化街区保护的认知下,采用排水模型来评估改造海绵城市雨水管渠排放系统和超标雨水径流排放系统,共改造管线8 038m,占鼓浪屿现状管线长度30%,尽可能地保护历史文化街区,减少改造的工程量,构建安全的历史文化街区海绵城市体系。

　　 (3)厦门市作为首批海绵城市试点城市,在海绵城市的建设上积累了一定的经验,本文可为历史文化街区及滨海地区老城区的海绵城市水安全体系建设提供借鉴。