中國城市排水之問

芮孝芳,蔣成煜

(河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098)

中國城市排水之問

芮孝芳,蔣成煜

(河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098)

論述城市雨洪的形成、洪澇的基本類型以及城市排水系統的水文學和水力學基礎。總結了中國城市排水存在的主要問題:城市發展快速、粗放;城市建設重地表輕地下;排水系統設計標準偏低且升級困難;城市建設防汛意識淡薄,災害預警能力不達標等。提出了若干解決中國城市排水問題的措施:從整體上規劃布局地下排水管網建設;修訂暴雨強度公式,提高排水設計標準;實施雨污分流,整治城市河道;改造不透水下墊面,增加滲透鋪裝、綠地和濕地面積;建立長效管理體制,加強災害預警等。

城市洪澇;城市排水系統;水文學;水力學;排水設計標準;低影響開發

近年來,中國城市發生特大暴雨的概率似在增加。給人們留下深刻印象的城市特大暴雨有重慶2007年“7·16”暴雨、濟南2007年“7·18”暴雨、廣州2010年“5·07”暴雨、南京2011年“7·18”暴雨、北京2011年“6·23”暴雨和2012年“7·21”暴雨、天津2012年“7·25”暴雨等。在濟南2007年“7·18”暴雨中,7月18日17:00至19:00 2 h降雨量達150 mm,創歷史記錄,致使南北向10余條主干道頓時變成河流,水深最大處達1 m多,地勢最低的泉城廣場積水超過2 m,泉城廣場的銀座地下商城積水達1.7 m。北京市2012年7月21日10:00至7月22日8:00,22 h降雨量全市平均達170 mm,暴雨中心房山區河北鎮22 h降雨量高達460 mm,均為1950年以來最大。這場特大暴雨致使部分山區山洪地質災害暴發,泥石流橫行;市區63處主要路段嚴重積水,其中積水超過30 cm的路段有30處;多處下水道井蓋被沖翻,路面塌方31處。這兩次城市特大暴雨均造成重大損失。城市特大暴雨引發的積水淹水問題、山洪泥石流問題,不僅影響社會的經濟發展,而且威脅人民生命財產的安全。能否經受住傾盆大雨的考驗,是檢驗一個城市排水系統是否發達的標準。破解中國城市下水道危機,科學地解決中國城市排水問題已成為中國城市化進程中必須重點解決的問題之一。

1 城市洪澇的形成及分類

誘發洪澇的關鍵性因子是暴雨。暴雨特征與下墊面條件的共同作用形成了洪澇。圖1(a)是不同強度的暴雨降至同一流域形成的洪水過程:暴雨強度越大,形成的洪峰流量越大,峰現時間越早,洪水歷時越短。圖1(b)是同樣的暴雨降落在面積相同、形狀不同的流域上形成的洪水過程[1]:扇形水系流域形成的洪峰流量最大,峰現時間最早,洪水歷時最短;羽毛形水系流域形成的洪峰流量最小,峰現時間最晚,洪水歷時最長;混合形水系流域形成的洪峰流量、峰現時間和洪水歷時介于扇形和羽毛形之間。圖1(c)是同樣的暴雨降落在面積、形狀相同,但坡度不相同的兩個流域上形成的洪水過程線,陡坡流域形成的洪水過程線比緩坡流域形成的洪水過程線洪峰流量大,峰現時間早,洪水歷時短。

圖1 影響城市洪水的3個因素

按照暴雨特性和下墊面條件,城市洪水一般可分為內澇型洪水和山洪型洪水兩類。當地面坡度較緩、匯流速度較小時,若排水不及,會出現內澇,這樣的洪水稱為內澇型洪水;當地面坡度較陡,暴雨強度較大,由于匯流速度快,會產生巨大的沖擊力,這樣的洪水稱為山洪型洪水。山洪一般又分為普通山洪和泥石流山洪[2]。普通山洪是指流速很大(可達5～10 m/s),但泥石含量小于1.3 t/m3的山洪;泥石流山洪是指洪水與泥石流同時發生,泥石含量超過1.3 t/m3甚至高達2 t/m3的山洪。內澇型洪水多發生在平原城市的低洼地區;山洪型洪水易發生在山區城市的陡峻山區,其中泥石流山洪一般發生在地表覆蓋疏松、地質構造比較破碎的陡坡地區。

2 城市排水系統及原理

在城市排水系統(圖2)中,城市地面被建筑物和道路分割為一個個集水區或匯水區。集水區是城市流域降雨產匯流的基本單元。每個集水區至少有1個受水口。受水口一般位于集水區地面高程的最低處,它既是集水區降雨產流量的匯集點,又同時是出口處。受水口接受的由集水區形成的降雨徑流,經豎井流入地下管網。根據受水口位置高程,集水區形成的降雨徑流進入其中可以自排,也可以通過水泵機排。一個城市常常布設多個地下管網,這些相對獨立的地下管網通過串、并聯構成了城市整體或局部的地下管網。一個個地下管網又以多個出水口與城市的排洪河網相連接。按照地下管網出口高程與河網水位的關系,城市降雨徑流進入排洪河網也有自排和通過水泵機排兩種形式。這樣就構成了一個對城市經濟社會正常有序運行起重要保障作用的城市排水系統。由此可見,城市的排水系統一般由集水區、受水口、地下管網、排洪河網、泵站等組成。

圖2 城市排水系統

作為城市流域降雨產匯流基本單元的集水區,由于其面積一般較小,可以忽略流域匯流作用,因此,一場暴雨形成的受水口的入流量過程即為暴雨過程。受水口的出流量過程需要通過水力計算或模型試驗確定[3]。圖3是一場暴雨過程中集水區受水口的入流量過程與其出流量過程的對比圖。由圖3可見,一場暴雨形成的受水口入流過程雖然一定,但受水口出流過程將隨受水口的形狀、大小及有關水力因素如積水深、與地下管網的銜接形式等而變。如果受水口的出流量等于一場暴雨形成的入流過程的峰值,那么這場暴雨所形成的受水口的入流量就能順利通過受水口進入地下排水管網,地面不產生積水;反之,如果受水口的出流量小于一場暴雨形成的入流過程的峰值,那么這場暴雨就會在地面形成積水。圖4表示一場暴雨過程中積水量和積水深的變化過程,由此可以看出最大積水深出現的時間及這場暴雨造成的地面積水時間。暴雨產生的徑流經受水口進入地下排水管網后,就成為管網水流,最終通過管網出口排入河道,成為河道水流。

圖3 受水口形狀、大小及水力因子對其排水的影響

圖4 地面積水現象

地下排水管網中水流很復雜,它不僅具有呈空間分布的多個入流點和多個出流點,存在各條管道水流的相互干擾和與河道水位的復雜頂托,而且有時為有壓流,有時為無壓流,有時有壓流和無壓流并存。由此可知,城市排水系統中的水流運動主要涉及水文學原理和水力學原理[1,3]。

受水口出流不僅與集水區的暴雨及其產匯流有關,而且受地下排水管網的影響,地下排水管網又受到河道水位變化的制約。因此,只有它們之間協調暢通,才能保證排水系統的有效運作,充分發揮排水系統的應有功能。

3 城市排水問題分析

城市排水系統為什么不給力?每逢暴雨,為什么許多城市“不堪一擊”?筆者認為主要有以下幾方面原因。

a.城市發展快速、粗放。據報道,2000年北京市建成面積僅為700 km2,2010年則達到1400 km2, 10 a增加了1倍。從全國范圍看,照現在的發展速度,中國的城市化率從28％提高到75％預計只需30 a,而英國的城市化率從26％提高到70％用了90 a,法國城市化率從25.5％提高到71.7％、美國城市化率從25.7％提高到75.2％均用了120 a。中國城市化進程快速,這樣的跨越式發展,容易滋生“粗放”的現代化城市管理。在城市發展過程中,如不能顧及長遠,必然會出現問題。

b.城市建設重地表輕地下。中國的城市建設力度雖然不斷加大,但往往重視地面高樓建設,而忽視地下管網建設;注重城市華麗外表,較少關注城市內在品質。對“下水道是城市的良心”,“一個城市美好不美好,都能在下水道里找到答案”,“沒有一流的下水道,就沒有一流的城市”等城市發展理念缺乏必要的認識。北京“7·21”暴雨后,國外媒體曾有這樣的評論:“中國城市化顯然并未把地下排水設施規劃排在投資清單的前列”,是否確實如此,值得思考。

c.排水系統設計標準偏低,升級困難。中國約有70％的城市排水系統最多只能抵御1年一遇的暴雨,即使像北京天安門廣場、奧林匹克公園這樣重要的城市地標,也只有5年一遇的防洪標準。而發達國家城市的排水系統標準遠高于此,紐約的排澇標準是10～15年一遇,巴黎的排水系統至今已運營150余年,仍有強大的排澇功能。中國明代在北京團城內建設的排水系統距今已有600余年,在北京遭遇“7·21”暴雨時仍然運行良好,未發生水浸現象。相比之下,中國城市近年來建設的排水系統的設計標準明顯偏低。此外,城市早期興建的地下排水管網多為合流制,由于排放廢污水的侵占,合流制地下排水管網的實際排放雨洪的能力還得打個折扣。雖然近些年來比較強調分流制,但截至目前分流制地下排水管網所占的比重仍較小。

歷史上中國沒有哪座城市是以下水道為立市之基[4],而巴黎和倫敦當初之所以成為一個城市,不是因為地面高樓,而是因為下水道,世界上流傳著“找到了下水道才算是個城市”等立市理念。由于這種立市理念的長期缺失,北京、上海、廣州等城市目前已建成的長達3870 km、8100 km和6000 km的地下排水管網幾乎都達不到5～10年一遇的設計標準,要對這樣龐大的地下排水管網提檔升級,其難度可想而知,極需科技與資金的支持。

d.防汛意識淡薄,對產生的新問題認識不足。城市化必將使原有的地形地貌發生變化,由于不透水面積的增加和匯流條件的改變,同樣的降雨,徑流量和洪峰流量將增大。填埋河道、垃圾阻塞河道、建設侵占河道等情況時有發生,屢見不鮮,大幅度減小了排洪河道的過水行洪能力。當采用下沉式立交橋方案進行道路設計時,未考慮配備良好的排水系統,甚至橋區最低點的高程比行洪河道的水位還低,例如北京市78座下沉式立交橋橋區的最低點就低于河道水面。不少新建小區未按標準新建排水設備,而是盲目接入原有的市政管線,從而埋下了隱患。

e.災害預警能力不達標,預警信息傳達不到位。城市管理與城市建設同樣重要,有了一流的下水道,還需要一流的管理作支撐。這種管理包括硬件和軟件兩個方面,而且軟件與硬件同等重要。城市是一個龐大的系統,災害考驗著城市管理者的智慧。在我國城市管理軟件建設中,災害預警傳播機制是一個軟肋,普遍存在預警信息不靈敏、信息網絡不健全、綜合減災應急處置有而不專、多而不實等問題。

4 若干建議措施

4.1 做好城市排水系統的整體規劃布局

由受水口、地下管網、排水河網和泵站組成的城市排水系統是一個復雜的系統。根據城市地形地貌、水系分布等特點,處理好排水管網與受水口、排水河網、泵站之間的關系,各片區管網之間的關系,以及排水工程與其他市政工程之間的關系,構建合理、優化的城市排水系統,以獲得高效的排水效率,同時節省投資,改善環境。在過去相當長時間里,許多城市的排水系統往往缺乏統一規劃,顧此失彼,頭痛醫頭,腳痛醫腳。對于那些未按現代立市理念進行整體規劃的城市排水系統,需及時補上規劃這一課。

4.2 修訂暴雨強度公式,提高排水設計標準

我國在過去相當長時間內,采用年多個樣法來選取城市短歷時暴雨頻率計算的樣本。根據GB50014—2006《室外排水設計規范》,年多個樣法是這樣從總體中抽取樣本的:“每年每個歷時選擇6～8個最大值,然后不論年次,將每個歷時子樣按大小次序排列,再從中選擇資料年的3～4倍的最大值作為統計的基礎資料。”然而,該方法存在以下不足:①以次作為重現期不明確,以年作為重現期不合適。原因分析如下:地球繞太陽一周為1年,1年既是氣象變化的一個輪回,也是水文循環的一個輪回[1]。如果在地球上某地設置水文站連續觀測降雨強度的變化歷時,通過1年的觀測可以獲得降雨強度的年內變化過程,從中可以摘取不同歷時的最大值。由于諸多不確定因子的存在,這種降雨強度年內變化過程逐年各異,不同歷時的最大值逐年也不相同。如果這種不確定性是隨機不確定性,那么降雨強度年內變化過程就是一個隨機過程,從中摘取的不同歷時的最大值所構成的序列就是一個隨機序列。隨機過程和隨機序列均為隨機現象。由于年多個樣法不是1年取1個樣,對這樣的樣本以次作為重現期不明確,以年作為重現期更不合適。②難以保證所選樣本有較好的獨立性和隨機性。由概率論和數理統計知識可知,隨機現象的規律性可用其分布函數來描述。但如果不能掌握隨機現象的總體,而只能已知總體中的一部分,那么怎樣來推斷其分布函數呢?數理統計學就是為這種需求發展起來的一門學科。根據從總體中抽取的樣本的分布特性來推斷總體的分布特征就是數理統計學的基本任務[5]。為實現這一基本任務,數理統計學要求從總體中抽取樣本時滿足隨機性、獨立性。年多個樣法難以保證由此取得的樣本有較好的獨立性和隨機性。

GB50014—2006《室外排水設計規范》[6]2011年修訂版明確指出:“有條件的地區可用30年以上的雨量系列”研制城市暴雨強度公式,“暴雨樣本選樣方法可采用年最大值法”。筆者認為,這是對原規范的一項重要修正,因為采用年最大值抽樣,不僅樣本的獨立性、隨機性較好,較年多個樣法更符合數理統計方法的理論基礎。而且,由工程實踐可知,對于某一年,只要按這年的最大暴雨強度設計排水管網,那么這一年就不會發生城市內澇;對于某兩年,只要按這兩年的最大暴雨強度設計排水管網,那么這兩年就不會發生城市內澇;以此類推。因此,年最大值選樣法以年作為重現期符合工程實際。

4.3 實施雨污分流,整治城市河道

廣義的城市排水包括排泄雨水徑流和排泄廢污水兩種情況。所謂合流制就是排泄雨水徑流和排泄廢污水合用一套排水系統。合流制排水系統不僅不利于城市水環境乃至整個大環境的保護,而且客觀上降低了排水系統排泄雨水徑流的能力。盡快全面實施雨污分流,不僅能明顯改善城市環境,而且可以提高現狀排水管網系統排泄雨水的標準,提高其設計重現期。南京市實施的雨污分流工程已說明了這一點。

整治城市排水河道也十分重要。由于種種原因,城市河道消失嚴重,堵塞嚴重,侵占嚴重。城市河道是城市排水系統十分重要的組成部分,是城市雨水徑流之歸宿。因此,保持城市河流水流暢通,時刻處于吐故納新之中,不僅能改善水環境,而且必然有利于提高排水管網系統的排水能力。

4.4 改造不透水下墊面,增加滲透鋪裝、綠地和濕地面積

在傳統的概念中,城市化進程加快意味著不透水面積的快速增加,這不可避免要大幅度增加原有排水管網的排水壓力。如何在城市發展進程中盡可能少增加不透水面積,以及如何改造原有的不透水面積,不僅是城市建設的新理念,而且是解決城市排水問題的重要措施之一。有計劃地對城市人行道、機動車道、停車場、運動場、市民廣場等實行滲透鋪裝改造,適當增加綠地和濕地面積,不僅有利于減少城市不透水面積,發揮臨時蓄滯洪作用,而且對改善城市環境十分有利,可謂一舉多得。

對于一般城市,綠地和濕地的增加是有一定限度的,但滲透鋪裝改造卻有很大潛力。滲透鋪裝是指采用透水性較好的材料鋪設路面,使雨水能較快下滲到土壤中,以減少地面徑流,增加土壤水分涵養。國內外實踐表明,這是一種減少城市地面徑流、調控城市排水的“低影響開發”[6-9]。研究表明,不同的滲透鋪裝,其地面徑流削減率是不同的,美國北卡羅來納州東部KISTON公共服務區停車場的試驗結果表明,對于相同的降雨強度,瀝青路面的地面徑流削減率只有34.7％,而現澆透水混凝土路面的地面徑流削減率可達99.9％,混凝土格子磚路面的地面徑流削減率為98.2％,連鎖混凝土路面磚路面的地面徑流削減率為99.3％。南京市目前使用的徑流系數一般為0.65,如果通過改造不透水下墊面,增加綠地和濕地面積,使徑流系數減小到0.50,那么目前運行中的排水管網即使不擴大,排水標準的設計重現期也會有明顯的提高。增加滲透鋪裝、綠地和濕地面積,還有利于城市雨水資源的利用,可謂一舉兩得。

5 結 語

本文簡述了城市雨洪的特點,分析了中國城市排水系統存在的主要問題,提出了一些提高城市排水能力的建議措施。提高城市的排水能力是一項系統工程,需要提高對城市排水系統重要性的認識,注重城市整體規劃布局及排水管網的整體優化,在城市擴張的背景下要充分考慮規劃的前瞻性。建議修訂暴雨強度公式,提高排水設計標準;實施雨污分流,整治城市河道;改造不透水下墊面,增加滲透鋪裝、綠地和濕地面積;建立長效管理體制,加強災害預警。

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[2]左東啟,江景波,嚴愷,等.大辭海:建筑水利卷[M].上海:上海辭書出版社,2011.

[3]許萌椿,薛朝陽,胡德保,等.水力學:工程流體力學[M].南京:河海大學出版社,2009.

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[5]叢樹錚.水科學技術中的概率統計方法[M].北京:科學出版社,2010.

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[7]BRUEN M,YANG J.Combined hydraulic and black-box models for flood forecasting in urban drainage systems[J]. Journal of Hydrologic Engineering,2006,11(6):589-596.

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·簡訊·

2013 城市防洪國際論壇將于2013年10月在上海舉辦

為了建立城市防汛排澇應急管理措施,加強城市雨洪控制利用和科學管理,提高對氣候變化和突發災害的應對能力,由中國工程院土木、水利與建筑工程學部及中國土木工程學會、中國水利學會、中國土木工程學會市政工程分會、中國土木工程學會水工業分會共同主辦的2013城市防洪國際論壇將于2013年10月在上海舉辦。主辦者希望通過該活動交流經驗,分享國內外城市雨洪管理的先進技術和低影響開發(LID)的理念,從城市防洪的工程與非工程兩個方面共同探索城市防洪排澇的發展方向,期待在未來最大限度地減輕城市洪澇災害的損失,開發利用水資源,共同構建人水和諧的綠色未來城市。

會議主題為全面提高城市防洪排澇能力,內容包括:①當前我國城市防洪排澇面臨的形勢和挑戰及可能的對策;②全球氣候變暖對城市防洪的影響及發展要求;③國內外城市洪水災害管理經驗;④城市防洪排澇工程體系規劃與管理;⑤城市雨洪控制利用系統規劃與管理;⑥科學制定城市防洪排澇標準;⑦城市防洪排澇工作預警預報系統和應急聯動系統;⑧城市防洪排澇風險管理、投資機制;⑨基于物聯網控制的城市管網監控研究;⑩新方法、新技術及新材料在防洪工程中的應用。

論壇歡迎各界人士踴躍投稿,錄用論文將在《中國市政工程》正式出版。

詳情可登錄http://www.cqtmjz.cn/learn/show-441.html查詢。

(本刊編輯部供稿)

Problems of urban drainage in China

//RUI Xiaofang,JIANG Chengyu(College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing210098,China)

The formation of urban floods,the basic types of urban floods,and the basic hydrologic and hydraulic theories for research of urban drainage systems are discussed.The main problems of urban drainage in China are summarized as follows:urban cities develop with rapid and extensive patterns,people pay attention to construction of buildings on the ground but ignore construction of underground drainage networks,the design criteria of drainage systems are relatively low and are difficult to upgrade,the city's flood prevention consciousness is weak during city construction,and the disaster warning capabilities are substandard.Several ideas and measures to solve these problems are suggested:the underground drainage networks should be constructed with overall planning,the rainstorm intensity formula should be revised to improve the design criteria of drainage systems,rainfall-sewage separation should be implemented and urban rivers should be regulated,surface infiltration should be increased,greenbelts and wetland areas should be protected and expanded,and a long-acting management mechanism to enhance disaster warning should be established.

urban flood;urban drainage system;hydrology;hydraulics;design criterion of drainage system;low impact development

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.001

TU992

A

10067647(2013)05000105

20130515 編輯:駱超)

國家自然科學基金重點項目(41130639)

芮孝芳(1939—),男,江蘇溧陽人,教授,主要從事水文學及水資源研究。E-mail:jiangguol@hotmail.com