排水防澇大小排水系統構建研究

周琪皓，楊新宇，黃繼軍，張春洋，劉云帆

(中規院(北京)規劃設計公司，北京 100044)

根據2017年統計，全國因洪澇災害受災人口5515萬人，直接經濟損失2143億元[1]，且2020年8月以來，洪澇災害已經造成6346萬人次受災，直接經濟損失1789.6億元。隨著城市化進程的加快，暴雨洪澇災害發生的頻率越來越高，已成為制約城市經濟發展的重要因素[2- 3]。

國內關于城市內澇已有較多研究，郝天文等提出目前我國排水工程規劃缺乏系統性，對暴雨強度公式適用范圍缺乏分析，導致城市相繼遭受內澇災害[4]。周玉文提出城市排水防澇系統應分為源頭控制工程、雨水排水管網工程、內澇防治工程、排澇工程、防洪工程等5個單項，目前我國內澇的根本原因是內澇防治工程缺失造成的[5]。車伍等提出目前內澇防治的重點主要放在提高雨水管網的設計標準上，缺乏對不同條件下致澇原因的甄別以及有針對性的系統考慮，忽視了洪與澇的復雜聯系并分而治之，導致我國內澇頻發[6]。由此可見，城市建設中缺少對內澇防治系統的考慮是造成國內城市普遍內澇情況的重要原因之一，內澇系統在國外又稱為大排水系統。

南北城市均存在不同程度的內澇問題。2017年9月1日張家口市區降雨約40mm，導致市區道路積水超過15cm，甚至部分車輛被淹。2019年5月17日泉州市區降雨60～80mm，造成泉州市區部分路段積水嚴重影響車輛通行。本文對比分析張家口與泉州城市內澇的主要原因，分別介紹了張家口大排水系統與泉州小排水系統構建的必要性與方式，通過不同方式綜合提升城市對降雨災害的應對能力。

1 研究區概況

1.1 氣候降雨

張家口地形復雜，屬于東亞溫帶大陸性季風氣候，年均降雨量為404mm，如圖1(a)所示，遠低于泉州年降雨量1036～1514mm，如圖1(b)所示。但是張家口極端降雨量大，主要集中在6—9月份，約占全年總降水量的60%，最大能達到30～40mm，也達到了南方城市大雨的降雨水平。

1.2 自然地理

張家口位于桑干河和洋河流經壩下中部的狹窄的河谷盆地，城區三面環山，西部為賜兒山，北部為臥云山、西太平山、東太平山，東部為七里山，三面山地坡度在15°～30°之間。城市建成區總面積約60km2，區域內主要有4條河流，分別為清水河、東沙河、西沙河、王家寨河，河網密度是0.55，如圖2(a)所示。泉州古城地勢由北向南變緩明顯，古城內有4條河流，河網密度1.7，如圖2(b)所示。

經過對比，較低的河網密度造成張家口單片匯水面積較大(以入河排口前的區域劃分單片匯水分區)，大部分超過2km2，更需要考慮人工大排水系統的構建。

圖1 張家口與泉州降雨情況對比

圖2 張家口與泉州流域水系對比

張家口雖然年降雨量少，但是沿河道沿線及老城區等大部分區域均存在內澇現象。通過對現狀梳理可以發現，極端降雨量大、地形地勢不利、河網稀疏等外部條件造成了城區內部老城區普遍的內澇情況，具有北方易澇城市的典型特征。泉州古城則是由于排水設施老舊滯后、局部低洼造成局部內澇。

2 內澇成因及對策分析

2.1 內澇成因分析

2.1.1排水系統建設標準偏低

由于歷史等原因，中國排水系統一直沿用前蘇

聯的模式，考慮當時國內的經濟狀況，早年的管網設計標準為1～2年一遇，加之大部分城市重地上輕地下，造成城市管網現狀標準大部分小于1年一遇。張家口和泉州在管網設計標準均存在偏低問題，城區內雨水管管徑大部分D400～D800，80%左右的管網不足1年一遇，見表1。

大多數發達國家排水管網標準較高，美國排水標準是居住區2～15年，商業和高價值區域為10～100年；歐盟標準是農村地區1年、居民區2年、城市中心/工業區/商業區5年、地下鐵路/地下通道10年[7- 8]。但是現狀中國城市排水管網大部不足1年一遇的設計標準，難以滿足城市高質量發展的需求。

以泉州30年一遇24h設計降雨雨型為例，如果全部管網能達到2年一遇設計標準，理想狀態下可以應對4.2mm/5min強度的降雨，但在30年一遇降雨情境下，仍有約1h43mm的降雨是只能通過地面漫流排放，大量無設施收納的雨水在低洼區域極易形成內澇積水。因此，雖然現狀大部分城市已經完成雨水管網敷設，但是大部分不足1年一遇的設計標準，低標準的建設導致城市難以應對越來越頻繁的極端強降雨情況[9]。泉州30年一遇24h降雨雨型如圖3所示。

2.1.2 暴雨強度公式對于超過2km2區域存在計算誤差

對于超過2km2的大匯水片區，現狀大部分主干管網存在設計誤差，能力也達不到標準要求。造成誤差的原因主要是由于降雨數據資料的匱乏，我們管網設計主要依據為暴雨強度公式而不是降雨雨型，在超出暴雨強度公式適用范圍的情況下，造成了不準確的計算。

表1 張家口和泉州現狀管網能力評估

圖3 泉州30年一遇24h降雨雨型

我們通常所用的暴雨強度公式求導方法可分為三步。第一步為樣本統計，樣本的選取方法有年最大值法和年超定量法、年多個樣法等，水利部門多采用最大值法，城建部門多采用多個樣法，兩種選樣方法在T≥10a時，兩者強度基本接近，在T<10a時，年多個樣法選取的樣本值更大，更準確[7]。同時，城建部門降雨歷時選取一般為5～120min的短歷時降雨樣本，水利部門一般選取大于等于24h的長歷時降雨或者10～720min的短歷時降雨樣本[10]。樣本選擇的不同造成了城建部門公式和水利部門公式適用范圍的不同[11]。選取后的樣本有3個變量，分別為降雨強度(mm/min)、頻率(重現期)、降雨歷時t(min)。

第二步是對降雨強度與頻率的關系進行擬合，主要利用皮爾遜-Ⅲ型、耿貝爾型和指數型分布函數曲線等，實際中常采用皮爾遜-Ⅲ型[12]。

第三步是對降雨強度與降雨歷時的關系進行擬合，城建部門主要采用暴雨強度公式法，水利部門主要采用經驗公式、推理公式法等。暴雨強度公式法首先對單一重現期的暴雨強度公式進行擬合，之后引入重現期區間參數對重現期劃分區間得到最終的暴雨強度公式[11]。

(1)

式中，q—設計暴雨強度，L/(s·hm2)；i—降水強度，mm/min；P—暴雨重現期，a；t—降雨歷時，min。

因此，最終得到的暴雨強度公式是表示降雨強度與降雨歷時關系的函數，同時由于氣象部門的降雨統計數據主要為日降雨量或時降雨量，求出的設計降雨強度為5～120min短歷時情況下的平均降雨強度。因此，在同樣的重現期標準情況下，平均降雨強度是隨著降雨歷時的增加而減少。以泉州重現期2年一遇情況下，30、60、120min不同降雨歷時情況下的芝加哥雨型擬合結果，可以看出同樣的重現期標準下，降雨強度峰值是隨著降雨歷時增大不變，降雨總量隨著降雨時間增加由34.8mm增加至68.5mm，但是平均降雨強度隨著降雨歷時的變化逐步降低，由1.2mm/min降低至0.6mm/min，如圖4所示。

暴雨強度公式的降雨歷時由地面集水時間和管渠內流行時間組成，因此，匯水面積的大小會直接影響到降雨歷時。根據測算，匯水面積為3km2時，于管渠內水流行時間增加，設計1年一遇的排水能力只能達到0.5年一遇的實際產流量，設計2年一遇的排水能力只能達到1年一遇的實際產流量[13]。

圖4 泉州不同降雨歷時下芝加哥雨型對比(P=2)

按照現行的方法，匯水面積越大，管網計算出來的排水能力就越小。GB50014—2006《室外排水設計規范》(2016年版)也規定“當匯水面積超過2km2時，宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網匯流過程，采用數學模型法計算雨水設計流量”[14]。針對北方城市大部分河網稀疏，大部分單片匯水面積超過2km2，更需要考慮進行大排水系統建設，同時修正現行暴雨強度公式計算方法的誤差。

2.2 內澇防治對策

由以上分析可知排水系統建設標準偏低為南北城市形成內澇的主要原因，但全面提升管網設計標準存在多方面的困難和局限。一方面，國內屬于溫帶季風性氣候，年際降雨相差較大，同樣的重現期標準下的降雨強度較高，對應的管渠管徑較大，如果整體提高排水管網標準，可能增加管網造價60%～70%[2]。另一方面，大部分城市現狀管網系統基本形成，如果對低標準管網進行大范圍改造，會對城市交通和其他專業管線造成多方面影響，使改建工程施工產生極大困難。

如何在經濟條件和實施條件都允許的情況下，通過關鍵性措施和對策整體提高排水片區排放標準，是南北城市需要共同思考的問題。所以針對張家口、泉州南北兩座不同的城市，分別采取了不同的提標改造方法。張家口主要通過構建城市大排水系統來全面提高城市排水防澇建設標準，泉州古城主要通過精細化小排水系統構建研究，從可行性與經濟性出發，基本消除城市內澇情況。

大排水系統是由城市內河、地表行泄通道、地下大型排放設施、調蓄設施和地面的安全泛洪區域等組成，主要為應對超過小排水系統設計標準的超標暴雨或極端天氣特大暴雨的一套“蓄排”系統，主要擔負重現期為5～50年范圍暴雨的安全排放。小排水系統一般包括LID等源頭控制措施、雨水管渠、調節池、排水泵站等傳統設施，主要擔負重現期為1～5年范圍暴雨的安全排放，保證城市和住區的正常運行[4]，如圖5所示。

3 張家口大排水系統構建方案

3.1 徑流模擬

在內澇成因及對策分析后，本研究通過1∶500地形圖進行了徑流模擬，發現模擬得到的徑流路線與內河流向是基本相符，但是也存在部分徑流路線與內河流向不相符區域，恰好就是現狀易澇片區的所在，如圖6(a)所示，因此著重解決徑流模擬與實際排水方向不相符區域，建立澇水行泄通道。

3.2 大排水系統構建方案

(1)內河綜合治理：由于北方河道大部分為干溝，極易被兩側建筑侵占或者蓋板，導致河道不能滿足防洪要求。本方案分別對城區東沙河、西沙河、王家寨河等內河的過流能力進行校核，識別出防洪卡點，提出綜合整治方案，通過上游綠化攔蓄、城區中游分洪擴涵、下游擴挖清淤等，以此首先保證城市內河系統能夠滿足內澇防治要求。

(2)截流山區雨洪：由于張家口三面環山的地勢特點，加之城市不斷向山區擴張，在進行大排水系統建設的同時需要考慮山洪截流。規劃沿賜兒山、西太平山、東太平山、七里山建設9條截洪溝，引導山區雨洪向城市內河或澇水行泄通道排放。

(3)澇水行泄通道：結合現狀內澇點以及徑流分析結果，依據模擬的徑流路線新建澇水行泄通道。綜合考慮山洪截流方案、內河的分洪方案、道路建設條件等，規劃建設17條澇水行泄通道，如圖6(b)所示，主要通過建設大型地下排水渠道來實現，同時將重現期標準提高至10年一遇來彌補超過推理公式法適用面積后的計算偏差。

圖5 防洪排澇系統構建

4 泉州古城小排水系統構建方案

4.1 大排水系統梳理

泉州古城有著完善的大排水系統，也就是排澇系統。泉州古城內有筍浯溪排澇系統、八卦溝排澇系統、南環城河排澇系統、北部排洪渠排澇系統，以及2座排澇泵站：北峰排澇泵站、金山排澇泵站，僅泵站排澇能力合計可達20～30m3/s，基本滿足現狀古城的排澇要求。

4.2 小排水系統構建方案

4.2.1街區模型評估

泉州古城現狀內澇點共5個，其中3個分布于西街片區內。西街片區位于古城中心區域，有開元寺“雙塔”、城隍廟等多處歷史保護建筑，為古城內最具有代表性的街道之一，如圖7(a)所示。本研究重點以西街片區作為古城街區整治案例，提出了2個改造方案：方案1為擴大主干管涵方案，方案2為上游分流方案。通過Info Works ICM軟件模型分析，分別進行管網能力評估、淹沒分析、內澇風險分析，最后確定方案二效果最佳，如圖7(b)所示。

4.2.2街區方案對比

在模型驗證的基礎上，考慮排水效果、改造難度、工程量等因素對兩方案進行對比。通過對比得出，方案1與方案2均能實現近期內澇點基本消除，但是方案2在改造涉及西街、象峰巷等重要1類歷史保護街巷方面可能存在對開元寺西塔的擾動影響，存在施工實施風險。因此，最終推薦方案1作為實施方案。

圖6 張家口現狀內澇點及徑流模擬

圖7 泉州古城現狀內澇點及模型模擬

4.2.3片區方案確定

通過對每個片區內澇點分析，提出每個片區的內澇點整治方案，最終得到古城內雨水系統建設方案。由于古城綠地少，建筑老舊，因此主要通過雨水管渠的改造來構建泉州古城的“小排水系統”。

5 結語

(1)北方城市對比南方城市雖然降雨量少，但極端降雨量大，因極端降雨造成的內澇災害不容忽視。特別是北方城市河網稀疏，大部分匯水面積超過2km2，暴雨強度公式存在適用誤差。因此北方城市需要考慮人工大排水系統的建設，而南方城市則需要通過精細化改造小排水系統，綜合提升內澇防治標準。

(2)城市管網標準不足是造成內澇的主要原因之一，由于暴雨強度公式的局限性，規劃中需要以典型降雨雨型為依據對劃分雨水排放系統，構建起管道排放、內澇防治及河道防洪三級的排澇防洪系統[15]，綜合提升城市對降雨災害的應對能力。