基于鄭州特大暴雨后城市雨水系統設計的建議

劉 燕

（鄭州市市政工程勘測設計研究院，河南 鄭州 450046）

0 引 言

2021年7月18日18時至21日0時，鄭州出現罕見持續強降水天氣過程，全市普降大暴雨、特大暴雨，累積平均降水量449 mm。2021年7月20日晚，鄭州氣象局對這次特大暴雨做了一個數據的梳理和總結：鄭州20日16時至17時，1 h的降雨量達到了201.9 mm；19日20時至20日20時，單日降雨量552.5 mm；17日20時至20日20時，3 d的過程降雨量617.1 mm。其中小時降水、單日降水均已突破自1951年鄭州建站以來60 a的歷史記錄。這場特大暴雨的突然降臨引發車輛被淹、建筑進水、路橋沖毀、地鐵進水、停產停運等嚴重洪澇災害，鄭州市292人遇難，47人失蹤，直接經濟損失532億元[1]。災后，鄭州各區開始恢復重建，全面開展城市雨水系統、內澇設施設計等技術層面的研究分析。在此背景下，本文基于鄭州高新技術產業開發區（后稱“鄭州高新區”）雨水系統的梳理分析情況，結合雨水管線建設遇到的問題，提出改造城市雨水系統設計的建議。

1 鄭州高新區雨水排放系統

鄭州高新技術產業開發區，1988年啟動籌建，是河南省第一個開發區、是1991年國務院批準的第一批國家級高新區、是2016年國務院批準建設的鄭洛新國家自主創新示范區核心區。鄭州高新區規劃區域為西繞城高速、隴海鐵路、索河、京廣鐵路圍合區域，面積約99 km2。

鄭州市境內有大小河流124條，流域面積較大的河流有29條，分屬于黃河和淮河兩大水系。主城區范圍有枯河、索須河、賈魯河、魏河、東風渠、金水河、熊耳河、七里河、潮河等9個一級排水分區。其中，高新區所屬的一級排放分區為索須河及賈魯河。高新區雨水排放系統的受納水體主要為現狀索河、須水河、索須河、西流湖（賈魯河）、五龍口明溝、邙山干渠、瓦屋里明溝、長流渠以及規劃石蘇干溝、湖西明溝、須水河西支南明溝等。

2 城市雨水系統設計的建議

2.1 雨水工程設計標準

鄭州高新區大致分為7個雨水排放分區，其中須水河排放分區服務面積最大，約49 km2，以須水河排放分區雨水系統為例介紹雨水工程設計標準。須水河排放分區服務范圍包含高新區西北部、西南部、起步區及部分老城區，規劃年限分別為2011年、2009年、2005年、2003年。其中高新區西北部拓展區包含3個雨水干管系統，管線規劃重現期為2 a；高新區西南部包含5個雨水干管系統，管線規劃重現期為1 a；高新區起步區包含10個雨水干管系統，管線規劃重現期為1 a。以上區域的雨水管道尺寸均采用鄭州市2002年暴雨強度公式計算。

從管網規劃標準的角度分析，雨水工程專項規劃較早，規劃標準低，但標準和規范一直在提高中，《室外排水設計規范》（GB 50014—2006）（2014年版）取消了雨水計算中的折算因子m；2015年鄭州市公布了新的暴雨強度公式；2017年發布了《城鎮內澇防治技術規范》（GB 51222—2017）；2021年住建部發布了《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）。《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）中對城鎮雨水管渠設計重現期、內澇防治設計重現期提出更高的要求，并明確指出：人口密集、內澇易發且經濟條件較好的城鎮，應采用規定的設計重現期上限。

鄭州市各暴雨強度對比見表1，暴雨強度公式見注釋。

表1 鄭州市各暴雨強度對比

《都市區排水防澇規劃（2015-2030）》明確2015年鄭州市規劃勘測設計研究院聯合北京工業大學新編鄭州市暴雨強度公式。

從表1中可以看出，設計重現期一定時，1982年暴雨強度最大，2002年暴雨強度最小，2015年暴雨強度介于兩者之間。暴雨強度公式一定時，設計暴雨強度隨重現期的提高而增加。

雖然城市總體規劃、雨水工程專項規劃等上位規劃早已確定，但是管線建設不是一蹴而就的，隨著高新區滾動式發展的建設特點，雨水管網的建設標準也隨著規范的更新而逐年提高，后建設管線對標同期最新的標準和暴雨強度公式進行復核，從而對早期的規劃標準不斷進行修正和提高。例如高新區西南部梅林路、梧桐街、百香路等雨水管線系統，高新區西北部新龍路雨水系統，起步區西四環雨水系統等均利用鄭州市2015年暴雨強度公式進行計算，管線重現期為5 a校核雨水管徑，并考慮減輕周邊老舊管網的排水壓力，與老舊管網雨水管線部分連通，截流，達到后建設雨水工程標準優于早期建設的工程的效果，后建設管網帶動老舊管網的提標。結合新規范中管渠設計重現期的要求，老城區管網相關聯的工程項目，若作為排水下游通道的規劃設計應考慮采用重現期上限，為老城區的后續改造留有余量。

2.2 雨水系統區域性提標

重大基礎設施的建設從來不是獨立存在，而是兼顧融合現狀，引領發展方向。鄭州市四環線及大河路快速化工程于2018年開始實施，西四環為高新區起步區與老城區分界線，目前，西四環雨水系統管線部分已基本實施完成，采用鄭州市2015年暴雨強度，按照5 a重現期規劃設計，標準較高，西四環沿線區域雨水系統見圖1。西四環雨水系統的實施提高了區域的排水標準，同時對下游出路的建設提出了改造需求，也對上游的區域性提標奠定了基礎。西四環雨水最終排入須水河，排水主通道為科學大道、楓香街、蓮花街、黃楊街，其中科學大道已隨西四環擴容，雨水涵尺寸為2×4.6×2.0，楓香街2-2.6×1.6現狀雨水涵保留，西側蓮花街規劃預留2-3.4×2.0雨水涵，黃楊街2-3.4×2.0現狀雨水涵保留。下一步需進行蓮花街雨水干管的改造，匹配西四環排水需求。

圖1 西四環沿線區域雨水系統（單位：m）

與此同時，西四環為沿線相交道路預留了雨水涵，可提高沿線雨水系統排放標準，涉及的道路由南往北依次為藥廠街、合歡街、冬青街、玉蘭街、科學大道。這幾條路的雨水系統均為長椿路以西老城區的雨水干管系統，通過對該雨水系統的提標改造，將使區域性的雨水排放能力得到大幅度的提高，完成老城區的逐步提標。

2.3 城市豎向的結合

雨水系統的規劃設計中，對新老系統的銜接設計改造需要與城市豎向規劃緊密結合。城市的鐵路、河道、高速、地鐵等重大基礎設施都影響著城市的排水設計。鄭州高新區即有連霍高速、地鐵車輛段、京廣鐵路、隴海鐵路、邙山干渠等重要節點（重要節點位置示意圖見圖2），影響著本區域的排水系統劃分及規劃設計。連霍高速東西向貫穿高新區，連霍以北雨水系統相對獨立，但南北向道路依然貫通，雪松路、長椿路等主干路下穿連霍高速，因而形成天然的下穿積水區域，城市的下凹區域匯水面積大，往往雨水收水能力不足，泵站及下游排水能力不足，暴雨情況下容易形成超標雨水，急需內澇防治重現期校核[2]。高新區東北角、東南角均存在地鐵車輛段，東北角車輛段位于賈魯河西側，影響著歡合片區雨水主排放；東南角車輛段占壓原五龍口明溝流域范圍，影響著南側五龍口區域的雨水排放。邙山干渠南北向貫穿鄭州高新區，北高南低，而高新區的地勢南高北低，西高東低，邙山干渠為引黃灌溉工程，它的建設，使西側雨水向東排放的過程中多了一道天然的屏障，雨水從西往東排放的過程中，或上翻或下穿，形成不少復雜的工程節點。

圖2 重要節點位置示意圖

在前期的雨水系統規劃設計過程中，應充分了解熟悉城市地形特征，重大基礎設施，結合城市豎向，開展設計工作。因下穿高速、鐵路等形成的易積水區域應規劃配套的解決措施，因與地鐵等重要節點沖突的區域，應充分考慮地鐵運營安全，優化排放通道設計，避免將困難留到后期的建設。

2.4 老城區主管網提標

鄭州高新區長椿路以東為老城區，老城區區域雨水系統示意圖見圖3。老城區的排水規劃設計完成于2001年，采用的雨水計算公式為鄭州市1982年暴雨強度公式，重現期為0.5 a。該區域包含高新區第一出水口（玉蘭街雨水干管系統）、高新區第二出水口（翠竹街雨水干管系統），玉蘭街排出口在規劃形成之前已存在，玉蘭街、翠竹街雨水系統已服務超20 a，隨著城市的發展，匯水面積逐漸增加，雨水徑流量持續增大，老舊管網超負荷運行，影響著區域排水安全。

圖3 老城區區域雨水系統示意圖（單位：m）

玉蘭街雨水干管系統服務面積約579 hm2，玉蘭街下游已隨歡合路雨水改造完成提標設計，由原2-1.8×1.7雨水涵改造為5.0×2.0雨水涵，雨水向東排放，下穿鐵路，最終排入賈魯河。對玉蘭街的上游進行提標改造，涉及到上游轉輸中最大的雨水系統，即瑞達路雨水系統，以及上游瓦屋李明溝的改造。而瑞達路雨水系統、瓦屋李明溝的改造均與上游藥廠街的雨水干管系統改造方案相關聯。因此，在下一步的規劃設計中，應通盤考慮整個區域的排水需求及限制條件，減少對現狀主干路、老城區群眾生活的影響，通過優化上游的雨水系統方案，緩解下游雨水干管的排放壓力。

翠竹街雨水干管系統服務面積約552 hm2，下游雨水涵尺寸為2-2.0×1.6，翠竹街為東西向道路，西至西四環，東至西三環，翠竹街雨水往東排放，下穿鐵路后排入賈魯河，翠竹街（西三環-鐵路段）道路未形成，該段雨水涵下游走向不規則，未在規劃道路紅線內，且有部分為明渠形式，建議在后期規劃設計中，隨道路的建設，對該雨水涵進行提標改造。翠竹街上游與多條南北向道路相交，如垂柳路、郁香路、海莉路等，其中郁香路、海莉路雨水系統均與翠竹街雨水系統相連通，并向北分流，緩解翠竹街排水壓力。但郁香路、海莉路的下游均為規劃石蘇干溝，若下游河道不進行合理規劃建設，則互相連通的雨水系統會給翠竹街造成更大的排水壓力。

2.5 澇水行泄通道

持續強降雨天氣，大量雨水來不及進入收集系統，而形成地表徑流，當匯集足夠多的徑流，管網超載形成壓力流致使檢查井水位高于地面高程時，管網系統發生溢流，形成地表積水，產生內澇風險。因此，在雨水系統的規劃設計過程中，既要考慮雨水系統的合理性，更要注重超標雨水排放的通道設計，利用道路斷面較寬的特點，優化道路豎向，有組織的進行雨水排放[3-4]。目前，國內道路大排水行泄通道的研究還集中在對道路斷面的優化，道路大排水系統與地下雨水管線的交互作用也是較熱門的研究方向[5]。澇水行泄通道的規劃設計應避開重要的交通主干道、鐵路、地鐵、隧道，以及醫院、商業等人口密集區，保障安全行泄。另一方面，行泄通道的規劃設計應充分考慮排水分區，并建立管線與道路的排水耦合模型，充分考慮道路明渠流與管道壓力流之間的交互作用，還原真實的排澇場景。

3 結語

（1）雨水工程的設計應在遵守規劃的同時，參照設計當期最新標準及暴雨強度公式對雨水系統進行復核；雨水工程設計標準的選擇應充分考慮區域老舊管網的改造需求，為后續的提標留有余量，對下游系統改造時，城鎮雨水管渠設計重現期、內澇防治設計重現期宜采取上限。

（2）雨水系統區域性提標，應充分結合重大基礎設施的建設，依托已建項目，完善上下游排水系統的提標改造。

（3）城市設計的豎向應不僅是道路豎向的設計，更要充分考慮高速、鐵路、河流、道路、地鐵等方面，形成更大范圍的城市豎向規劃，合理劃分排水分區，考慮下穿區域排水，規劃配套的解決措施。

（4）老城區雨水主干管系統服務時間長，人口密集，服務面積大，改造困難，對其提標不能簡單的對管徑進行擴容，而應該統籌考慮其上下游排水系統，充分利用新建雨水系統的分流，間接對其進行提標。

（5）澇水行泄通道的規劃設計應避開重要的交通主干道、鐵路、地鐵、隧道，以及醫院、商業等人口密集區，保障安全行泄。充分考慮排水分區，建立管線與道路的排水耦合模型，充分考慮道路明渠流與管道壓力流之間的交互作用。