城鎮雨水系統構建淺談

陳東華

（深圳市市政設計研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

1 系統構建的重要性

室外排水設計與城鎮防洪排澇安全息息相關，是一項系統工程。從管理的空間尺度可分為三個組成部分，一是排水分區管理尺度，通過排水管網對降雨產流進行快速的收集和排放，重點在于“排”，滿足排水設計標準，在設計標準范圍內不積水；二是城鎮防澇管理尺度[1]，通過城鎮范圍內的河、湖、公園、綠地、調蓄等措施減緩城鎮排水峰值流量，重點在于“蓄”，滿足內澇防治設計標準，在設計標準范圍內地面積水不超過最大允許積水深度，并在雨停后排干不超過最大允許退水時間；三是流域管理尺度[1]，通過流域性河道防洪的統籌建設和管理，確保河道水位控制在合理范圍內，重點在于“控”，滿足防洪設計標準，在設計標準范圍內河道水位控制在防洪水位以下。

城鎮雨水系統是由排水管渠和排水設施構建的一張網。排水系統在一條城鎮支路上可能就是一段雨水管，但從一個片區、一座城鎮來看就變成了一張網，內部由無數管段編織而成，任何一個節點的銜接變化都會對管網上下游產生影響。同時管網還與城鎮的地塊、道路、建筑、排洪和排澇等設施相連，如何保障城鎮管網系統安全、有序，且具備應對極端天氣的韌性，在設計之初需考慮到系統的整體構建。

系統思維應貫穿工程規劃、設計、建設、運營全過程。規劃是以城鎮發展為前提，根據用地性質、場地高程、水系布局等規劃因素做的宏觀系統構建（鳥瞰視角），重點是明確片區雨水系統的整體建設標準、主干管網的路由構建、管網與水系的銜接方式。工程在規劃后續的各個階段均需要系統思維去理解、分析、應用、反饋規劃系統及構建相關問題（細化落地），例如局部管網設計，一是要考慮上、下游銜接與規劃的關聯，二是設計邊界條件是否發生變化對現狀和規劃管網系統產生影響，三是針對現狀存在的排水問題進行系統的排查分析，設計過程需要與規劃管網系統進行反復的溝通反饋。例如在工程建設和運維過程中，需要熟悉和應用局部區域的系統構建和銜接關系，為工程建設時序、管道臨時遷改、管網維護、應急搶險等提供系統的解決方案。

2 如何考慮系統構建的組成分類

《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）2021 版修編（以下簡稱設計標準）新增第3 章排水工程，系統規定室外排水工程的組成和相互關系，在3.2 章節明確“雨水系統應包括源頭減排、排水管渠、排澇除險等工程性措施和應急管理的非工程性措施，并應與防洪設施相銜接”[2]。設計標準重點將城鎮雨水系統構建的分類與防洪排澇的韌性需求相關聯。

城鎮排水安全主要包括“內澇”和“外洪”，“外洪”系統主要依靠國家水利部門的流域統籌，城鎮雨水系統構建主要以“內澇”防治為主，筆者將管網系統功能分工與設計標準定義結合，把城鎮雨水系統構建分為源頭、收集、轉輸、排放、應急等五個部分組成，相對設計標準主要是將“排水管渠”部分細分為“收集”加“轉輸”，“收集”重點考慮接入點的流量和外部銜接方式，而“轉輸”重點考慮接入點與上游轉輸流量的疊加和內部銜接方式。

形象的概括來說，如果我們把“雨水”當作一件商品，以互聯網購物視角來梳理雨水系統構建的邏輯關系。源頭即“雨水”的生產商，是指片區降雨轉變為徑流的產流部分，一般由片區地表徑流和調蓄控制措施組成；收集即“雨水”的貿易商，是指將片區徑流銜接至雨水管渠的收納部分，一般由雨水口、下凹式綠地等收集設施組成；轉輸即“雨水”的物流商，是指從雨水收納到排放之間的轉運部分，一般由雨水管渠組成；排放即“雨水”的用戶終端，是指水體接收城鎮排水的銜接部分，一般由排放口或泵站等設施組成；應急即“雨水”的保險商，是指超設計標準的止損部分，一般由城鎮排水管理部門制定的應急預案組成（見圖1）。

圖1 系統構建分類對比示意圖

3 管網系統設計要點

雨水的特點，一是隨機性，二是分布不均，三是峰值效應?！八w”作為城鎮“雨水”產品的用戶終端，其需求量主要受到整個水體流域排洪容量的影響。城鎮雨水系統是城鎮降雨與流域防洪之間的聯系紐帶，其設計要點簡單來說就是協調城鎮降雨產流與流域水體防洪容量之間的“供需矛盾”，從而確保城鎮排水安全。

城鎮排水安全一是確保防洪安全（即流域洪水不能越過防洪堤或通過管道排口倒灌進入城鎮，避免產生外洪災害），二是確保內澇安全（即城鎮降雨能安全排放或調蓄，避免產生內澇災害）。解決這種“供需矛盾”的思路，一是要提高“需求”端的接收能力采用強排方式，二是要提高“供給”端的調蓄能力采用“海綿”方式錯峰“出貨”。

3.1 源頭設計要點“減排”

源頭設計主要解決的是城鎮降雨后的產流控制問題。在低開發的生態環境下，降雨會先下滲到土壤，通過土壤及植物根系對雨水自然吸收后的滯留、調蓄功能，大大減少了地表徑流總量，并緩解洪峰效應。從設計標準中規定的不同地面種類和建成區域密度的徑流系數差異，可以看出城鎮建設的開發密度對自然生態雨水調節功能的損害（例如公園綠地的徑流系數為0.1～0.2，城鎮建筑密集區綜合徑流系數為0.6～0.7，徑流量提升3 倍以上）。如果城鎮化建設過程中不考慮的生態補償控制措施，城鎮產流量和匯集速率將持續增加，不僅增加了城鎮排水安全的風險，同時需要不斷投入改造城鎮排水下游管渠和水系過水斷面。

因此，源頭“減排”實際上是城鎮建設的生態補償，即“海綿城鎮”理念中“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施。2021 版設計標準在4.1.6 章節中提出“當地區改建時，改建后相同設計重現期的徑流量不得超過原徑流量”[2]的強條，在4.1.8 章節提出“ 綜合徑流系數高于0.7 的地區應采用滲透、調蓄等措施”[2]的規定。

設計落地，一是在區域改造項目中要統籌考慮綜合徑流系數的核算，對改造后片區徑流的變化進行總量控制；二是在城鎮雨水系統安全的前提下，植入“海綿城鎮”理念，通過“大海綿”（即城鎮內部調蓄水體，例如湖泊、水庫）、“中海綿”（即管網系統性的調蓄措施）、“小海綿”（即片區減排措施，例如下凹式綠地、片區的雨水存儲利用設施）的綜合構建，提升城鎮整體抵抗極端天氣的排水安全韌性。

3.2 收集設計要點“效率”

收集設計主要解決的是城鎮雨水產流后的納管問題，減少雨水在路面漫流對行人、車輛造成的影響，重點是要“快”。按雨水收集方式的不同分可為三類，一是城鎮硬化地面的雨水口收集系統（例如城鎮道路、廣場等區域），二是城鎮生態綠地的明渠收集系統（例如公園綠地、公路排水等區域），三是集中排水點的管道收集系統（例如建筑立管、橋梁立管、片區調蓄設施等）。

收集“效率”主要是從安全角度出發，一是要快速納管避免地表積水帶來的水患，二是防淤堵避免雜物和泥砂進入管渠轉輸系統，三是保順暢做好節點銜接和消能避免局部涌水。

設計落地，雨水口收集系統重點是結合地勢合理設置雨水口，注意雨水口間距、收水效果和連接管順暢（例如在低點必須設置雨水收集口，道路橫坡不應小于1.5%，縱坡不應小于3‰否則需采取措施強化雨水口收集效果，道路縱坡大于2%可適當加大雨水口間距等）；明渠收集系統重點是“明接暗”的防淤堵和消能措施（例如銜接處需設置格柵和沉砂井避免大的雜物進入管道系統造成淤堵，明渠流速超標準時需考慮消能措施，接入點的跌水消能需求等）；管道收集系統重點是標高銜接、消能和防倒灌措施（例如銜接點轉輸主管管頂標高應低于接入管管頂標高，如接入管采取溢流的接入方式時應考慮防倒灌措施，建筑和橋梁立管的銜接點應考慮局部消能措施等）。

3.3 轉輸設計要點“順暢”

轉輸設計主要是解決納管雨水的匯流和輸送問題，做好流量、標高、管徑、坡度等上下游銜接，避免出現轉輸卡脖子和涌水現象，重點是要“匹配”。將分散的雨水收集點匯集轉輸至末端的河道水體，一般根據城鎮的地形地勢和河道水系分布劃分排水分區，分區構建管網系統。

轉輸“順暢”主要從規劃的系統構建的角度出發，一是管網的平面轉接，二是管段的豎向銜接，三是節點下游管道轉輸能力的匹配。

設計落地，平面轉接重點是結合路網、地勢、水系等邊界條件合理布置管網路由，選擇最短的距離快速轉輸；豎線銜接重點是通過管道銜接的方式和坡度合理設置控制管段埋深，在確保滿足支管接入和沿路管線交叉需求的前提下減少整體埋深，方便管道維護和建設成本；管道轉輸能力重點是雨水接入節點的匯水流量計算。

3.4 排放設計要點“安全”

排放設計主要是解決城鎮管網與河道水系的銜接問題。通過工程技術手段協調管網與河道水系的排放方式，重點是系統“調配”。將城鎮管網匯集的雨水采取自流、抽排或兩者結合的方式分段排放至河道水系。

排放“安全”主要是從城鎮內澇角度出發，一是確保河道水系的洪水不倒灌，二是確保管網末端雨水的及時排放，三是如何提高城鎮管網與河道水系銜接的調配能力。

設計落地，洪水不倒灌重點是核查城鎮管網末端標高與河道水系城鎮防洪標準對應洪水位的高程關系，考慮是否設置防倒灌措施；及時排放重點是核查河道水系從常水位到洪水位的變化過程對城鎮管網末端排放效果的影響，考慮是否設置抽排措施；調配能力重點是末端抽排結合的切換控制、城鎮調蓄與排水應急措施，考量城鎮應對極端天氣的韌性。

3.5 應急要點“精準”

應急主要是針對城鎮降雨超出設計標準的情況、河道水位超出防洪等級等突發狀況下，應對城鎮內澇災害的預案，重點在于對城鎮內澇敏感點的預判。

應急“精準”主要是從城鎮內澇敏感點和災害損失影響度的角度出發，對城鎮內澇隱患點進行提前的摸排管控，及時采取反應措施，減少災后影響。

城鎮內澇遵循“水往低處流”的特性，隱患點排查主要可分三個方向，一是排水系統不暢的歷史積澇點，二是城鎮地表區域的地勢低點，三是城鎮地下空間的地表積水倒灌風險；防災思路主要可分為兩大類，一是監測到預警到限制通行（主要針對地表低點且災害損失影響可控的區域，例如道路下穿隧道），二是監測到預警到嚴防和人員疏散（主要針對人群密集的公共地下空間或災害損失影響較大的區域，例如地鐵出入口）。

4 系統構建的延申思考

4.1 建設標準的選擇與銜接[1]

2013 年以前我國僅有城鎮排水和水利的防治、防洪標準。這些標準屬于不同學科，考慮問題的角度和計算公式方法存在差異，近年來我國城鎮的排水標準、內澇防治標準和水利的治澇標準、防洪標準已基本形成統籌。

從上述不同類型標準的標準值看，同一級別城鎮對應的重現期存在較大差異，例如特大城鎮雨水管渠設計重現期是3～5 a，內澇防治標準是50～100 a，治澇標準是20 a，防洪標準是200 a。這主要是因為各標準研究的對象不同，因此對應的降雨歷時和強度、水文數據統計方法、計算公式都不相同，不能單純從標準重現期數值上看銜接的合理性。

城鎮排水防澇屬于地方事權，包含排水和內澇防治兩部分，由城鎮排水管理部門主管。流域防洪屬于中央事權，由水利部主管。因此城鎮排水防澇與流域防洪在規劃層面，應該重點是頂層規劃設計中對洪澇水量、空間布局進行統籌的數據對接。在設計過程中，重點是理清各系統之間邊界和相互影響關系，通過工程技術手段實現水位、水量、標高的節點銜接。

4.2 “內澇”敏感點的系統強化

同一城鎮或區域根據“內澇”影響的差異，可采取不同的雨水管渠設計標準。在設計標準4.1.3 章節明確不同城鎮類型和城區類型的設計重現期范圍，5.10.2 章節明確同一交叉道路的不同部位可采取不同的重現期。

城鎮局部低洼地設計要點，一是“高水高排，低水低排”的管網分區避免低洼區域管道轉輸的外水匯入，二是高低區域分界點設置有效擋水措施（例如擋水墻、反坡“駝峰”等）避免低洼區域地表徑流的外水匯入，三是提高低洼區域的設計標準通過自排、抽排、調蓄等多種方式的結合提高排水安全韌性。

4.3 管網與數字的結合

人類歷史伴隨著通信技術的進步不斷發展，在原始采集時代，語言交流促進了集體協作；在農耕時代，文字、紙張、印刷的應用促進了人類文明，在工業時代，無線電波技術（電報、電話、電視）實現了信息長距離快速傳遞；在信息化時代，互聯網、移動通信技術構建了互聯互通的線上社交平臺，正在進行的數字時代將通過5G、物聯網、大數據、云計算、人工智能創造出未來的無限可能。

雨水系統構建如何擁抱數字時代，核心重點是打通管網數字化信息壁壘，多元拓展數字化信息的收集、共享、應用場景，最大限度的發掘數字化帶來的效益。一是從規劃、設計、建設、運維的工程全過程構建可共享的基礎模型信息，確?；A信息的一致、準確、及時更新；二是對存量和增量管網根據系統構建的需求設置數據采集設施（例如流量監控、視頻監控、水位監測、在線設施等），實現實時數據的采集；三是通過可視化管控平臺和實時數據模型的在線分析應用，提升雨水系統的調配功能、維護效率、內澇敏感點應急處置能力。

5 結語

（1）城鎮雨水系統構建與防洪排澇安全息息相關是一項系統工程，系統思維應貫穿工程規劃、設計、建設、運營全過程。

（2）依據管網系統功能分工，城鎮雨水系統構建可分為源頭、收集、轉輸、排放、應急等五個部分組成。系統構建的計要點，總體來說就是協調城鎮降雨產流量與流域水體防洪容量之間的“供需矛盾”，從而確保城鎮排水安全和提升城鎮應對極端天氣的韌性。細化設計源頭要“減排”，收集要“效率”，轉輸要“順暢”，排放要“安全”，應急要“精準”。

（3）系統構建延申思考的三個方面，一是建設標準的選擇與銜接，二是“內澇”敏感點的系統強化，三是管網與數字的結合。