路面行泄在城市內澇防治中的作用探討

阮紅權

(上海市節能減排中心有限公司,上海 200232)

近年來全國氣候異常凸顯,多地大暴雨創氣象觀測記錄。為了提升城市內澇防治能力,除繼續完善雨水管渠、調蓄池等灰色基礎設施外,早期的雨水工程系統提出,在規劃雨水排放時需要對水系統進行統籌規劃[1],其特點表現為保留一定的藍綠基礎設施,體現了基于自然的解決方案(nature-based solution,NbS)思想。此后,國內進一步發展了NbS,諸如水敏性城市、可持續排水系統、綠色基礎設施,以及海綿城市的研究與應用。水敏性城市提倡保護水體健康、減少洪水風險、提升雨水利用率[2-3];可持續排水系統提出重點以接近自然水循環的方式管理地表徑流[4-5];綠色基礎設施則強調對自然要素的充分利用[6-7];海綿城市主要是采取各種綠色削峰措施,避免徑流冒溢引發的災害[8-10]。這些技術都針對了城市建成區在高度集聚化時忽視環境適應性而導致韌性減弱的問題。但極端降雨仍導致了包括河南特大暴雨災害、山西暴雨洪澇災害、湖北暴雨洪澇災害等嚴重后果,其中尤以鄭州特大暴雨為甚,引起社會各界高度關注。那么,還有哪些技術可以減少“天災”導致的損失呢?

謝正輝等[11]認為,道路具有不透水的特性并阻礙地表水和地下水相互交換,會加劇城市韌性不足,增加暴雨時發生內澇的風險。道路用地占城市建設用地面積8%～20%[12],除了建設透水層緩解暴雨的不利影響外[13],還有與道路相關的新型雨洪管理措施,如道路低影響開發措施、道路低洼點排水能力等應用[14],部分專家[15-19]更是未雨綢繆對道路路面排水進行了先期研究。基于這些研究成果、技術的發展和工程經驗的總結,2022年3月發布的《城鄉排水工程項目規范》(GB 55027—2022)[20]規定了城鎮行泄通道應充分利用非交通主干道。

本文梳理道路路面行泄的背景與技術要點,并提出尚待進一步研究的問題,為排水工作者研究、應用這一新型內澇防治技術提供參考。

1 傳統排澇方式

城市傳統排澇基本依靠雨水管渠。雨水管渠由雨水口、明渠、暗管、檢查井、雨水泵站等組成。大暴雨發生時雨水管渠的能力在一些城市尤其是老城區已顯“力不從心”,造成內澇頻發。分析原因,一是早期這些城市雨水管渠建設標準偏低;再者是因為城市化進程中下墊面不透水的屋面、地面、道路等都在增加,雨水徑流峰值變高;第三,近年來大暴雨發生的概率及地點發生了變化。為此,從2014年版《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)到《室外排水設計標準》(GB 50014—2021),直至新發布的《城鄉排水工程項目規范》,均將雨水管渠最低設計重現期提高到了2～3年,并將特別重要地區的最低設計重現期提高到了10～50年,如表1所示。雨水管渠設計標準提高了,但從全國看城市內澇災害問題并未得到有效解決。這是因為雨水短歷時徑流越大,所需管渠規模越大,總投資也越高,按照徑流線性放大管渠能力而大拆、大建在一些城市可操作性不強,且雨水管渠轉輸雨水徑流的最大量也是有限的。另外,一些城市的內澇災害還與雨水豎向關系、行泄通道、受納水體頂托等因素有關[21]。例如,鄭州“7·20”特大暴雨災害客觀上是當日出現最大日降雨量[624.1 mm,是鄭州國家氣象站建站以來最大值(189.4 mm)的3.3倍],且16:00—17:00出現201.9 mm極端小時雨強(突破我國大陸氣象觀測記錄198.5 mm的歷史極值),也有鄭州市內建成區高度集聚化過程中忽視雨水滲透、調蓄、生態轉輸等源頭減排,以及雨水管網跟不上發展新要求的原因,還有黃河洪水大幅超歷史頂托排澇的因素。

表1 城鎮雨水管渠設計重現期 (單位:a)[20]

2 內澇防治新思路

2.1 界定雨水系統范圍與源頭減排設施

針對傳統排澇方式基本依靠雨水管渠的局限,在探究與實踐水敏性城市、可持續排水系統、綠色基礎設施、海綿城市等方案的基礎上,城市內澇防治開始向源頭削減、管網轉輸與調蓄、排澇除險并舉的方向發展,即由相對狹隘的“雨水管渠”邁入了“雨水系統”的新階段。這一發展在《城鄉排水工程項目規范》中體現得尤為明顯。《城鄉排水工程項目規范》明確雨水系統應包括“源頭減排”“雨水管網”“排澇除險設施”等技術性措施和應急管理等非工程性措施。對雨水系統范圍的明確界定,可以糾正過往內澇防治只重視雨水管渠的片面做法。

海綿城市等NbS具有綠色源頭削峰作用,可以很大程度降低內澇防治對灰色基礎設施(指雨水管渠、泵房等)的依賴。Xu等[22]認為,采納了綠色與灰色設施耦合的情境在徑流控制方面的表現較好,可以節省灰色基礎設施約94%的生命周期成本。這些研究成果及相關行之有效的措施,如滲透、雨水利用等在《城鄉排水工程項目規范》中均歸集于“源頭減排”,并予以了規定。考慮到該規范關于“源頭減排”的條文可操作性,因此,“源頭減排”設計還應同時結合《室外排水設計標準》《城鎮內澇防治技術規范》(GB 51222—2017)[23]等標準。

2.2 明確雨水管網的范圍

雨水管網在《城鎮內澇防治技術規范》(GB 51222—2017)和《室外排水設計標準》中被稱為“排水管渠”,易與污水收集管網混淆。《城鄉排水工程項目規范》在界定雨水系統范圍的基礎上,規定“雨水管網”應包括雨水管渠及其附屬構筑物和泵站等設施,從而有利于管網設計、建設、運營中統籌考慮管渠、附屬構筑物、泵站等設施,避免形成局部瓶頸。例如,近年來的雨水系統針對源頭減排和雨水管渠能力之外的暴雨徑流還增設了調蓄池,暫存洪峰徑流量,待徑流量下降至設計值后再將雨水按計劃排出。調蓄池的設置可充分利用天然洼地、池塘、公園水池等。不具備這些自然條件的城市建設灰色調蓄池,如圖1為上海中心城區的雨水調蓄池總體布局,共設置了半地下或地下灰色調蓄池191座,布置在現狀排水泵站周邊并結合道路廣場、綠化、公共服務設施、河道、商務辦公等用地的服務需求[24]。除了常規調蓄池外,對于空間緊湊但有經濟條件的城市,可以建設深層雨水調蓄管道系統工程。例如,上海正在建設中的長達15.3 km的蘇州河深隧工程,可服務沿線25個排水系統,服務面積約為58 km2[25]。

圖1 上海中心城區雨水調蓄池總體布局[24]

2.3 重視排澇除險設施

車伍等[21]認為,一些地形條件較好的城市即便雨水管渠設計重現期未達到規范要求,超標雨水徑流也能夠利用地面坡度和豎向條件滯蓄、排放,這種NbS其實就是國外設計中的“非設計大排水”。傳統排澇方式對管渠應對能力之外的大暴雨沒有“成文規定”,《城鄉排水工程項目規范》則對此類非設計大排水進行了統一歸并,在“排澇除險”章節做了規定。排澇除險措施包括城鎮水體、雨水調蓄設施和行泄通道設施等,承擔超出源頭減排和雨水管網承載能力的雨水徑流的調蓄和排放,確保發生內澇防治設計重現期內降雨時城鎮正常運轉(圖2)。《城鄉排水工程項目規范》并明確了城鎮排澇除險設施的規模應根據內澇防治設計重現期、地面最大允許積水深度(表2)和最大允許退水時間(表3)確定。筆者認為,區域綠地、防護綠地和非交通主干道等空間均可作為行泄通道一并納入排澇除險設施。

圖2 雨水系統中的非交通主干道行泄

表2 城鎮內澇防治設計重現期和地面最大允許積水深度[20]

表3 城鎮內澇防治設計重現期下的最大允許退水時間[20]

《城鄉排水工程項目規范》關于充分利用非交通主干道作為行泄通道的規定,是我國內澇防治相關標準中首個道路路面行泄的強制性規定。道路路面兼高重現期暴雨情境下的排澇通道是對不斷放大的雨水管網建設的一種約束,在看似“逆現代性”的表象下考慮到了灰色基礎設施建設的天花板,盡可能模擬了“水往低處流”的天然排澇方式。該規范還規定了非交通主干道作為行泄通道應符合的兩個條件:一是達到設計最大積水深度時,周邊居民住宅和工商業建筑物的底層不得進水;二是應設置行車方向標志、水位監控設備和警示標志。

3 路面行泄技術要點

3.1 路面橫坡

由圖2可知,源頭減排、雨水管網、排澇除險3個子系統一般情況下是依次參與到雨水系統中,源頭減排設施超流量的徑流進入雨水管網,雨水管網設施超流量的徑流進入排澇除險設施。大暴雨發生時,源頭減排和雨水管網冒溢的徑流與地面徑流沿著設計好的行泄通道有組織地流向調蓄設施或受納水體,3個子系統同時高負荷運行,并在應急預案、預測預警機制、管理部門的指揮下接受調度,實施銜接。對于道路路面行泄,除內澇防治設計重現期、地面最大允許積水深度、最大允許退水時間外《城鄉排水工程項目規范》并未給出詳細技術說明,這就需要設計人員注意結合其他相關標準。車伍等[21]認為,非交通主干道行泄通道子系統涉及的設施包括路面行泄通道和道路邊溝。雨水受道路橫坡作用形成基本漫流并有序匯集到邊溝,通過邊溝匯入雨水管網。關于橫坡坡度,應執行道路專業的相關標準,如《城鄉建設用地豎向規劃規范》(CJJ 83—2016)規定道路的橫坡宜為1%～2%,縱坡大時橫坡取小值,縱坡小時取大值。由圖3可知,若設定道路寬度,2%橫坡的路面最大過水斷面更大,更有利于提高路面行泄能力。因此,暴雨情況下考慮到非交通主干道主要作為行泄通道,有條件時橫坡應當取值2%。美國《城市暴雨排水標準手冊:第1卷 管理,水文學和水力學》[26]也指出,路面行泄的橫坡應大于1%(2%較為典型),但受駕駛員舒適度及行車安全限制。

圖3 路面行泄斷面示意圖

3.2 路面縱坡

同理,筆者認為道路路面行泄對縱坡的要求也需要在遵守《城鄉排水工程項目規范》原則的基礎上注意結合其他相關標準。道路路面行泄能力隨縱坡坡度增加而增加。《城鄉建設用地豎向規劃規范》規定城鎮道路機動車車行道的縱坡應大于0.3%,同時路邊徑流深度不應大于0.2 m,徑流深度與流速的乘積應小于0.5 m2/s(徑流深度、徑流深度與流速的乘積主要考慮人、車失穩因素[27-28]),這與《城市暴雨排水標準手冊:第1卷 管理,水文學和水力學》給出的縱坡應大于0.4%但受行車安全限制的規定相當[26]。不論是何種原因的內澇,積水空間位置一定位于城市低洼地帶[29],因此,縱坡取值時要避免人為過度干預而造成鋸齒形縱坡道路(圖4)[30]。對于地勢平坦的城鎮或在既有建成區道路變坡位置難以滿足縱坡大于0.3%要求的,應當重新選取行泄通道,總原則是源頭減排、雨水管網和排澇除險的設施應在豎向、平面和蓄排能力上相互銜接,縱坡的取值應當以自然地勢為基礎使得行泄通道與受納水體或調蓄空間直接相連。

圖4 道路縱坡低洼點[30]

3.3 路面積水寬度

路面積水寬度是路面行泄需要考慮的另一重要參數[16],但《城鄉排水工程項目規范》未涉及這一技術細節。設計人員可以按照《城鎮內澇防治技術規范》提供的公式在確定了道路橫坡、縱坡后計算出積水寬度、雨水口寬度范圍外縱向流量。圖5中復合過水斷面的T即路面積水寬度,可知道路表面流量Q0在數值上等于雨水口寬度范圍內縱向流量QW加上雨水口寬度范圍外縱向流量QS,其余符號W代表雨水口寬度、TS代表雨水口寬度范圍外路面積水寬度、SW代表邊溝橫向坡度、SX代表道路橫向坡度、α代表邊溝橫向坡度引起的額外側石邊水深。

圖5 路面復合過水斷面[23]

3.4 尚待進一步研究的問題

以《城鄉排水工程項目規范》為代表的路面行泄的新成果基于人車失穩機理考慮道路路面行泄參數,在如鄭州“7·20”特大暴雨的情境下,其可借鑒性已然不強。特大暴雨情境下路面行泄的相關要點值得進一步探討,如①關閉交通使道路行泄不受積水深度限制時的安全性分析;②路面行泄通道橫截面與流量的關系; ③雨水管網與路面行泄通道的相互作用; ④道路路面行泄針對特大暴雨的抗沖擊性、適應性、快速恢復能力(即增強城市內澇災害韌性); ⑤同時,在全球變暖環境下,極端氣候事件每年的發生概率和重現期都在變化,小概率事件的發生概率會變大[31-32],一些通常認為無內澇之虞的城市由于極端降雨隨機性較大也面臨不確定性的挑戰,這就要求在完善道路路面行泄設計的同時有效提升應急管理水平等。從這些角度看,關于路面行泄在內澇防治中作用的探討還需進一步深入。

4 結論

近年來多地大暴雨造成的嚴重后果表明城市傳統排澇基本依靠雨水管渠的方式已無法滿足要求。道路路面行泄這一新型內澇防治技術在NbS、雨水管網等的研究、應用基礎上,得到了研究關注及實踐嘗試。新發布的《城鄉排水工程項目規范》規定城鎮行泄通道應充分利用非交通主干道也體現了這一發展。在介紹新型雨水系統中“源頭減排”“雨水管網”“排澇除險”內涵與作用的基礎上,本文重點梳理了路面行泄涉及的路面橫坡、路面縱坡、路面積水寬度這幾個技術要點,并提出特大暴雨情境下路面行泄需要進一步研究如關閉交通使道路行泄不受積水深度限制時的安全性分析等一些問題,以期助力路面行泄的研究。