城市下凹橋區內澇系統治理

郭 磊，范科文，曹玉鑫，韓宏泉，王 通，程玉林

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

近年來，隨著極端降雨事件的發生，北京市的下凹式立交橋橋區多次遭受城市內澇災害的侵襲。下凹式立交橋，顧名思義，其在道路十字交叉處并未采取高架的方式，而是其中一條道路降到地面以下，以橫穿過位于地面的另一條道路或鐵路。

下凹橋區的雨水排水系統分為兩套：專為排除下凹道路區域雨水的低水雨水排水系統和排除橋區周邊流域雨水的高水雨水排水系統。其中，低水系統設有雨水泵房，由雨水管收集的雨水經雨水泵提升后排入到該地區下游的水體內。而高水系統則主要通過重力流排水排入到下游水體。

由于橋區下凹處地勢低于周邊區域，遇極端降雨時易造成內澇積水。而采用傳統的方法，難以量化分析橋區積水的具體時空分布和積水原因，因此本研究擬采用基于數學模型的模擬分析方法對橋區的積水情況進行研究。

1 現狀問題及分析

1.1 現狀條件

北京屬于暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，其特點是四季分明，冬季最長，夏季次之，春、秋短促；雨熱同季，降水集中且強度大，主要集中在夏季，7、8兩月尤為集中；降水量分布不均，山前迎風坡為多雨區，而背風坡為少雨區。

北京平均年降水量532.0 mm，年平均降雨日數為70.6 d。極端年最大雨量813.2 mm（1994 年），極端年最少雨量266.9 mm（1999 年）。降雨集中在每年6 月至9 月，7 月、8 月最多。月、年降水量常年值見圖1。

圖1 月、年降水量常年值（1981-2010 年平均）

北京市城近郊區已建成有較完善的雨、污水排水系統，現有雨水管線系統多按重現期P=1～2 a 降雨強度設置，雨水泵站多按重現期P=2～3 a 建設。北京市中心城區現狀管網情況見圖2。

圖2 北京市中心城區現狀管網評估圖

1.2 橋區排水分析

（1）中心城區橋區情況

從影響立交橋區雨水排水方式的角度分析，立交橋有二種形式：上跨式立交橋、下穿式立交橋。一般上跨式立交橋橋區雨水通過重力流排向下游，即高水系統，包括下游雨水管道或下游天然水體。下穿式立交橋又分為兩種情況，其一是交互式立交，其二是直接下穿，道路過鐵路時大部分為該種型式。下凹橋區雨水的排除則有二種可能：當下凹橋區最低點高程較高，可采用重力流排除雨水；當下凹橋區最低點高程較低時，橋區的雨水無法通過重力流排除，則需要提升下凹橋區的局部雨水，然后向下游排除，即為低水系統，排水型式也可稱為強排。

北京市四環內強制排水的下凹橋區泵站共52座，其分布見圖3，52 座立交排水泵站中，設計重現期P=5 a 的有4 座，重現期P=3 a 的有13 座，重現期P=2 a 的有32 座，重現期P＜2 a 的有3 座。

（2）下凹橋區積水原因

近年來極端暴雨的頻發，暴露了下凹橋區的排水問題。分析52 座泵站存在的問題，其主要分為5種狀況：a. 泵站匯水面積增加，綜合徑流系數增大；b. 低水收水系統不完善；c. 高水系統排水標準偏低，高水系統不完善；d. 河水位對排水管線的頂托；e. 泵站供電系統為單路供電（非積水主要原因，是泵站的不安全因素）。前三種情況比較普遍。隨著匯水面積的加大或徑流系數的增大，徑流量也相應增加，而高水系統的標準偏低與收水系統卻不完善，當超頻率降雨發生時，就會形成客水流入橋區，從而造成收水能力不足。積水原因所占比例見圖4。

圖4 北京市中心城區下凹式立交橋積水原因分析圖

2 總體思路

2.1 橋區排水分析

下凹橋區內澇綜合整治是系統工程，需要綜合統籌源頭、過程、末端各個系統，既需要在源頭減排減少進入橋區的徑流量，又要提高管線、泵站標準提升排水能力，同時需要通過調蓄合理處置澇水并加大雨水利用。考慮到每個下凹橋區具體情況不同，制定方案前要因地制宜，一橋一策，科學論證。同時，將橋區雨水系統改造和下游雨水出路整治相結合，保證排水安全。由于下凹橋區高水和低水都有各自的流域面積，要“高水高排，高截高蓄；低水低排低蓄，雨水就近入河”，高水高排目的是減少低水區泵站的匯流面積，控制進入下凹橋區低點的雨水量。實施高水高截高蓄，盡量避免高水進水下凹橋區范圍。橋區雨水收水系統由雨水口、雨水口連接管及泵站進水管組成，可以形象地比喻為“嘴巴”和“喉嚨”，收水系統功能是否完備，直接影響到路面的雨水能否迅速排除，低水系統要提高收水系統能力，改造泵站及新建調蓄池，整體提升橋區排水能力。在此原則下，通過新建及改擴建現有防澇設施，采取調蓄、滯滲和管理等措施，使下凹橋區防澇系統能夠有效應對防澇重現期設計暴雨。具體思路是：

（1）通出路：按規劃治理河道，提高河道的排水能力，以解決河道洪水位頂托高水管道的問題。

（2）攔客水：針對客水匯入問題，考慮提高下凹橋區周邊地區雨水（高水）管道的設計標準，同時對橋區周邊小區進行海綿城市改造，減少客水流量并在高水區采取雨水攔蓄措施，盡量減少客水匯入橋區。

（3）提標準：增加橋區低水區雨水口，改造雨水（低水）管道和泵站，提高低水區雨水收水和抽升能力。

（4）蓄澇水：以下凹橋區及周邊地區防澇系統規劃為基礎，按防澇重現期設計暴雨核算蓄水池容積。

2.2 數學模型法計算

為解決下凹橋區的內澇積水問題，雨水調蓄池是其中一項重要措施，雨水調蓄池容積的合理計算關乎內澇安全和工程投資。《城鎮雨水調蓄工程技術規范》中采用脫過系數法，可用于無客水匯入的低水區調蓄計算，對于存在客水匯入的橋區，調蓄池容積分為客水部分和低水區部分，由于客水匯入時間與低水區峰值時間不同，若用脫過系數法分別計算客水及低水區部分容積進行疊加，會造成調蓄池容積計算偏大，可采用數學模型，計算得到雨水調蓄池容積。

模型構建流程如下：

首先，進行資料收集。資料收集的范圍應包括下凹橋區所在排水分區，具體收集資料內容為：管線，檢查井信息；雨水口信息；雨水口水位流量關系；排水系統的流域范圍及其下墊面信息（用地類型及分布）；地面高程信息；實測降雨數據和設計降雨數據；泵站數據（泵的流量揚程信息，泵的啟停控制信息，集水池和出水井的幾何尺寸等）；調蓄池數據（調蓄容積，調蓄池和泵站先后入流的控制信息等），邊界條件數據（如排水系統的上游入流信息，下游排水口的水位信息等）。

其次，建立數學模型并進行參數確定和優化。應以下凹橋區所在排水分區內的全部管網為基礎建立管網模型，包括高水管網和低水管網（含泵站等設施）；以地形圖為基礎建立DEM 并根據建筑、道路、綠地情況進行地形處理，特別需要對下凹橋區周邊道路駝峰以及鐵路、擋墻、圍墻和堤壩等對地面徑流有較大影響的要素進行特別處理，以真實反應地形情況；模型構建完成后，應根據經驗和規范要求對參數進行設定，有監測數據的地區應根據監測數據進行校核；最終，將上游入流信息和下游河道水位信息（水位過程線或者具體水位）輸入模型，調試后確定最終模型。

最后，根據現狀評估和規劃方案的需求，確定具體的模擬情景（不同降雨條件、不同邊界條件等），分析積水的核心原因、評估設施的運行效果。

下凹橋區模型是針對具體積水點的輔助模型，模型中需要對細節進行特別關注。雨水口是橋區雨水收水系統的重要組成部分，在建模過程中需要對雨水口的收水能力進行評估并概化到模型中，以評估收水系統影響，合理確定雨水口改造方案。

3 典型橋區總體方案

以肖村橋橋區積水治理工程（成壽寺雨水泵站升級改造工程）為例，介紹下凹橋區總體方案設計。

3.1 現況校核

肖村橋橋區現況系統見圖5。

圖5 肖村橋橋區現況系統圖

（1）泵站設計標準偏低

成壽寺雨水泵站建于1994 年，位于成壽寺路與雙豐鐵路立交以南約250 m 處，南鄰成壽寺污水泵站，占地面積0.256 hm2。雨水泵站匯水面積11.4 hm2，設計重現期P=1 a，設計流量為1.9 m3/s，單路供電。泵站進、出水管管徑D=1400 mm，下游排入成壽寺路西側W×H=3400 mm×3000 mm 雨水方溝，最終排入涼水河。

根據最新的地形測量及現場踏勘分析，最終確定泵站匯水面積為13 hm2，現況泵站設計標準偏低，泵站能力不足。

（2）管網能力不足

a. 橋區低水排除系統能力不足

肖村橋低水雨水經D=500～900 mm 雨水管匯集后，進入雙豐鐵路橋下D=900～1400 mm 雨水干線，自北向南再向西進入雨水泵站，經提升后排入成壽寺路西側W×H=3400 mm×3000 mm 雨水方溝，最終排入涼水河。

橋下主路雨水口58 個，輔路雨水口52 個。按每座雨水口15 L/s 的泄水量計算，進水量為1.65 m3/s。現有雨水口數量無法滿足進水量要求，需增加。成壽寺雨水泵站進水管管徑D=1400 mm，坡度為0.0011，滿流時過水能力1.95 m3/s；出水管管徑D=1400 mm，坡度為0.0012，滿流時過水能力2.14 m3/s。收水系統、出水系統按P=10 a 設計標準，Q=5.7 m3/s，現況進、出水管無法滿足設計流量要求。

b. 橋區高水排除系統排水能力不足，客水進入橋區

肖村橋西側D=1000 mm 高水雨水，東側D=400～1600 mm 高水雨水，均匯入W×H=3400 mm×3000 mm 雨水方溝（穿雙豐鐵路處為2-D=1550 mm），西北向南排入涼水河。路段內雨水設計重現期P=1 a，徑流系數Ψ：建設區Ψ=0.55，村鎮和綠地Ψ=0.35。高水管線設計標準偏低，且高水雨水在穿雙豐鐵路處由W×H=3400 mm×3000 mm 雨水方溝變為2根D=1550 mm 雨水管，由于排水能力不足，在降雨時會有冒水現象發生。

另外，于1995 年建立的“城外誠家具模范城”區域雨水也匯入立交高水系統。由于此區域內雨水管線不完善，在降雨時，該區域會有雨水從成壽寺路東側入口、南四環路北側入口進入橋區。由于高水系統超標降雨排水能力不足，客水進入下凹橋區，增加了流入泵站水量。

（3）河道未按規劃實施

肖村橋橋區及其周邊地區的排水出路為涼水河。涼水河是北京市區主要排水河道之一，上游支流起于石景山區人民渠入口，流經海淀、西城、豐臺、朝陽、下游向東向南經大興區、北京經濟技術開發區、通州區，最終由通州榆林莊閘入北運河，全長約67 km，總流域面積約629.7 km2。

涼水河干流最近一次治理是在2004 年，治理時綜合考慮投資力度和拆遷難度，河道治理未實現規劃斷面，治理設計的20 a、50 a 一遇洪水位均比規劃水位高40～50 cm，同時沿線京津鐵路橋、大紅門鐵路橋、肖村橋等7 座鐵路、公路橋未按規劃實施改造，50 a 一遇水位雍高0.8～1.2 m，造成干流9.4 km河段洪水出槽漫溢。“7.21”暴雨時，涼水河水位超20 a 一遇洪水位，泵站排水受涼水河水位頂托。

3.2 規劃方案

通過對肖村橋橋區排水系統的分析，肖村橋橋區積水的主要原因是橋區周邊地區的排水系統設計能力較低，且受到河道水位頂托，不能及時排除本區域的雨水，造成雨水以坡面流方式匯入下凹橋區。而橋區雨水收水系統和排除能力不足以排除這些雨水，造成橋區積水。針對以上造成積水的主要原因，提出相應的解決方案，使橋區達到內澇防治標準。

（1）對涼水河干流進行治理，在現狀河道斷面基礎上拓寬，實現城市防洪規劃斷面，改建現況7 座阻水嚴重的鐵路、公路橋。

（2）提高橋區周邊地區高水系統雨水管道的排水能力，客水區雨水分區域進行攔截，采取工程措施盡量將客水攔截在橋區外圍，避免超過雨水管道設計標準的客水進入橋區，盡量減少客水的匯入量。

（3）考慮到橋區周邊排水系統不可能完全排出本區域內的雨水，仍會有一部分雨水進入橋區，因此，需要提高橋區內的排水和蓄水能力，包括改擴建雨水口、雨水管道、排水泵站和新建橋區調蓄池等。

4 典型橋區設施設計

下凹橋區雨水調蓄設施宜結合立交雨水泵站設置，無條件時可充分利用立交范圍內綠地或相鄰區域建設，調蓄設施可因地制宜，采用多種形式。

收水系統設計，完善現有低水區域收水系統，以達到10 a 重現期標準。

具體改造方案（見圖6）：廢除肖村橋南側現況D=900 mm 雨水管，新建D=900～1200 mm 雨水管；自鐵路橋低點新建D=1600 mm 雨水管向北，與新建D=900～1200 mm 雨水管匯合后，新建D=2000 mm雨水管向西進入新建泵站、調蓄池。廢除現況D=900～1400 mm 現況泵站進水管。拆除現有橋區低水范圍雨水口，改為聯合式雨水口（收水能力20 L/s），共需新建雨水口428 座。

圖6 肖村橋橋區總體改造設計圖

排水系統設計，新建P=5 a 雨水泵站及獨立退水，橋區高水管線分流。

新建雨水泵站。由于現況泵站結構尺寸有限，現況水泵間距較小，沒有足夠空間更換大流量水泵，所以考慮拆除現況泵站。在肖村橋西南側綠地新建泵站。按P=5 a、Ψ=0.95、t=5 min 升級泵站提升能力，設計流量Q=5.0 m3/s，其中一臺水泵選用變頻器控制。

改造泵房出水管路，泵房獨立壓力出水，滿足P=5 a 設計標準Q=5.0 m3/s。新建泵房出水管D1800 mm，向西排入涼水河。

由于高水雨水系統在下穿鐵路時，2 根D=1550 mm雨水管排水能力不足，在南四環南側與現況W×H=3400 mm×3000 mm 雨水方溝相接新建W×H=4400 mm×3000 mm 雨水方溝，分流部分高水雨水直接向西排入涼水河。

4.3 調蓄系統設計，新建初期雨水池及雨水調蓄池

（1）調蓄池規模

根據改造要求，需為泵站新建調蓄池，新建調蓄池與泵站合建，位于肖村橋西南側綠地內。調蓄池由初期雨水池和雨水調蓄池兩部分組成。初期雨水池按照初期降雨厚度15 mm 計算；新建調蓄池，進行削峰調蓄；初期雨水儲存池1950 m3，雨水調蓄池10450 m3，總池容12400 m3。

初期雨水池及雨水調蓄池內分別設置放空泵，負責排空池內雨水。泵坑上方設置檢修孔，方便水泵吊裝和維修。為方便池內排泥，池底設置坡道，坡向泵坑。池底沉積物可在重力作用下滑進泵坑。為保證池內壓力正常及空氣流通，池頂設置通氣管。

（2）調蓄池運行流程（見圖7）

圖7 調蓄池運行流程圖

調蓄池運行流程為初期雨水進入初期雨水池內，雨水提升泵不啟動。初期雨水存儲完畢后關閉初期雨水池閘門。雨水進入雨水調蓄池，隨后開啟泵站將超量雨水排入下游河道。降雨后，初期雨水提升排至污水管道系統；雨水調蓄池內雨水用來澆灌周邊綠地等市政雜用。

4.4 模型模擬

模型模擬采用InfoWorks ICM 軟件進行模擬。

（1）模型數據

成壽寺的高低水系統的地理范圍包括交會于肖村橋的南北向的成壽寺路，三臺山路和東西向的南四環東路以及周邊匯水區域。該雨水系統包括沿道路鋪設的雨水口，檢查井和管道，以及用于抽排低水雨水的泵站，其排水出路為涼水河。

分別構建了成壽寺流域改造前的現況模型及改造后模型。成壽寺調蓄池平剖面見圖8。

圖8 成壽寺調蓄池平剖面圖

（2）模型參數

雨水量模擬采用劃分子集水區，并將子集水區指定到雨水口或者檢查井的模型。其中，徑流表面類型及其參數的設置見表1。

表1 子集水區參數

新建管道粗糙系數按設計規范選用0.013，現況管道考慮使用后粗糙度增加，粗糙度系數設置為0.014。

（3）設計降雨

設計降雨過程按北京市地方標準《城鎮雨水系統規劃設計暴雨徑流計算標準》中的“1440 min 雨型分配表”，見圖9。

（4）現況模型模擬

對現況管網進行了“7.21”實際降雨強度下的全流域模擬，其結果如下：現況管線在“7.21”實際降雨強度下流域內有多處積水，肖村橋橋區低點積水情況嚴重。肖村橋橋區東側高水管線的水力坡降明顯大于管道坡降，已為壓力流狀態，且部分區域地勢過低，導致低洼處檢查井冒水，流入橋區低點，見圖10。

圖10 肖村橋橋區建模平面圖

（5）改造模型模擬

實施排水改造項目后的肖村橋排水系統，其排水條件得到極大改善。在設計降雨模擬中，即使在P=50 的降雨模擬中，成壽寺橋區低點積水最深為0.44 m，水深在0.15 m 以上的積水時間為26 min，未達到積水30 min 的標準，見圖11、圖12。

圖11 改造前成壽寺橋區積水及高水管平面縱斷圖

圖12 P=50 a 改造后成壽寺橋區積水及泵站出水管平面縱斷圖

5 結語

本文統計了北京中心城區的立交橋形式，并對現況立交橋區的排水現狀和可能的積水原因進行了分析。應用數學模型模擬分析各橋區排水情況，深入分析橋區積水產生的原因，評價橋區改造方案。研究表明采用數學模型分析橋區排水系統能夠深入研究內澇積水的過程，并能對積水原因進行量化分析。客水是橋區積水的重要原因，若橋區封閉性較好，無客水流入，現況泵站可應對較高強度降雨。針對客水進入橋區的情況，可通過提高周邊高水管線標準，減少客水匯入橋區，同時通過改造泵站及新建調蓄池，提高橋區低水標準，應對重現期P=50 a 一遇降雨。通過模型模擬可以得出，改造方案顯著改善了橋區排水，緩解了內澇積水情況。通過本次研究，綜合排水能力校核與診斷的城市雨水排水系統模擬方法是可行的，此次利用構建的數學模型對排水能力的校核是后評估，建議有條件時應首先對其進行模擬，通過分析現況積水原因，制定相應的改造方案，并通過模擬驗證方案效果，再實施方案設計，這樣會使改造方案更加科學合理。