城市內澇成因及防治對策分析

徐國鋒，賀曉紅

（上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092）

0 引言

近十多年來，有關我國城市內澇的報道層出不窮，引起了社會各界的廣泛關注。發(fā)生在北京、濟南等地的暴雨事件表明，城市內澇不僅嚴重擾亂了城市生產生活的正常秩序，造成重大的經濟損失，更為嚴重的是，它對城市居民的生命造成了極大的威脅。同時，在強降雨期間，與內澇現(xiàn)象伴生的水環(huán)境污染問題也不容忽視。暴雨期間的水污染主要來自兩個方面：一是由于合流制排水管道系統(tǒng)在暴雨期間溢流，造成大量混有生活污水的雨水進入河道、湖泊等天然水體；二是在降雨初期，地面和大氣中的污染物質會由于雨水的沖刷作用隨著雨水進入受納水體，從而造成嚴重污染。城市暴雨內澇造成的嚴重危害和影響，暴露了我國在城市化水平不斷提高、城市規(guī)模不斷擴大的總體形勢下，市政排水設施的建設遠遠滯后于其他城市基礎設施的嚴峻現(xiàn)實。

造成城市內澇頻發(fā)的原因主要來自客觀和主觀兩個方面：客觀上，近年來全球氣候變化劇烈，極端惡劣天氣比以往更加頻繁，但對于我國來講，這一因素雖然有著重要影響，但并不占主導地位；主觀上，我國在城市擴展和建設過程中往往“重地上，輕地下”，排水設施的建設往往被放在較為次要的位置，排水系統(tǒng)被長期忽視，變得與城市的規(guī)模越來越不匹配。在此基礎上，本文試圖對造成我國城市內澇的深層次原因進行剖析，并提出解決這一問題的主要對策。

1 不透水面積的大量增加是造成城市內澇的直接原因

下墊面的性質是影響徑流量的最主要的因素之一。從城市排水這一角度來看，城市化的過程實質上是一個不斷改變土地性質，即下墊面性質的過程。在城市化之前，土地性質多為農田、草場等，雨水下滲功能強，產生的徑流量相對較小。在城市化過程中，這些土地被轉變成了公路、橋梁、街道、樓房等透水性能差的下墊面，徑流量因之增加，排水管道系統(tǒng)的負擔也隨之增加。同時，在城市化過程中，原有的一些天然水體如湖泊、河道等也經常會被用來填平造地，使得區(qū)域內的一部分蓄水能力喪失，從而更加劇了徑流量增加與排水能力不足的矛盾。據美國國家環(huán)保署的統(tǒng)計研究表明[1]，同一區(qū)域在開發(fā)前后，徑流量可能增加2~5倍（見表1）。徑流量在開發(fā)前后的變化可以用綜合徑流系數來衡量。我國《室外排水設計規(guī)范》（GB 50014—2006）中規(guī)定，建筑稀疏區(qū)的綜合徑流系數為0.20~0.45，建筑較密集區(qū)為0.45~0.60，建筑密集區(qū)為0.60~0.70。

表1 土地開發(fā)對地表徑流量的影響

基于以上事實，如果延續(xù)過去就近收集徑流，使其盡快進入管道的建設理念和設計標準，必然會導致雨水管道過水能力不足，雨水系統(tǒng)投資過大。因此，為了有效應對由于土地性質改變而引起徑流量增加的內澇災害，必須采取源頭控制的措施，因地制宜，盡量削減和延緩暴雨期間進入城市排水管道的徑流量。目前，多個發(fā)達國家已經形成了各自的基于源頭控制的創(chuàng)新性的雨水管理理念[2]。這些理念包括美國的低影響開發(fā)（LID），德國的分散式雨水系統(tǒng)（DRSM）、英國的可持續(xù)性城市排水系統(tǒng)（SUDS），澳大利亞的水敏感城市設計（WSUD）等。這些理念雖然名稱不同，但理念均比較相似。以美國的低影響開發(fā)為例，這一概念最先由美國馬里蘭州喬治王子縣環(huán)境資源部（PGDER）在美國環(huán)保署的資助下提出。1999年，PGDER正式發(fā)表了全面闡述LID理念的《低影響開發(fā)設計理念：一種綜合設計方法》一書，標志著這一理念正式成形。同傳統(tǒng)的雨水管理系統(tǒng)設計方法不同，LID理念重視雨水排放的源頭控制，強調人工排水系統(tǒng)應最大限度模擬自然界的水文環(huán)境，盡可能降低雨水系統(tǒng)對自然界的影響。LID理念的主要應用性措施包括生物滯留設施（如植草溝、滲透溝等）、透水路面、綠色屋頂及雨水回收利用等。自2004年以來，LID理念已經逐步獲得了美國各界的認可，并在多個城市或地區(qū)得到了應用，越來越多的基層市、縣以及聯(lián)邦政府機構開始將其融入到各自的雨水系統(tǒng)設計標準當中。

我國最近幾年來針對此類理念的介紹和研究已經不少，并在2011年就把低影響開發(fā)理念納入到了當年修訂的《室外排水設計規(guī)范》中，但是目前還缺乏足夠多的工程應用實例和詳細的設計指導。

2 缺乏嚴密的城市排水管理體系

長期以來，我國一直沒有建立起城市雨水管理系統(tǒng)的概念，在實踐中往往把雨水管道當作雨水管理系統(tǒng)的同義詞，欠缺針對城市排水管理體系的規(guī)劃和研究。相比之下，發(fā)達國家在這方面的考量則比較系統(tǒng)[4-6]。以美國為例，其雨水管理是通過一個比較龐雜的體系實現(xiàn)的，其中既包括政府部門和有關機構（包括聯(lián)邦和各州）制訂的法律法規(guī)，也包括基層市一級政府制訂的標準、政策、規(guī)范和實施細則。在實踐中，各基層市、縣是執(zhí)行排水系統(tǒng)標準體系的主體，幾乎每個城市都制訂了針對本地實際情況的本區(qū)域范圍內詳細的雨水管理手冊。雨水管理手冊主要包括以下內容。

（1）有關當地降雨情況的基礎資料和數據，如暴雨公式、地面土壤滲透性能等；

（2）排水系統(tǒng)的詳細設計標準，其中包括雨水管道，即通常所說的“小排水系統(tǒng)”的設計標準，也包括“大排水系統(tǒng)”的設計標準。大排水系統(tǒng)往往包括除了地下管道之外的城市雨洪行泄通道（如道路、天然河道等）、調蓄設施和最終受納水體。設計標準往往對不同降雨條件下城市的積水深度做出具體規(guī)定。城區(qū)內排水系統(tǒng)與流域內防洪系統(tǒng)的銜接也體現(xiàn)在這一手冊中。

（3）排水系統(tǒng)設計的具體方法，包括基礎數據資料的整理和解讀，人工設施的計算公式和方法（包括適用的計算機模擬軟件），整體雨水系統(tǒng)防汛排澇能力的校核方法等。有的城市甚至自行開發(fā)了適用于本地情況的模擬軟件，規(guī)定了合適的輸入參數。

（4）發(fā)達國家往往重視雨水排放對環(huán)境的影響，因此此類手冊也包含處理和削減與雨水排放相關的污染問題的詳細設計手段和方法，包括施工過程中的雨水管理措施。

（5）與雨水管理系統(tǒng)相關的各類基礎設施的運行、維護和管理。

雨水管理手冊中的各項標準和規(guī)定是每個新建項目的排水系統(tǒng)的主要設計和施工依據。在規(guī)劃和設計階段后期，項目排水系統(tǒng)的設計計算和圖紙要根據以上標準接受嚴格的審批，否則整個項目都不能獲得施工許可。值得注意的是，不同地區(qū)的排水標準往往存在非常大的差異，這些差異反映了不同地區(qū)的利益相關者對排水系統(tǒng)的不同認知。只要這些差異與聯(lián)邦政府制訂的強制性的法律法規(guī)沒有沖突，地方標準就是有效的。

我國現(xiàn)行的雨水管理方法還沒有形成一個體系，也無法衡量根據現(xiàn)行標準設計的排水系統(tǒng)的排澇效果，因此需要在完善現(xiàn)行設計規(guī)范的基礎上，從規(guī)劃、設計和管理等多個層面和角度制訂一套完善的標準體系，并明確各項措施的執(zhí)行主體和審核主體，確保這一體系的有效性和可操作性。特別值得一提的是，在城市規(guī)劃中，雨水系統(tǒng)應當與道路交通、用地規(guī)劃、防洪系統(tǒng)、景觀處理等占有同等重要的位置，同城市的平面和豎向規(guī)劃緊密協(xié)調，才能夠從根本上解決城市內澇問題。

3 現(xiàn)行排水系統(tǒng)設計標準偏低

當城市內澇發(fā)生以后，社會各界的第一反應往往是地下管道排水能力不夠，因此提高管道排水設計標準的呼聲很強。如前所述，忽略源頭控制和雨水管理體系建設，單純依靠提高管道設計標準來解決內澇問題是不現(xiàn)實的，但是，我國目前管道設計標準偏低也是不爭的事實。在分流制排水系統(tǒng)中，我國雨水管道的設計重現(xiàn)期同發(fā)達國家相比偏低，具體對照情況見表2。

在合流制排水系統(tǒng)中，我國習慣采用截留倍數來表示管網排除雨水的能力?！妒彝馀潘O計規(guī)范》中規(guī)定截留倍數一般應根據旱流污水的水質、水量、排放水體的衛(wèi)生要求、水文、氣候、經濟和排水區(qū)域大小等因素經計算確定，宜采用1~5。在實際執(zhí)行過程中，有些地區(qū)往往不經計算，直接采用截留倍數的下限值，有些地區(qū)的截留倍數甚至比下限值還低，僅為0~1。由于污水量與雨水徑流量之間并沒有必然的聯(lián)系，而且各地區(qū)的差異性極大，國外較少使用截留倍數這一概念，合流管道對雨水的截留能力常用管道的泄水能力占雨水總徑流量的百分比來表示。顯然，使用百分比這一表示方法比截留倍數更能直觀、準確地反映實際情況，因此應在今后酌情推廣采用。

表2 我國雨水管網設計標準與發(fā)達國家和地區(qū)對比

除了提高管道的設計標準之外，還應當對城市中大排水系統(tǒng)的實際過水能力進行評估并制訂相應標準。大排水系統(tǒng)包括進入管道之前的滲透設施，各類人工和天然雨水行泄通道，河、湖等受納水體的調蓄滯納作用，人工調蓄設施等。為徹底解決我國城市內澇問題，參照國外的相關經驗，必須制訂針對大排水系統(tǒng)設定較高的設計標準，并對設計計算和校核方法做出明確規(guī)定。由于大排水系統(tǒng)的組成較為復雜，應建議一般通過計算機模型等手段進行計算。

4 缺乏系統(tǒng)性的雨水調蓄設施建設制度

調蓄設施分為天然和人工兩大類，天然調蓄設施包括城市中的天然水體如湖泊、河道、洼地等，人工調蓄設施包括各類地上或地下調蓄池，此外，建在地下深層的調蓄隧道或水庫等也可以歸入人工調蓄設施中。調蓄設施的主要作用是容納和遲滯由于不透水面積增加及雨水管道過水能力不足而造成的額外地面徑流量，削減暴雨發(fā)生時的洪峰流量。有些雨水調蓄設施也具有消除污染的作用。雨水調蓄設施可以設在系統(tǒng)中的不同位置，用于流量控制的雨水調蓄設施的容積應通過比較調蓄池上游來水水量和下游受納水體的過水能力來計算確定。

雨水調蓄設施是排水系統(tǒng)的重要組成部分，也是應對城市內澇的最為有效的措施之一。在排水系統(tǒng)中廣泛設置此類設施是多個國家的共識。以美國為例，各個城市的雨水設計手冊一般均包含與雨水調蓄池有關的內容，包括設計防澇標準(一般情況下，包括調蓄池在內的大排水系統(tǒng)應能夠抵御100 a一遇的降雨)，調蓄池的形式和設計方法，運行維護管理等。由于城市中土地并不是特別稀缺，美國的雨水調蓄池多設在地上，但在紐約等人口和建筑密度較高的城市，調蓄池一般設在地下。在美國芝加哥、密爾沃基等城市，深層雨水調蓄隧道的建設已頗具規(guī)模，這些隧道主要被用來治理合流制系統(tǒng)中的管道溢流問題，削減對受納水體的污染，但同時也具有調節(jié)水量的作用。

我國上海、北京等地近年來建設了多個雨水調蓄池，《室外排水設計規(guī)范》中也包含有確定雨水調蓄池容積的計算方法，然而，雨水調蓄池的設置并不是強制性的，而且也沒有同開發(fā)建設后不透水面積的增加（即地面綜合徑流系數的變化）和下游受納水體的水位變化直接掛鉤，因此應該在以后的修訂中增加此方面的內容。

5 排水系統(tǒng)施工質量不能滿足設計要求

我國排水系統(tǒng)的施工質量問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）管道連接的隨意性較大，許多地區(qū)的分流制系統(tǒng)中雨污混接現(xiàn)象嚴重。雨污混接不但會對受納水體造成嚴重污染，而且會增加暴雨期間雨水管道的負擔，使得城市的內澇問題雪上加霜。例如，在某些小區(qū)廣泛存在陽臺污水就近連入雨水管道的現(xiàn)象。雨污混接現(xiàn)象的隱蔽性很強，一旦建成則很難從成千上萬的管道中甄別出來，因此必須在施工過程中嚴格監(jiān)管，從源頭上杜絕此類現(xiàn)象。

（2）管道連接處密封不夠緊密，造成地下水入侵管道系統(tǒng)，增加管道系統(tǒng)負擔。通常，設計人員在確定管道尺寸時會假定一個地下水入滲值，然而這一假定值往往并沒有考慮由于施工質量低劣造成的額外的入滲。

（3）排水管道系統(tǒng)的竣工圖準確性較差，常常不能反映地下管網的實際狀況，甚至還出現(xiàn)自相矛盾的情況，給后續(xù)的系統(tǒng)分析和評估帶來很大的難度，項目執(zhí)行人員常常感到無所適從，需要花費大量人力物力對管網的實際情況進行核實。

6 城市防洪與排澇缺乏有效溝通和協(xié)調

我國的城市防洪一般由水利部門負責規(guī)劃實施，而城區(qū)內的雨水管道系統(tǒng)則由市政部門建設維護。實際上，當涉及到城市城區(qū)內的內澇問題時，防洪和市政排水兩個系統(tǒng)往往是你中有我，我中有你，難以徹底區(qū)分開來，因而需要水利和市政兩個部門進行長期一貫的有效協(xié)調。這種情況在水系發(fā)達的江南水網地區(qū)城市尤其重要。在這些城市中，很多區(qū)域往往通過重力方式將雨水就近排入附近的河道之中，因此，河道水位的高低對這些區(qū)域的排澇能力有著至關重要的影響。在另一方面，這些市區(qū)內的河道又可能是上游洪水的行泄通道，或在洪水來臨時擔負著滯納部分洪水的功能。在這種情況下，水利和市政部門的相互協(xié)調則尤為重要，必須建立高效的協(xié)調機制，制訂合理而詳細的河道水位預降程序并嚴格遵守。

7 雨水排放過程中的污染防治

暴雨期間對城市水體的污染在本文開頭已經作了介紹。目前，我國內澇防治方面的討論和工程措施主要偏重于水量控制方面，對水污染控制的重視還不夠。在一些發(fā)達國家，其雨水管理系統(tǒng)往往是水質和水量并重。例如，美國于1972年制訂的《清潔飲用水法》就是該國當代水資源管理和排水系統(tǒng)管理的最重要的基石之一，很多現(xiàn)行的政策和制度，包括針對合流制和分流制雨水排放的政策，如BMP管理措施（Best Management Practices）和市政分流制雨水排放系統(tǒng)許可證制度（Municipal Separate Storm Sewer System Permits）等，都是建立在這一法律的基礎上。從長遠來看，我國也應當將雨水污染防治納入到雨水排放管理體系中，并制訂明確的實施標準。

8 結論

通過以上討論可以看出，造成城市內澇的原因較為復雜，但人為導致的因素占主導地位。我國城市快速化與對待雨水排水系統(tǒng)的陳舊落后的觀念和做法之間的矛盾的長期累積和最終激化，造成了最近一段時期以來城市內澇問題的集中爆發(fā)。要解決這一矛盾，社會各界，包括公共管理部門、土地開發(fā)者、城市市民和工程技術人員，就必須首先轉變觀念，正確認識排水系統(tǒng)在城市整體功能中的重要地位，徹底改變以往“重地上、輕地下”的做法。在工程措施方面，把握排水系統(tǒng)的概念，對排水系統(tǒng)實施全過程優(yōu)化，因地制宜，結合低影響開發(fā)等理念，在源頭、管網系統(tǒng)中間和末端等多個環(huán)節(jié)采用滲透、調蓄和回用等手段，努力減少進入管道系統(tǒng)的徑流量。與此同時，結合本地實際情況，適當提高雨水管道、泵站等設施的設計標準，并通過計算機軟件等先進手段，對本地雨水系統(tǒng)的整體排澇能力作出科學評估，然后在此基礎上進行有針對性的工程改造。

[1]United States Environmental Protection Agency(U.S.EPA).2007.Reducing Stormwater Costs through Low Impact Development(LID)Strategies and Practices.Report No.EPA 841-F-07-006.Washington,D.C.

[2]Prince George’s County,Maryland Department of Environmental Resources,Low-Impact Development Hydrologic Analysis,1999.

[3]GB 50014—2006，室外排水設計規(guī)范[S].

[4]城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)標準體系研究組.城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)標準體系研究報告[R]，2013.

[5]City of Austin,Drainage Criteria Manual,2011.

[6]City and County of Denver,Storm Drainage Design&Technical Criteria,2006.