排水防澇大小排水系統(tǒng)構(gòu)建研究

周琪皓，楊新宇，黃繼軍，張春洋，劉云帆

(中規(guī)院(北京)規(guī)劃設(shè)計(jì)公司，北京 100044)

根據(jù)2017年統(tǒng)計(jì)，全國(guó)因洪澇災(zāi)害受災(zāi)人口5515萬(wàn)人，直接經(jīng)濟(jì)損失2143億元[1]，且2020年8月以來(lái)，洪澇災(zāi)害已經(jīng)造成6346萬(wàn)人次受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失1789.6億元。隨著城市化進(jìn)程的加快，暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率越來(lái)越高，已成為制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素[2- 3]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于城市內(nèi)澇已有較多研究，郝天文等提出目前我國(guó)排水工程規(guī)劃缺乏系統(tǒng)性，對(duì)暴雨強(qiáng)度公式適用范圍缺乏分析，導(dǎo)致城市相繼遭受內(nèi)澇災(zāi)害[4]。周玉文提出城市排水防澇系統(tǒng)應(yīng)分為源頭控制工程、雨水排水管網(wǎng)工程、內(nèi)澇防治工程、排澇工程、防洪工程等5個(gè)單項(xiàng)，目前我國(guó)內(nèi)澇的根本原因是內(nèi)澇防治工程缺失造成的[5]。車(chē)伍等提出目前內(nèi)澇防治的重點(diǎn)主要放在提高雨水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上，缺乏對(duì)不同條件下致澇原因的甄別以及有針對(duì)性的系統(tǒng)考慮，忽視了洪與澇的復(fù)雜聯(lián)系并分而治之，導(dǎo)致我國(guó)內(nèi)澇頻發(fā)[6]。由此可見(jiàn)，城市建設(shè)中缺少對(duì)內(nèi)澇防治系統(tǒng)的考慮是造成國(guó)內(nèi)城市普遍內(nèi)澇情況的重要原因之一，內(nèi)澇系統(tǒng)在國(guó)外又稱為大排水系統(tǒng)。

南北城市均存在不同程度的內(nèi)澇問(wèn)題。2017年9月1日張家口市區(qū)降雨約40mm，導(dǎo)致市區(qū)道路積水超過(guò)15cm，甚至部分車(chē)輛被淹。2019年5月17日泉州市區(qū)降雨60～80mm，造成泉州市區(qū)部分路段積水嚴(yán)重影響車(chē)輛通行。本文對(duì)比分析張家口與泉州城市內(nèi)澇的主要原因，分別介紹了張家口大排水系統(tǒng)與泉州小排水系統(tǒng)構(gòu)建的必要性與方式，通過(guò)不同方式綜合提升城市對(duì)降雨災(zāi)害的應(yīng)對(duì)能力。

1 研究區(qū)概況

1.1 氣候降雨

張家口地形復(fù)雜，屬于東亞溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降雨量為404mm，如圖1(a)所示，遠(yuǎn)低于泉州年降雨量1036～1514mm，如圖1(b)所示。但是張家口極端降雨量大，主要集中在6—9月份，約占全年總降水量的60%，最大能達(dá)到30～40mm，也達(dá)到了南方城市大雨的降雨水平。

1.2 自然地理

張家口位于桑干河和洋河流經(jīng)壩下中部的狹窄的河谷盆地，城區(qū)三面環(huán)山，西部為賜兒山，北部為臥云山、西太平山、東太平山，東部為七里山，三面山地坡度在15°～30°之間。城市建成區(qū)總面積約60km2，區(qū)域內(nèi)主要有4條河流，分別為清水河、東沙河、西沙河、王家寨河，河網(wǎng)密度是0.55，如圖2(a)所示。泉州古城地勢(shì)由北向南變緩明顯，古城內(nèi)有4條河流，河網(wǎng)密度1.7，如圖2(b)所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)比，較低的河網(wǎng)密度造成張家口單片匯水面積較大(以入河排口前的區(qū)域劃分單片匯水分區(qū))，大部分超過(guò)2km2，更需要考慮人工大排水系統(tǒng)的構(gòu)建。

圖1 張家口與泉州降雨情況對(duì)比

圖2 張家口與泉州流域水系對(duì)比

張家口雖然年降雨量少，但是沿河道沿線及老城區(qū)等大部分區(qū)域均存在內(nèi)澇現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀梳理可以發(fā)現(xiàn)，極端降雨量大、地形地勢(shì)不利、河網(wǎng)稀疏等外部條件造成了城區(qū)內(nèi)部老城區(qū)普遍的內(nèi)澇情況，具有北方易澇城市的典型特征。泉州古城則是由于排水設(shè)施老舊滯后、局部低洼造成局部?jī)?nèi)澇。

2 內(nèi)澇成因及對(duì)策分析

2.1 內(nèi)澇成因分析

2.1.1排水系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低

由于歷史等原因，中國(guó)排水系統(tǒng)一直沿用前蘇

聯(lián)的模式，考慮當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)狀況，早年的管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1～2年一遇，加之大部分城市重地上輕地下，造成城市管網(wǎng)現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)大部分小于1年一遇。張家口和泉州在管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均存在偏低問(wèn)題，城區(qū)內(nèi)雨水管管徑大部分D400～D800，80%左右的管網(wǎng)不足1年一遇，見(jiàn)表1。

大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家排水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)較高，美國(guó)排水標(biāo)準(zhǔn)是居住區(qū)2～15年，商業(yè)和高價(jià)值區(qū)域?yàn)?0～100年；歐盟標(biāo)準(zhǔn)是農(nóng)村地區(qū)1年、居民區(qū)2年、城市中心/工業(yè)區(qū)/商業(yè)區(qū)5年、地下鐵路/地下通道10年[7- 8]。但是現(xiàn)狀中國(guó)城市排水管網(wǎng)大部不足1年一遇的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，難以滿足城市高質(zhì)量發(fā)展的需求。

以泉州30年一遇24h設(shè)計(jì)降雨雨型為例，如果全部管網(wǎng)能達(dá)到2年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，理想狀態(tài)下可以應(yīng)對(duì)4.2mm/5min強(qiáng)度的降雨，但在30年一遇降雨情境下，仍有約1h43mm的降雨是只能通過(guò)地面漫流排放，大量無(wú)設(shè)施收納的雨水在低洼區(qū)域極易形成內(nèi)澇積水。因此，雖然現(xiàn)狀大部分城市已經(jīng)完成雨水管網(wǎng)敷設(shè)，但是大部分不足1年一遇的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，低標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)導(dǎo)致城市難以應(yīng)對(duì)越來(lái)越頻繁的極端強(qiáng)降雨情況[9]。泉州30年一遇24h降雨雨型如圖3所示。

2.1.2 暴雨強(qiáng)度公式對(duì)于超過(guò)2km2區(qū)域存在計(jì)算誤差

對(duì)于超過(guò)2km2的大匯水片區(qū)，現(xiàn)狀大部分主干管網(wǎng)存在設(shè)計(jì)誤差，能力也達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。造成誤差的原因主要是由于降雨數(shù)據(jù)資料的匱乏，我們管網(wǎng)設(shè)計(jì)主要依據(jù)為暴雨強(qiáng)度公式而不是降雨雨型，在超出暴雨強(qiáng)度公式適用范圍的情況下，造成了不準(zhǔn)確的計(jì)算。

表1 張家口和泉州現(xiàn)狀管網(wǎng)能力評(píng)估

圖3 泉州30年一遇24h降雨雨型

我們通常所用的暴雨強(qiáng)度公式求導(dǎo)方法可分為三步。第一步為樣本統(tǒng)計(jì)，樣本的選取方法有年最大值法和年超定量法、年多個(gè)樣法等，水利部門(mén)多采用最大值法，城建部門(mén)多采用多個(gè)樣法，兩種選樣方法在T≥10a時(shí)，兩者強(qiáng)度基本接近，在T<10a時(shí)，年多個(gè)樣法選取的樣本值更大，更準(zhǔn)確[7]。同時(shí)，城建部門(mén)降雨歷時(shí)選取一般為5～120min的短歷時(shí)降雨樣本，水利部門(mén)一般選取大于等于24h的長(zhǎng)歷時(shí)降雨或者10～720min的短歷時(shí)降雨樣本[10]。樣本選擇的不同造成了城建部門(mén)公式和水利部門(mén)公式適用范圍的不同[11]。選取后的樣本有3個(gè)變量，分別為降雨強(qiáng)度(mm/min)、頻率(重現(xiàn)期)、降雨歷時(shí)t(min)。

第二步是對(duì)降雨強(qiáng)度與頻率的關(guān)系進(jìn)行擬合，主要利用皮爾遜-Ⅲ型、耿貝爾型和指數(shù)型分布函數(shù)曲線等，實(shí)際中常采用皮爾遜-Ⅲ型[12]。

第三步是對(duì)降雨強(qiáng)度與降雨歷時(shí)的關(guān)系進(jìn)行擬合，城建部門(mén)主要采用暴雨強(qiáng)度公式法，水利部門(mén)主要采用經(jīng)驗(yàn)公式、推理公式法等。暴雨強(qiáng)度公式法首先對(duì)單一重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行擬合，之后引入重現(xiàn)期區(qū)間參數(shù)對(duì)重現(xiàn)期劃分區(qū)間得到最終的暴雨強(qiáng)度公式[11]。

(1)

式中，q—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；i—降水強(qiáng)度，mm/min；P—暴雨重現(xiàn)期，a；t—降雨歷時(shí)，min。

因此，最終得到的暴雨強(qiáng)度公式是表示降雨強(qiáng)度與降雨歷時(shí)關(guān)系的函數(shù)，同時(shí)由于氣象部門(mén)的降雨統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要為日降雨量或時(shí)降雨量，求出的設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度為5～120min短歷時(shí)情況下的平均降雨強(qiáng)度。因此，在同樣的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)情況下，平均降雨強(qiáng)度是隨著降雨歷時(shí)的增加而減少。以泉州重現(xiàn)期2年一遇情況下，30、60、120min不同降雨歷時(shí)情況下的芝加哥雨型擬合結(jié)果，可以看出同樣的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)下，降雨強(qiáng)度峰值是隨著降雨歷時(shí)增大不變，降雨總量隨著降雨時(shí)間增加由34.8mm增加至68.5mm，但是平均降雨強(qiáng)度隨著降雨歷時(shí)的變化逐步降低，由1.2mm/min降低至0.6mm/min，如圖4所示。

暴雨強(qiáng)度公式的降雨歷時(shí)由地面集水時(shí)間和管渠內(nèi)流行時(shí)間組成，因此，匯水面積的大小會(huì)直接影響到降雨歷時(shí)。根據(jù)測(cè)算，匯水面積為3km2時(shí)，于管渠內(nèi)水流行時(shí)間增加，設(shè)計(jì)1年一遇的排水能力只能達(dá)到0.5年一遇的實(shí)際產(chǎn)流量，設(shè)計(jì)2年一遇的排水能力只能達(dá)到1年一遇的實(shí)際產(chǎn)流量[13]。

圖4 泉州不同降雨歷時(shí)下芝加哥雨型對(duì)比(P=2)

按照現(xiàn)行的方法，匯水面積越大，管網(wǎng)計(jì)算出來(lái)的排水能力就越小。GB50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)也規(guī)定“當(dāng)匯水面積超過(guò)2km2時(shí)，宜考慮降雨在時(shí)空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過(guò)程，采用數(shù)學(xué)模型法計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量”[14]。針對(duì)北方城市大部分河網(wǎng)稀疏，大部分單片匯水面積超過(guò)2km2，更需要考慮進(jìn)行大排水系統(tǒng)建設(shè)，同時(shí)修正現(xiàn)行暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算方法的誤差。

2.2 內(nèi)澇防治對(duì)策

由以上分析可知排水系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低為南北城市形成內(nèi)澇的主要原因，但全面提升管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在多方面的困難和局限。一方面，國(guó)內(nèi)屬于溫帶季風(fēng)性氣候，年際降雨相差較大，同樣的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)下的降雨強(qiáng)度較高，對(duì)應(yīng)的管渠管徑較大，如果整體提高排水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可能增加管網(wǎng)造價(jià)60%～70%[2]。另一方面，大部分城市現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)基本形成，如果對(duì)低標(biāo)準(zhǔn)管網(wǎng)進(jìn)行大范圍改造，會(huì)對(duì)城市交通和其他專業(yè)管線造成多方面影響，使改建工程施工產(chǎn)生極大困難。

如何在經(jīng)濟(jì)條件和實(shí)施條件都允許的情況下，通過(guò)關(guān)鍵性措施和對(duì)策整體提高排水片區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)，是南北城市需要共同思考的問(wèn)題。所以針對(duì)張家口、泉州南北兩座不同的城市，分別采取了不同的提標(biāo)改造方法。張家口主要通過(guò)構(gòu)建城市大排水系統(tǒng)來(lái)全面提高城市排水防澇建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，泉州古城主要通過(guò)精細(xì)化小排水系統(tǒng)構(gòu)建研究，從可行性與經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，基本消除城市內(nèi)澇情況。

大排水系統(tǒng)是由城市內(nèi)河、地表行泄通道、地下大型排放設(shè)施、調(diào)蓄設(shè)施和地面的安全泛洪區(qū)域等組成，主要為應(yīng)對(duì)超過(guò)小排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)暴雨或極端天氣特大暴雨的一套“蓄排”系統(tǒng)，主要擔(dān)負(fù)重現(xiàn)期為5～50年范圍暴雨的安全排放。小排水系統(tǒng)一般包括LID等源頭控制措施、雨水管渠、調(diào)節(jié)池、排水泵站等傳統(tǒng)設(shè)施，主要擔(dān)負(fù)重現(xiàn)期為1～5年范圍暴雨的安全排放，保證城市和住區(qū)的正常運(yùn)行[4]，如圖5所示。

3 張家口大排水系統(tǒng)構(gòu)建方案

3.1 徑流模擬

在內(nèi)澇成因及對(duì)策分析后，本研究通過(guò)1∶500地形圖進(jìn)行了徑流模擬，發(fā)現(xiàn)模擬得到的徑流路線與內(nèi)河流向是基本相符，但是也存在部分徑流路線與內(nèi)河流向不相符區(qū)域，恰好就是現(xiàn)狀易澇片區(qū)的所在，如圖6(a)所示，因此著重解決徑流模擬與實(shí)際排水方向不相符區(qū)域，建立澇水行泄通道。

3.2 大排水系統(tǒng)構(gòu)建方案

(1)內(nèi)河綜合治理：由于北方河道大部分為干溝，極易被兩側(cè)建筑侵占或者蓋板，導(dǎo)致河道不能滿足防洪要求。本方案分別對(duì)城區(qū)東沙河、西沙河、王家寨河等內(nèi)河的過(guò)流能力進(jìn)行校核，識(shí)別出防洪卡點(diǎn)，提出綜合整治方案，通過(guò)上游綠化攔蓄、城區(qū)中游分洪擴(kuò)涵、下游擴(kuò)挖清淤等，以此首先保證城市內(nèi)河系統(tǒng)能夠滿足內(nèi)澇防治要求。

(2)截流山區(qū)雨洪：由于張家口三面環(huán)山的地勢(shì)特點(diǎn)，加之城市不斷向山區(qū)擴(kuò)張，在進(jìn)行大排水系統(tǒng)建設(shè)的同時(shí)需要考慮山洪截流。規(guī)劃沿賜兒山、西太平山、東太平山、七里山建設(shè)9條截洪溝，引導(dǎo)山區(qū)雨洪向城市內(nèi)河或澇水行泄通道排放。

(3)澇水行泄通道：結(jié)合現(xiàn)狀內(nèi)澇點(diǎn)以及徑流分析結(jié)果，依據(jù)模擬的徑流路線新建澇水行泄通道。綜合考慮山洪截流方案、內(nèi)河的分洪方案、道路建設(shè)條件等，規(guī)劃建設(shè)17條澇水行泄通道，如圖6(b)所示，主要通過(guò)建設(shè)大型地下排水渠道來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)提高至10年一遇來(lái)彌補(bǔ)超過(guò)推理公式法適用面積后的計(jì)算偏差。

圖5 防洪排澇系統(tǒng)構(gòu)建

4 泉州古城小排水系統(tǒng)構(gòu)建方案

4.1 大排水系統(tǒng)梳理

泉州古城有著完善的大排水系統(tǒng)，也就是排澇系統(tǒng)。泉州古城內(nèi)有筍浯溪排澇系統(tǒng)、八卦溝排澇系統(tǒng)、南環(huán)城河排澇系統(tǒng)、北部排洪渠排澇系統(tǒng)，以及2座排澇泵站：北峰排澇泵站、金山排澇泵站，僅泵站排澇能力合計(jì)可達(dá)20～30m3/s，基本滿足現(xiàn)狀古城的排澇要求。

4.2 小排水系統(tǒng)構(gòu)建方案

4.2.1街區(qū)模型評(píng)估

泉州古城現(xiàn)狀內(nèi)澇點(diǎn)共5個(gè)，其中3個(gè)分布于西街片區(qū)內(nèi)。西街片區(qū)位于古城中心區(qū)域，有開(kāi)元寺“雙塔”、城隍廟等多處歷史保護(hù)建筑，為古城內(nèi)最具有代表性的街道之一，如圖7(a)所示。本研究重點(diǎn)以西街片區(qū)作為古城街區(qū)整治案例，提出了2個(gè)改造方案：方案1為擴(kuò)大主干管涵方案，方案2為上游分流方案。通過(guò)Info Works ICM軟件模型分析，分別進(jìn)行管網(wǎng)能力評(píng)估、淹沒(méi)分析、內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析，最后確定方案二效果最佳，如圖7(b)所示。

4.2.2街區(qū)方案對(duì)比

在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，考慮排水效果、改造難度、工程量等因素對(duì)兩方案進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)比得出，方案1與方案2均能實(shí)現(xiàn)近期內(nèi)澇點(diǎn)基本消除，但是方案2在改造涉及西街、象峰巷等重要1類(lèi)歷史保護(hù)街巷方面可能存在對(duì)開(kāi)元寺西塔的擾動(dòng)影響，存在施工實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。因此，最終推薦方案1作為實(shí)施方案。

圖6 張家口現(xiàn)狀內(nèi)澇點(diǎn)及徑流模擬

圖7 泉州古城現(xiàn)狀內(nèi)澇點(diǎn)及模型模擬

4.2.3片區(qū)方案確定

通過(guò)對(duì)每個(gè)片區(qū)內(nèi)澇點(diǎn)分析，提出每個(gè)片區(qū)的內(nèi)澇點(diǎn)整治方案，最終得到古城內(nèi)雨水系統(tǒng)建設(shè)方案。由于古城綠地少，建筑老舊，因此主要通過(guò)雨水管渠的改造來(lái)構(gòu)建泉州古城的“小排水系統(tǒng)”。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)北方城市對(duì)比南方城市雖然降雨量少，但極端降雨量大，因極端降雨造成的內(nèi)澇災(zāi)害不容忽視。特別是北方城市河網(wǎng)稀疏，大部分匯水面積超過(guò)2km2，暴雨強(qiáng)度公式存在適用誤差。因此北方城市需要考慮人工大排水系統(tǒng)的建設(shè)，而南方城市則需要通過(guò)精細(xì)化改造小排水系統(tǒng)，綜合提升內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)。

(2)城市管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不足是造成內(nèi)澇的主要原因之一，由于暴雨強(qiáng)度公式的局限性，規(guī)劃中需要以典型降雨雨型為依據(jù)對(duì)劃分雨水排放系統(tǒng)，構(gòu)建起管道排放、內(nèi)澇防治及河道防洪三級(jí)的排澇防洪系統(tǒng)[15]，綜合提升城市對(duì)降雨災(zāi)害的應(yīng)對(duì)能力。