城市內(nèi)澇治理系統(tǒng)設(shè)計要點及案例分析

付 樂，張世元

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司 湖北分公司，武漢 430016)

隨著城市建設(shè)發(fā)展和極端暴雨頻次增加，城市內(nèi)澇問題日益突出。排水防澇設(shè)施是當(dāng)前城市建設(shè)熱點之一，內(nèi)澇治理也取得了積極進(jìn)展，但仍存在自然滯蓄能力不足、管網(wǎng)及泵站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低、工程建設(shè)滯后、運行管理不完善、應(yīng)急搶險能力不強(qiáng)、系統(tǒng)治理理念缺乏等問題。2021年4月國務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)城市內(nèi)澇治理的實施意見》(國辦發(fā)〔2021〕11號)，要求加快推進(jìn)城市內(nèi)澇治理。

內(nèi)澇治理系統(tǒng)是工程性設(shè)施和非工程性措施以一定方式組合而成的總體，包括源頭減排、雨水收集、輸送、調(diào)蓄、行泄等天然和人工設(shè)施，以及相關(guān)管理措施等。

1 總體設(shè)計

1.1 內(nèi)澇治理系統(tǒng)特征

內(nèi)澇治理系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)注意流域性、系統(tǒng)性、綜合性、多樣性和時序性。

1)流域性。內(nèi)澇治理與所處的流域密切相關(guān)，需統(tǒng)籌區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理、城市水資源利用、城市建設(shè)等，形成防洪排澇、應(yīng)急管理、物資儲備等系統(tǒng)完整的防洪排澇體系。

2)系統(tǒng)性。雨水是不可壓縮的，雨水徑流的蓄、排實質(zhì)是其空間分配問題。內(nèi)澇治理需從源頭減排、管渠排放、河湖調(diào)蓄、排澇除險等環(huán)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計[1]。

3)綜合性。內(nèi)澇治理是一項綜合性的工程，涉及海綿城市、城市排水、城市防洪、河湖水系、道路交通、園林綠地等多個領(lǐng)域，應(yīng)注重與相關(guān)規(guī)劃及建設(shè)內(nèi)容的協(xié)調(diào)。

4)多樣性。內(nèi)澇治理設(shè)施按用途可分為專用設(shè)施和兼用設(shè)施；按使用時間可分為永久設(shè)施和臨時設(shè)施；按屬性可分為人工設(shè)施和自然設(shè)施；按措施類別可分為工程性措施和非工程性措施。

5)時序性。內(nèi)澇治理是一項龐雜的系統(tǒng)工程，短期內(nèi)一次性達(dá)到目標(biāo)難度大，可以結(jié)合城區(qū)整體改造、道路建設(shè)、易澇點治理等契機(jī)，分階段、分區(qū)域?qū)嵤?，同時考慮應(yīng)急措施。

1.2 一般要求

內(nèi)澇治理系統(tǒng)設(shè)計一般應(yīng)滿足以下要求：①考慮城市所處流域的整體狀況，不以行政區(qū)劃為界限；②保護(hù)河湖水系等自然空間，保證一定的水面率；③優(yōu)化城市綠地系統(tǒng)布局，保證一定的綠地率；④合理確定城市用地布局、豎向高程、雨水排放分區(qū)和排水出路等；⑤考慮上游過境流量的影響，合理確定城市防洪標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計水位等；⑥以規(guī)劃為引領(lǐng)，以問題為導(dǎo)向，合理確定內(nèi)澇治理標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)方案；⑦制定應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)預(yù)警及管理信息平臺建設(shè)。

1.3 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

內(nèi)澇治理設(shè)計重現(xiàn)期，超大城市100年，特大城市50～100年，大城市30～50年，中等城市和小城市20～30年。

地面積水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：居民住宅和工商業(yè)建筑物底層不進(jìn)水；道路中一條車道的積水深度不超過15 cm，保證至少一車道能夠通行。

雨停后最大允許退水時間，中心城區(qū)1～3 h，非中心城區(qū)1.5～4 h，中心城區(qū)的重要地區(qū)0.5～2 h。

排澇能力滿足上述積水深度和最大允許退水時間時，不應(yīng)視作內(nèi)澇。

1.4 設(shè)計雨水量

源頭減排設(shè)施設(shè)計雨水量根據(jù)年徑流總量控制率確定，當(dāng)降雨量小于規(guī)劃確定值時，不向市政雨水管渠排放未經(jīng)控制的雨水。以武漢市為例，年徑流總量控制率為80%、85%時，對應(yīng)降雨量為35.2、43.2 mm，分別對應(yīng)重現(xiàn)期0.5、1年的小時降雨量。

雨水管渠主要應(yīng)對短歷時強(qiáng)降雨的排水安全，注重“排”，設(shè)計流量根據(jù)設(shè)計重現(xiàn)期確定，一般超大城市和特大城市中心城區(qū)取3～5年，大城市2～5年，中等城市和小城市 2～3年，重要區(qū)域采用更高標(biāo)準(zhǔn)。以上海市為例，主城區(qū)及新城設(shè)計重現(xiàn)期及對應(yīng)小時降雨量分別為5年、58.1 mm，其他地區(qū)3年、51.3 mm，地下通道和下沉式廣場等30年、82.2 mm。

內(nèi)澇治理系統(tǒng)重點關(guān)注長歷時降雨的排水安全，注重“蓄排結(jié)合”，降雨歷時一般采用3～24 h。設(shè)計水量根據(jù)內(nèi)澇治理設(shè)計重現(xiàn)期，與源頭減排設(shè)施、排水管渠、河湖水系作為一個整體系統(tǒng)核算。以上海市為例，內(nèi)澇治理設(shè)計重現(xiàn)期為100年，對應(yīng)24 h設(shè)計降雨量275 mm[2]。

1.5 內(nèi)澇治理達(dá)標(biāo)“三步法”

內(nèi)澇治理目標(biāo)的實現(xiàn)需因城施策、一點一策、系統(tǒng)設(shè)計、有序推進(jìn)，達(dá)標(biāo)可按“三步法”實施：第一步，消除易澇點，并按需配備應(yīng)急搶險設(shè)備，減少內(nèi)澇對生產(chǎn)生活的影響；第二步，解決排水系統(tǒng)“瓶頸”問題，提升管網(wǎng)及泵站排澇能力；第三步，按防澇標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)治理，形成“源頭減排、管渠排放、蓄排并舉、超標(biāo)應(yīng)急”的內(nèi)澇治理體系。

2 內(nèi)澇治理設(shè)施

2.1 源頭減排設(shè)施

城市內(nèi)澇治理應(yīng)按低影響開發(fā)理念，采用滲透、滯蓄等措施，保持或模擬自然過程，控制雨水徑流總量和削減峰值流量。源頭減排設(shè)施包括透水路面、綠色屋頂[3]、下凹式綠地、植草溝[4]、滲透管渠等。

徑流量控制規(guī)?？砂聪率接嬎悖?/p>

Vi=Vs+Wp，Wp=KJAts

(1)

式中：Vi為徑流量控制規(guī)模，m3；Vs為設(shè)施有效滯蓄容積，m3；Wp為入滲量，m3；K為滲透系數(shù)，m/h；J為水力坡降(一般取1)；A為有效滲透面積，m2；ts為滲透時間，h，為當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶊鼋涤隁v時，資料缺乏時可取2～12 h。

透水路面可采用透水水泥混凝土、透水瀝青或透水磚，當(dāng)土基滲透系數(shù)大于1×10-6m/s時宜采用全透水鋪裝結(jié)構(gòu)；小于或等于1×10-6m/s時宜采用半透水鋪裝結(jié)構(gòu)，并設(shè)置地下集水管。

屋面坡度不大于15°時可設(shè)置綠色屋頂，自上而下設(shè)置土壤層、過濾層、排水層、防水層、找平層，并設(shè)置屋面排水溝或排水管等設(shè)施。

下凹式綠地深度宜為50～250 mm，選用適合運行條件并滿足景觀要求的耐淹植物，按快進(jìn)緩出的原則設(shè)置出流管，排空時間24～48 h。

植草溝的邊坡坡度不大于1∶3，縱坡不大于4%，最大流速不超過0.8 m/s，植被高度宜為100～200 mm。

滲透管渠采用穿孔塑料、無砂混凝土等透水材料，開孔率1%～3%，無砂混凝土管的孔隙率應(yīng)大于20%。

2.2 排水管渠及泵站

城市雨水徑流應(yīng)通過排水管渠、城市內(nèi)河等有組織排放，管渠系統(tǒng)包括雨水管渠、泵站以及雨水口、檢查井等附屬設(shè)施。

雨水管渠按重力流、滿管流設(shè)計，一般采用曼寧公式進(jìn)行計算，假定流態(tài)為恒定均勻流，水力坡度等于管道坡度，考慮未超載狀態(tài)，可以采用更簡化的謝才公式。按內(nèi)澇治理重現(xiàn)期校核時，一般處于超載狀態(tài)，按壓力流校核，采用達(dá)西-魏斯巴赫公式、海澄-威廉公式和曼寧公式計算。城市內(nèi)澇治理應(yīng)合理進(jìn)行排水分區(qū)，“高水高排、低水低排”，重點消除易澇點，補(bǔ)齊管網(wǎng)建設(shè)短板。

雨水口和雨水連接管設(shè)計流量應(yīng)為雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期計算流量的1.5～3倍，并按內(nèi)澇設(shè)計重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)校核。

對外水頂托導(dǎo)致自排不暢或抽排能力不足的地區(qū)，需改造或增設(shè)泵站，泵站規(guī)模根據(jù)調(diào)蓄容積、排水時間等因素綜合確定；出水口設(shè)置消能設(shè)施，流速小于0.5 m/s；用地受限時可采用一體化預(yù)制泵站等節(jié)地型泵站。

2.3 河湖水系

注重保護(hù)河湖水系自然生態(tài)空間，恢復(fù)和保持自然連通和流動性。合理開展河道、湖泊、坑塘等整治工程，提高蓄排能力。

對于城市水體，應(yīng)根據(jù)水資源配置和調(diào)蓄要求、水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)等，合理確定常水位和最高水位。敞開式調(diào)蓄水體近岸2 m范圍內(nèi)的常水位水深大于0.7 m時，應(yīng)設(shè)置防止人員跌落的安全防護(hù)設(shè)施，并設(shè)置警示標(biāo)志；超高應(yīng)大于0.3 m，并設(shè)置溢流設(shè)施。

河道調(diào)蓄應(yīng)對過流能力進(jìn)行校核；內(nèi)河設(shè)計超高應(yīng)考慮彎曲段水位壅高，并大于0.5 m；人工水體調(diào)蓄水深一般大于1 m，最高水位低于建設(shè)用地控制標(biāo)高1 m以上。城市內(nèi)河(湖)水位應(yīng)統(tǒng)一調(diào)度，暴雨前應(yīng)預(yù)先降低水位，暴雨后一般地區(qū)應(yīng)在24 h內(nèi)排水至設(shè)計水位以下，重要地區(qū)可縮短排水時間。

2.4 應(yīng)急除險設(shè)施

應(yīng)急除險設(shè)施包括應(yīng)急調(diào)蓄、行泄通道、應(yīng)急設(shè)備等。

1)應(yīng)急調(diào)蓄。超標(biāo)暴雨期間，充分利用自然洼地、園林綠地、廣場等敞開式雨水調(diào)蓄設(shè)施，做到一地多用，可以有效降低內(nèi)澇災(zāi)害。應(yīng)設(shè)置安全警示牌，標(biāo)明調(diào)蓄啟動條件、淹沒范圍、最高水位等。內(nèi)澇易發(fā)、人口密集、現(xiàn)有排水系統(tǒng)改造困難的區(qū)域，可設(shè)置隧道等人工調(diào)蓄設(shè)施。

2)行泄通道。內(nèi)澇風(fēng)險大的區(qū)域可選取道路等作為臨時雨水行泄通道，形成地面漫流系統(tǒng)。行泄通道不應(yīng)位于人口密集和可能造成嚴(yán)重后果的城市重要區(qū)域；積水時間小于12 h；最大積水深度時周邊建筑底層不得進(jìn)水；設(shè)置水位監(jiān)控系統(tǒng)和警示標(biāo)志。

3)應(yīng)急設(shè)備。按需配備排澇除險應(yīng)急設(shè)備，包括臨時發(fā)電裝置、移動排澇泵車等。

2.5 信息化設(shè)施

建立城市內(nèi)澇治理綜合管理信息平臺，整合各部門防洪排澇管理相關(guān)信息，在排水設(shè)施關(guān)鍵節(jié)點、易澇點布設(shè)必要的智能化感知終端設(shè)備，滿足日常管理、運行調(diào)度、預(yù)警預(yù)報、應(yīng)急搶險等功能需要；有條件的城市可以建立城市內(nèi)澇模擬分析模型[5]，與城市信息模型(CIM)基礎(chǔ)平臺深度融合。

3 管理措施

從規(guī)劃建設(shè)、運行維護(hù)、應(yīng)急搶險等方面加強(qiáng)管理體系建設(shè)，可以有效提升城市內(nèi)澇治理水平。

1)規(guī)劃建設(shè)。強(qiáng)化規(guī)劃管理與實施，保護(hù)山水林田湖草等自然生態(tài)空間；優(yōu)化城市布局，加強(qiáng)豎向高程管控；加強(qiáng)內(nèi)澇治理項目儲備和前期工作，嚴(yán)格把控工程質(zhì)量；統(tǒng)籌防洪排澇、治污、雨水資源化利用等工程，避免相互造成不利影響。當(dāng)遭遇內(nèi)澇災(zāi)害后，及時對被毀壞的內(nèi)澇治理設(shè)施進(jìn)行修復(fù)或重建。

2)運行維護(hù)。建立健全的管理制度，包括運行管理制度、崗位操作制度、設(shè)施設(shè)備維護(hù)制度、事故應(yīng)急預(yù)案等。運行管理制度包括汛期和非汛期管理，汛期又分為汛前、汛中和汛后。對于兼用設(shè)施，應(yīng)制定不同運行模式相互切換的管理制度。

探索供水、排水和水處理等水務(wù)事項全鏈條管理機(jī)制，因地制宜推廣“廠網(wǎng)河(湖)一體化”管理，建立健全防洪排澇“聯(lián)排聯(lián)調(diào)”運行管理模式。強(qiáng)化政府各部門監(jiān)管、執(zhí)法隊伍協(xié)調(diào)聯(lián)動。

3)應(yīng)急管理。城市內(nèi)澇治理應(yīng)急管理體系包括預(yù)警系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)和評價系統(tǒng)等，需完善應(yīng)急物資儲備、安全管理制度及調(diào)用流程，加大防洪排澇知識宣傳教育力度，提高公眾防災(zāi)避險意識和自救互救能力[6]。

4 工程案例

4.1 中山市中心城區(qū)內(nèi)澇成因及對策

2013年5月8日、2014年5月8日、2016年6月28日暴雨時，中山市中心城區(qū)出現(xiàn)了“城市看海”現(xiàn)象。根據(jù)暴雨內(nèi)澇情況及易澇點分布，對排澇系統(tǒng)進(jìn)行評估的結(jié)果表明，城市建設(shè)發(fā)展擠占河涌用地、覆蓋河涌，造成排澇能力不足，是內(nèi)澇的主要原因。另外，雨水管道標(biāo)準(zhǔn)不足、“帶病運行”也是內(nèi)澇的一個重要原因。內(nèi)澇治理首先須對排澇河涌進(jìn)行整治，在河口處適當(dāng)建設(shè)排澇泵站，在岐江河水位頂托時適時抽排[7]。

4.2 西安市內(nèi)澇成因及對策

西安市作為關(guān)中平原城市群的核心城市，近年來多次遭遇強(qiáng)降雨導(dǎo)致的城市內(nèi)澇，如2016年7月24日、2018年8月22日、2020年7月10日、7月30日等。根據(jù)降雨時空變化分析，全市總體降水量呈下降趨勢，但極端降雨情況在增加，中心城區(qū)增幅較周邊區(qū)縣更明顯，而現(xiàn)狀排水管網(wǎng)暴雨設(shè)計重現(xiàn)期以1年為主，極端降雨遠(yuǎn)超管網(wǎng)排水能力。另外，還存在管網(wǎng)及雨水口淤塞、管網(wǎng)混錯接、市區(qū)下墊面不透水面積占比增大、局部地區(qū)地勢低洼且未充分考慮排水措施、城市水體未發(fā)揮調(diào)蓄作用等問題。市區(qū)內(nèi)的曲江池、興慶湖、護(hù)城河等水體總調(diào)蓄水量為313萬m3，因考慮環(huán)境因素不接納水質(zhì)較差的雨水，調(diào)蓄空間難以發(fā)揮。需建設(shè)城市內(nèi)澇預(yù)警信息平臺、加強(qiáng)排澇基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、采取 “灰綠結(jié)合”的措施，系統(tǒng)地進(jìn)行內(nèi)澇治理[8]。

4.3 常州市主城區(qū)易澇點治理

常州市主城區(qū)地形以平原、圩區(qū)為主，地勢平坦，地面高程3～5 m(吳淞高程)，高程4 m以下低洼地面積約占區(qū)域總面積的40%，高程3 m以下約占13%，2012年共計存在69處易澇點，多位于老小區(qū)、城中村。導(dǎo)致內(nèi)澇的原因包括片區(qū)地勢過于低洼；超標(biāo)暴雨頻次增加；管網(wǎng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低，長效管養(yǎng)機(jī)制不健全；泵站陳舊簡陋、缺少調(diào)蓄容量；施工質(zhì)量較差、管道不均勻沉降；雨水口設(shè)置不符合標(biāo)準(zhǔn)、破損較嚴(yán)重；排水設(shè)施破損現(xiàn)象突出；排水系統(tǒng)改造基本理念缺失；舊城排水工程改造滯后等。

通過改造和完善管網(wǎng)、增設(shè)排澇泵站等措施，首批易澇點已完成整治。但洼地的產(chǎn)生是個動態(tài)過程，隨著城市化的擴(kuò)展，新的積水洼地仍在不斷生成，內(nèi)澇點治理應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計、改造[9]。

4.4 廣州市內(nèi)澇點排水改造

廣州市“水浸街”現(xiàn)象主要原因包括：城市下墊面硬化比例高；雨水系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，重現(xiàn)期大多小于2年；排水設(shè)施存在結(jié)構(gòu)性或功能性缺陷；污水量快速增長，部分城中村區(qū)域的流動人口遠(yuǎn)超常住人口，如白云區(qū)大源村戶籍人口約1萬人，實際居住人口約25萬人，現(xiàn)狀合流制排水管僅為d400～d600，已無法滿足旱季污水的排水需求；下游水位頂托，重力排放不暢；城市建設(shè)對河道斷面的改變、擠占，大量垃圾被倒入河道，導(dǎo)致行洪斷面不足；城市排水系統(tǒng)設(shè)計不合理，雨水應(yīng)就近排放，避免“長途輾轉(zhuǎn)”排放不暢，低洼地?zé)o自流條件的應(yīng)采取必要的工程措施。需對現(xiàn)狀排水系統(tǒng)進(jìn)行評價，有針對性地采取排水管渠改造、控制地表徑流、增加強(qiáng)排設(shè)施、設(shè)置調(diào)蓄設(shè)施等措施[10]。

4.5 鶴壁市內(nèi)澇積水問題系統(tǒng)化解決方案

鶴壁市淇水大道易澇區(qū)域積水區(qū)段總長度約為980 m，逢大雨必澇。根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況，通過局部排水管線調(diào)整，將匯水面積減少約24%；通過小區(qū)和道路海綿化改造，達(dá)到了年徑流總量控制率不小于70%、年SS削減率不小于60%的目標(biāo)；通過雨水管渠改造將標(biāo)準(zhǔn)提高至2年一遇；通過在人行道設(shè)置超標(biāo)徑流入河(綠地)通道，提高了排澇能力和調(diào)蓄能力，達(dá)到了30年一遇內(nèi)澇治理標(biāo)準(zhǔn)。在沿河道路低洼區(qū)段采用了“超標(biāo)徑流入河(綠地)通道”技術(shù)，通過在人行道底部開槽、協(xié)調(diào)道路與河道兩側(cè)綠地高程關(guān)系等措施，打通路面超標(biāo)徑流入河(綠地)路徑，有效緩解了易澇區(qū)的積水問題[11]。

4.6 武漢市城市內(nèi)澇的成因及對策

武漢市水系豐富，內(nèi)澇問題較為突出，2016年6月30日—7月6日的連續(xù)強(qiáng)降雨中，湯遜湖和南湖地區(qū)周降雨量突破歷史極值，達(dá)到565.7～719.1 mm。7月6日9:00前，中心城區(qū)共出現(xiàn) 162 處車輛無法通行的道路積水。南湖、湯遜湖因湖水滿溢，大部分區(qū)域漬水當(dāng)月12日才消退，北港教師小區(qū)等6個地勢低洼的小區(qū)漬水當(dāng)月15日以后才陸續(xù)消退。

內(nèi)澇原因主要有：①豎向高程控制不合理。根據(jù)2010 年城市總體規(guī)劃，建設(shè)用地豎向要求南湖周邊為 21.15 m 以上、湯遜湖周邊為20.15 m 以上。在具體建設(shè)過程中，由于填方成本、與原有農(nóng)業(yè)道路銜接等原因，部分小區(qū)沒有嚴(yán)格遵循上述標(biāo)準(zhǔn)，南湖周邊低于21.15 m的建設(shè)用地約3.5 km2，低于20.65 m的是內(nèi)澇的重災(zāi)區(qū)，面積約1.14 km2，北港教師小區(qū)等低于20 m。②抽排設(shè)施實際效能不足，來水通道過流能力差，外江水位高于泵站設(shè)計水位，泵站自身的運行效率下降，2016年7月降雨后，泵站全部開啟各湖水位平均每日下降不足0.1 m。③汛前控制水位不足，影響調(diào)蓄容積。需從排水體制、調(diào)蓄管控、排水標(biāo)準(zhǔn)和能力、城市建設(shè)模式等方面系統(tǒng)改進(jìn)[12-13]。

5 結(jié)語

城市內(nèi)澇治理是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涵蓋從雨水徑流產(chǎn)生到排放的全過程控制，而不僅是傳統(tǒng)的雨水管渠設(shè)施。需將城市作為有機(jī)生命體，處理好城市防洪排澇與其他各項建設(shè)內(nèi)容之間的關(guān)系，采取海綿城市、韌性城市的建設(shè)理念，系統(tǒng)謀劃、有序推進(jìn)，因地制宜地進(jìn)行內(nèi)澇治理設(shè)施建設(shè)，并建立完善的管理體系，逐步解決城市內(nèi)澇問題。