路面行泄在城市內(nèi)澇防治中的作用探討

阮紅權(quán)

(上海市節(jié)能減排中心有限公司,上海 200232)

近年來全國(guó)氣候異常凸顯,多地大暴雨創(chuàng)氣象觀測(cè)記錄。為了提升城市內(nèi)澇防治能力,除繼續(xù)完善雨水管渠、調(diào)蓄池等灰色基礎(chǔ)設(shè)施外,早期的雨水工程系統(tǒng)提出,在規(guī)劃雨水排放時(shí)需要對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃[1],其特點(diǎn)表現(xiàn)為保留一定的藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施,體現(xiàn)了基于自然的解決方案(nature-based solution,NbS)思想。此后,國(guó)內(nèi)進(jìn)一步發(fā)展了NbS,諸如水敏性城市、可持續(xù)排水系統(tǒng)、綠色基礎(chǔ)設(shè)施,以及海綿城市的研究與應(yīng)用。水敏性城市提倡保護(hù)水體健康、減少洪水風(fēng)險(xiǎn)、提升雨水利用率[2-3];可持續(xù)排水系統(tǒng)提出重點(diǎn)以接近自然水循環(huán)的方式管理地表徑流[4-5];綠色基礎(chǔ)設(shè)施則強(qiáng)調(diào)對(duì)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(fā)的災(zāi)害[8-10]。這些技術(shù)都針對(duì)了城市建成區(qū)在高度集聚化時(shí)忽視環(huán)境適應(yīng)性而導(dǎo)致韌性減弱的問題。但極端降雨仍導(dǎo)致了包括河南特大暴雨災(zāi)害、山西暴雨洪澇災(zāi)害、湖北暴雨洪澇災(zāi)害等嚴(yán)重后果,其中尤以鄭州特大暴雨為甚,引起社會(huì)各界高度關(guān)注。那么,還有哪些技術(shù)可以減少“天災(zāi)”導(dǎo)致的損失呢?

謝正輝等[11]認(rèn)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(huì)加劇城市韌性不足,增加暴雨時(shí)發(fā)生內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。道路用地占城市建設(shè)用地面積8%～20%[12],除了建設(shè)透水層緩解暴雨的不利影響外[13],還有與道路相關(guān)的新型雨洪管理措施,如道路低影響開發(fā)措施、道路低洼點(diǎn)排水能力等應(yīng)用[14],部分專家[15-19]更是未雨綢繆對(duì)道路路面排水進(jìn)行了先期研究?；谶@些研究成果、技術(shù)的發(fā)展和工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),2022年3月發(fā)布的《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》(GB 55027—2022)[20]規(guī)定了城鎮(zhèn)行泄通道應(yīng)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(shù)要點(diǎn),并提出尚待進(jìn)一步研究的問題,為排水工作者研究、應(yīng)用這一新型內(nèi)澇防治技術(shù)提供參考。

1 傳統(tǒng)排澇方式

城市傳統(tǒng)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(fā)生時(shí)雨水管渠的能力在一些城市尤其是老城區(qū)已顯“力不從心”,造成內(nèi)澇頻發(fā)。分析原因,一是早期這些城市雨水管渠建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低;再者是因?yàn)槌鞘谢M(jìn)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(fā)生的概率及地點(diǎn)發(fā)生了變化。為此,從2014年版《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)到《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014—2021),直至新發(fā)布的《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》,均將雨水管渠最低設(shè)計(jì)重現(xiàn)期提高到了2～3年,并將特別重要地區(qū)的最低設(shè)計(jì)重現(xiàn)期提高到了10～50年,如表1所示。雨水管渠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高了,但從全國(guó)看城市內(nèi)澇災(zāi)害問題并未得到有效解決。這是因?yàn)橛晁虤v時(shí)徑流越大,所需管渠規(guī)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(qiáng),且雨水管渠轉(zhuǎn)輸雨水徑流的最大量也是有限的。另外,一些城市的內(nèi)澇災(zāi)害還與雨水豎向關(guān)系、行泄通道、受納水體頂托等因素有關(guān)[21]。例如,鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害客觀上是當(dāng)日出現(xiàn)最大日降雨量[624.1 mm,是鄭州國(guó)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(xiàn)201.9 mm極端小時(shí)雨強(qiáng)(突破我國(guó)大陸氣象觀測(cè)記錄198.5 mm的歷史極值),也有鄭州市內(nèi)建成區(qū)高度集聚化過程中忽視雨水滲透、調(diào)蓄、生態(tài)轉(zhuǎn)輸?shù)仍搭^減排,以及雨水管網(wǎng)跟不上發(fā)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(zhèn)雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期 (單位:a)[20]

2 內(nèi)澇防治新思路

2.1 界定雨水系統(tǒng)范圍與源頭減排設(shè)施

針對(duì)傳統(tǒng)排澇方式基本依靠雨水管渠的局限,在探究與實(shí)踐水敏性城市、可持續(xù)排水系統(tǒng)、綠色基礎(chǔ)設(shè)施、海綿城市等方案的基礎(chǔ)上,城市內(nèi)澇防治開始向源頭削減、管網(wǎng)轉(zhuǎn)輸與調(diào)蓄、排澇除險(xiǎn)并舉的方向發(fā)展,即由相對(duì)狹隘的“雨水管渠”邁入了“雨水系統(tǒng)”的新階段。這一發(fā)展在《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》中體現(xiàn)得尤為明顯。《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》明確雨水系統(tǒng)應(yīng)包括“源頭減排”“雨水管網(wǎng)”“排澇除險(xiǎn)設(shè)施”等技術(shù)性措施和應(yīng)急管理等非工程性措施。對(duì)雨水系統(tǒng)范圍的明確界定,可以糾正過往內(nèi)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(nèi)澇防治對(duì)灰色基礎(chǔ)設(shè)施(指雨水管渠、泵房等)的依賴。Xu等[22]認(rèn)為,采納了綠色與灰色設(shè)施耦合的情境在徑流控制方面的表現(xiàn)較好,可以節(jié)省灰色基礎(chǔ)設(shè)施約94%的生命周期成本。這些研究成果及相關(guān)行之有效的措施,如滲透、雨水利用等在《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》中均歸集于“源頭減排”,并予以了規(guī)定?？紤]到該規(guī)范關(guān)于“源頭減排”的條文可操作性,因此,“源頭減排”設(shè)計(jì)還應(yīng)同時(shí)結(jié)合《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》(GB 51222—2017)[23]等標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 明確雨水管網(wǎng)的范圍

雨水管網(wǎng)在《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》(GB 51222—2017)和《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中被稱為“排水管渠”,易與污水收集管網(wǎng)混淆?！冻青l(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》在界定雨水系統(tǒng)范圍的基礎(chǔ)上,規(guī)定“雨水管網(wǎng)”應(yīng)包括雨水管渠及其附屬構(gòu)筑物和泵站等設(shè)施,從而有利于管網(wǎng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)中統(tǒng)籌考慮管渠、附屬構(gòu)筑物、泵站等設(shè)施,避免形成局部瓶頸。例如,近年來的雨水系統(tǒng)針對(duì)源頭減排和雨水管渠能力之外的暴雨徑流還增設(shè)了調(diào)蓄池,暫存洪峰徑流量,待徑流量下降至設(shè)計(jì)值后再將雨水按計(jì)劃排出。調(diào)蓄池的設(shè)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(shè)灰色調(diào)蓄池,如圖1為上海中心城區(qū)的雨水調(diào)蓄池總體布局,共設(shè)置了半地下或地下灰色調(diào)蓄池191座,布置在現(xiàn)狀排水泵站周邊并結(jié)合道路廣場(chǎng)、綠化、公共服務(wù)設(shè)施、河道、商務(wù)辦公等用地的服務(wù)需求[24]。除了常規(guī)調(diào)蓄池外,對(duì)于空間緊湊但有經(jīng)濟(jì)條件的城市,可以建設(shè)深層雨水調(diào)蓄管道系統(tǒng)工程。例如,上海正在建設(shè)中的長(zhǎng)達(dá)15.3 km的蘇州河深隧工程,可服務(wù)沿線25個(gè)排水系統(tǒng),服務(wù)面積約為58 km2[25]。

圖1 上海中心城區(qū)雨水調(diào)蓄池總體布局[24]

2.3 重視排澇除險(xiǎn)設(shè)施

車伍等[21]認(rèn)為,一些地形條件較好的城市即便雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期未達(dá)到規(guī)范要求,超標(biāo)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(shí)就是國(guó)外設(shè)計(jì)中的“非設(shè)計(jì)大排水”。傳統(tǒng)排澇方式對(duì)管渠應(yīng)對(duì)能力之外的大暴雨沒有“成文規(guī)定”,《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》則對(duì)此類非設(shè)計(jì)大排水進(jìn)行了統(tǒng)一歸并,在“排澇除險(xiǎn)”章節(jié)做了規(guī)定。排澇除險(xiǎn)措施包括城鎮(zhèn)水體、雨水調(diào)蓄設(shè)施和行泄通道設(shè)施等,承擔(dān)超出源頭減排和雨水管網(wǎng)承載能力的雨水徑流的調(diào)蓄和排放,確保發(fā)生內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期內(nèi)降雨時(shí)城鎮(zhèn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)(圖2)?！冻青l(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》并明確了城鎮(zhèn)排澇除險(xiǎn)設(shè)施的規(guī)模應(yīng)根據(jù)內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、地面最大允許積水深度(表2)和最大允許退水時(shí)間(表3)確定。筆者認(rèn)為,區(qū)域綠地、防護(hù)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(xiǎn)設(shè)施。

圖2 雨水系統(tǒng)中的非交通主干道行泄

表2 城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和地面最大允許積水深度[20]

表3 城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下的最大允許退水時(shí)間[20]

《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》關(guān)于充分利用非交通主干道作為行泄通道的規(guī)定,是我國(guó)內(nèi)澇防治相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中首個(gè)道路路面行泄的強(qiáng)制性規(guī)定。道路路面兼高重現(xiàn)期暴雨情境下的排澇通道是對(duì)不斷放大的雨水管網(wǎng)建設(shè)的一種約束,在看似“逆現(xiàn)代性”的表象下考慮到了灰色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的天花板,盡可能模擬了“水往低處流”的天然排澇方式。該規(guī)范還規(guī)定了非交通主干道作為行泄通道應(yīng)符合的兩個(gè)條件:一是達(dá)到設(shè)計(jì)最大積水深度時(shí),周邊居民住宅和工商業(yè)建筑物的底層不得進(jìn)水;二是應(yīng)設(shè)置行車方向標(biāo)志、水位監(jiān)控設(shè)備和警示標(biāo)志。

3 路面行泄技術(shù)要點(diǎn)

3.1 路面橫坡

由圖2可知,源頭減排、雨水管網(wǎng)、排澇除險(xiǎn)3個(gè)子系統(tǒng)一般情況下是依次參與到雨水系統(tǒng)中,源頭減排設(shè)施超流量的徑流進(jìn)入雨水管網(wǎng),雨水管網(wǎng)設(shè)施超流量的徑流進(jìn)入排澇除險(xiǎn)設(shè)施。大暴雨發(fā)生時(shí),源頭減排和雨水管網(wǎng)冒溢的徑流與地面徑流沿著設(shè)計(jì)好的行泄通道有組織地流向調(diào)蓄設(shè)施或受納水體,3個(gè)子系統(tǒng)同時(shí)高負(fù)荷運(yùn)行,并在應(yīng)急預(yù)案、預(yù)測(cè)預(yù)警機(jī)制、管理部門的指揮下接受調(diào)度,實(shí)施銜接。對(duì)于道路路面行泄,除內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、地面最大允許積水深度、最大允許退水時(shí)間外《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》并未給出詳細(xì)技術(shù)說明,這就需要設(shè)計(jì)人員注意結(jié)合其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。車伍等[21]認(rèn)為,非交通主干道行泄通道子系統(tǒng)涉及的設(shè)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(wǎng)。關(guān)于橫坡坡度,應(yīng)執(zhí)行道路專業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),如《城鄉(xiāng)建設(shè)用地豎向規(guī)劃規(guī)范》(CJJ 83—2016)規(guī)定道路的橫坡宜為1%～2%,縱坡大時(shí)橫坡取小值,縱坡小時(shí)取大值。由圖3可知,若設(shè)定道路寬度,2%橫坡的路面最大過水?dāng)嗝娓?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(shí)橫坡應(yīng)當(dāng)取值2%。美國(guó)《城市暴雨排水標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè):第1卷 管理,水文學(xué)和水力學(xué)》[26]也指出,路面行泄的橫坡應(yīng)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(rèn)為道路路面行泄對(duì)縱坡的要求也需要在遵守《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》原則的基礎(chǔ)上注意結(jié)合其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。道路路面行泄能力隨縱坡坡度增加而增加?！冻青l(xiāng)建設(shè)用地豎向規(guī)劃規(guī)范》規(guī)定城鎮(zhèn)道路機(jī)動(dòng)車車行道的縱坡應(yīng)大于0.3%,同時(shí)路邊徑流深度不應(yīng)大于0.2 m,徑流深度與流速的乘積應(yīng)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(wěn)因素[27-28]),這與《城市暴雨排水標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè):第1卷 管理,水文學(xué)和水力學(xué)》給出的縱坡應(yīng)大于0.4%但受行車安全限制的規(guī)定相當(dāng)[26]。不論是何種原因的內(nèi)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(shí)要避免人為過度干預(yù)而造成鋸齒形縱坡道路(圖4)[30]。對(duì)于地勢(shì)平坦的城鎮(zhèn)或在既有建成區(qū)道路變坡位置難以滿足縱坡大于0.3%要求的,應(yīng)當(dāng)重新選取行泄通道,總原則是源頭減排、雨水管網(wǎng)和排澇除險(xiǎn)的設(shè)施應(yīng)在豎向、平面和蓄排能力上相互銜接,縱坡的取值應(yīng)當(dāng)以自然地勢(shì)為基礎(chǔ)使得行泄通道與受納水體或調(diào)蓄空間直接相連。

圖4 道路縱坡低洼點(diǎn)[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(shù)[16],但《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》未涉及這一技術(shù)細(xì)節(jié)。設(shè)計(jì)人員可以按照《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》提供的公式在確定了道路橫坡、縱坡后計(jì)算出積水寬度、雨水口寬度范圍外縱向流量。圖5中復(fù)合過水?dāng)嗝娴腡即路面積水寬度,可知道路表面流量Q0在數(shù)值上等于雨水口寬度范圍內(nèi)縱向流量QW加上雨水口寬度范圍外縱向流量QS,其余符號(hào)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(cè)石邊水深。

圖5 路面復(fù)合過水?dāng)嗝鎇23]

3.4 尚待進(jìn)一步研究的問題

以《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》為代表的路面行泄的新成果基于人車失穩(wěn)機(jī)理考慮道路路面行泄參數(shù),在如鄭州“7·20”特大暴雨的情境下,其可借鑒性已然不強(qiáng)。特大暴雨情境下路面行泄的相關(guān)要點(diǎn)值得進(jìn)一步探討,如①關(guān)閉交通使道路行泄不受積水深度限制時(shí)的安全性分析;②路面行泄通道橫截面與流量的關(guān)系; ③雨水管網(wǎng)與路面行泄通道的相互作用; ④道路路面行泄針對(duì)特大暴雨的抗沖擊性、適應(yīng)性、快速恢復(fù)能力(即增強(qiáng)城市內(nèi)澇災(zāi)害韌性); ⑤同時(shí),在全球變暖環(huán)境下,極端氣候事件每年的發(fā)生概率和重現(xiàn)期都在變化,小概率事件的發(fā)生概率會(huì)變大[31-32],一些通常認(rèn)為無內(nèi)澇之虞的城市由于極端降雨隨機(jī)性較大也面臨不確定性的挑戰(zhàn),這就要求在完善道路路面行泄設(shè)計(jì)的同時(shí)有效提升應(yīng)急管理水平等。從這些角度看,關(guān)于路面行泄在內(nèi)澇防治中作用的探討還需進(jìn)一步深入。

4 結(jié)論

近年來多地大暴雨造成的嚴(yán)重后果表明城市傳統(tǒng)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(nèi)澇防治技術(shù)在NbS、雨水管網(wǎng)等的研究、應(yīng)用基礎(chǔ)上,得到了研究關(guān)注及實(shí)踐嘗試。新發(fā)布的《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》規(guī)定城鎮(zhèn)行泄通道應(yīng)充分利用非交通主干道也體現(xiàn)了這一發(fā)展。在介紹新型雨水系統(tǒng)中“源頭減排”“雨水管網(wǎng)”“排澇除險(xiǎn)”內(nèi)涵與作用的基礎(chǔ)上,本文重點(diǎn)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(gè)技術(shù)要點(diǎn),并提出特大暴雨情境下路面行泄需要進(jìn)一步研究如關(guān)閉交通使道路行泄不受積水深度限制時(shí)的安全性分析等一些問題,以期助力路面行泄的研究。