排水防涝大小排水系统构建研究

2020-11-24周琪皓杨新宇黄继军张春洋刘云帆

水利规划与设计 2020年11期

周琪皓，杨新宇，黄继军，张春洋，刘云帆

(中规院(北京)规划设计公司，北京 100044)

根据2017年统计，全国因洪涝灾害受灾人口5515万人，直接经济损失2143亿元[1]，且2020年8月以来，洪涝灾害已经造成6346万人次受灾，直接经济损失1789.6亿元。随着城市化进程的加快，暴雨洪涝灾害发生的频率越来越高，已成为制约城市经济发展的重要因素[2- 3]。

国内关于城市内涝已有较多研究，郝天文等提出目前我国排水工程规划缺乏系统性，对暴雨强度公式适用范围缺乏分析，导致城市相继遭受内涝灾害[4]。周玉文提出城市排水防涝系统应分为源头控制工程、雨水排水管网工程、内涝防治工程、排涝工程、防洪工程等5个单项，目前我国内涝的根本原因是内涝防治工程缺失造成的[5]。车伍等提出目前内涝防治的重点主要放在提高雨水管网的设计标准上，缺乏对不同条件下致涝原因的甄别以及有针对性的系统考虑，忽视了洪与涝的复杂联系并分而治之，导致我国内涝频发[6]。由此可见，城市建设中缺少对内涝防治系统的考虑是造成国内城市普遍内涝情况的重要原因之一，内涝系统在国外又称为大排水系统。

南北城市均存在不同程度的内涝问题。2017年9月1日张家口市区降雨约40mm，导致市区道路积水超过15cm，甚至部分车辆被淹。2019年5月17日泉州市区降雨60～80mm，造成泉州市区部分路段积水严重影响车辆通行。本文对比分析张家口与泉州城市内涝的主要原因，分别介绍了张家口大排水系统与泉州小排水系统构建的必要性与方式，通过不同方式综合提升城市对降雨灾害的应对能力。

1 研究区概况

1.1 气候降雨

张家口地形复杂，属于东亚温带大陆性季风气候，年均降雨量为404mm，如图1(a)所示，远低于泉州年降雨量1036～1514mm，如图1(b)所示。但是张家口极端降雨量大，主要集中在6—9月份，约占全年总降水量的60%，最大能达到30～40mm，也达到了南方城市大雨的降雨水平。

1.2 自然地理

张家口位于桑干河和洋河流经坝下中部的狭窄的河谷盆地，城区三面环山，西部为赐儿山，北部为卧云山、西太平山、东太平山，东部为七里山，三面山地坡度在15°～30°之间。城市建成区总面积约60km2，区域内主要有4条河流，分别为清水河、东沙河、西沙河、王家寨河，河网密度是0.55，如图2(a)所示。泉州古城地势由北向南变缓明显，古城内有4条河流，河网密度1.7，如图2(b)所示。

经过对比，较低的河网密度造成张家口单片汇水面积较大(以入河排口前的区域划分单片汇水分区)，大部分超过2km2，更需要考虑人工大排水系统的构建。

图1 张家口与泉州降雨情况对比

图2 张家口与泉州流域水系对比

张家口虽然年降雨量少，但是沿河道沿线及老城区等大部分区域均存在内涝现象。通过对现状梳理可以发现，极端降雨量大、地形地势不利、河网稀疏等外部条件造成了城区内部老城区普遍的内涝情况，具有北方易涝城市的典型特征。泉州古城则是由于排水设施老旧滞后、局部低洼造成局部内涝。

2 内涝成因及对策分析

2.1 内涝成因分析

2.1.1排水系统建设标准偏低

由于历史等原因，中国排水系统一直沿用前苏

联的模式，考虑当时国内的经济状况，早年的管网设计标准为1～2年一遇，加之大部分城市重地上轻地下，造成城市管网现状标准大部分小于1年一遇。张家口和泉州在管网设计标准均存在偏低问题，城区内雨水管管径大部分D400～D800，80%左右的管网不足1年一遇，见表1。

大多数发达国家排水管网标准较高，美国排水标准是居住区2～15年，商业和高价值区域为10～100年；欧盟标准是农村地区1年、居民区2年、城市中心/工业区/商业区5年、地下铁路/地下通道10年[7- 8]。但是现状中国城市排水管网大部不足1年一遇的设计标准，难以满足城市高质量发展的需求。

以泉州30年一遇24h设计降雨雨型为例，如果全部管网能达到2年一遇设计标准，理想状态下可以应对4.2mm/5min强度的降雨，但在30年一遇降雨情境下，仍有约1h43mm的降雨是只能通过地面漫流排放，大量无设施收纳的雨水在低洼区域极易形成内涝积水。因此，虽然现状大部分城市已经完成雨水管网敷设，但是大部分不足1年一遇的设计标准，低标准的建设导致城市难以应对越来越频繁的极端强降雨情况[9]。泉州30年一遇24h降雨雨型如图3所示。

2.1.2 暴雨强度公式对于超过2km2区域存在计算误差

对于超过2km2的大汇水片区，现状大部分主干管网存在设计误差，能力也达不到标准要求。造成误差的原因主要是由于降雨数据资料的匮乏，我们管网设计主要依据为暴雨强度公式而不是降雨雨型，在超出暴雨强度公式适用范围的情况下，造成了不准确的计算。

表1 张家口和泉州现状管网能力评估

图3 泉州30年一遇24h降雨雨型

我们通常所用的暴雨强度公式求导方法可分为三步。第一步为样本统计，样本的选取方法有年最大值法和年超定量法、年多个样法等，水利部门多采用最大值法，城建部门多采用多个样法，两种选样方法在T≥10a时，两者强度基本接近，在T<10a时，年多个样法选取的样本值更大，更准确[7]。同时，城建部门降雨历时选取一般为5～120min的短历时降雨样本，水利部门一般选取大于等于24h的长历时降雨或者10～720min的短历时降雨样本[10]。样本选择的不同造成了城建部门公式和水利部门公式适用范围的不同[11]。选取后的样本有3个变量，分别为降雨强度(mm/min)、频率(重现期)、降雨历时t(min)。

第二步是对降雨强度与频率的关系进行拟合，主要利用皮尔逊-Ⅲ型、耿贝尔型和指数型分布函数曲线等，实际中常采用皮尔逊-Ⅲ型[12]。

第三步是对降雨强度与降雨历时的关系进行拟合，城建部门主要采用暴雨强度公式法，水利部门主要采用经验公式、推理公式法等。暴雨强度公式法首先对单一重现期的暴雨强度公式进行拟合，之后引入重现期区间参数对重现期划分区间得到最终的暴雨强度公式[11]。

(1)

式中，q—设计暴雨强度，L/(s·hm2)；i—降水强度，mm/min；P—暴雨重现期，a；t—降雨历时，min。

因此，最终得到的暴雨强度公式是表示降雨强度与降雨历时关系的函数，同时由于气象部门的降雨统计数据主要为日降雨量或时降雨量，求出的设计降雨强度为5～120min短历时情况下的平均降雨强度。因此，在同样的重现期标准情况下，平均降雨强度是随着降雨历时的增加而减少。以泉州重现期2年一遇情况下，30、60、120min不同降雨历时情况下的芝加哥雨型拟合结果，可以看出同样的重现期标准下，降雨强度峰值是随着降雨历时增大不变，降雨总量随着降雨时间增加由34.8mm增加至68.5mm，但是平均降雨强度随着降雨历时的变化逐步降低，由1.2mm/min降低至0.6mm/min，如图4所示。

暴雨强度公式的降雨历时由地面集水时间和管渠内流行时间组成，因此，汇水面积的大小会直接影响到降雨历时。根据测算，汇水面积为3km2时，于管渠内水流行时间增加，设计1年一遇的排水能力只能达到0.5年一遇的实际产流量，设计2年一遇的排水能力只能达到1年一遇的实际产流量[13]。

图4 泉州不同降雨历时下芝加哥雨型对比(P=2)

按照现行的方法，汇水面积越大，管网计算出来的排水能力就越小。GB50014—2006《室外排水设计规范》(2016年版)也规定“当汇水面积超过2km2时，宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量”[14]。针对北方城市大部分河网稀疏，大部分单片汇水面积超过2km2，更需要考虑进行大排水系统建设，同时修正现行暴雨强度公式计算方法的误差。

2.2 内涝防治对策

由以上分析可知排水系统建设标准偏低为南北城市形成内涝的主要原因，但全面提升管网设计标准存在多方面的困难和局限。一方面，国内属于温带季风性气候，年际降雨相差较大，同样的重现期标准下的降雨强度较高，对应的管渠管径较大，如果整体提高排水管网标准，可能增加管网造价60%～70%[2]。另一方面，大部分城市现状管网系统基本形成，如果对低标准管网进行大范围改造，会对城市交通和其他专业管线造成多方面影响，使改建工程施工产生极大困难。

如何在经济条件和实施条件都允许的情况下，通过关键性措施和对策整体提高排水片区排放标准，是南北城市需要共同思考的问题。所以针对张家口、泉州南北两座不同的城市，分别采取了不同的提标改造方法。张家口主要通过构建城市大排水系统来全面提高城市排水防涝建设标准，泉州古城主要通过精细化小排水系统构建研究，从可行性与经济性出发，基本消除城市内涝情况。

大排水系统是由城市内河、地表行泄通道、地下大型排放设施、调蓄设施和地面的安全泛洪区域等组成，主要为应对超过小排水系统设计标准的超标暴雨或极端天气特大暴雨的一套“蓄排”系统，主要担负重现期为5～50年范围暴雨的安全排放。小排水系统一般包括LID等源头控制措施、雨水管渠、调节池、排水泵站等传统设施，主要担负重现期为1～5年范围暴雨的安全排放，保证城市和住区的正常运行[4]，如图5所示。

3 张家口大排水系统构建方案

3.1 径流模拟

在内涝成因及对策分析后，本研究通过1∶500地形图进行了径流模拟，发现模拟得到的径流路线与内河流向是基本相符，但是也存在部分径流路线与内河流向不相符区域，恰好就是现状易涝片区的所在，如图6(a)所示，因此着重解决径流模拟与实际排水方向不相符区域，建立涝水行泄通道。

3.2 大排水系统构建方案

(1)内河综合治理：由于北方河道大部分为干沟，极易被两侧建筑侵占或者盖板，导致河道不能满足防洪要求。本方案分别对城区东沙河、西沙河、王家寨河等内河的过流能力进行校核，识别出防洪卡点，提出综合整治方案，通过上游绿化拦蓄、城区中游分洪扩涵、下游扩挖清淤等，以此首先保证城市内河系统能够满足内涝防治要求。

(2)截流山区雨洪：由于张家口三面环山的地势特点，加之城市不断向山区扩张，在进行大排水系统建设的同时需要考虑山洪截流。规划沿赐儿山、西太平山、东太平山、七里山建设9条截洪沟，引导山区雨洪向城市内河或涝水行泄通道排放。

(3)涝水行泄通道：结合现状内涝点以及径流分析结果，依据模拟的径流路线新建涝水行泄通道。综合考虑山洪截流方案、内河的分洪方案、道路建设条件等，规划建设17条涝水行泄通道，如图6(b)所示，主要通过建设大型地下排水渠道来实现，同时将重现期标准提高至10年一遇来弥补超过推理公式法适用面积后的计算偏差。

图5 防洪排涝系统构建

4 泉州古城小排水系统构建方案

4.1 大排水系统梳理

泉州古城有着完善的大排水系统，也就是排涝系统。泉州古城内有笋浯溪排涝系统、八卦沟排涝系统、南环城河排涝系统、北部排洪渠排涝系统，以及2座排涝泵站：北峰排涝泵站、金山排涝泵站，仅泵站排涝能力合计可达20～30m3/s，基本满足现状古城的排涝要求。

4.2 小排水系统构建方案

4.2.1街区模型评估

泉州古城现状内涝点共5个，其中3个分布于西街片区内。西街片区位于古城中心区域，有开元寺“双塔”、城隍庙等多处历史保护建筑，为古城内最具有代表性的街道之一，如图7(a)所示。本研究重点以西街片区作为古城街区整治案例，提出了2个改造方案：方案1为扩大主干管涵方案，方案2为上游分流方案。通过Info Works ICM软件模型分析，分别进行管网能力评估、淹没分析、内涝风险分析，最后确定方案二效果最佳，如图7(b)所示。

4.2.2街区方案对比

在模型验证的基础上，考虑排水效果、改造难度、工程量等因素对两方案进行对比。通过对比得出，方案1与方案2均能实现近期内涝点基本消除，但是方案2在改造涉及西街、象峰巷等重要1类历史保护街巷方面可能存在对开元寺西塔的扰动影响，存在施工实施风险。因此，最终推荐方案1作为实施方案。