韧性背景下的城市蓄涝工程体系构建与优化研究

唐 明 吴宇泽 谢千辰 李燕磊 邹 鉒

（1.南昌工程学院水利与生态工程学院，南昌 330099；2.江西省水文水资源与水环境重点实验室，南昌 330099）

1 研究背景

韧性城市是全球政治、经济、社会及规划发展的产物[1]。从2002年“倡导地区可持续发展国际理事会”（ICLEI）提出韧性城市的概念，到2016年第三届联合国住房与可持续城市发展大会（人居Ⅲ）倡导将“城市的生态与韧性”作为新城市议程的核心内容之一，城市韧性已成为全球环境变化和城市可持续性研究领域一种新的视角和分析工具[2]，学者们主要从城市适应性治理[3]、气候变化与城市韧性[4]、自然资源可持续管理[5]、防灾减灾与城市韧性[6]等方面进行梳理，为城市韧性的深入研究奠定了基础。当前国内研究尚处于起步阶段，2017年中国城市规划年会设置专题论坛，就韧性概念、韧性城市建设等问题进行讨论，对美国、日本、荷兰等国家韧性城市的建设经验进行了总结[7]。

21世纪以来，在全球气候变化和迅猛城市化的共同作用之下，江河洪水与城市内涝问题交织；为了更好地应对频发的洪水和内涝灾害，相关部门与专家学者亦调整了应对洪涝灾害的思路。2014年，住房和城乡建设部颁布了《海绵城市建设技术指南》，之后，国内兴起了研究和建设海绵城市的热潮[8]；与海绵城市相关的韧性城市概念也越来越受关注[9]。2015 年，廖桂贤等[10]提出“韧性承洪”的理念，通过设置自然的洪泛区，增加城市承洪韧性。目前，国内学者对韧性城市的洪涝安全观也发生了变化，康征等[11]认为韧性城市更加强调社会如何去适应洪涝灾害；工程手段的目的应该是为了使得洪涝灾害处于一种可控可预测的状态中；洪涝灾害预警信息可以及时引导市民做出规避灾害的行为。汤钟等[12]认为，城市雨洪韧性系统应当使城市能够避免、缓解及应对雨洪灾害，能够迅速从灾害中恢复，对社会和经济的影响降至最低，属于韧性城市中的重要环节，是应对城市雨洪灾害的一种有效途径。程晓陶等[13]认为，防洪治涝工程体系的韧性提升，需要以流域为单元做好综合治水的统筹规划，以灰、绿、蓝结合的手段，构建标准适度、布局合理、维护良好、调度运用科学的体系，大力增强滞洪削峰、减势消能、溢而不溃、蓄排有序的功能。

我国传统的城市内涝防治工程体系主要由城市水利排涝系统与市政排水系统组成。然而，由水利部门主管的水利排涝系统和住房建设部门负责的市政排水系统，涉及不同学科领域，依据的行业规范也不相同，采用的暴雨选样方法、设计标准、频率分布模型、设计流量计算方法等都有各自的特点[14]。随着城市内涝灾害的加剧，国务院不断出台城市内涝防治政策，先后推出《关于推进海绵城市建设的指导意见》（国办发〔2015〕75号）、《关于加强城市内涝防治的实施意见》（国办发〔2021〕11号），提出系统构建“源头减排、管网排放、蓄排并举、超标应急”的城市排水防涝工程体系，并明确“到2035年，总体消除防治标准内降雨条件下的城市内涝现象”；水利、城建等部门加强了理念融合与技术协作，不断出台或修订相关工程建设标准，推动城市内涝防治的系统化[15]。

综合现行行业政策与技术规范，当前的城市内涝防治工程体系应当包括两部分：一是与城市内涝防治设计重现期相适应的城市内涝防治达标工程体系（以下简称达标工程体系）；二是针对超标准暴雨构建的“平战结合”的城市内涝应急工程体系（以下简称应急工程体系），见图1。达标工程体系和应急工程体系都包括源头、中途与末端工程子系统，各个子系统又由承担不同功能的蓝、绿、灰色设施组成，共同完成净雨的蓄积、转运与排放任务。

图1 韧性背景下城市内涝防治工程体系框图

达标工程体系的总体功能应当达到所在城市内涝防治标准，其内部的各个子系统、具体排涝设施的标准可以不一样，而是根据相应设计规范来选择，但组合起来，应当能够适应与城市内涝防治标准相应的暴雨产汇流过程与排涝进程，保障系统的正常运行。

目前，基于雨洪模拟的城市内涝防治工程的系统性协调不足，大多数城市仍然在按照各个子系统的设计标准修建或改造单个工程，超出市政管网与水利排涝标准的净雨蓄积与排放系统的工程建设主体不明、建设标准不清、建设力度不大，城市蓄涝工程体系欠账较多，是导致城市内涝防治工程体系现状处在“未达标”水平的主要原因之一。另外，部分城区排水系统建设标准低，城市内涝应急管理能力不足及城市雨洪管理理念滞后等，也是诱发城市内涝的主要因素[16]。

因此，本文从城市内涝防治系统的韧性内涵入手，分析韧性城市背景下城市内涝防治工程体系的功能需求与建设内容，进一步明晰城市蓄涝工程体系的具体架构，提出城市蓄涝工程体系的规划设计与运行调度优化思路，分“设计暴雨”与“超标准暴雨”两种情形，寻找城市蓄涝工程体系中各个子系统之间的影响机制，讨论正常运转的排涝系统对中途雨洪转输能力的需求，从而寻求城市蓄涝工程体系中的源头、中途与末端系统的净雨调蓄与排放规模的协调路径。

2 韧性内涵

2.1 定义

基于城市内涝防治的特点和当前城市韧性的相关研究成果[17-20]，可以认为：城市内涝防治系统的韧性，是指城市管理者能够综合运用内涝防治工程体系与相关的非工程措施，提升系统自身的组织、协调与适应能力，抵御极端暴雨事件等各种不确定因素导致的城市内涝，避免治涝标准内的暴雨造成灾害，减轻超标准暴雨造成的灾害损失；同时，能够合理调配资源，充分发挥治涝工程与自然环境的可塑性，从灾害中快速恢复过来，最大限度地减轻内涝灾害对区域社会、经济与生态系统的冲击。

2.2 城市内涝防治工程体系功能需求

目前，相关行业在城市内涝防治工程体系构建方面基本达成共识，即：应当建设涵盖源头控制、中途传输与末端治理的蓝、绿、灰色设施相结合的，具有与城市规模相适应的内涝防治工程体系。各地的城市内涝防治也基本上是围绕着上述3个环节展开的。

但是，实践中，不少城市存在对海绵城市建设认识不到位、理解有偏差，过于注重“可渗透地面面积比例”“雨水年径流总量控制率”等指标，偏重于“渗、净、用”措施的落实，聚焦“缓解城市内涝”不够，针对“蓄、滞、排”的统筹规划不足，雨水滞蓄空间、径流通道和排水设施布局不协调，城市蓄涝工程体系不健全，雨水收集、传输与外排的衔接不顺畅，导致海绵城市建设的治涝成效不显著。

现阶段的城市内涝大多数还是因为达标工程体系不完善而造成的，城市源头减排与调蓄能力有限，常规市政排水设施中途雨洪转输能力不足，末端水利排涝系统能力有待提升等问题依然不同程度的存在，根本原因还是源头、中途与末端3个环节之间的净雨调蓄与排放规模协调路径不清晰。另外，由于城市建成区可供挖掘的“蓄、滞、排”空间十分有限，达标建设尚且不易，超标准暴雨形成的地表径流的临时蓄积与应急排放基本上无暇顾及，针对超标准暴雨的应急工程体系缺失，城市内涝防治系统韧性不足。韧性城市建设背景之下，城市内涝防治工程体系的功能至少满足下面两个需求：

首先，遇到城市内涝防治设计重现期内的雨洪，要切实做到源头“蓄得住”、中途“送得出”、末端“排得掉”，就必须围绕“城市内涝达标治理”，明确达标工程体系中不同子系统的建设与运行管理主体、设计标准的计算方式，以及子系统之间的具体衔接要求，在此基础上，再合理配置子系统内部的具体治涝设施。

其次，遇到超过城市内涝防治工程调控能力的雨洪，在加快达标建设补短板的同时，要着力构建“城市内涝应急工程体系”，为涝水留空间、留出路。在源头，着手构建非常规调蓄空间，在中途，着力加强应急行洪通道的规划与建设；在末端，亦要加强非常规蓄涝区的规划与建设，同时解决应急排涝机组的储备、调运与抢排事宜。

3 建设内容

3.1 达标工程体系

根据2021年发布的《关于编制城市内涝防治系统化实施方案和城市内涝防治项目中央预算内投资计划的通知》，到2025年，各城市要基本形成“源头减排、管网排放、蓄排并举、超标应急”的城市排水防涝工程体系，排水防涝能力显著提升，内涝治理工作取得明显成效，有效应对城市内涝防治标准内的降雨。“蓄、滞、排”是缓解城市内涝的重要措施，但各自功效不一。

“蓄”是为了解决降雨时程分布不均导致排放需求加大的问题，可以通过合理调度调蓄设施，降低设计排涝历时内的待排总量，实现城市雨洪的错峰排放。

“滞”可以坦化出口断面的洪水过程线，延缓峰现时间，降低洪峰流量，减轻城市雨洪峰值区的蓄、排压力。不能人为控制调蓄时机与调蓄量的蓄涝空间，只能起到滞洪的效果。

“排”是效能最明显的城市内涝解决措施。市政排水系统的管网及其他行洪通道的排放能力，决定了源头产流能否顺利输送至末端，水利排涝系统的外排能力决定了排除雨洪的总用时。

因此，各地必须加强城市内涝防治的系统化，明确源头、中途及末端治涝工程体系的具体设施类别、设计规模、能力衔接、建设主体等内容。

（1）城建部门要统筹源头减排设施建设，综合运用“蓄、滞、渗”等减排措施，尽可能降低降雨集中期的地表径流，减轻中途转输压力。

在建设绿色屋顶和增加林地、绿地、自然地面、透水性铺装等软性透水地面的基础上，挖掘建成区低洼地的蓄、滞潜力，恢复坑塘等小微水体、建设雨水花园等蓝色设施，结合城市微地形规划可以调蓄雨洪的下沉式绿地、广场等绿色基础设施。通过“渗”减小雨洪总量，通过“蓄、滞”降低雨洪峰值，并核算出暴雨集中期的源头减排总量。

（2）城市建设部门加强排水、园林、道路等多专业融合设计，依据暴雨集中期雨洪输送需求，拓宽行洪通道，补齐中途转输能力不足的短板。

在复核常规市政排水设施降雨集中期转输雨洪能力的基础上（受水利排涝系统竖向制约，高峰期的市政管网输送能力可能降低），参考历史自然水系脉络，因地制宜地恢复因历史原因封盖、填埋的天然排水沟、河道等，利用道路两侧的植草沟、旱溪等绿色基础设施，构建地表行泄通道，优先利用自然力量排水；同时，建设浅层地下管网、深层隧道等灰色行洪通道，改造或增设雨水泵站，提升雨洪中途转输能力，确保与城市内涝防治设计重现期相对应的暴雨集中期雨洪能够顺利送出。拓宽行洪通道确实有困难的，可以通过兴建调蓄池等灰色沿程调蓄设施，平衡雨洪的排蓄关系，保证城市内涝防治设计重现期内雨洪输送不出现中途卡脖子现象。

（3）城市水务（水利）部门要扩大城市骨干河湖调蓄空间，复核水利排涝设施的建设标准，提升末端雨洪处置能力。

统筹考虑外洪内涝，防止客水进城。统一核算城市雨洪调蓄能力，合理评估暴雨集中期的城市骨干河湖水位对中途行洪通道输送能力的影响，科学设置排蓄比，优化达标工程体系的综合排涝效能，保证在设计排涝时间内，及时排出调蓄之外的剩余城市雨洪。

3.2 应急工程体系的建设

城市应急管理部门应当基于“超标应急”的指导思想，牵头组织相关部门评估不同等级超标准暴雨导致的内涝范围，科学设置应急工程体系。在源头，挖掘可能用于紧急蓄涝的低洼地带与地下空间，并实施适当的非常规调蓄空间保护措施，在紧急情况下，可提供临时蓄水空间；在中途，排查、规划出绿地、林地、次要道路、低洼街区等可能用于应急行洪的通道，并实施相应的改造与保护措施，紧急情况下，可形成连续、流畅的应急行洪通道；在未端，进一步扩展排涝泵站周边的自然调蓄空间，按照有关标准和规划开展末端非常规蓄涝区和安全工程建设。同时，储备适当的移动排涝设施，增加区域应急外排能力。

城市应急管理部门还应当加强城市内涝监测与预警网络建设。在规划的应急工程点位，以及超标准暴雨可能导致的内涝区域内，布设相应的城市内涝应急监测设施与预警网络，从而能够借助应急管理平台，适时采用各类非工程措施，将超标准雨洪的无序漫溢转化为损失可以承受、风险可以把控的有序消纳，充分体现出城市在抵御暴雨灾害方面的韧性。

4 体系架构与优化思路

4.1 体系架构

从蓄涝工程与排涝通道是否具有应急特性，可以将城市蓄涝工程体系分为两部分：一是由达标工程体系当中的源头调蓄设施、沿程调蓄设施、未端城市骨干河湖和地表行洪通道组成的常规蓄涝体系。二是由应急工程体系中的源头非常规调蓄空间、末端非常规调蓄区和中途的应急行洪通道组成的非常规蓄涝体系。源头的调蓄量与末端的调蓄量比例，通过中途的行洪通道来平衡。

由此可见，城市蓄涝工程体系是待排雨洪的临时存储载体，它的蓄涝状态，决定了城市是否产生内涝，或者内涝的程度。可以说，城市蓄涝工程体系决定了城市防涝的韧性。特别是由非常规调蓄空间、应急行洪通道组成的非常规蓄涝工程体系，是城市内涝应急工程体系的重要组成部分，亦是城市常规蓄涝系统的重要补充，是城市防涝韧性的重要来源之一。

因此，城市内涝防治工程体系规划时，一方面充分挖掘绿地、下沉广场、湿地、河湖等常规蓄涝空间，合理配置蓝、绿、灰色系统的规模，共同达到城市治涝标准，满足城市内涝防治设计重现期的要求。另外，还需要构建非常规蓄涝体系，为超标准暴雨应对方案的制定提供坚实的基础。

4.2 优化思路

包括源头减排措施在内的各类蓄涝工程在暴雨峰值区的功能，以及源头、沿程与末端各自需要担负的蓄涝任务决定了达标工程体系中的常规市政排水设施、行洪通道和末端排涝泵站等灰色设施的建设规模，也决定了应急工程体系的安排。

一场暴雨中，各时段的雨强存在较大的差异，城市设计暴雨均构造出明显的降雨峰值期。城市水利排涝系统设计倾向于整个排涝区域长历时雨洪总量的调蓄与外排，暴雨重现期较高，一般为10 ～20 a。但是，因为市政排水分区的空间尺度较小，汇流时间较短，市政排水系统设计更倾向于分区内短历时雨洪峰值的排除，暴雨重现期偏低，一般区域为1 ～3 a，重要区域为5～7 a。

城市当中的某个排涝区域，常常有多个市政排水分区，其治涝体系由水利排涝系统和市政排水系统共同组成。因此，城市内涝程度不仅仅取决于一次暴雨过程产生的雨洪总量，还取决于峰值区暴雨强度。

众所周知，不能基于长跑运动员与短跑运动员的绝对速度来评价他们的运动能力。同样，对于排水、排涝系统来说，单纯基于重现期，或者根据各自重现期计算出来的设计流量进行市政排水与水利排涝的能力比较，并没有实质性的意义。而是要基于与城市内涝防治设计重现期相对应的设计暴雨汇流与排水排涝进程，依据雨洪峰值期的城市内涝防治系统“排蓄关系”的衔接程度，来评估两个系统的能力是否协调，要根据3个环节所承担的“蓄涝量”，以及中途转输、末端外排是否顺畅，来核定相关工程的设计规模是否合适。

为了更加直观地展示蓄涝体系内各类调蓄设施之间的关系，以及系统正常运转对中途雨洪转输能力的需求，绘制城市暴雨的汇流与排涝进程示意图。

4.2.1 设计暴雨情况

基于城市水利排涝系统的汇流与排涝进程计算排涝区域蓄涝总量（图2），其中，0—t2为设计暴雨历时，0—t3为设计排涝历时，t0—t1为雨洪调蓄期；并且基于雨洪峰值区（t′—td）的“排蓄平衡”（图3），设计各个环节的调蓄容量和中途转输流量。

图2 水利排涝系统（标准内）示意图

图3 市政排水系统（标准内）示意图

假定雨洪峰值区在t′时出现，则：

式中：Vbp为峰值区的外排量，m3；q为区域外排流量，m3/h。

式中：Vrp为峰值区所需的调蓄容量，m3；Vnp为雨洪峰值区的净雨量，m3；Vhrp、Vmrp、Vtrp分别为峰值区所需的源头调蓄量、沿程调蓄量、末端调蓄量，m3。

暴雨集中期中途雨洪传输所需要的标准流量，要保障峰值区所需的末端调蓄量Vtrp与外排流量Vbp的通过，并且需要基于排水分区逐一核定：

式中：qd为暴雨集中期中途雨洪传输所需要的标准流量，m3/s；qdi为各排水分区相应的标准流量，m3/s；Vnpi为各排水分区的峰值区净雨量，m3；Vhrpi、Vmrpi分别为各排水分区的峰值区源头调蓄量与中途调蓄量，m3；ti为第i个排水分区设计汇流时间（一般等于常规市政排水设施的设计暴雨历时，短历时），h；ki为调节系数，计算时长ti越短，暴雨雨强变化越小，调节系数越小。

排涝区域的蓄涝总量由散布在源头、中途和末端的调蓄空间承担，待雨后排空。城市雨洪的中途转输能力，同样约束峰值区前后的末端调蓄量。在雨洪调蓄期，不能送入未端调蓄区的超量雨洪，需要在源头或中途进行调蓄，二者的分配比例取决于源头调蓄能力。其中，末端调蓄空间的最大能力：

式中：Vtr为排涝区域所需的末端调蓄容量，m3；Vtrb为峰值之前所需的末端调蓄量，m3；Vtra为峰值之后所需的末端调蓄量，m3。

式中：Vr为排涝区域的蓄涝总量，m3；Vhr、Vmr分别为排涝区域所需的源头调蓄量、沿程调蓄量，m3。

可见，水利排涝系统的规模，取决于设计暴雨的净雨量，与场次暴雨中的蒸发与下渗损失有关，需要在综合考虑“渗、净、用”等措施削减雨洪总量效果的基础上，综合考虑设计暴雨时程不均匀性对区域蓄涝的需求，合理安排排涝区域蓄涝总量与外排流量的比例。而“源头调蓄设施”“沿程调蓄设施”的规划与设计，需要关注设计暴雨的峰值区，综合考虑中途雨洪输送能力、源头绿色基础设施的建设空间、“行洪通道”的拓展难度等因素，并与常规市政排水管网设计的较短历时设计暴雨相适应。

因此，水利部门要根据当地设计暴雨的时程不均匀程度，以及与市政排水系统的竖向约束，合理设置末端雨洪调蓄容积与设计蓄涝水位，在此基础上计算外排流量。住房和城乡建设部门要在合理估算源头调蓄容量的基础上，根据常规市政管网的排水能力，合理设置沿程调蓄容积与排泄通道，保障城市内涝防治设计重现期内超过常规市政排水标准的雨洪在中途转输环节能够得到落实。

4.2.2 超标准暴雨情况

遇到超标准暴雨，排涝区域达标工程体系中的常规蓄涝空间将提前到t′0时刻起蓄，提前到t′1时刻蓄满，实际排涝历时延长至t′3（图4），超量的雨洪Ve需要通过设置非常规蓄涝空间、应急排涝设施来解决。

本文假定常规蓄涝空间在超标准暴雨峰值之后蓄满（图5），则在超标准暴雨集中期，常规源头调蓄空间、中途调蓄空间与中途转输能力均已达极限，但末端常规调蓄空间尚未用完，因此，可以拓展应急行洪通道，减轻源头应急调蓄的压力。

图4 水利排涝系统（超标准）示意图

图5 市政排水系统（超标准）示意图

应急行洪通道所需要的过流能力，同样需要基于排水分区逐一核定：

式中：q′d为区域应急行洪通道所需要的总过流能力，m3/s；q′di为各排水分区应急行洪通道所需要的过流能力，m3/s；V′npi、V′hrpi分别为各排水分区超标准暴雨峰值区的净雨量、应急源头调蓄量，m3。

应急行洪通道的过流能力，同样约束峰值区前后的超量雨洪分配方式；在雨洪调蓄期（t′0-t″1），不能送入末端的超量雨洪，需要通过在源头设置非常规调蓄空间（V′hr）来解决；送入末端的超量雨洪（Ve-V′hr），由非常调蓄区与应急排涝机组分担。

可见，在超标准暴雨峰值区，城市雨洪对调蓄设施与中途转输能力都提出了更高要求。应急部门要牵头组织相关单位，综合考虑源头非常规蓄涝空间与应急行洪通道的设置潜力，确定源头与末端的非常规调蓄量，核定应急排涝机组的规模。水利部门负责非常规蓄涝区的规划与安全设施建设，以及应急机组的储备、调运与应急排涝。住房和城乡建设部门负责“源头非常规调蓄空间”与“应急行洪通道”的规划与改造。

综上所述，城市蓄涝设施涉及源头控制、中途转输、末端处置3个环节。源头、中途、末端的调蓄设施承担的任务各不相同，起蓄与蓄满的时间也不一致，但他们彼此影响，需要通过行洪通道等中途转输设施来协调。因此，城市蓄涝工程的规划设计与运行调度，需要借助城市雨洪模拟，在内涝治理工程体系的总体框架下，基于各个环节不同类型的蓄涝工程在长历时水利排涝进程与短历时暴雨峰值区的功能，及其之间的影响机制，统筹考虑城市雨洪调蓄空间与行洪通道的潜力，合理确定各自的建设规模。

5 结 论

城市内涝防治是一项系统性工作，需要统筹发挥流域防洪体系、城市排水防涝工程体系与应急管理体系的防洪治涝功能。基于城市韧性的发展理念与城市内涝防治工程体系的分析，得出如下结论。

（1）现阶段的城市内涝主要还是因为达标工程体系不完善造成的，城市源头减排与调蓄能力有限，常规市政排水设施中途雨洪转输能力不足，末端水利排涝系统能力有待提升等问题依然存在，根本原因还是源头、中途与末端3环节之间的净雨调蓄与排放规模协调路径不清晰。

（2）由于城市建成区可供挖掘的“蓄、滞、排”空间十分有限，基本无法满足超标准雨洪的临时蓄积与应急排放，针对超标准暴雨的应急体系缺失，城市内涝防治系统韧性不足。城市蓄涝工程体系的韧性建设，是提升城市防涝能力的有效途径，是韧性城市建设的重要一环；特别是由非常规调蓄空间、应急行洪通道组成的非常规蓄涝工程体系，是城市防涝韧性的重要来源之一。

（3）要基于与城市内涝防治设计重现期相对应的设计暴雨汇流与排水排涝进程，依据雨洪峰值期的城市内涝防治系统排蓄关系的衔接程度，来评估市政排水与水利排涝系统的能力是否协调，即根据3个环节应当承担的蓄涝量，以及中途转输、末端外排是否顺畅，来核定相关工程的设计规模是否合适。

（4）在城市蓄涝工程体系单项工程建设中，要统筹考虑市政、水利两个系统在暴雨频率计算方法、设计暴雨历时、设计雨型时程分布等方面的差异，聚焦城市蓄涝工程体系中各个子系统之间的影响机制，最大限度地减轻子系统之间的相互制约。寻求各个环节不同类型的治涝设施之间的协调路径，保证经过源头调蓄的雨洪顺畅通过中途转输环节，末端的水利排涝系统亦要有合理的排蓄关系。