城市排水（雨水）防涝工程的系统架构
日期：2016-01-05
北京工业大学建筑工程学院北京市水质科学与水环境恢复重点实验室 周玉文教授
近年来我国城市内涝灾害频发，已经造成巨大经济、财产损失并严重影响了城市的正常安全运行，受到了媒体、公众和政府的高度重视。很多专家学者从不同的角度探讨了产生城市内涝的原因和解决途径，各有建树。为了科学规划建设城市排水（雨水）防涝工程，抵御城市内涝，本文仅从工程的角度探讨如何构建城市排水（雨水）防涝工程的系统问题。
1构建城市排水（雨水）防涝工程系统架构的必要性
国务院2013年23号文“关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知”为科学防治城市内涝灾害提出了从规划做起的基本要求。2014年1月1日颁布的《城镇排水与污水处理条例》为科学防治城市内涝灾害奠定了法律依据。2014年版《室外排水设计规范》为科学防治城市内涝灾害制定了防治标准。在住建部关于印发《城市排水（雨水）防涝综合规划编制大纲》的通知（建城［2013］98号）基础上，应用《城镇内涝防治技术规范》的相关技术，全国各地都在积极编制城市排水（雨水）防涝综合规划。海绵城市建设已经将城市排水防涝综合规划的实施提上议事日程。如何将以上精神落实到工程中，定义科学防治城市内涝灾害的设计工况就十分必要。
我国一直采用城市排水工程和城市防洪工程的二元工程体系架构解决城市的洪涝灾害问题。2011年版《室外排水设计规范》首次提出内涝的概念，2012年完成的亚洲发展银行技术援华项目《城市雨水管理与内涝防治》的咨询报告全面分析了我国法律、机构、技术和投资等方面存在的问题和解决问题的建议。在2014年版《室外排水设计规范》颁布以前，一直将排水标准作为内涝的防治标准。所以，很多人将排水管网提标改造作为解决城市内涝的核心技术。2014年版《室外排水设计规范》从顶层设计角度，建立涵盖“源头控制体系”、“排水管网系统体系”和“内涝防治体系”的我国城镇排水系统标准体系框架。但是“内涝防治体系”的定义并不明确。有人提出参考澳大利亚将城市排水、内涝防治和防洪三套工程体系架构，一并考虑城市雨水系统的防灾问题。两者的差别是只局限在城市排水的范畴，还是从整个城市雨水系统来构架工程系统。我们要提高现有排水管网设计标准，同时制定出新的内涝防治标准，并且要与城市排水标准和防洪标准相衔接。
目前还存在着源头控制、过程控制和受纳水体控制的关系应进一步明确和准确地确定科学防治城市内涝灾害的设计工况和设计参数等问题，很多基本概念一直困扰着工程技术人员，有必要予以澄清。
2城市排水（雨水）防涝工程体系的系统架构
城市是一个人工生态系统，它的生态安全、排水安全和防灾安全都依赖于相应的工程设施提供保障。城市排水（雨水）防涝工程体系包括对降落在城市区域的雨水进行科学管理、排除地表径流、防止在低洼地区产生内涝和预防河水倒灌进入市区或泛滥成灾的一整套工程设施，这一整套工程设施是防治城市内涝灾害的重要基础条件。
为了实现城市排水（雨水）防涝工程体系防灾、减灾的目的，并考虑到定量化规划、设计该工程体系，参考国际发达国家的经验和我国的具体实践，拟将城市排水（雨水）防涝工程体系划分为5个单项工程：源头控制工程（海绵城市建设第一期）、雨水排水管网工程（小排水系统）、内涝防治工程（大排水系统上游）、排涝工程（大排水系统下游）和防洪工程。5个单项工程互为上下游关系，定量化共同分担防止内涝灾害发生的责任。
2.1源头控制工程
降落到城市规划区范围以内的降雨，在小区或街坊内产生地表径流，产生地表径流的量取决于用地性质和地表覆盖种类。科学地规划建设各种用地性质的雨水径流过程，可以有效地控制进入雨水管网的流量过程线特性。
源头控制工程采用调蓄或增加入渗等低影响开发（LID）和雨水利用典型技术，主要设计参数为降雨量（mm）。常用的设计调蓄水量为10~30 mm，超过设计值之后该工程失效，将产生向源头以外的排水过程。
从原则上讲，通过工程设施可以将全部的降雨都滞蓄在进入雨水管网之前的地表径流阶段，但是从经济方面和安全性等角度考虑，在大城市寄希望于通过源头控制工程解决城市内涝问题可能是不经济和不安全的。
2.2雨水排水管网工程
在城市规划范围以内，都要求建设城市雨水管网排除设计重现期以内的暴雨径流，以便解决城市居民在降雨期间的出行方便问题。降落在城市规划区内的暴雨，产生地表径流以后，从建筑小区、工厂、学校、单位等区域设计地面流向道路，并通过道路边沟进入设置在路边的雨水口进入地下雨水管网系统，雨水管网收集地表径流以后排向下游受纳水体（排涝工程或防洪工程）。由于城市雨水管网的设计重现期与城市内涝防御工程设计重现期相比都比较低，所以北美和澳大利亚等国称城市雨水管网为小排水系统（minor drainage system）。在我国的规划设计理念中，超过雨水管网排水能力的暴雨径流可以暂时蓄存在地表低洼处，待暴雨过后或管网有富余排水能力时再排出，所以一定会产生城市区域内积水问题。
据推理公式法设计理论，城市雨水管网的主要设计参数是设计暴雨强度［mm/min或L/（s·hm2）］），常用的设计重现期为2~5年。
2.3内涝防治工程
城市规划区范围以内产生积水问题是一种自然现象，超过城市雨水管网排水能力的暴雨径流聚集在城市低洼地区，造成一定经济或财产损失即产生内涝灾害。城市内涝灾害是一种发生在城市规划区范围以内新的自然灾害，这是改革开放以后经济发展带来的，确定城市内涝防治标准，建设城市内涝防御工程是保护市民财产和保证城市快速、安全运行的需求。在我国的规划设计理论中没有包含城市内涝灾害防治的内容，所以内涝防治工程规划建设是一种新的需求。为了科学构建城市内涝工程防灾体系，2014年版《室外排水设计规范》给出了城市内涝综合防治标准，设计重现期范围在20~100年，远远高于城市雨水管网设计标准。美国、日本、欧盟等国家均对内涝设计重现期做了明确规定。我国在此之前没有专门针对内涝防治的设计标准，2014年版修订增加了控制地面积水方面的内容，并规定了内涝防治系统设计重现期和积水深度标准，用以规范和指导城市内涝防治工程的设计。
发达国家和地区均建有城市内涝防治系统，北美和澳大利亚等国称为大排水系统（major drainage system），包括城市内涝防治工程和排涝工程。主要包含大雨水明渠、洼地、道路、河道和调蓄设施等。
由于我国行政管理和专业分工与国外的差异，排涝工程由水利部门负责，城市排水由城市建设部门负责，城市规划区范围以内的城市内涝防治工程也由建设部门负责。城市内涝防治工程部分包括行泄通道和调蓄设施，其中行泄通道由道路和大排水通道组成，将超过排水管网排水能力的地表径流排入下游水体。
城市区域内规划设计的道路除了保障交通运输的任务以外，还应承担排除雨水的任务，即：排除自身产生的暴雨径流、排除上游和周边区域产生的暴雨径流以及作为输送超标雨水排除的行泄通道。雨水口和检查井都设置在道路之上，源头区域产生的地表径流只能通过道路才能进入雨水管网，超标的暴雨径流一般都聚集在道路之上，只能通过科学合理地设计道路的坡度和断面才能及时排除。因此，道路设计方法的改进和创新是构建城市内涝防治工程体系的关键。
2.4排涝工程
城市排涝工程是保证城市运行安全的工程设施，是城市雨水管网和城市内涝防治工程的下游排水通道，由河道和排涝泵站等工程设施组成，是保证城市雨水排水工程和城市内涝防治工程正常工作的重要工程设施。
城市排涝工程采用与设计暴雨强度相关的排涝模数进行设计，设计标准一般为设计重现期20年，设计依据一般为城市或区域的水文手册，主要由水利工程师负责设计。
排涝工程的设计水位超过城市雨水管网和城市内涝防治工程的下游设计水位标高，就会对城市雨水管网和城市内涝防治工程的造成顶托，影响排水能力。如果水位过高就会通过城市雨水管网和城市内涝防治工程设施倒灌进城市规划区范围以内，形成严重内涝灾害。
目前城市排涝工程的设计方法是从农田排涝发展而来，排水时间等设计参数还应该从城市的需求来考虑，模型技术的推广应用也应予以重视。
2.5防洪工程
城市防洪工程是保障城市安全的工程设施，是保证城市免受洪水灾害的工程设施。它是城市排水、防涝和排涝工程的下游排水通道，对城市内涝防治的作用非常重要。
城市防洪工程一般采用设计流量作为设计参数，设计标准一般50年以上，设计流量通过对观测河流的洪峰流量进行数理统计的方法确定，设计水位是城市排水、防涝和排涝工程的重要设计参数。城市防洪工程超过设计洪水位以后，所有的排水设施，包括城市排水、防涝和排涝工程都会失效，将产生严重洪涝灾害。
3城市排水（雨水）防涝工程系统各组成部分的相互关系
由源头控制工程、雨水排水管网工程（小排水系统）、内涝防治工程（大排水系统上游）、排涝工程（大排水系统下游）和防洪工程等5个单项工程共同分担防止内涝灾害发生的责任，5个单项工程缺一不可，目前我国内涝灾害频发和认识混乱的根本原因是由于内涝防治工程缺失造成的。
城市排水（雨水）防涝系统的规划建设涉及到城市防洪排涝、内涝防治、城市排水、低影响开发、雨水利用和合流制改造等多个研究领域，与水利工程、市政工程和环境工程密切相关。目前由于各个领域的交叉和衔接等问题混杂不清，造成很多概念混淆，为保证我国排水（雨水）防涝系统的规划建设领域工程实践沿着正确的方向发展，通过学习国外发达国家的先进经验，结合我国的实际技术经济条件，提出建设5个单元工程体系，结合中国国情推荐构建城市排水（雨水）防涝系统的规划建设的体系架构。
城市排水（雨水）防涝系统包括城市洪水灾害的安全处置、城市内涝灾害的安全处置和城市排水安全。城市化发展过程中片面追求发展速度和地上、地下不和谐的发展倾向，导致了近年来中国城市区域内涝灾害频发，不仅严重影响城市居民的正常生活，对城市的安全运行和良性可持续发展提出了挑战。在我国，城市防洪由水利部门负责，经过几十年的建设已经形成比较完善的体系。城市内涝灾害防治和城市排水由城建部门负责，已经建设的城市排水管网只能排除低重现期条件下的降雨径流，能够应对高重现期条件下内涝灾害防御体系几乎是空白。城市雨水排水标准普遍偏低，虽然已经制定了城市内涝防灾标准，但是缺乏相应的工程体系建设经验，同时预警机制不够健全，部门之间缺乏协调联动等，暴露出了城市内涝风险管理体系的不完善。
由源头控制工程、城市排水工程、城市内涝防治工程、排涝工程和城市防洪工程共同组成应对城市水灾的工程体系，应明确它们之间的边界条件，以便分清责任。
城市防洪工程的边界条件是保证城市的过境河流和水系不泛滥成灾，即：防止外洪威胁城市的安全，从流域层面应保证河流行洪通道通畅，蓄滞洪区工作正常；从城市层面应保证城市安全，防止外部洪水泛滥进城。主要由水利部和地方政府的水利部门负责。国家和地方的防汛抗旱指挥部负责协调防汛、抢险和救灾事项。
城市排涝工程是城市防洪工程的重要组成部分，城市排涝工程的设计标准是保证排除城市涝水的设计水平，是城市区域降雨径流可能排入受纳水体的限制性条件。
城市河流水系等能够接纳城市区域的降雨径流水量是城市内涝防治工程的下游边界条件。
城市排水工程的边界条件是保证在低重现期暴雨（一般地区2~5年）的条件下，城市区域不产生严重积水，不影响城市的正常运行。主要由地方政府的城建部门（或水务局）和住房与城乡建设部负责规划、建设、运营和管理。
超过城市排水管网排水能力降雨产生的地表径流进入城市内涝防治工程，所以城市排水管网排水的设计标准是城市内涝防治工程的上游边界条件。
城市内涝防治工程的边界条件是保证在高重现期暴雨（一般20~100年）的条件下（与城市内涝防治工程设计标准有关），城市区域不产生内涝灾害，不影响城市的正常运行。城市内涝防治工程的上游边界条件是城市排水工程，下游边界条件是城市防洪工程（排涝工程），建设排除或蓄存城市区域超过城市排水工程排水能力、小于内涝防治工程建设标准的暴雨径流的工程设施，保证城市在发生城市内涝防治工程建设标准以下的暴雨事件时不发生内涝灾害。建议由地方政府的城建部门（或水务局）和住房与城乡建设部负责规划、建设、运营和管理。
源头控制工程、城市排水工程、城市内涝防治工程、排涝工程和城市防洪工程5个单元工程体系构成一个完整的应对城市区域洪、涝灾害的工程系统，它们相互联系、互相影响，是一个有机的整体，缺一不可。由于我们没有经济实力，不能学习香港将排水、防涝、防洪三套工程合为一套，按照防洪工程标准建设一套具有防洪、排水和城市内涝防治功能的排水工程。我们现有的排水工程建设标准太低，也学不了英、美等国建设比较高标准的城市排水工程和城市防洪工程，辅助建设部分城市内涝防治工程设施的方式。我们可以参照澳大利亚建设三套工程体系的经验，结合我国的具体实践，创新性构架中国的防治城市区域洪、涝灾害的工程系统，科学规划建设城市排水工程、城市内涝防治工程和城市防洪工程三套工程体系，即5个单元工程。
4规范标准的衔接问题
在源头控制工程、城市排水工程、城市内涝防治工程、排涝工程和城市防洪工程5个单元工程体系的设计标准表述方式不同，可以分为3类：源头控制工程采用降雨量；城市排水工程、城市内涝防治工程、排涝工程采用降雨强度，用重现期表示设计标准；城市防洪工程采用观测洪峰流量的重现期。源头控制工程只能计算出总调蓄水量，没有数理统计的重现期设计标准概念，也无法计算出设计流量，因此对于高重现期极端暴雨事件的应对能力应慎重对待。城市排水工程、城市内涝防治工程、排涝工程都采用降雨的重现期来确定设计标准，2014年版《室外排水设计规范》已经推荐采用年最大值法采集暴雨样本资料，为协调3个工程的设计标准奠定了基础。如果采用相同的基础暴雨资料，应采用相同的资料整理方法，则相同设计标准条件下的设计暴雨强度值应该是相同的。城市防洪工程的设计标准与其他工程的标准不同，没有对应关系。
根据年最大值法采集暴雨样本资料的方法，设计工况条件下假设有充沛的前期降雨，所以源头控制工程设计调蓄水量对城市排水工程、城市内涝防治工程和排涝工程的影响有限。
城市防洪工程和排涝工程与城市排水工程和城市内涝防治工程的设计标准衔接可以简单地处理成设计工况的水位衔接。将来可以采用流量演算的方法进行流量通行能力的衔接。
5结论
为了科学构架城市排水防涝工程体系，根据现行的规范标准体系，提出了5个单元工程体系架构的设想，并探讨了5个单元工程的组成、应分担的任务、相互关系和设计标准衔接问题。
源头控制工程以调蓄降雨量为设计参数，无法与排水工程的设计暴雨强度相衔接。
城市排水工程、城市内涝防治工程和排涝工程都采用设计暴雨强度和设计暴雨作为设计参数，并且采用相同的年最大值采样分析方法，设计标准和设计计算方法应进行协调，以便保证系统的安全性和可靠性。
在总体框架下，应科学划分5个单项工程的任务和上下游边界条件，各个单项工程应完善其设计计算方法，并建立完善的监管体制，明确产生城市内涝的工程原因。
在5个单项工程中，除城市内涝防治工程是新的工程以外，其余4个单项工程都有比较完善的设计规范标准和技术方法，所以建立排除或蓄存超过排水管网排水能力的暴雨径流的城市内涝防治工程的规范标准和技术方法体系是当前的重点和难点。
城市内涝灾害防治工程的规划建设是一项新的任务，应多专业合作协调，在技术经济评价的基础上，合理利用资源和资金，共同构建具有中国特色的城市排水防涝工程体系。
来源：给水排水
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