楊宇璐+陳安+楊華舒+符必昌

摘 要：強降雨造成的城市內(nèi)澇是普遍存在的難題，傳統(tǒng)排水措施的速度太慢，許多海綿城市的蓄滯容量小、效益較低。文章在分析內(nèi)外滯洪因素的基礎(chǔ)上，理順水務(wù)、市政、建筑物綜合治理的思路，討論了城外河湖疏浚、城內(nèi)蓄雨滯流的任務(wù)界定、措施以及成效，提出了相關(guān)建議，明確城外河湖、城內(nèi)管網(wǎng)的各自目標，并側(cè)重探析了屋面蓄滯空間拓展和暴雨流量調(diào)節(jié)的新方法?？菁緝?nèi)外兼顧治理，汛期蓄滯科學調(diào)度，方能獲得較好的城市排澇效果。

關(guān)鍵詞：內(nèi)澇；治理；流量調(diào)度；海綿城市；蓄滯容量

中圖分類號：TU992 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0076-03

引言

暴雨引發(fā)城市內(nèi)澇在國內(nèi)外都普遍存在，通常歸咎于路面吸水太慢、地下排水管網(wǎng)的截面積太小，但許多城市、尤其是周邊河湖水位較高城市的已有實踐表明：大力建設(shè)海綿城市或排水管網(wǎng)的效果并不明顯[1-3]。按照雨水流向進行全程討論，需要綜合建筑、市政、水務(wù)等方面的多種因素，明晰內(nèi)澇的本源機制，才能在有針對性的前提下實現(xiàn)高效治理。

按照水力學原理，如若城內(nèi)的洼地高程與排水口的河湖水位之差太小，形成淹沒出流必然顯著降低排水的流速，繼續(xù)惡化還將導致無法自流排水乃至在城內(nèi)低洼處發(fā)生倒灌現(xiàn)象。這種情況應當確定周邊排澇的控制水位，側(cè)重于城外河湖的疏浚和流量調(diào)度。在排水出口始終高于河湖水面的時候，管網(wǎng)才能較好地發(fā)揮排水功效，這種情況下海綿城市蓄滯工程的優(yōu)勢凸顯，但防澇能力仍在很大程度上取決于城市的蓄雨調(diào)節(jié)容量。由此可知，有關(guān)城外河湖整治和城內(nèi)蓄雨擴容的研究，對于根治城市內(nèi)澇均具有重要意義。

1 河湖疏浚調(diào)節(jié)措施

依據(jù)水力學和水文知識，城市雨季排澇應當具備的條件可描述為：城內(nèi)排水+周邊徑流+河湖面之上降水+河湖上游來水-下泄水量=本地積蓄水量，要求其抬高的水位≤河湖控制水位。此處的“河湖控制水位”是城市排水管網(wǎng)的最低出口高程，暴雨來臨前最好使河湖水位低于排水出口1～2m，以便預留充足的調(diào)蓄空間。如果不能滿足前述必要條件，即便海綿城市也很難根治內(nèi)澇，故應當側(cè)重于河湖疏浚、調(diào)度，乃至排水出口改道等外部條件的研究。

1.1 流域綜合治理

欲加大下泄流量、保障城市周邊河湖具有雨水調(diào)蓄容量，根本的辦法是進行全流域綜合治理，降低土壤侵蝕、增加河湖或濕地面積。在風化、沙化嚴重區(qū)域，應大面積采用植物固土措施，并選種適宜的弱酸性農(nóng)作物促使土壤膠結(jié)；工程上興建擋渣和反濾設(shè)施，注重環(huán)境的水土保持；在城市周邊倡導以漁代耕、退庫退湖，并改善生態(tài)。減少水土流失將使河湖水清、水道通暢，增加水面和周邊濕地將明顯擴大雨水的調(diào)蓄空間，這些方案是城市的“內(nèi)澇外治”，屬于“治本”舉措，然而涉及地域太廣、耗資耗時太大，尚需國家有關(guān)部門統(tǒng)籌安排才能實施，但對相關(guān)技術(shù)先行研究無疑是應當鼓勵的。

相對而言，屬于“治標”但見效較快的河道整治工程，主要是在城市上游兩岸避免滑塌、攔污擋土，在河床中疏浚清淤。這些項目在我國已經(jīng)施行了數(shù)十年，已有較多研究成果[4-7]，本文不再贅述。值得注意的是，小型水庫滯留泥沙具有很好的效果[8]，這固然會逐漸減少其庫容，但在改善下游河道及流量調(diào)度方面顯然對防止城市內(nèi)澇大有益處，建議開展相關(guān)的權(quán)衡和損益評價研究。

1.2 河湖滯蓄調(diào)度

具備了前述雨季排澇的必備條件（總排水量對應的水位≤河湖控制水位），還需要根據(jù)水文規(guī)律和氣象預報及時調(diào)整城市周邊河湖的水位，才能使暴雨時城市的排水通暢無礙，但調(diào)節(jié)手段受限于河湖的上下游工程。若城市排水對應的河湖在上下游均設(shè)有節(jié)制建筑物（如水庫、水電站、水閘、引水設(shè)施等），城外調(diào)度就能有效調(diào)節(jié)暴雨總水量中的主體部分[9]，即河湖的上游來水和下游泄流量。

抬高水位的水量=來水量-泄流量，考慮到我國城市的排水設(shè)計標準普遍較低、而1-3h暴雨預報的準確度較高、計算機調(diào)洪演算高速便捷的現(xiàn)狀，初步提出城外調(diào)度設(shè)想：在即將出現(xiàn)城市暴雨之前以及降雨過程中，都應當及時聯(lián)系流域上游和下游降雨較少、河湖暫時處于較低水位的節(jié)制建筑物管理部門，按降雨期調(diào)洪演算結(jié)果酌情減少上游閘閥的開度、增大下游閘閥的開度，以便盡可能減少上游來水、盡可能增加向下游的泄水量，為城市降雨排水預留出較多的調(diào)蓄空間。

城外河湖的水位調(diào)節(jié)可能涉及到多個地區(qū)或部門的利益，但鑒于重點城市內(nèi)澇將造成顯著的財產(chǎn)甚至生命損失，建議發(fā)揮我國“執(zhí)行力強”的優(yōu)勢，由國家防總授權(quán)各流域水利委員會，依據(jù)氣象水文條件和城市暴雨情況，統(tǒng)籌調(diào)度河湖的各級水位。

1.3 雨水分流

除了前兩種城外防澇措施，還應當在城市周邊對截斷來水、通暢出流各方面進行全面檢查，采用一切可能的手段分流雨水，盡量使排水出口處于較低的河湖水位。

充分重視周邊徑流入城的危害，尤其是海拔高于城內(nèi)地面的坡地，大雨和暴雨將產(chǎn)生嚴重匯流和并可能造成泥石流。應當在城市周邊設(shè)置截水槽和排水溝，必要時可專門興建城外排水網(wǎng)，有效防范周邊徑流匯入城市。

以往城市排水管網(wǎng)的出口往往只關(guān)注較大的江河湖泊，而這些河湖的來水、泄水構(gòu)成均較為復雜，本地水位在很大程度上并非僅僅由降雨量控制，故其調(diào)度效果常常不如人意。城市周邊通常還有一些小河，重要的特征是其在較遠的下游才匯入大江大湖，其在城市附近的水位明顯低于大江的水面。由水力學原理可知，這類小河的河床坡度陡于大江、流速更快，故可作為城市排水管網(wǎng)的補充出口。

在經(jīng)濟條件較為寬裕的情況下，還可考慮拓寬上述小河，進一步擴建成引向較遠下游的排水渠道。這種工程對正常生產(chǎn)和生活的擾動不大，不僅能顯著改善城市暴雨排水的外部條件，還增加了渠道周邊的農(nóng)田灌溉面積，并可在汛期主動分流大江本地段的水量，從而在杜絕江水倒灌城內(nèi)洼地的同時降低河湖的防汛壓力。

2 城內(nèi)蓄滯尚存的問題endprint

在具備了城外排水條件的情況下，解決內(nèi)澇問題應當側(cè)重于城內(nèi)的排水管網(wǎng)建設(shè)和降雨蓄滯研究。其中，排水管網(wǎng)的全面改建或擴充不僅耗資巨大、工期綿長，而且將對城內(nèi)居民的生產(chǎn)及生活造成很大干擾，容易誘發(fā)不安定隱患，須慎重決策。相對而言海綿城市的效益雖然較高，但常規(guī)工程蓄水滯流的能力有限，實踐已經(jīng)證明其對暴雨或較長時間大雨的排水調(diào)節(jié)并不明顯[3]，因此有必要在明晰現(xiàn)有措施局限性的基礎(chǔ)上，探尋具備更大調(diào)蓄容量的技術(shù)手段。

2.1 地面生態(tài)蓄水較少

園林城市的地表綠化率可達30%左右，這似乎不算少，但生態(tài)蓄滯設(shè)施需要通過重力流來收集雨水，而綠化面積中超過2/3都無法滿足這個條件，故通常城內(nèi)生態(tài)蓄水的面積占比ρ≯10%；再由于植物吸附效果和景觀制約，扣除各種固體物質(zhì)占用的空間之后，綠化地表的蓄水凈深hm≯150mm。

設(shè)城市地面的平均主動蓄水深度為h，則在理想條件下的飽和蓄水：h=ρ×hm=15mm。換言之，地面生態(tài)蓄水的效果不明顯，還不到200mm暴雨量級的1/10；如果慮及城內(nèi)的許多綠地高于主干道和廣場，實際的h值還要小得多。此外，生態(tài)蓄水的消耗主要依靠自然蒸發(fā)和植物吸收，這是一個冗長的過程，其間若遇降雨，再次蓄水的能力將受很大影響。

綜上可知，城市綠地的生態(tài)蓄水容量不大，對中小降雨量或許具有一些可見的滯流效果，但對于誘發(fā)城市內(nèi)澇的大雨、暴雨、大暴雨而言，這種措施只能算杯水車薪，顯然無法從本源上解決問題。

2.2 地下蓄滯效益較差

地下蓄滯管廊可視為城市排水管網(wǎng)的一種補充，平時蓄存雨水作為資源，雨季前可以預放排空，暴雨期間調(diào)節(jié)排水流量以減緩城外河湖的泄洪壓力。因此，地下蓄滯手段在城市防澇方面具有較為明顯的優(yōu)勢，不足之處主要是綜合效益較差。

地下蓄存雨水的勢能太低，對于生產(chǎn)、生活、園林等絕大多數(shù)地面以上的項目而言，利用這一資源需要耗費提升的能量，與屋面蓄水相比既不低碳還會增加長期開支，而這就降低了社會各界主動利用雨水的積極性。

如果容量足夠大，地下管廊的蓄水效果確實值得期待，但由于城市面積較大、地下原有的各種管網(wǎng)系統(tǒng)復雜交錯，蓄水管廊與排水管道一樣坡度將受到制約。由此可知，蓄水管廊在暴雨前的預排速度慢，與較為準確的1-3h暴雨預報配合調(diào)度的難度較大，這可能導致城市洼地部分發(fā)生內(nèi)澇。

為了順利吸收雨水和避開原有的管網(wǎng)，地下蓄水管廊的埋深通常較淺，約為地面以下1-1.5m[11]。若僅在荷載較小的綠化帶之下設(shè)置蓄水管廊，如上節(jié)所述容量太??；若大面積設(shè)置淺層地下管廊，則只能采用小管+多管的復雜分布交匯方式，否則較大的荷載（渣土車等）就可能引發(fā)地表塌陷。而在城內(nèi)建設(shè)集中式地下水庫的風險太大：地震波導致的水力振蕩和拍擊將顯著增加破壞力；較大水壓的滲透、浮托、潤滑、孔隙水壓、溶蝕等不利因素長期作用[12]，將大大降低地鐵隧道、地下車庫、建筑物基礎(chǔ)等地下設(shè)施的經(jīng)濟壽命。

2.3 屋頂花園污損室內(nèi)

屋頂花園在保溫降暑、改善環(huán)境景觀方面確實具有一定的效果，但由于植物、土壤等占據(jù)了大多數(shù)空間，再慮及多數(shù)觀賞植物的習性，要求花園中土壤的含水量不能飽和，故實際能用于蓄調(diào)雨水的容量很小。此外園中的泥土松散，若被多余的雨水挾帶，長期積淀很容易加速排水管網(wǎng)的淤積和堵塞。

水分子具有變形能力，是穿透力最大、最頑強的物質(zhì)之一，就連電廠的厚壁鋼管外表都長期顯現(xiàn)霧滴、數(shù)十米厚混凝土大壩的廊道內(nèi)更漏水成渠，遑論區(qū)區(qū)十幾厘米厚度的屋面板。由于持續(xù)浸潤而造成室內(nèi)頂部污損，是長期以來屋頂花園無法回避的難題，也是其難以推廣的重要原因[13]；若用其蓄調(diào)雨水，還可能造成屋面排水不暢，浸滲將更為嚴重。

建筑物露臺防水層的保修期只有3-5年，而城市房屋和室內(nèi)裝飾的經(jīng)濟壽命達20-50年，兩者差異顯著。泥土中長期保有的較多水分不間斷浸濕，通過屋面板中的毛細孔逐漸下行終將到達室內(nèi)，雖由于蒸發(fā)未能形成水滴，但已足夠損毀裝飾層了。此外，防水材料還可能成為某些有毒植物（如常在屋頂混凝土縫隙中瘋長的福祿桐、毒芹、馬鞭草等）的養(yǎng)分；植物根須對屋面板的持續(xù)鉆入力也不能忽視，例如前蘇聯(lián)切諾貝爾核電站泄漏事故之后不到二十年，附近體育場看臺的混凝土就被植物摧毀殆盡。

3 拓展暴雨蓄滯空間

前述對雨水蓄滯現(xiàn)狀的分析表明，城內(nèi)滯蓄弊病的主要癥結(jié)在于：（1）蓄水容量不足，難以滿足較大城市尤其是工業(yè)城市的暴雨調(diào)節(jié)需求；（2）地下管廊排水速度慢，難以適應暴雨前夕迅速排空的應急預案；（3）蓄滯雨水的勢能太小，需要額外耗費能量才能加以利用；（4）相關(guān)工程均屬于大面積淺表項目，施工將對正常的生產(chǎn)及生活造成很大干擾。城內(nèi)各種平頂建筑物眾多，為了充分挖掘容量、顯著提升效益，不妨討論屋頂蓄水的拓展方案。

自從西式屋頂引入較為富裕的農(nóng)村以來，采用屋頂露臺蓄存雨水的降溫方式，在夏天氣溫較高的鄉(xiāng)村小樓上已經(jīng)出現(xiàn)二三十年了，這種蒸發(fā)降熱措施較為明顯地改善了室內(nèi)小環(huán)境，得到了較好的認同。欲在城市的已有建筑物上進行大面積推廣，亟待解決的主要問題包括：防范滲浸污損、控制屋面荷載，以及雨水資源化利用、暴雨蓄滯調(diào)度等。

3.1 屋面滯蓄雨水的優(yōu)點

各種建筑物在城市地面的占比通常超過30%，其中可資利用的頂部面積不低于85%，據(jù)其推算出雨水蓄滯面積可拓展比例大于25%，對于城市防澇而言等于直接降低了1/4以上的降雨排水壓力。相對于地下管廊，屋面蓄水能夠持續(xù)蒸發(fā)且分散范圍廣、勢能大，故在降雨前應急預排放的速度快捷。此外還具有如下優(yōu)勢：

（1）250mm已經(jīng)屬于罕見的特大暴雨量級了，但對于屋頂蓄水池來說只是淺積水，而且對屋面荷載的影響也不大。即便水深再增加1倍（冗余安全系數(shù)取2），500mm水深形成的分布面荷載僅為4.9kPa，還不到傳統(tǒng)屋頂自來水增壓池中面荷載的一半，如按3.2節(jié)提出的方案妥善進行設(shè)計，不難滿足屋面板及其梁格的承載能力。endprint

（2）屋面水池平時積蓄的雨水位置較高，容易獲得資源化的各種利用。雨季或大雨前才主動放空蓄水池，作為滯流防澇的重要設(shè)施。

（3）在屋面進行土建或安裝施工的干擾較小，基本上不會影響市民的日常生活及工作。

（4）水的溫度傳導和對流性能優(yōu)良，蒸發(fā)換熱效果較好，屋面蓄水對頂層居民無疑是防暑節(jié)能的福音。參照3.2節(jié)提出的方案進行防滲和通風設(shè)計，可以避免室內(nèi)裝飾的污損。

（5）屋面承受的水壓雖然較小，然而可使得溫度變幅顯著下降，面板混凝土將由此得到長期的濕潤養(yǎng)護，可防止屋面板龜裂，從而大大延長其經(jīng)濟壽命。

3.2 關(guān)鍵問題的解決方案

限于篇幅，本文針對屋面蓄水的若干關(guān)鍵性問題先提出解決途徑，將另文結(jié)合工程實例進行詳細設(shè)計。

（1）隔離通風杜絕室內(nèi)污損

對較多屋頂自來水增壓池進行的抽檢表明，即便在水深3倍于500mm的長期壓力作用下，采用三十年前防滲技術(shù)的水池亦未出現(xiàn)滴漏現(xiàn)象，僅在部分底面和下側(cè)找到一些不太嚴重的滲浸水漬，對其下的屋面板并未產(chǎn)生滲透水源，這應主要應歸功于隔離和通風。自來水增壓池并非直接放置在屋面板之上，水池底部與屋面板之間均有數(shù)十厘米厚的隔離通風層，滲浸水在表面被持續(xù)蒸發(fā)或者風干，無法積聚成對屋面板產(chǎn)生實質(zhì)影響的水滴。

聚乙烯、聚氯乙烯等防滲膜的滲透系數(shù)≯10-12cm/s，即便最密實的混凝土防滲墻，也要近百米厚度才能與1mm厚的高分子薄膜擁有同等的防滲能力。如果采用這類高密度卷材按規(guī)范鋪設(shè)在水池的內(nèi)表面防滲，再按結(jié)構(gòu)計算用最小的墩子在水池與屋面板之間留出足夠的蒸發(fā)通風空間，即可徹底杜絕暴雨蓄滯水池長期滲浸對頂層室內(nèi)裝飾的污損。

在經(jīng)費較為寬裕的前提下，建議采用較薄的不銹鋼板來設(shè)計屋面的暴雨蓄滯水池，并規(guī)范為若干固定的標準尺寸在工廠中統(tǒng)一制造。在鋼材產(chǎn)能過剩的大背景下，如此不僅使大量的屋頂蓄滯水池安裝快捷、施工干擾很小，而且質(zhì)量更加可靠、不會因長期干燥而龜裂，對屋面板的附加荷載更小。

（2）分區(qū)蓄水控制屋面荷載

為了預留足夠的安全通道和必要的檢修通道，屋面的蓄滯水池應當分區(qū)布置，并盡可能覆蓋更多屋面板以增加暴雨蓄調(diào)能力。各蓄滯水池在下側(cè)全部用管道連通，便于雨水的利用和迅速排空。作為資源化和防澇的平衡點，建議平時水池蓄積雨水至約200mm深即自動溢流，經(jīng)由屋面的常規(guī)路徑排入地下管網(wǎng)；大雨或暴雨前1-3h排空全城的屋面水池，預留最大容量蓄滯雨水，即可顯著減輕城內(nèi)管網(wǎng)及城外河湖的排水壓力。

按照大暴雨的降水量并計入較大的安全系數(shù)，建議屋面蓄滯水池的凈深為500mm，對若干屋面板、梁柱進行計算后認為，附加的分布荷載尚在其承載能力范圍內(nèi)。在項目實施之前，應當查閱建筑物的竣工資料或進行相關(guān)計算，分區(qū)蓄滯水池的凈深設(shè)計必須滿足各構(gòu)件的承載力要求。

（3）防澇調(diào)度和資源化建議

將屋面各蓄滯水池的下側(cè)出水管連通，各單元均采用大口徑管道引至地面附近，串聯(lián)總閥再引入地下排水管網(wǎng)。1-3h的暴雨預報已經(jīng)較為準確，城市的通訊設(shè)施也趨于完善，大雨或暴雨前可短信群發(fā)給物業(yè)公司乃至若干居民，通知其即刻開啟屋面蓄滯水池的排水總閥，暴雨過程中依據(jù)排水監(jiān)測數(shù)據(jù)及時通知關(guān)閉或開啟總閥。條件具備時，還可采用遠動、遙控技術(shù)統(tǒng)一啟閉閥門，由此就能夠充分發(fā)揮大量屋面蓄滯水池的防澇功能。

對中水需求量最大的居民生活設(shè)施就是便池或馬桶。蓄滯水池的大口徑下水管在外墻的適宜位置開口，轉(zhuǎn)換成小管分別入戶，串聯(lián)閥門后接入沖水箱的進水口作為水源之一。無須利用其澆花或洗車，由于能夠長期節(jié)省水費，許多居民平時會開啟雨水閥門用于便池沖洗，各屋面共同積蓄的雨水用盡后才會使用自來水沖洗，這就達到了利用雨水、節(jié)約淡水資源的目的。

4 結(jié)束語

城市防澇的可用手段雖然較多，但應結(jié)合實際情況各有側(cè)重、綜合治理，關(guān)鍵在于暴雨時的排水量必須與城內(nèi)管網(wǎng)、城外河湖相適應。

（1）若河湖水位較高使排水出口變成淹沒出流，即便海綿城市也對暴雨無能為力。此時建議側(cè)重于河湖疏浚、上下游調(diào)度，必要時還應進行排水出口遠程改道的研究。

（2）當城市排水口對應的城外河湖水位較低時，建設(shè)海綿城市的防澇效益較高，但仍然存在綠地的調(diào)蓄容量小，地下管廊的施工干擾多、應急排水慢，對其他地下工程有較大隱患等不可忽視的難題，尚待分別進行深入研究。

（3）大面積興建屋面淺水池，對正常生產(chǎn)和市民生活的擾動小，而且在不明顯影響建筑物承載力的前提下可獲得蓄滯雨水的較大容量。這不僅能夠充分利用雨水資源、改善頂層的人居環(huán)境，還易于配合暴雨預報實施統(tǒng)一調(diào)度、顯著降低排水壓力，因此是一種值得提倡和推廣的城市治澇方案。

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