周琪皓，楊新宇，黃繼軍，張春洋，劉云帆

(中規(guī)院(北京)規(guī)劃設(shè)計(jì)公司，北京 100044)

根據(jù)2017年統(tǒng)計(jì)，全國(guó)因洪澇災(zāi)害受災(zāi)人口5515萬(wàn)人，直接經(jīng)濟(jì)損失2143億元[1]，且2020年8月以來(lái)，洪澇災(zāi)害已經(jīng)造成6346萬(wàn)人次受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失1789.6億元。隨著城市化進(jìn)程的加快，暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率越來(lái)越高，已成為制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素[2- 3]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于城市內(nèi)澇已有較多研究，郝天文等提出目前我國(guó)排水工程規(guī)劃缺乏系統(tǒng)性，對(duì)暴雨強(qiáng)度公式適用范圍缺乏分析，導(dǎo)致城市相繼遭受內(nèi)澇災(zāi)害[4]。周玉文提出城市排水防澇系統(tǒng)應(yīng)分為源頭控制工程、雨水排水管網(wǎng)工程、內(nèi)澇防治工程、排澇工程、防洪工程等5個(gè)單項(xiàng)，目前我國(guó)內(nèi)澇的根本原因是內(nèi)澇防治工程缺失造成的[5]。車伍等提出目前內(nèi)澇防治的重點(diǎn)主要放在提高雨水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上，缺乏對(duì)不同條件下致澇原因的甄別以及有針對(duì)性的系統(tǒng)考慮，忽視了洪與澇的復(fù)雜聯(lián)系并分而治之，導(dǎo)致我國(guó)內(nèi)澇頻發(fā)[6]。由此可見(jiàn)，城市建設(shè)中缺少對(duì)內(nèi)澇防治系統(tǒng)的考慮是造成國(guó)內(nèi)城市普遍內(nèi)澇情況的重要原因之一，內(nèi)澇系統(tǒng)在國(guó)外又稱為大排水系統(tǒng)。

南北城市均存在不同程度的內(nèi)澇問(wèn)題。2017年9月1日張家口市區(qū)降雨約40mm，導(dǎo)致市區(qū)道路積水超過(guò)15cm，甚至部分車輛被淹。2019年5月17日泉州市區(qū)降雨60～80mm，造成泉州市區(qū)部分路段積水嚴(yán)重影響車輛通行。本文對(duì)比分析張家口與泉州城市內(nèi)澇的主要原因，分別介紹了張家口大排水系統(tǒng)與泉州小排水系統(tǒng)構(gòu)建的必要性與方式，通過(guò)不同方式綜合提升城市對(duì)降雨災(zāi)害的應(yīng)對(duì)能力。

1 研究區(qū)概況

1.1 氣候降雨

張家口地形復(fù)雜，屬于東亞溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降雨量為404mm，如圖1(a)所示，遠(yuǎn)低于泉州年降雨量1036～1514mm，如圖1(b)所示。但是張家口極端降雨量大，主要集中在6—9月份，約占全年總降水量的60%，最大能達(dá)到30～40mm，也達(dá)到了南方城市大雨的降雨水平。

1.2 自然地理

張家口位于桑干河和洋河流經(jīng)壩下中部的狹窄的河谷盆地，城區(qū)三面環(huán)山，西部為賜兒山，北部為臥云山、西太平山、東太平山，東部為七里山，三面山地坡度在15°～30°之間。城市建成區(qū)總面積約60km2，區(qū)域內(nèi)主要有4條河流，分別為清水河、東沙河、西沙河、王家寨河，河網(wǎng)密度是0.55，如圖2(a)所示。泉州古城地勢(shì)由北向南變緩明顯，古城內(nèi)有4條河流，河網(wǎng)密度1.7，如圖2(b)所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)比，較低的河網(wǎng)密度造成張家口單片匯水面積較大(以入河排口前的區(qū)域劃分單片匯水分區(qū))，大部分超過(guò)2km2，更需要考慮人工大排水系統(tǒng)的構(gòu)建。

圖1 張家口與泉州降雨情況對(duì)比

圖2 張家口與泉州流域水系對(duì)比

張家口雖然年降雨量少，但是沿河道沿線及老城區(qū)等大部分區(qū)域均存在內(nèi)澇現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀梳理可以發(fā)現(xiàn)，極端降雨量大、地形地勢(shì)不利、河網(wǎng)稀疏等外部條件造成了城區(qū)內(nèi)部老城區(qū)普遍的內(nèi)澇情況，具有北方易澇城市的典型特征。泉州古城則是由于排水設(shè)施老舊滯后、局部低洼造成局部?jī)?nèi)澇。

2 內(nèi)澇成因及對(duì)策分析

2.1 內(nèi)澇成因分析

2.1.1排水系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低

由于歷史等原因，中國(guó)排水系統(tǒng)一直沿用前蘇

聯(lián)的模式，考慮當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)狀況，早年的管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1～2年一遇，加之大部分城市重地上輕地下，造成城市管網(wǎng)現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)大部分小于1年一遇。張家口和泉州在管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均存在偏低問(wèn)題，城區(qū)內(nèi)雨水管管徑大部分D400～D800，80%左右的管網(wǎng)不足1年一遇，見(jiàn)表1。

大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家排水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)較高，美國(guó)排水標(biāo)準(zhǔn)是居住區(qū)2～15年，商業(yè)和高價(jià)值區(qū)域?yàn)?0～100年；歐盟標(biāo)準(zhǔn)是農(nóng)村地區(qū)1年、居民區(qū)2年、城市中心/工業(yè)區(qū)/商業(yè)區(qū)5年、地下鐵路/地下通道10年[7- 8]。但是現(xiàn)狀中國(guó)城市排水管網(wǎng)大部不足1年一遇的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，難以滿足城市高質(zhì)量發(fā)展的需求。

以泉州30年一遇24h設(shè)計(jì)降雨雨型為例，如果全部管網(wǎng)能達(dá)到2年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，理想狀態(tài)下可以應(yīng)對(duì)4.2mm/5min強(qiáng)度的降雨，但在30年一遇降雨情境下，仍有約1h43mm的降雨是只能通過(guò)地面漫流排放，大量無(wú)設(shè)施收納的雨水在低洼區(qū)域極易形成內(nèi)澇積水。因此，雖然現(xiàn)狀大部分城市已經(jīng)完成雨水管網(wǎng)敷設(shè)，但是大部分不足1年一遇的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，低標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)導(dǎo)致城市難以應(yīng)對(duì)越來(lái)越頻繁的極端強(qiáng)降雨情況[9]。泉州30年一遇24h降雨雨型如圖3所示。

2.1.2 暴雨強(qiáng)度公式對(duì)于超過(guò)2km2區(qū)域存在計(jì)算誤差

對(duì)于超過(guò)2km2的大匯水片區(qū)，現(xiàn)狀大部分主干管網(wǎng)存在設(shè)計(jì)誤差，能力也達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。造成誤差的原因主要是由于降雨數(shù)據(jù)資料的匱乏，我們管網(wǎng)設(shè)計(jì)主要依據(jù)為暴雨強(qiáng)度公式而不是降雨雨型，在超出暴雨強(qiáng)度公式適用范圍的情況下，造成了不準(zhǔn)確的計(jì)算。

表1 張家口和泉州現(xiàn)狀管網(wǎng)能力評(píng)估

圖3 泉州30年一遇24h降雨雨型

我們通常所用的暴雨強(qiáng)度公式求導(dǎo)方法可分為三步。第一步為樣本統(tǒng)計(jì)，樣本的選取方法有年最大值法和年超定量法、年多個(gè)樣法等，水利部門多采用最大值法，城建部門多采用多個(gè)樣法，兩種選樣方法在T≥10a時(shí)，兩者強(qiáng)度基本接近，在T<10a時(shí)，年多個(gè)樣法選取的樣本值更大，更準(zhǔn)確[7]。同時(shí)，城建部門降雨歷時(shí)選取一般為5～120min的短歷時(shí)降雨樣本，水利部門一般選取大于等于24h的長(zhǎng)歷時(shí)降雨或者10～720min的短歷時(shí)降雨樣本[10]。樣本選擇的不同造成了城建部門公式和水利部門公式適用范圍的不同[11]。選取后的樣本有3個(gè)變量，分別為降雨強(qiáng)度(mm/min)、頻率(重現(xiàn)期)、降雨歷時(shí)t(min)。

第二步是對(duì)降雨強(qiáng)度與頻率的關(guān)系進(jìn)行擬合，主要利用皮爾遜-Ⅲ型、耿貝爾型和指數(shù)型分布函數(shù)曲線等，實(shí)際中常采用皮爾遜-Ⅲ型[12]。

第三步是對(duì)降雨強(qiáng)度與降雨歷時(shí)的關(guān)系進(jìn)行擬合，城建部門主要采用暴雨強(qiáng)度公式法，水利部門主要采用經(jīng)驗(yàn)公式、推理公式法等。暴雨強(qiáng)度公式法首先對(duì)單一重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行擬合，之后引入重現(xiàn)期區(qū)間參數(shù)對(duì)重現(xiàn)期劃分區(qū)間得到最終的暴雨強(qiáng)度公式[11]。

(1)

式中，q—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；i—降水強(qiáng)度，mm/min；P—暴雨重現(xiàn)期，a；t—降雨歷時(shí)，min。

因此，最終得到的暴雨強(qiáng)度公式是表示降雨強(qiáng)度與降雨歷時(shí)關(guān)系的函數(shù)，同時(shí)由于氣象部門的降雨統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要為日降雨量或時(shí)降雨量，求出的設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度為5～120min短歷時(shí)情況下的平均降雨強(qiáng)度。因此，在同樣的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)情況下，平均降雨強(qiáng)度是隨著降雨歷時(shí)的增加而減少。以泉州重現(xiàn)期2年一遇情況下，30、60、120min不同降雨歷時(shí)情況下的芝加哥雨型擬合結(jié)果，可以看出同樣的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)下，降雨強(qiáng)度峰值是隨著降雨歷時(shí)增大不變，降雨總量隨著降雨時(shí)間增加由34.8mm增加至68.5mm，但是平均降雨強(qiáng)度隨著降雨歷時(shí)的變化逐步降低，由1.2mm/min降低至0.6mm/min，如圖4所示。

暴雨強(qiáng)度公式的降雨歷時(shí)由地面集水時(shí)間和管渠內(nèi)流行時(shí)間組成，因此，匯水面積的大小會(huì)直接影響到降雨歷時(shí)。根據(jù)測(cè)算，匯水面積為3km2時(shí)，于管渠內(nèi)水流行時(shí)間增加，設(shè)計(jì)1年一遇的排水能力只能達(dá)到0.5年一遇的實(shí)際產(chǎn)流量，設(shè)計(jì)2年一遇的排水能力只能達(dá)到1年一遇的實(shí)際產(chǎn)流量[13]。

圖4 泉州不同降雨歷時(shí)下芝加哥雨型對(duì)比(P=2)

按照現(xiàn)行的方法，匯水面積越大，管網(wǎng)計(jì)算出來(lái)的排水能力就越小。GB50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)也規(guī)定“當(dāng)匯水面積超過(guò)2km2時(shí)，宜考慮降雨在時(shí)空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過(guò)程，采用數(shù)學(xué)模型法計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量”[14]。針對(duì)北方城市大部分河網(wǎng)稀疏，大部分單片匯水面積超過(guò)2km2，更需要考慮進(jìn)行大排水系統(tǒng)建設(shè)，同時(shí)修正現(xiàn)行暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算方法的誤差。

2.2 內(nèi)澇防治對(duì)策

由以上分析可知排水系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低為南北城市形成內(nèi)澇的主要原因，但全面提升管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在多方面的困難和局限。一方面，國(guó)內(nèi)屬于溫帶季風(fēng)性氣候，年際降雨相差較大，同樣的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)下的降雨強(qiáng)度較高，對(duì)應(yīng)的管渠管徑較大，如果整體提高排水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可能增加管網(wǎng)造價(jià)60%～70%[2]。另一方面，大部分城市現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)基本形成，如果對(duì)低標(biāo)準(zhǔn)管網(wǎng)進(jìn)行大范圍改造，會(huì)對(duì)城市交通和其他專業(yè)管線造成多方面影響，使改建工程施工產(chǎn)生極大困難。

如何在經(jīng)濟(jì)條件和實(shí)施條件都允許的情況下，通過(guò)關(guān)鍵性措施和對(duì)策整體提高排水片區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)，是南北城市需要共同思考的問(wèn)題。所以針對(duì)張家口、泉州南北兩座不同的城市，分別采取了不同的提標(biāo)改造方法。張家口主要通過(guò)構(gòu)建城市大排水系統(tǒng)來(lái)全面提高城市排水防澇建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，泉州古城主要通過(guò)精細(xì)化小排水系統(tǒng)構(gòu)建研究，從可行性與經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，基本消除城市內(nèi)澇情況。

大排水系統(tǒng)是由城市內(nèi)河、地表行泄通道、地下大型排放設(shè)施、調(diào)蓄設(shè)施和地面的安全泛洪區(qū)域等組成，主要為應(yīng)對(duì)超過(guò)小排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)暴雨或極端天氣特大暴雨的一套“蓄排”系統(tǒng)，主要擔(dān)負(fù)重現(xiàn)期為5～50年范圍暴雨的安全排放。小排水系統(tǒng)一般包括LID等源頭控制措施、雨水管渠、調(diào)節(jié)池、排水泵站等傳統(tǒng)設(shè)施，主要擔(dān)負(fù)重現(xiàn)期為1～5年范圍暴雨的安全排放，保證城市和住區(qū)的正常運(yùn)行[4]，如圖5所示。

3 張家口大排水系統(tǒng)構(gòu)建方案

3.1 徑流模擬

在內(nèi)澇成因及對(duì)策分析后，本研究通過(guò)1∶500地形圖進(jìn)行了徑流模擬，發(fā)現(xiàn)模擬得到的徑流路線與內(nèi)河流向是基本相符，但是也存在部分徑流路線與內(nèi)河流向不相符區(qū)域，恰好就是現(xiàn)狀易澇片區(qū)的所在，如圖6(a)所示，因此著重解決徑流模擬與實(shí)際排水方向不相符區(qū)域，建立澇水行泄通道。

3.2 大排水系統(tǒng)構(gòu)建方案

(1)內(nèi)河綜合治理：由于北方河道大部分為干溝，極易被兩側(cè)建筑侵占或者蓋板，導(dǎo)致河道不能滿足防洪要求。本方案分別對(duì)城區(qū)東沙河、西沙河、王家寨河等內(nèi)河的過(guò)流能力進(jìn)行校核，識(shí)別出防洪卡點(diǎn)，提出綜合整治方案，通過(guò)上游綠化攔蓄、城區(qū)中游分洪擴(kuò)涵、下游擴(kuò)挖清淤等，以此首先保證城市內(nèi)河系統(tǒng)能夠滿足內(nèi)澇防治要求。

(2)截流山區(qū)雨洪：由于張家口三面環(huán)山的地勢(shì)特點(diǎn)，加之城市不斷向山區(qū)擴(kuò)張，在進(jìn)行大排水系統(tǒng)建設(shè)的同時(shí)需要考慮山洪截流。規(guī)劃沿賜兒山、西太平山、東太平山、七里山建設(shè)9條截洪溝，引導(dǎo)山區(qū)雨洪向城市內(nèi)河或澇水行泄通道排放。

(3)澇水行泄通道：結(jié)合現(xiàn)狀內(nèi)澇點(diǎn)以及徑流分析結(jié)果，依據(jù)模擬的徑流路線新建澇水行泄通道。綜合考慮山洪截流方案、內(nèi)河的分洪方案、道路建設(shè)條件等，規(guī)劃建設(shè)17條澇水行泄通道，如圖6(b)所示，主要通過(guò)建設(shè)大型地下排水渠道來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)提高至10年一遇來(lái)彌補(bǔ)超過(guò)推理公式法適用面積后的計(jì)算偏差。

圖5 防洪排澇系統(tǒng)構(gòu)建

4 泉州古城小排水系統(tǒng)構(gòu)建方案

4.1 大排水系統(tǒng)梳理

泉州古城有著完善的大排水系統(tǒng)，也就是排澇系統(tǒng)。泉州古城內(nèi)有筍浯溪排澇系統(tǒng)、八卦溝排澇系統(tǒng)、南環(huán)城河排澇系統(tǒng)、北部排洪渠排澇系統(tǒng)，以及2座排澇泵站：北峰排澇泵站、金山排澇泵站，僅泵站排澇能力合計(jì)可達(dá)20～30m3/s，基本滿足現(xiàn)狀古城的排澇要求。

4.2 小排水系統(tǒng)構(gòu)建方案

4.2.1街區(qū)模型評(píng)估

泉州古城現(xiàn)狀內(nèi)澇點(diǎn)共5個(gè)，其中3個(gè)分布于西街片區(qū)內(nèi)。西街片區(qū)位于古城中心區(qū)域，有開(kāi)元寺“雙塔”、城隍廟等多處歷史保護(hù)建筑，為古城內(nèi)最具有代表性的街道之一，如圖7(a)所示。本研究重點(diǎn)以西街片區(qū)作為古城街區(qū)整治案例，提出了2個(gè)改造方案：方案1為擴(kuò)大主干管涵方案，方案2為上游分流方案。通過(guò)Info Works ICM軟件模型分析，分別進(jìn)行管網(wǎng)能力評(píng)估、淹沒(méi)分析、內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析，最后確定方案二效果最佳，如圖7(b)所示。

4.2.2街區(qū)方案對(duì)比

在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，考慮排水效果、改造難度、工程量等因素對(duì)兩方案進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)比得出，方案1與方案2均能實(shí)現(xiàn)近期內(nèi)澇點(diǎn)基本消除，但是方案2在改造涉及西街、象峰巷等重要1類歷史保護(hù)街巷方面可能存在對(duì)開(kāi)元寺西塔的擾動(dòng)影響，存在施工實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。因此，最終推薦方案1作為實(shí)施方案。

圖6 張家口現(xiàn)狀內(nèi)澇點(diǎn)及徑流模擬

圖7 泉州古城現(xiàn)狀內(nèi)澇點(diǎn)及模型模擬

4.2.3片區(qū)方案確定

通過(guò)對(duì)每個(gè)片區(qū)內(nèi)澇點(diǎn)分析，提出每個(gè)片區(qū)的內(nèi)澇點(diǎn)整治方案，最終得到古城內(nèi)雨水系統(tǒng)建設(shè)方案。由于古城綠地少，建筑老舊，因此主要通過(guò)雨水管渠的改造來(lái)構(gòu)建泉州古城的“小排水系統(tǒng)”。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)北方城市對(duì)比南方城市雖然降雨量少，但極端降雨量大，因極端降雨造成的內(nèi)澇災(zāi)害不容忽視。特別是北方城市河網(wǎng)稀疏，大部分匯水面積超過(guò)2km2，暴雨強(qiáng)度公式存在適用誤差。因此北方城市需要考慮人工大排水系統(tǒng)的建設(shè)，而南方城市則需要通過(guò)精細(xì)化改造小排水系統(tǒng)，綜合提升內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)。

(2)城市管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不足是造成內(nèi)澇的主要原因之一，由于暴雨強(qiáng)度公式的局限性，規(guī)劃中需要以典型降雨雨型為依據(jù)對(duì)劃分雨水排放系統(tǒng)，構(gòu)建起管道排放、內(nèi)澇防治及河道防洪三級(jí)的排澇防洪系統(tǒng)[15]，綜合提升城市對(duì)降雨災(zāi)害的應(yīng)對(duì)能力。