北京工業(yè)大學建筑工程學院北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復重點實驗室 周玉文教授
近年來我國城市內(nèi)澇災害頻發(fā)，已經(jīng)造成巨大經(jīng)濟、財產(chǎn)損失并嚴重影響了城市的正常安全運行，受到了媒體、公眾和政府的高度重視。很多專家學者從不同的角度探討了產(chǎn)生城市內(nèi)澇的原因和解決途徑，各有建樹。為了科學規(guī)劃建設城市排水（雨水）防澇工程，抵御城市內(nèi)澇，本文僅從工程的角度探討如何構建城市排水（雨水）防澇工程的系統(tǒng)問題。
1構建城市排水（雨水）防澇工程系統(tǒng)架構的必要性
國務院2013年23號文“關于做好城市排水防澇設施建設工作的通知”為科學防治城市內(nèi)澇災害提出了從規(guī)劃做起的基本要求。2014年1月1日頒布的《城鎮(zhèn)排水與污水處理條例》為科學防治城市內(nèi)澇災害奠定了法律依據(jù)。2014年版《室外排水設計規(guī)范》為科學防治城市內(nèi)澇災害制定了防治標準。在住建部關于印發(fā)《城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃編制大綱》的通知（建城［2013］98號）基礎上，應用《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術規(guī)范》的相關技術，全國各地都在積極編制城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃。海綿城市建設已經(jīng)將城市排水防澇綜合規(guī)劃的實施提上議事日程。如何將以上精神落實到工程中，定義科學防治城市內(nèi)澇災害的設計工況就十分必要。
我國一直采用城市排水工程和城市防洪工程的二元工程體系架構解決城市的洪澇災害問題。2011年版《室外排水設計規(guī)范》首次提出內(nèi)澇的概念，2012年完成的亞洲發(fā)展銀行技術援華項目《城市雨水管理與內(nèi)澇防治》的咨詢報告全面分析了我國法律、機構、技術和投資等方面存在的問題和解決問題的建議。在2014年版《室外排水設計規(guī)范》頒布以前，一直將排水標準作為內(nèi)澇的防治標準。所以，很多人將排水管網(wǎng)提標改造作為解決城市內(nèi)澇的核心技術。2014年版《室外排水設計規(guī)范》從頂層設計角度，建立涵蓋“源頭控制體系”、“排水管網(wǎng)系統(tǒng)體系”和“內(nèi)澇防治體系”的我國城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)標準體系框架。但是“內(nèi)澇防治體系”的定義并不明確。有人提出參考澳大利亞將城市排水、內(nèi)澇防治和防洪三套工程體系架構，一并考慮城市雨水系統(tǒng)的防災問題。兩者的差別是只局限在城市排水的范疇，還是從整個城市雨水系統(tǒng)來構架工程系統(tǒng)。我們要提高現(xiàn)有排水管網(wǎng)設計標準，同時制定出新的內(nèi)澇防治標準，并且要與城市排水標準和防洪標準相銜接。
目前還存在著源頭控制、過程控制和受納水體控制的關系應進一步明確和準確地確定科學防治城市內(nèi)澇災害的設計工況和設計參數(shù)等問題，很多基本概念一直困擾著工程技術人員，有必要予以澄清。
2城市排水（雨水）防澇工程體系的系統(tǒng)架構
城市是一個人工生態(tài)系統(tǒng)，它的生態(tài)安全、排水安全和防災安全都依賴于相應的工程設施提供保障。城市排水（雨水）防澇工程體系包括對降落在城市區(qū)域的雨水進行科學管理、排除地表徑流、防止在低洼地區(qū)產(chǎn)生內(nèi)澇和預防河水倒灌進入市區(qū)或泛濫成災的一整套工程設施，這一整套工程設施是防治城市內(nèi)澇災害的重要基礎條件。
為了實現(xiàn)城市排水（雨水）防澇工程體系防災、減災的目的，并考慮到定量化規(guī)劃、設計該工程體系，參考國際發(fā)達國家的經(jīng)驗和我國的具體實踐，擬將城市排水（雨水）防澇工程體系劃分為5個單項工程：源頭控制工程（海綿城市建設第一期）、雨水排水管網(wǎng)工程（小排水系統(tǒng)）、內(nèi)澇防治工程（大排水系統(tǒng)上游）、排澇工程（大排水系統(tǒng)下游）和防洪工程。5個單項工程互為上下游關系，定量化共同分擔防止內(nèi)澇災害發(fā)生的責任。
2.1源頭控制工程
降落到城市規(guī)劃區(qū)范圍以內(nèi)的降雨，在小區(qū)或街坊內(nèi)產(chǎn)生地表徑流，產(chǎn)生地表徑流的量取決于用地性質(zhì)和地表覆蓋種類�？茖W地規(guī)劃建設各種用地性質(zhì)的雨水徑流過程，可以有效地控制進入雨水管網(wǎng)的流量過程線特性。
源頭控制工程采用調(diào)蓄或增加入滲等低影響開發(fā)（LID）和雨水利用典型技術，主要設計參數(shù)為降雨量（mm）。常用的設計調(diào)蓄水量為10~30 mm，超過設計值之后該工程失效，將產(chǎn)生向源頭以外的排水過程。
從原則上講，通過工程設施可以將全部的降雨都滯蓄在進入雨水管網(wǎng)之前的地表徑流階段，但是從經(jīng)濟方面和安全性等角度考慮，在大城市寄希望于通過源頭控制工程解決城市內(nèi)澇問題可能是不經(jīng)濟和不安全的。
2.2雨水排水管網(wǎng)工程
在城市規(guī)劃范圍以內(nèi)，都要求建設城市雨水管網(wǎng)排除設計重現(xiàn)期以內(nèi)的暴雨徑流，以便解決城市居民在降雨期間的出行方便問題。降落在城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)的暴雨，產(chǎn)生地表徑流以后，從建筑小區(qū)、工廠、學校、單位等區(qū)域設計地面流向道路，并通過道路邊溝進入設置在路邊的雨水口進入地下雨水管網(wǎng)系統(tǒng)，雨水管網(wǎng)收集地表徑流以后排向下游受納水體（排澇工程或防洪工程）。由于城市雨水管網(wǎng)的設計重現(xiàn)期與城市內(nèi)澇防御工程設計重現(xiàn)期相比都比較低，所以北美和澳大利亞等國稱城市雨水管網(wǎng)為小排水系統(tǒng)（minor drainage system）。在我國的規(guī)劃設計理念中，超過雨水管網(wǎng)排水能力的暴雨徑流可以暫時蓄存在地表低洼處，待暴雨過后或管網(wǎng)有富余排水能力時再排出，所以一定會產(chǎn)生城市區(qū)域內(nèi)積水問題。
據(jù)推理公式法設計理論，城市雨水管網(wǎng)的主要設計參數(shù)是設計暴雨強度［mm/min或L/（s·hm2）］），常用的設計重現(xiàn)期為2~5年。
2.3內(nèi)澇防治工程
城市規(guī)劃區(qū)范圍以內(nèi)產(chǎn)生積水問題是一種自然現(xiàn)象，超過城市雨水管網(wǎng)排水能力的暴雨徑流聚集在城市低洼地區(qū)，造成一定經(jīng)濟或財產(chǎn)損失即產(chǎn)生內(nèi)澇災害。城市內(nèi)澇災害是一種發(fā)生在城市規(guī)劃區(qū)范圍以內(nèi)新的自然災害，這是改革開放以后經(jīng)濟發(fā)展帶來的，確定城市內(nèi)澇防治標準，建設城市內(nèi)澇防御工程是保護市民財產(chǎn)和保證城市快速、安全運行的需求。在我國的規(guī)劃設計理論中沒有包含城市內(nèi)澇災害防治的內(nèi)容，所以內(nèi)澇防治工程規(guī)劃建設是一種新的需求。為了科學構建城市內(nèi)澇工程防災體系，2014年版《室外排水設計規(guī)范》給出了城市內(nèi)澇綜合防治標準，設計重現(xiàn)期范圍在20~100年，遠遠高于城市雨水管網(wǎng)設計標準。美國、日本、歐盟等國家均對內(nèi)澇設計重現(xiàn)期做了明確規(guī)定。我國在此之前沒有專門針對內(nèi)澇防治的設計標準，2014年版修訂增加了控制地面積水方面的內(nèi)容，并規(guī)定了內(nèi)澇防治系統(tǒng)設計重現(xiàn)期和積水深度標準，用以規(guī)范和指導城市內(nèi)澇防治工程的設計。
發(fā)達國家和地區(qū)均建有城市內(nèi)澇防治系統(tǒng)，北美和澳大利亞等國稱為大排水系統(tǒng)（major drainage system），包括城市內(nèi)澇防治工程和排澇工程。主要包含大雨水明渠、洼地、道路、河道和調(diào)蓄設施等。
由于我國行政管理和專業(yè)分工與國外的差異，排澇工程由水利部門負責，城市排水由城市建設部門負責，城市規(guī)劃區(qū)范圍以內(nèi)的城市內(nèi)澇防治工程也由建設部門負責。城市內(nèi)澇防治工程部分包括行泄通道和調(diào)蓄設施，其中行泄通道由道路和大排水通道組成，將超過排水管網(wǎng)排水能力的地表徑流排入下游水體。
城市區(qū)域內(nèi)規(guī)劃設計的道路除了保障交通運輸?shù)娜蝿找酝�，還應承擔排除雨水的任務，即：排除自身產(chǎn)生的暴雨徑流、排除上游和周邊區(qū)域產(chǎn)生的暴雨徑流以及作為輸送超標雨水排除的行泄通道。雨水口和檢查井都設置在道路之上，源頭區(qū)域產(chǎn)生的地表徑流只能通過道路才能進入雨水管網(wǎng)，超標的暴雨徑流一般都聚集在道路之上，只能通過科學合理地設計道路的坡度和斷面才能及時排除。因此，道路設計方法的改進和創(chuàng)新是構建城市內(nèi)澇防治工程體系的關鍵。
2.4排澇工程
城市排澇工程是保證城市運行安全的工程設施，是城市雨水管網(wǎng)和城市內(nèi)澇防治工程的下游排水通道，由河道和排澇泵站等工程設施組成，是保證城市雨水排水工程和城市內(nèi)澇防治工程正常工作的重要工程設施。
城市排澇工程采用與設計暴雨強度相關的排澇模數(shù)進行設計，設計標準一般為設計重現(xiàn)期20年，設計依據(jù)一般為城市或區(qū)域的水文手冊，主要由水利工程師負責設計。
排澇工程的設計水位超過城市雨水管網(wǎng)和城市內(nèi)澇防治工程的下游設計水位標高，就會對城市雨水管網(wǎng)和城市內(nèi)澇防治工程的造成頂托，影響排水能力。如果水位過高就會通過城市雨水管網(wǎng)和城市內(nèi)澇防治工程設施倒灌進城市規(guī)劃區(qū)范圍以內(nèi)，形成嚴重內(nèi)澇災害。
目前城市排澇工程的設計方法是從農(nóng)田排澇發(fā)展而來，排水時間等設計參數(shù)還應該從城市的需求來考慮，模型技術的推廣應用也應予以重視。
2.5防洪工程
城市防洪工程是保障城市安全的工程設施，是保證城市免受洪水災害的工程設施。它是城市排水、防澇和排澇工程的下游排水通道，對城市內(nèi)澇防治的作用非常重要。
城市防洪工程一般采用設計流量作為設計參數(shù)，設計標準一般50年以上，設計流量通過對觀測河流的洪峰流量進行數(shù)理統(tǒng)計的方法確定，設計水位是城市排水、防澇和排澇工程的重要設計參數(shù)。城市防洪工程超過設計洪水位以后，所有的排水設施，包括城市排水、防澇和排澇工程都會失效，將產(chǎn)生嚴重洪澇災害。
3城市排水（雨水）防澇工程系統(tǒng)各組成部分的相互關系
由源頭控制工程、雨水排水管網(wǎng)工程（小排水系統(tǒng)）、內(nèi)澇防治工程（大排水系統(tǒng)上游）、排澇工程（大排水系統(tǒng)下游）和防洪工程等5個單項工程共同分擔防止內(nèi)澇災害發(fā)生的責任，5個單項工程缺一不可，目前我國內(nèi)澇災害頻發(fā)和認識混亂的根本原因是由于內(nèi)澇防治工程缺失造成的。
城市排水（雨水）防澇系統(tǒng)的規(guī)劃建設涉及到城市防洪排澇、內(nèi)澇防治、城市排水、低影響開發(fā)、雨水利用和合流制改造等多個研究領域，與水利工程、市政工程和環(huán)境工程密切相關。目前由于各個領域的交叉和銜接等問題混雜不清，造成很多概念混淆，為保證我國排水（雨水）防澇系統(tǒng)的規(guī)劃建設領域工程實踐沿著正確的方向發(fā)展，通過學習國外發(fā)達國家的先進經(jīng)驗，結合我國的實際技術經(jīng)濟條件，提出建設5個單元工程體系，結合中國國情推薦構建城市排水（雨水）防澇系統(tǒng)的規(guī)劃建設的體系架構。
城市排水（雨水）防澇系統(tǒng)包括城市洪水災害的安全處置、城市內(nèi)澇災害的安全處置和城市排水安全。城市化發(fā)展過程中片面追求發(fā)展速度和地上、地下不和諧的發(fā)展傾向，導致了近年來中國城市區(qū)域內(nèi)澇災害頻發(fā)，不僅嚴重影響城市居民的正常生活，對城市的安全運行和良性可持續(xù)發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。在我國，城市防洪由水利部門負責，經(jīng)過幾十年的建設已經(jīng)形成比較完善的體系。城市內(nèi)澇災害防治和城市排水由城建部門負責，已經(jīng)建設的城市排水管網(wǎng)只能排除低重現(xiàn)期條件下的降雨徑流，能夠應對高重現(xiàn)期條件下內(nèi)澇災害防御體系幾乎是空白。城市雨水排水標準普遍偏低，雖然已經(jīng)制定了城市內(nèi)澇防災標準，但是缺乏相應的工程體系建設經(jīng)驗，同時預警機制不夠健全，部門之間缺乏協(xié)調(diào)聯(lián)動等，暴露出了城市內(nèi)澇風險管理體系的不完善。
由源頭控制工程、城市排水工程、城市內(nèi)澇防治工程、排澇工程和城市防洪工程共同組成應對城市水災的工程體系，應明確它們之間的邊界條件，以便分清責任。
城市防洪工程的邊界條件是保證城市的過境河流和水系不泛濫成災，即：防止外洪威脅城市的安全，從流域?qū)用鎽ＷC河流行洪通道通暢，蓄滯洪區(qū)工作正常；從城市層面應保證城市安全，防止外部洪水泛濫進城。主要由水利部和地方政府的水利部門負責。國家和地方的防汛抗旱指揮部負責協(xié)調(diào)防汛、搶險和救災事項。
城市排澇工程是城市防洪工程的重要組成部分，城市排澇工程的設計標準是保證排除城市澇水的設計水平，是城市區(qū)域降雨徑流可能排入受納水體的限制性條件。
城市河流水系等能夠接納城市區(qū)域的降雨徑流水量是城市內(nèi)澇防治工程的下游邊界條件。
城市排水工程的邊界條件是保證在低重現(xiàn)期暴雨（一般地區(qū)2~5年）的條件下，城市區(qū)域不產(chǎn)生嚴重積水，不影響城市的正常運行。主要由地方政府的城建部門（或水務局）和住房與城鄉(xiāng)建設部負責規(guī)劃、建設、運營和管理。
超過城市排水管網(wǎng)排水能力降雨產(chǎn)生的地表徑流進入城市內(nèi)澇防治工程，所以城市排水管網(wǎng)排水的設計標準是城市內(nèi)澇防治工程的上游邊界條件。
城市內(nèi)澇防治工程的邊界條件是保證在高重現(xiàn)期暴雨（一般20~100年）的條件下（與城市內(nèi)澇防治工程設計標準有關），城市區(qū)域不產(chǎn)生內(nèi)澇災害，不影響城市的正常運行。城市內(nèi)澇防治工程的上游邊界條件是城市排水工程，下游邊界條件是城市防洪工程（排澇工程），建設排除或蓄存城市區(qū)域超過城市排水工程排水能力、小于內(nèi)澇防治工程建設標準的暴雨徑流的工程設施，保證城市在發(fā)生城市內(nèi)澇防治工程建設標準以下的暴雨事件時不發(fā)生內(nèi)澇災害。建議由地方政府的城建部門（或水務局）和住房與城鄉(xiāng)建設部負責規(guī)劃、建設、運營和管理。
源頭控制工程、城市排水工程、城市內(nèi)澇防治工程、排澇工程和城市防洪工程5個單元工程體系構成一個完整的應對城市區(qū)域洪、澇災害的工程系統(tǒng)，它們相互聯(lián)系、互相影響，是一個有機的整體，缺一不可。由于我們沒有經(jīng)濟實力，不能學習香港將排水、防澇、防洪三套工程合為一套，按照防洪工程標準建設一套具有防洪、排水和城市內(nèi)澇防治功能的排水工程。我們現(xiàn)有的排水工程建設標準太低，也學不了英、美等國建設比較高標準的城市排水工程和城市防洪工程，輔助建設部分城市內(nèi)澇防治工程設施的方式。我們可以參照澳大利亞建設三套工程體系的經(jīng)驗，結合我國的具體實踐，創(chuàng)新性構架中國的防治城市區(qū)域洪、澇災害的工程系統(tǒng)，科學規(guī)劃建設城市排水工程、城市內(nèi)澇防治工程和城市防洪工程三套工程體系，即5個單元工程。
4規(guī)范標準的銜接問題
在源頭控制工程、城市排水工程、城市內(nèi)澇防治工程、排澇工程和城市防洪工程5個單元工程體系的設計標準表述方式不同，可以分為3類：源頭控制工程采用降雨量；城市排水工程、城市內(nèi)澇防治工程、排澇工程采用降雨強度，用重現(xiàn)期表示設計標準；城市防洪工程采用觀測洪峰流量的重現(xiàn)期。源頭控制工程只能計算出總調(diào)蓄水量，沒有數(shù)理統(tǒng)計的重現(xiàn)期設計標準概念，也無法計算出設計流量，因此對于高重現(xiàn)期極端暴雨事件的應對能力應慎重對待。城市排水工程、城市內(nèi)澇防治工程、排澇工程都采用降雨的重現(xiàn)期來確定設計標準，2014年版《室外排水設計規(guī)范》已經(jīng)推薦采用年最大值法采集暴雨樣本資料，為協(xié)調(diào)3個工程的設計標準奠定了基礎。如果采用相同的基礎暴雨資料，應采用相同的資料整理方法，則相同設計標準條件下的設計暴雨強度值應該是相同的。城市防洪工程的設計標準與其他工程的標準不同，沒有對應關系。
根據(jù)年最大值法采集暴雨樣本資料的方法，設計工況條件下假設有充沛的前期降雨，所以源頭控制工程設計調(diào)蓄水量對城市排水工程、城市內(nèi)澇防治工程和排澇工程的影響有限。
城市防洪工程和排澇工程與城市排水工程和城市內(nèi)澇防治工程的設計標準銜接可以簡單地處理成設計工況的水位銜接。將來可以采用流量演算的方法進行流量通行能力的銜接。
5結論
為了科學構架城市排水防澇工程體系，根據(jù)現(xiàn)行的規(guī)范標準體系，提出了5個單元工程體系架構的設想，并探討了5個單元工程的組成、應分擔的任務、相互關系和設計標準銜接問題。
源頭控制工程以調(diào)蓄降雨量為設計參數(shù)，無法與排水工程的設計暴雨強度相銜接。
城市排水工程、城市內(nèi)澇防治工程和排澇工程都采用設計暴雨強度和設計暴雨作為設計參數(shù)，并且采用相同的年最大值采樣分析方法，設計標準和設計計算方法應進行協(xié)調(diào)，以便保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。
在總體框架下，應科學劃分5個單項工程的任務和上下游邊界條件，各個單項工程應完善其設計計算方法，并建立完善的監(jiān)管體制，明確產(chǎn)生城市內(nèi)澇的工程原因。
在5個單項工程中，除城市內(nèi)澇防治工程是新的工程以外，其余4個單項工程都有比較完善的設計規(guī)范標準和技術方法，所以建立排除或蓄存超過排水管網(wǎng)排水能力的暴雨徑流的城市內(nèi)澇防治工程的規(guī)范標準和技術方法體系是當前的重點和難點。
城市內(nèi)澇災害防治工程的規(guī)劃建設是一項新的任務，應多專業(yè)合作協(xié)調(diào)，在技術經(jīng)濟評價的基礎上，合理利用資源和資金，共同構建具有中國特色的城市排水防澇工程體系。
城市排水（雨水）防澇工程的系統(tǒng)架構
本文來自：2015年《給水排水》第12期。
