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城市排水系统的困局与重构

2021-07-27 09:48 来源:城市规划

现有雨量计算方法的超范围应用、排水系统内管网设计标准与排水能力不匹配是造成城市排水问题的主要原因。全面提高雨水管网设计标准不仅不能彻底解决城市道路积水问题,还会明显增加排水工程的投资规模。结合排水工程基本特征和排水管网建设现状,为有效应对城市排水问题,需要严格限定雨量计算方法的应用范围,合理配置排水系统不同设施的建设标准,确保城市排水系统的整体排水能力满足设计标准要求。

【作者简介】

郝天文,硕士,中国城市规划设计研究院西部分院总工程师,教授级高级工程师。中国城市规划学会工程规划学术委员会委员。

孔彦鸿,中国城市规划设计研究院副总工程师,教授级高级工程师。

* 科技部“十三五”重点研发计划项目课题“城市低影响排水(雨水)系统与河湖联控防洪抗涝安全保障关键技术”(2016YFC0802507)相关成果。

1 引言

近年来,很多城市都相继遭遇道路积水和内涝灾害的影响,社会各界包括业内人士都把内涝的主要原因归咎于现有城市排水系统,认为现状雨水管网建设标准低是造成城市排水问题的罪魁祸首,并由此掀起城市排水工程设计标准修订和雨水管网提标改造的序幕。经过多次修订和调整,雨水管网设计标准较以前有了明显的提高。毫无疑问,标准提高在一定程度上提升了雨水管网的排水能力,但付出的代价是排水工程建设规模和投资显著增加,同时,人们最关心的道路积水和内涝问题依然没有得到解决。笔者认为,这种困局出现的主要原因是排水系统不完善、超范围应用现有雨量计算方法(即暴雨强度公式法)导致排水管网建设标准与排放能力不匹配,从而严重影响排水系统的整体排水能力。因此把当前城市排水问题完全归咎于现有排水工程建设标准低是片面的,不客观的。

通过对城市现有雨水管网实际建设水平的分析,结合近年来编制的城市排水防涝规划特点和实施效果,为从根本上解决城市排水问题,同时提高排水工程的投资效率,首先要充分了解现有雨量计算方法的特点,从整个排水系统出发,衔接好上下游排水管网设计标准与排水能力之间的关系;其次调整确定排水工程建设标准的关键因素,合理配置系统内排水管网的建设标准,保证排水系统的整体排放能力能满足设计标准的要求。

2 设计重现期的调整历程

随着城市人口和财富的高度集聚,城市功能的日趋完善,经济实力的提升以及对排水安全要求的提高,城市排水工程的建设标准也在逐步提高。特别是最近几年,修订排水工程规范、不断提高管网设计标准已成为应对城市排水问题的主要措施。

以《室外排水设计规范》(以下简称《规范》)为例,该《规范》进行了多次修改或局部修订,颁布的版本主要有:《室外排水设计规范》(TJ14-74),《室外排水设计规范》(GBJ14-87)以及1997年版的《室外排水设计规范》(GBJ14-87)。进入本世纪以来,又先后进行了4次修改或局部修订,颁布了《室外排水设计规范》(GB50014-2006)以及2011年版、2014年版和2016年版《室外排水设计规范》(GB50014-2006)。伴随着设计规范的多次修订,雨水管网的设计标准也在不断提高。

在1974年版《规范》中,排水管网重现期选用范围一般为0.33-2.0年;在1987年版《规范》中,重现期的下限值和上限值较上版均有所提高,重现期选用范围为0.5-3年;2006版《规范》基本维持1987版规定的设计重现期,即重现期一般采用0.5-3年。

2011年版《规范》对排水管网的设计标准调整较大,取消了0.5年的下限值,将一般地区的重现期调整为1-3年,同时对雨水管网的降雨历时计算也给出了调整建议,提出在经济条件较好、安全性要求较高的地区排水管网的折减系数取1。

2014年版《规范》对雨水管网设计重现期再次进行了调整,中等城市和小城市设计重现期调整为2-3年,大城市为2-5年,超大城市和特大城市为3-5年,并且要求降低降雨历时计算公式中的折减系数全部取1,这相当于又变相提高了排水管网的设计标准。

通过对建设标准的多次调整,目前我国城市尤其是大城市雨水管网的建设标准已非常接近欧美城市的建设标准。

3 排水系统主要问题识别

3.1  排水工程规划建设缺乏系统性

在排水工程领域存在重局部排水管网设计、轻系统排水规划构建的现象。主要体现在雨水管网与其他排水设施之间、上游与下游之间缺乏有效衔接;其次城市排水工程规划的编制往往只考虑本轮规划期和规划范围的发展需求,没有从长远发展和流域协调的角度规划建设城市的排水系统,从而影响到排水工程的系统性和整体性,在不同程度上影响到排水系统的整体排水功能。

鉴于现有排水管网无法有效解决城市的排水问题,一些学者提出在城市内部再新建一套应对内涝的排水系统,即把城市排水系统人为划分为雨水管网和内涝防治两个部分。这种把城市排水和内涝防治分而治之的做法,在实施过程中存在很大的风险和不确定性,有可能造成排水工程投资大幅度增加、而内涝问题依旧得不到解决的尴尬局面。

3.2  对雨量计算方法特征和使用范围缺乏分析研究

当前,我国还没有制定出适合我国国情的雨量计算方法,一直使用基于苏联时代的雨量计算方法(即暴雨强度公式法)来指导城市雨水工程的设计与建设,并且不重视对该雨量计算方法基本特征和使用范围的分析研究。以排水系统汇水面积为例,该方法仅适用于汇水范围较小雨水管道的工程设计。由于没有更好的雨量计算方法加以替代,事实上暴雨强度公式法的使用范围已经非常宽泛,几乎没有任何限定。不论是汇水面积为1hm2的小区,还是高达数平方公里的雨水系统都在采用相同的雨量计算方法,十分不妥。

超范围应用暴雨强度公式法已经给我国城市现有排水系统造成很大的不利影响。按此方法构建的排水系统,上游雨水支管排放能力很强,而下游雨水干管排水能力相对不足,其中最具代表性的就是“大管接小管”现象。对于一些坡度较小且汇水面积较大的排水系统,应用暴雨强度公式法计算下游干管设计流量时,雨水管设计流量不是随汇水面积的增加而增加,反而是随汇水面积的增加而减小,其计算结果是上游雨水管段设计流量大于下游雨水管段设计流量,若按计算设计流量直接选取雨水管管径,就会出现上游雨水管管径大于下游雨水管管径的情况。毫无疑问,这些管段将成为整个排水系统的瓶颈的情况,管段所在地区在汛期极易发生道路积水或内涝。笔者通过分析研究多个城市内涝点与排水系统的关系,也进一步证实了这一结论。

3.3  标准选取没有体现排水系统的自然属性

目前在确定排水工程建设标准时存在本末倒置的现象。标准选取忽视了排水系统的自然属性,如汇水面积、设施规模、影响程度等因素,却把排水设施所在区域的用地性质、建(构)筑物重要程度、道路等级等外部因素作为选取设计重现期的重要条件。在众多版本《室外排水设计规范》中,只有1974年版《规范》在确定排水设施设计重现期时考虑了汇水面积这一因素,其他版本规范都没有把“汇水面积”作为选取重现期大小的重要条件。按照现有规划设计规范的规定,不管是汇水面积1hm2的雨水支管,还是汇水面积高达几百公顷的雨水主干管,选取的设计标准可能是一样的,甚至可能出现汇水面积小的雨水管却选取了较高设计标准的现象。

按照现有雨量计算方法,雨水管对应的暴雨强度与其服务的汇水面积呈反比关系,即汇水面积越小,雨水管对应的暴雨强度越大;反之汇水面积越大,雨水管对应的暴雨强度越小。加上现有规范在选取雨水管网设计标准时又忽略了汇水面积这一关键因素,造成系统上下游雨水管网排水能力相差悬殊,具体表现在上游雨水支管管径普遍偏大,排水能力很强,管网建设的高投入;而下游雨水干管管径偏小,排水能力严重不足,成为制约整个排水系统的薄弱环节和瓶颈。

3.4  没有充分考虑标准调整对工程投资的影响

设计标准选定对于排水工程规划建设起着非常重要的作用,它决定着城市排水系统的安全,影响到排水工程的建设规模与投资。在确定新建雨水管网设计标准时,不但要满足相关规范要求,更要考虑现状排水管网的实际建设水平;不仅技术上可行,在经济上也必须合理。

长期以来,我国很少考虑设计标准调整对排水工程投资的影响。一些学者经常拿发达国家城市的排水设计标准和我国进行对比,以强调提高我国城市排水工程建设标准的必要性。但令人担忧的是,他们很少考虑我国的具体国情、降雨特征和当地政府的经济承受能力。以伦敦、巴黎和北京为例,虽然这3个城市年降雨量比较接近,但城市间的气候条件差异却很大,降雨特点也明显不同。伦敦和巴黎属于温带海洋性气候,城市年内降雨较为均匀,暴雨很少,即使采用较高的设计标准也不会明显增加排水工程的规模。而北京属于温带季风性气候,年内降雨量极不均衡,85%的降雨集中在汛期6-9月份,如果北京采取和上述两个城市同样的设计标准,排水工程的建设规模和投资将远远高于这些城市。一旦我国所有城市都参照国外城市的设计标准,将造成雨水管网和其他排水设施在年内大部分时间处于闲置和低效状态,并给城市发展带来沉重的财政负担。

通过对近年来编制的城市排水防涝规划进行分析,也验证出设计标准调整对工程投资的影响非常大。以北方某城市为例,根据对建成区现状雨水管(D400~D3000)进行统计分析,小于和等于D1000的雨水管占到雨水管道总长度的73%,大于D1000雨水管道占27%,其中管径大于D1500的雨水干管只占8%。

当使用修订后的暴雨强度公式、采用规范确定的设计重现期计算规划建成区雨水管网时,排水管管径构成与现状相比发生了显著的变化。在规划新建的雨水管中(不包括相当数量的箱涵),管径小于和等于D1000的雨水管占比仅为11.8%,管径大于D1000的雨水管则占到88.2%,其中管径大于D1500管道占比上升到38%(图1~图3)。

▲ 图1  现状雨水管和规划雨水管管径构成对比

▲ 图2  现状雨水管管径构成

▲ 图3  规划雨水管管径构成

由此可见,整体提高排水系统设计标准将使得包括雨水支管、干管以及其他排水设施规模的普遍增加。和现状管相比,规划雨水管管径平均增加了3~4个尺寸单位(每个尺寸单位为100mm),经初步测算,规划管网单位长度造价比现状管网增加约67%。由于城市雨水管网和排水设施量大面广,增加的投资规模十分可观,如果扩展到全国层面,增加的投资额度可能是万亿元量级的。

然而,与增加巨额投资形成鲜明对比的是,按新的设计标准建设的城市排水系统其排水能力却没有得到明显的提高。尤其是对于汇水范围较大的排水系统,上下游雨水管排水能力相差依然很大,“大管接小管”现象还可能出现,在遭遇长历时降雨时下游雨水干管所在地区仍然面临较高的内涝风险。

3.5  缺乏清晰的内涝定义和适用范围

目前我国还缺乏比较清晰的城市内涝定义和严谨的城市内涝防治标准。在2011年版《规范》中首次提出了反映排水系统排除地面积水能力的设计重现期,规定重现期一般采用3-5年,重要干道、重要地区或短时间积水即能引起严重后果的地区应采用5-10年,特别重要地区可采用50年或以上。而在2014年版《规范》中,则把反映排除地面积水能力的设计重现期改为内涝防治标准,同时模糊了内涝标准的适用范围,把防涝范围由局部重点地区扩展到整个城市,即不论是系统上游还是下游、一般地区还是重点地区全部执行同一个内涝设防标准。要求中小城市设计重现期要达到20-30年,大城市达到30-50年,超大城市和特大城市达到50-100年。由于内涝防治标准与传统雨水管网设计标准相差很大且两者之间缺乏关联性,加上规范没有提出满足内涝防治要求的建设性措施和实施途径,导致设计者在具体制定内涝防治对策时无所适从,不知道该采取什么手段才能使整个城市达到如此高的内涝设防标准。

4 城市排水系统重构

4.1  合理确定排水系统建设标准

为提高排水工程投资效益,提升排水系统整体排水能力,需要制定与城市排水要求相适应、并能系统指导排水工程建设的标准。若继续使用现有雨量计算方法,在确定排水系统内雨水管网建设标准时,应把能体现排水系统自然特征的汇水面积作为确定设计重现期高低的主要因素。为此,排水系统内上下游设计重现期不是固定不变的,应随汇水面积的增加呈有序增加的态势。对于汇水面积很大的排水系统,上下游雨水管网设计重现期变化幅度也会很大,可能由1年或不到1年持续提高到5年、10年、20年甚至更高,最终与河湖水系等受纳水体的设防标准相衔接。

为合理确定排水系统上下游雨水管道的设计标准,需要分析研究汇水面积变化对雨水管暴雨强度即排水能力的影响,并结合排水系统地形特点、系统形状、主干管布置方式等因素,找到制定排水系统雨水管网设计重现期与汇水面积的对应关系。

4.2  合理界定暴雨强度公式适用范围

为避免超范围应用暴雨强度公式法给排水系统造成的不利影响,需要界定该方法的适用范围(降雨历时或汇水面积)。当设计重现期确定后,为使计算雨量相对合理,选取的管径在能满足设计标准前提下,又不造成工程投资的严重浪费,就需要根据排水系统的实际情况,界定出暴雨强度公式法的合理应用范围。以汇水面积指标为例,为满足上述要求,雨水管道汇水面积就不能太大,否则会出现雨水管道排水能力不能满足设计标准的情况,甚至出现“大管接小管”现象。同时雨水管汇水面积又不能太小,否则会出现雨水管排水能力过强、管径太大,造成工程投资浪费。当汇水面积超出暴雨强度公式法界定范围时,就需要通过采取增减相应管道设计重现期、优化调整系统汇水面积等措施使管道排水能力与设计标准尽可能相匹配。

4.3  优化配置排水系统设计标准

城市排水系统标准并不是越高越好,高标准意味着建造和维护成本高,造成不必要的浪费。设计标准选取需要在排水安全、工程投资、运营维护之间寻找一个合适的平衡点。应在符合经济合理,安全适用的条件下,合理确定排水系统中不同设施的设计标准。若排水设施标准配置合理、应对措施得当,有限的投资就可以很好解决城市排水问题。

结合排水系统特点,并结合汇水面积与暴雨强度之间的相互关系,为保障排水系统的整体排水能力,避免不必要的投资浪费,建议对排水系统设计标准进行适当的调整。

(1) 降低上游雨水支管的设计重现期。目前规范确定的设计重现期对于排水系统中的雨水支管来说明显偏高,导致管道排水能力过强和工程投资的浪费。从经济合理和排水安全角度考虑,建议把雨水支管的设计重现期降低到1年,对排水条件比较好的地区可降到0.5年。由于雨水支管数量在排水系统中占有很高的比例,标准降低可以节省大量的工程投资。

(2) 合理选择中游排水设施的设计标准。随着排水系统汇水面积的增加,有序提高中游排水设施的设计重现期,发挥其在排水系统承上启下的作用,使排水管道的排水能力真正满足实际的排水需求。

(3) 大幅提高下游排水干管和其他排水设施的设计标准。提高下游排水设施标准可缓解现有雨量计算方法对系统排水能力造成的不利影响,能明显提升整个排水系统的排水能力,有利于从根本上解决城市面临的排水问题。加上下游排水干管长度在整个排水系统中所占比例很小,设计标准的提升对整个排水系统的工程量和投资规模影响相对较小。

4.4  因地制宜,突出重点

对于现状建成区,要避免对既有排水管网进行大规模的提标扩建。应根据现状排水系统存在问题及其成因,制定相应的系统改善措施,改造的重点应放在排水系统的薄弱环节、重要节点和下游排水设施方面。对于汇水面积过大的排水系统,可通过扩建或新建排水主干管、调整排水分区、缩减排水系统汇水面积等分流措施,减轻原有雨水干管的排水压力。通过对这些局部排水设施进行提标改造,并辅助增设强排和雨水调蓄设施等措施,可以用较少的资金、在较短的时间内提升既有排水系统的排水能力。

对于规划建成区,除合理配置好上下游雨水管网设计标准外,排水工程建设要充分考虑系统性要求。由于城市排水工程建设是一个漫长的过程,工程量大、投资高、建设周期长,为构建完善的城市排水系统,除要衔接好排水系统内不同环节、不同排水设施、管道与河道、内河与外河之间的关系外,还必须妥善处理好排水现状、近期建设、远期规划以及远景发展的关系,合理安排好建设时序,以维持排水工程的连续性和系统性。

水是不可压缩的,其形状可以任意改变,但体积却是恒定的。为保障城市排水安全,要协调好城市规划建设与排水工程建设的关系,应结合规划用地布局,水系分布、绿地系统、场地竖向等因素划定排水分区,合理安排雨水管网和排放通道;同时加强对河道、湖泊、湿地、沟塘等受纳水体的保护和利用,在城市内部为雨水预留足够的排放和调蓄空间。

5 结论

雨量计算方法和规划设计理念是否科学合理,不仅影响到城市排水安全,也影响到排水工程的建设规模和投资效益。应尽快制定出适合我国国情的雨量计算方法,以科学指导城市排水工程的规划、设计与建设。

充分了解现有雨量计算方法的特点与局限性,界定出该方法的合理应用范围,避免超范围应用对城市排水系统造成不利影响。

全面提升排水系统设计标准并不能彻底解决城市面临的排水问题,反而会大幅度增加排水工程的投资规模。应结合排水系统的基本特征和现有雨水计算方法的特点,合理配置排水系统不同设施的建设标准,通过降标与提标相结合,使排水系统整体排放能力真正能满足设计标准要求。

慎重选择现状建成区雨水管网的改造措施,应根据现状排水系统的实际情况、存在问题及其成因,制定出针对性的改造方案和对策。

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