感潮河网地区地势低平、河网密度较高,雨水径流的有序排放一般由城市排水管网和河网水系形成两级排水模式^[1]。近年来,由于暴雨频率高、城市化程度高,地面高程与河道水位高差小,区域内涝灾害频发^[2]。同时,城市排水管网建设标准普遍偏低^[3],再加上风、暴、潮等多种不利因素碰头,加剧了地区水安全风险。本文以上海临港主城区为例,在对区域水安全现状分析的基础上,研究提出感潮河网地区源头减排、排水管渠、排涝除险和应急管理的系统方案,以期为类似区域水安全保障提供参考。

项目区域位于上海市临港国家海绵城市建设试点区主城区,规划面积67.76 km²。区域建成区主要分布在西部临港大道与-海港大道之间的扇形区域及滴水湖周边,现状建成区域占区域总面积的47.6%,未利用地占52.4%。已开发区域整体地势较高,大部分在4.0 m以上(上海吴淞高程系,下同),滴水湖以东及以南现状大部分仍为自然滩涂湿地,尚未开发,地势低平,基本在3.5 m以下。图1为土地利用现状及利用规划。

区域位于东南沿海,易受台风影响。根据多年日降雨资料统计数据(1983～2015年),区域年降雨量均值为1 228.1 mm;降雨年内分配不均,6～8月为汛期,降雨量较多,约占全年的51.5%。

区域位于平原感潮河网地区,属于上海浦东水利片,自成圩区,圩内涝水通过区内唯一外排口门赤风港水闸候潮外排出海。区域规划构建“一湖七射四涟”的水系网络,河湖水位可通过涵闸控制,河道除涝标准为20年一遇。根据水利规划,常水位控制在2.5～2.7 m,预降水位为2.2 m,除涝最高控制水位为3.3 m。

区内采用雨污分流排水体制。除科创城采用雨水强排模式,其他区域均采用城市圩区排水模式,陆域雨水通过管网等收集后,就近自流排入河湖水系。区内大部分地区管网建设标准采用1年设计暴雨重现期,春链河以内及强排地区采用2年暴雨重现期。见图2。

对区域水系、管网、道路、下垫面、历史积水点等基础资料进行概化处理,构建“区域河道-管网-地面积水”一体化耦合模型,通过3场独立的实测数据对模型进行参数率定和模型验证后,结合区域设计降雨和设计潮位,对区域内涝风险进行评估。其中,短历时降雨采用120 min 5年一遇芝加哥雨型(见图3),长历时降雨采用上海市100年一遇24 h雨型(见图4);潮位边界采用“麦莎”雨型对应的同步实测潮水位(见图5)。

图6评估结果表明,区域内涝风险尚存。已建城区积水呈散点状分布,且主要集中在排水距离较长及地势低洼处;未建成区局部风险较大,积水主要集中在地势低洼处。

根据《上海市排水防涝综合规划》的要求,上海市新区的雨水管渠标准为5年一遇,内涝防治标准为100年一遇。而区域已建区由于建成较早,排水管渠根据当时的排水标准设计,设计标准大多为1～2年一遇,不满足现行标准要求。同时,根据现场调研,区域管网维护较差,淤积严重,影响排水管道的排水能力。

区域河道未完全按规划建成,水系调蓄库容未能得到充分利用。同时区域地势较为平坦,局部存在断头浜,河网水动力不足,河道存在部分淤积。此外,区域通过赤风港外排海闸候潮排水,无水利除涝泵站等应急措施,主城区的涝水仅靠区内河湖槽蓄容量调蓄,同时遭遇风暴潮时,存在内涝风险。

区域地面高程平均为4.3 m,但部分道路及小区地面高程偏低,高处径流汇入,导致局部雨水口实际收水面积偏大,易形成积水。经现场调研,发现易积水路段基本低于4.0 m,如古棕路标高4.0 m,马樱丹路标高4.0 m,海港大道积水段标高3.8 m;存在积水情况的小区,如东岸涟城、宜浩佳园等,多存在低于小区道路50 cm左右的下沉式庭院及下沉车库。

在内涝风险评估和积水原因分析的基础上,从源头削减、排水路径优化、河道控制水位优化、水面率提高、排涝泵站设置、竖向控制以及管理的角度,构建区域源头减排、排水管渠、排涝除险、应急管理的水安全保障系统。

源头地块根据海绵城市建设指标要求,因地制宜综合采用“蓄、滞、渗、净、用、排”等技术手段,采用下凹式绿地、高位花坛、雨水花园、雨落管断接、透水铺装、生态树池等技术,合理结合地形设计,使雨水径流更多经过设施后缓排或回用,可有效减缓地表径流峰值时间,减少部分径流量,间接提高排水管网的排水能力。通过海绵城市建设,区域年径流总量控制率可达80%,在5年一遇降雨条件下,溢流削减占比约23%。

已建区排水系统管网设计标准偏低,应结合区域内老城区改造、道路改造及积水点改造等,加快排水管道的改造。未建区结合区域开发建设,按国家及上海市最新设计标准进行排水管渠建设。

优化排水路径,将在一定重现期下超负荷管段的水分流至周边能就近排河的管渠、或直接就近排河、或排入相邻有余量的系统,能有效缩短排水距离、合理利用周边系统或管道的调蓄排水能力^[4]4]。对区域8条积水道路进行排水路径优化(见图7),采用增设连通管、增设泵站、增设排放口等措施,充分利用管道余量,减少地面积水。

自排系统淹没出流情况下,提高排水压差可显著提高系统排水能力。提高排水压差主要通过控制地面高程和控制河道水位2种方式。通过对区域排水压差对管道排水能力的影响分析,确定优化河道最高控制水位,从原来的3.3 m下降至3.0 m。

河道的调蓄库容对二级排水格局具有较大的影响,新开河能有效提高调蓄库容,降低区域内涝风险。通过水面率提高对系统排水防涝能力的影响分析,部分河道提前按规划建设,水面率从现状的11.5%提升至14.5%,在控制河道水位的同时,减少区域内涝积水面积。

区域受潮汐作用影响,当河道水位超过潮位时,赤风港排海闸开启;河道水位低于潮位时,排海闸关闭,河道水位将上升。若维持现状排水模式,至规划远期,遭遇100年一遇降雨时,河道最高水位将超过排涝最高控制水位要求,区域有内涝风险。故拟于赤风港增设外排海泵,规模为160 m³/s,将水位控制在3.0 m的规划最高控制水位。

针对待开发地区,应在开发建设的过程中,根据专业规划要求合理控制地面高程,避免形成低洼导致积水。建议新建区道路高程控制在4.5 m以上,地块的规划高程比周边道路的最低路段高程高出0.2 m以上;敏感地区如幼儿园、学校、医院等地面标高至少高于周围道路标高0.5 m以上;对地下空间等敏感地区的设计重现期P≥100年,并布置挡水墙、挡水板等涝水拦截设施。

在已建地区,针对易涝点,结合实际情况将道路外绿地或部分车流量小、地势低的道路设计为行泄通道,作为地面排水系统与河道相连。区域拟将临港大道、湖城环路2条道路部分路段改造为涝水行泄通道,总长度1 880 m。

除了落实工程措施外,还应提升区域应急管理能力。加强气象与排水、防涝的联动机制,建立排水防涝综合信息管理平台,提升试点区应急排涝能力,强化排水防涝应急演练。同时对排水防涝设施应定期养护,养护范围清淤疏通、运行检查和结构和功能检测。

如图8、图9所示,使用模型模拟水安全保障系统方案实施前后的水安全情况可知,实施该方案后,区域遭遇5年一遇降雨时,积水点基本消除;遭遇100年一遇降雨时,内涝风险区域亦基本消除。区域排水防涝能力得到显著提升,实现“5年一遇不积水,100年一遇不内涝”的规划目标。

本案例在对区域内涝风险评估和积水原因分析的基础上,从源头削减、排水路径优化、河道控制水位优化、水面率提高、排涝泵站设置、竖向控制以及管理的角度,提出构建区域源头减排、排水管渠、排涝除险、应急管理的水安全保障系统,有效消除区域积水和内涝风险。