1 基本背景

据国家统计局数据显示，2019年中国城镇化率突破60%。快速城镇化与传统“快排”的治水模式不平衡，造成的城市水问题越来越突出。2020年洪涝灾害殃及28个省，7 000多万人受灾，严重制约了社会经济发展。构建、采用新型城市治水理念应对内涝是实现“人水和谐”的迫切需求。

纵览全球，发达国家针对城市内涝的治理走过不少弯路，最终无一不是从单一工程化转向综合管理，形成了一系列适合各国发展的治水新理念（见图1），并取得了相当的成效。过去，我国城市排水仅关注排水管网建设，其主要解决较小汇流面积上短历时产生的降雨径流，对内涝防治作用甚微，加之城市内涝防治的设计标准和方法的缺失，内涝带来的影响日趋加大。为此，我国针对内涝问题开展了一系列工作，2013年发布《国务院办公厅关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》（国办发[2013]23号），随后住房和城乡建设部发布《关于印发城市排水（雨水）防涝综合规划编制大纲的通知》（建城[2013]98号）、《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构建（试行）》，2021年发布《国务院办公厅关于加强城市内涝治理的实施意见》（国办发[2021]11号）、《国家发展和改革委员会办公厅住房和城乡建设部办公厅关于编制城市内涝治理系统化实施方案和2021年城市内涝治理项目中央预算内投资计划的通知》（发改办投资[2021]261号）、《财政部办公厅住房和城乡建设部办公厅水利部办公厅关于开展系统化全域推进海绵城市建设示范工作的通知》（财办建[2021]35号）。经过5年30个海绵城市试点的建设，逐步完善并形成了适合我国的新型现代雨洪管理理念———海绵城市。排水防涝规划编制和海绵城市建设在解决内涝方面取得了一定的成效，但在之后全域推进海绵城市建设过程中，如何科学系统构建内涝防治体系、做好各子系统衔等方面尚需进一步研究和提高。

图1 新型现代城市雨洪管理理念发展关系（根据《SUDS,LID,BMPs,WSUD and more-The evolution and application of terminology surrounding urban drainage》重绘）   

Fig.1 New modern urban stormwater management conceptdevelopment relationship(Redrawn from《SUDS,LID,BMPs,WSUDand more-The evolution and application of terminology surrounding urban drainage》)

2 海绵城市与排水防涝的关系

2.1 城市内涝成因

已有研究表明，城市内涝发生的主要原因包括：(1)传统粗放式城市建设模式引起城市不透水面积增加，导致场地径流量增大，径流峰现时间提前、峰值流量加大；(2)全球气候变暖导致短时极端强降雨频发，城市排水不及^[1];(3)城市规划建设中普遍缺少大排水系统构建的思维；(4)流域洪水入侵城市（城市水量增加）、流域洪水位升高造成城市排水不畅等。

2.2 海绵城市与排水防涝关系

实践表明传统单纯依靠灰色设施“快排”、末端兜底的城市排水模式会引发一系列的水问题，在内涝问题上表现的尤为明显。海绵城市旨在构建基于绿灰结合的城市治水体系，是解决城市水问题的“绿色途径”，其核心技术体系涵盖源头减排系统（Micro System）、排水管渠系统（Minor System）和排涝除险系统（Major System)^[2]，简称“3M”系统。

内涝成因复杂，解决内涝必须从问题产生的根源着手，运用滞、蓄、排等技术手段，充分发挥基于海绵城市理念的“3M”系统效能，综合治理（见表1）。源头减排系统旨在恢复场地开发前自然水文特征，应对低强度大概率（一般在1年一遇重现期以下）的中小降雨事件；小排水系统重点解决及时排除短时强降雨带来的径流量剧增，应对较大概率的短历时强降雨事件，一般在2～10年一遇降雨条件下达到“地面无积水”；大排水系统重点是对超标径流进行合理蓄、排，应对小概率的超强降雨事件，一般在10～100年一遇降雨条件下，满足“大雨不内涝”。海绵城市理论的系统性要求“3M”各系统之间在规划设计、标准应用、竖向控制等方面做好充分衔接，综合发挥效能（见图2），应对水生态与水安全问题。

城市内涝形成有内因和外因，内因是城市内部蓄、排不畅快，外因是流域洪水入侵或洪水位升高造成顶托。依靠“3M”系统解决内因引起的问题，应厘清各子系统在内涝防治过程中发挥的作用，并做好衔接，重点发挥大排水系统的“蓄排”作用；解决因洪水引起的入侵、排水不畅等问题，需要统筹综合“3M”系统与流域防洪系统的关系。“3M”系统通过减排、削峰、错峰来减小流域防洪压力，反过来通过合理的流域统筹管理，减轻洪水对城市的影响。要从全局出发，找出问题的根本，内外兼修，才能相得益彰。

  

表1“3M”系统对内涝防治的意义和要求

Tab.1 Significance and requirements of the“3M”system for urban flooding control

 

图2“3M”系统内部衔接及与防洪系统示意   

Fig.2 Diagram of“3M”system connection and connection between“3M”system and flooding control system

3 海绵城市理念下内涝防治系统构建

基于“3M”+流域防洪构建内涝防治体系已在业内形成共识，体系构建应以“径流峰值管控”为抓手有效衔接各子系统。水量不可压缩，城市内无限制地增大排水管网管径（投资大、加大下游压力）和设置储存空间（建设、运营维护成本高）是不现实的，需要通过全过程的“径流峰值管控”，在规划设计阶段合理“渗、滞、蓄、排”，“以时间换空间”，使径流在合适的时间处在适应的位置（有些地方积水不造成危害），才能有效治理城市内涝。

径流峰值管控的作用机理是对径流较大的瞬时流量进行控制，对集水区内超过排泄能力的径流雨水进行滞蓄，减小径流峰值并延长峰现时间，实现错峰排放，为下游设施（或下个子系统）提供充足的空间、时间来消纳径流而不致形成内涝灾害。径流峰值管控要求设计阶段做到两方面：一是各子系统径流峰值满足标准要求，各负其责；二是做好各子系统间合理衔接，全过程发力。在城市层面，微排水系统和小排水系统之间依靠“溢排口”衔接，常规下根据溢排口的外排峰值流量设计小排水设计重现期下的排水能力。大排水系统的设计重点是计算内涝防治重现期下，扣除上游微、小排水系统的能力之外的“蓄排”峰值流量。在流域层面，通过综合统筹流域上下游、左右岸关系，根据流域排水规划，分析城市水系统问题与流域的关系，制定相应的控制目标和技术策略^[3]，给各城市提前规划好允许外排流量，即城市径流雨水“出流管制”（见图3）。

图3 海绵城市理念下内涝防治体系各子系统关系   

Fig.3 Schematic diagram of relation between subsystems of urban flooding control under the sponge city concept

所谓“出流管制”，即为减小城市开发导致地表径流量增大给下游防洪带来的压力，根据流域河道防洪标准，充分发挥城市内部“3M”系统的“渗、滞、蓄”作用，对城市末端排入流域的流量进行管控（管控点也可是流域河道支流汇入点），实现城市外排流量小于流域河道允许排放量。就像早高峰（防洪标准）地铁限流一样，只允许固定人数进入（外排流量），超过允许外排的流量由城市内部“3M”系统消化。施行“出流管制”，一是保障防洪系统叠加城市外排流量后不超过既定的设计要求，二是利于相关管理部门分清权责，统筹管理。

3.1 源头减排（微排水）系统规模设计

微排水的系统的设计目标是恢复开发前的水文特征^[4]，一是以“年径流总量控制率”为设计控制指标，目的是控制径流体积和污染物总量，即“水质控制容积”（WQCV）；二是实现场地开发前后“径流峰值”满足管控要求，合理衔接下游小排水系统。

3.1.1 微排水系统设计

(1）明确微排水系统的指标意义。微排水系统通过“年径流总量控制率”和“径流峰值控制”两个指标达到相关标准、规范的要求。满足“年径流总量控制率”指标并不代表达到“径流峰值管控”要求。以“年径流总量控制率”指标设计规模对重现期小于1年的降雨事件具有较高的径流峰值削减作用，而对重现期大于1年的降雨事件，其消减效果有限（见图4）。以北京地区为例（计算结果见表2):70%年径流总量控制对应设计降雨量为19.4mm（只相当于0.25年一遇1小时降雨），以此计算得出设施规模，在高重现期降雨事件中，当降雨量累计达到19.4mm时，设施已完全发挥作用，但此时径流峰值仍未到来，随后产生的径流便直接溢流进入管网，并不会降低出流峰值。

(2）明晰“径流峰值管控”的要求。相关标准、规范对“径流峰值管控”有明确要求（见表3），虽各要求不同，但基本都提出“在特定重现期下”这个前提条件，实践中应注意。以《海绵城市建设评价标准》（GB/T 51345-2018）为例，其要求“雨水管渠及内涝防治设计重现期下，新建项目外排径流峰值流量不宜超过开发建设前原有径流峰值流量；改扩建项目外排径流峰值流量不得超过更新改造前原有径流峰值流量”。要实现雨水管渠重现期（2～10年）下的径流峰值削减要求，在满足“水质控制容积”的基础上，应适当增大设施的调蓄容积，即在溢排口（以下沉式绿地为例）上设置“调蓄高度”实现“径流峰值控制”要求。

图4 满足年径流总量控制率的设施对不同重现期降雨的控制效果（根据《Design of Urban Stormwater Controls》某一具体项目重绘）   

Fig.4 The control effect of the facilities meeting the volume capture ratio of annual rainfall in different return periods(Redrawn from《Design of Urban Stormwater Controls》)

  

表2 暴雨强度公式转换法转换结果（以北京地区为例）

Tab.2 The conversion result of rainstorm intensity by formula conversion method(taking Beijing as an example)

 

  

表3 相关标准对“径流峰值控制”要求

Tab.3 Requirements of related standards for“peak runoff control”

 

(3）统一规范要求。微排水系统规模（溢排口高度和“调蓄高度”）设计应依据“年径流总量控制率”和“径流峰值管控”两个指标要求确定。相关标准、规范对设施规模做了规定（见表4），但各要求不尽相同，后期应统一认识，规范指导。

3.1.2 微排水系统规模确定

如图5所示，微排水系统规模的确定分两步：

(1）确定设施底部距溢流口的高度h₁，根据容积法（设施容积=10 HφF）、结合设施面积计算得出。

(2）确定溢排口距地面的调蓄高度h₂和溢排口面积S，使用有限差分法进行计算，当入流I和出流流量过程线已知，可计算设施调节容积设施蓄水量V和出流量Q^（见式1,2）都是调蓄水深h₂的函数，通过演算后确定V和Q，进而确定h₂和溢流口面积S^[5]。

调蓄深度、溢排口面积和出流量三者之间是一个动态变化的过程，在满足场地条件的情况下，在特定重现期下，合理调整调蓄深度和溢流口面积后，用有限差分法演算设施出流过程线，可以得出外排峰值，从而判断在特定重现期下场地外排峰值是否满足“径流峰值管控”要求。

  

表4 相关标准、规范对“调蓄高度”的规定

Tab.4 Provisions of relevant standards and specifications on“regulating and storing height”

 

图5 微排水设施示意   

Fig.5 Schematic diagram of micro facilities

当出水口未完全淹没时，出流量采用堰流公式（1):

 

式中C_d———流量系数；

L_w———有效堰长，m;

h———堰上水头，m;

g———重力加速度，m/s²。

当出水口完全淹没时，出流量计算采用孔口出流公式（2):

 

式中A₀———孔口面积，m²。

值得注意的是：为优化溢排口在工程上的应用，建议各地结合本地特点，通过计算调蓄深度、溢口面积、流量三者关系，根据源头外排径流峰值管控要求确定不同规模型号的溢排设施（考虑溢排口在使用过程中会出现堵塞，为保障涵管充分排水，建议溢排口面积为连接涵管断面面积的3倍以上设定），形成本地通用产品，节约成本的同时便于后期设施的运行维护；利用排水软件可以快速模拟进出水流量过程，进而确定满足设计目标的设施规模，但目前常用排水软件中尚未嵌入溢排口出流计算的相关程序，建议相关从业者排水软件中增加“四周堰流”和“孔口流”的计算程序，可大大简化微排水系统的规模设计过程。

“年径流总量控制率”和“径流峰值管控”是微排水系统的两个重要指标，“年径流总量控制率”指标对内涝防治作用较小，“径流峰值管控”为相对更高的标准。要实现内涝防治重现期（20～100年）下的径流峰值削减要求，一般应在源头地块最大可行性设置调蓄空间，如设置分散式延时调节塘、多功能调蓄池等。

3.2 小排水系统设计

与微排水系统设计方法不同，小排水系统设计普遍采用合理化公式以推算出的最大峰值流量作为设计流量（强度法）。鉴于我国现行标准较国际上发达国家低，新建区要严格按《室外排水设计规范》（GB 50014）要求进行小排水系统设计，有效衔接上游微排水系统，使设计更偏安全。我国老城区普遍存在地下管网标准低、老化失修等现状，重新破土重修会带来投资巨大、社会影响大等一系列问题。应采用“源头微排水系统改造+部分管网维护+部分管网新建”的思路，经济、生态的达到规范要求。微排水系统可通过减小径流峰值流量、延缓峰值时间提高雨水管网设计重现期，但往往需设置大于规划管控要求的年径流总量控制对应的设施规模。无论新建区还是老城区，鼓励在源头因地制宜、最大可行性增大微排水设施的规模，提高小排水系统的设计标准（见图6）。

3.3 大排水系统设计

大排水系统由“蓄”“排”两部分组成，主要应对超过小排水系统设计承载能力的径流。其中“排”主要包括具备排水功能的道路、开放性沟渠、河道、泵站等排水设施，“蓄”主要包括地面多功能调蓄（公园、体育馆、广场）、大型调蓄池、深层调蓄隧道、天然水体等调蓄设施^[6]。大排水系统设计目标一是满足内涝防治标准，即在设计重现期下将超过管网排水能力的降雨径流安全排除、合理蓄滞，实现地面积水设计标准；二是通过合理“蓄排”，结合流域排水总体规划要求，确定城市最大外排流量限值（出流管制），缓解流域防洪的系统压力。大排水系统设计应依据积水位置、调蓄设施、大排水通道的位置，结合城市地形做好竖向衔接，最大限度地保护原有的河流、湖泊、湿地、坑塘、沟渠等蓄滞区，充分利用自然力量蓄排水。

图6 微排水系统提高管网设计重现期机理   

Fig.6 Mechanism diagram of micro system to improve design return period of drainage network

大排水系统的设计的重点是确定设计重现期下“排”“蓄”规模与内涝防治要求的平衡关系^[7]。排水规模计算先确定区域内涝防治标准，统筹小排水系统设计能力确定大排水设施排水能力，见式（3）。

 

式中Q_排（t）———“蓄排”设施的设计流量，L/s;

Q(t）———内涝重现期下径流峰值，L/s;

Q₁(t）———小排水系统重现期径流峰值，L/s。

调蓄设施的规模（调蓄体积）取决于其进出水最大体积之差，调蓄末端出流峰值不大于流域防洪系统允许排放量。如图7,0～t1时间段进水流量大于出流量，为调蓄设施充水过程，调蓄量不断增加；t1～t2时间段出流量大于进水量，为调蓄设施放水过程，调蓄量不断减小。t2时刻进出水量相等，此时出流峰值流量为城市出流管制排放限值。采用有限差分法计算调蓄设施规模或进行排涝泵站的设计。设计过程中应注意：当城市末端可通过重力流方式自由排出时，根据最大外排流量限值设计大排水系统的“调蓄”规模；当城市末端排水受到流域洪水位顶托时，需考虑各排水区的地形、出水口高程、洪水涨水到退水开闸的过程等，按洪、涝同期遭遇进行计算确定排水泵站流量规模。

图7 大排水系统调蓄设施削峰错峰机理   

Fig.7 Mechanism diagram of peak reduction and delay of storage facilities in major system

当汇水面积大于2km²，尽可能采用数学模型对产汇流过程、管网排水和地面漫流进行模拟，通过地表径流分析确定潜在的径流行泄路径、调蓄空间、积水深度、积水范围等信息，指导排蓄设施布局、设计。

3.4 衔接流域防洪系统

海绵城市“3M”系统主要着眼于城市，要解决城市雨洪管理问题，还要厘清城市内“3M”系统与流域洪水的关系，消除流域洪水对城市排水的影响。城市内涝和流域洪水彼此之间存在着复杂的联系：因雨致涝、因洪致涝、因涝致洪等多种情况^[8]。在汛期，由于暴雨历时长、雨量大，流域洪水与城市内涝往往同时出现，容易出现“因洪致涝”，这也是为什么有些南方城市建了海绵城市仍会出现“看海”的主要原因。城市“3M”系统可减缓流域防洪压力，防止“因涝致洪”：一是从源头上减少径流量的产生，同时减少排放；二是对排入防洪系统的径流起到削减错峰作用。同样，要避免流域防洪系统对“3M”系统造成影响，防止“因洪致涝”：一是不出现流域洪水对城市排水造成水位顶托，确保城市排水通畅；二是不出现流域洪水入侵城市。

图8 城市内涝防治体系构建   

Fig.8 Construction of urban flooding control system

做好衔接，一是在城市规划阶段加强竖向管控和调蓄空间、经路通道分配，合理确定建设选址和城市末端排口高程，最大限度降低流域洪水对城市的影响。二是要统筹好流域上游河道的径流削减（水库蓄滞洪、分洪等），减小洪水过境的峰值流量，推迟峰值出现的时间，不把上游问题转移到下游；三是充分发挥城市内部“3M”系统的作用，在各阶段进行径流峰值管控，确保不把本区域的问题转移到流域下游。“出流峰值管制”是“3M”系统与流域防洪系统衔接的有效抓手。城市需依据所属流域排水总体规划要求的确定允许排放量，这正是运用了“出流管制”的思路。“出流管制”是统筹流域防洪和城市排水防涝的科学管理思路，实践中如何具体实施需要各部门和相关技术人员共同谋划、通力协作。

3.5 体系构建

“3M+流域防洪”体系（见图8）应对内涝防治重现期下的暴雨，对于超过设计重现期的暴雨必须辅以非工程措施综合施策。非工程措施主要包括预警预报和抢险救灾等。一是借助智慧水务平台，加强易涝点、管网、外洪水位等数据的实时采集与传输，结合气象部门的气象水文资料，提前对超过内涝标准重现期下可能遭受内涝侵袭的区域进行风险分析，及时预警预报。二是综合协调协住建、水利、气象等相关部门，编制高精度的城市尺度内涝风险图，提前预判可能遭受的内涝风险，制定转移安置预案等。

4 结语

“增强防洪排涝能力，加快建设和完善城市防洪排涝设施体系”是“实施城市更新行动”一项重要内容，也是我国十四五规划解决排水防涝问题的要求。城市内涝防治应贯彻系统化的海绵城市理念，从源头到末端对径流峰值进行全过程管控，从而达到内涝防治要求。用海绵城市理念构建“3M+流域防洪”内涝防治体系，以“径流峰值管控”为抓手，并辅以非工程性的预警预报和抢险救灾等管理措施，是“用统筹的方式、系统的方法解决城市内涝问题”的重要体现，以期为我国科学推进排水防涝工作提供参考。

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赵丰昌