随着我国城镇化快速发展,由于城市开发强度过高,大量硬质铺装,改变了原有的自然生态本底和水文特征。城市每逢遭遇高强度降雨时,大量降雨在短时间内形成地表径流,大大增加了城市排水压力,经常出现“城内看海”现象,“逢暴雨必涝”已成为中国城市的真实写照。2010年住房和城乡建设部对全国351个城市的抽样调查显示,仅2008~2010年就有62%的城市发生过不同程度的暴雨内涝^[1] 。为此,2013年3月25日,国务院办公厅正式发布了《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);2013年6月住房和城乡建设部颁布了《城市排水(雨水)防涝综合规划编制大纲》(以下简称《大纲》),用于指导城市排水(雨水)防涝规划的编制。按照《大纲》要求,本文结合石家庄市平原缺水城市的特点,探索同类城市相关规划编制经验,为城市排水防涝决策提供技术支撑。

　　 (1)地势平坦。石家庄市中心城区地处华北平原,西邻太行山,北濒滹沱河,地势起伏较为平坦,自然地形由西北向东南倾斜,平均坡度约千分之一,海拔标高在44~129m。

　　 (2)降雨分布集中,年际变化较大。经统计计算(1970~2003年),石家庄市区丰水年(P=25%)降水量621.47mm,平水年(P=50%)降水量486.81mm,枯水年(P=75%)降水量400.33mm。石家庄市城区年平均降水量为516.2 mm,年最大降水量为1 097.1 mm(1996年),年最小降水量为226.1mm(1972年);月最大降水量为751.9 mm,出现在1963年8月;日最大降水量为359.3 mm,出现在1996年8月4日;一小时最大降水量为92.9 mm,出现在1967年7月29日。年降水时段主要集中在7、8月份,占全年降水量53%,夏季(6~8月)降水量占全年降水量的65%,见表1。

　　 (3)城市水系建设滞后,排水出路不完善。石家庄市城区水系建设史见表2,城区最早的排水出路基本以明渠为主,随着城市的发展大部分明渠被改成暗沟,比如建设大街明渠、方北明渠、中华大街明渠等。现状石家庄市城区主要的排水出路是民心河,建设于1997~1999年,主要包括总退水渠、元村明渠、东明渠、南栗明渠、桥西明渠、五支渠等。东南环水系工程建于2010~2011年,但由于东南环水系设计时纵坡为0,因此东南环水系仅具有水面调蓄功能。近些年石家庄市城区继续往东西方向扩张,但伴随着城市建设,水系建设严重滞后。西二环以西区域,历史上存在四支渠排水通道,而现在四支渠路由已逐渐被填埋、盖板,部分渠段上方已建有大量住宅,完全丧失了排水能力;东部开发区目前排水主要通过管网排入环山湖,而环山湖为一封闭水域,下游没有退水出路,雨水只能通过入渗、蒸发消耗处理,环山湖的容量完全满足不了开发区的排水需求。目前城市严重缺乏排水退路,现状老城区排水主要依靠总退水渠的退水能力,目前总退水渠承担了约138km²建成区的排水,但最大设计流量仅为175 m³/s,排水能力已远远不能满足现状排水需求。

　　 (4)城市水系排水与景观功能冲突。现状城市水系主要是民心河,民心河承担着石家庄市城区重要的水景观功能,民心河补水主要来自上游水库补给。目前民心河沿岸共布置有61个排水闸门,平时雨季为了防止初期雨水污染民心河水质,闸门基本处于关闭状态,丧失了民心河本身的雨水调蓄与排放功能。

　　 (5)排水系统受铁路分割严重,地道桥较多,多为内涝多发区。石家庄市是中国特大铁路枢纽之一,被誉为“火车拉来的城市”,东西向有石德铁路、石太铁路分布,南北向有京广铁路分布。受铁路系统分割,目前石家庄市城区共12个排水系统(见图1)。由于铁路的分割,与铁路交叉的道路多以地道桥形式存在,现状城市共有37座排水泵站,其中36座为地道桥泵站。地道桥由于地势低洼多为内涝多发区,2010年7月31日,体育大街地道桥由于内涝出现2人伤亡事件。

　　 (6)城市排水管网基础差,标准低。石家庄市现状雨水管道重现期一般取1年,但是在建设中由于城建资金较紧张,部分雨水管道没有按照规划标准形成,并且在建设过程中存在错接、乱接现象。石家庄市现状中华大街、平安大街、建设大街等南北向主干管所承担的雨水汇水区面积约3~4km²,而主干管管径多在2.5m以下,如果按照汇水面积3km²,管网坡度0.8‰,设计标准2年一遇估算,雨水主管网最大尺寸约3.6m×2.8m的方涵。因此现状雨水主干管由于汇水分区大,管径小,再加上汛期降雨时间短、降雨强度大等特点,排水能力不足,易引发城市内涝。

　　 结合石家庄市的降雨、土壤、水资源等因素,综合考虑石家庄市排水系统的特点,制定石家庄市解决城市排水和内涝问题的总体思路如下:

　　 (1)摸现状,识别问题。充分调研石家庄市排水管网、水系等排水设施现状,以及现状内涝区产生的主要原因,结合石家庄市排水系统存在的问题对症下药。

　　 (2)建模型,科学评估。建立石家庄市中心城区雨水管网、河道和地表的耦合模型,对于不同重现期下的降雨进行模拟,分析现状雨水管网排水标准,以及划定城市内涝风险区。

　　 (3)识风险,支撑规划。结合内涝风险评估,划定不同等级的内涝风险区,科学分析内涝产生的原因,为规划方案的制定提供科学支撑。

　　 (4)拓出路,确保畅通。针对石家庄市西部四支渠片区以及东部新建地区缺乏排水出路的问题,规划恢复四支渠排水通道,同时在新建开发区合理布置排水水系,尤其是要确保目前排入环山湖的雨水、部分排入东南环水系的雨水和一部分汪洋沟排水系统的雨水能够通过规划新建退水明渠,汇入到洨河,确保石家庄中心城区东部的排水安全。

　　 (5)调分区,重划流域。将现状流域分区适当缩小,对于分区过大的部分,采用增加主干系统等方式进行改造,原则上一个子排水分区的面积在2~5km²左右,确保在3年雨水设计重现期下能够通过暗涵的方式排入受纳水体。

　　 (6)治内河,提升能力。目前部分河段尤其是东明渠排水能力严重不足,再加上为了追求景观效果,河道上设置了诸多的闸坝,部分闸坝严重影响了河道的过流能力,需要在模型支持下进行综合整治,确保排水通畅。

　　 (7)改主干,梳理系统。石家庄市地势平坦,管网设计坡度较小,汇水区的大小直接影响着主干雨水管网的建设规模。同时,老城区管网由于全面提标比较困难,因此结合排水分区调整,适当改建主干管网,实现“四两拨千斤”的效果。

　　 (8)提标准,对接规范。由于历史原因,石家庄市现状排水管网的标准大部分不能满足1年一遇,这不仅不能满足我国《室外排水设计规范》(GB50014—2006,2014年版)中的要求,也不能满足石家庄当前经济社会发展中市民对于城市排水的期望和诉求,本次规划中需要提高城市新建排水管网的排水标准,并且通过合理的措施,提高现状管网的排水能力。

　　 (9)控源头,削减径流。石家庄市作为缺水城市,近些年地下水水位以每年1m的速度在下降,而且目前中心城区不透水面积过大,导致综合径流系数偏大,降雨时大量雨水外排,城市现状排水设施无法承受,与此同时,石家庄市又是一个缺水城市。通过低影响开发措施等一系列的措施,促进雨水下渗,不仅能起到降低降雨径流的峰值流量,延滞峰值来临时间,更能够补充地下水。

　　 (10)修调蓄,治理积水。针对地道桥等积水区,因地制宜的选择空间,合理布置调蓄设施,结合排涝泵站建设,系统治理积水区域。

　　 整体技术路线见图2。

　　 本研究通过MIKE21和ARCGIS建立二维地表模型;通过MIKE URBAN和ARCGIS建立雨水管网模型;通过MIKE11建立河道模型。城市雨水管网排水能力评估以及内涝风险评估,是在3个模型的基础上,通过MIKE FLOOD平台进行耦合计算,并通过相关统计得到的结果,MIKE FLOOD城市内涝风险评估模型构架见图3。MIKE FLOOD模型在耦合运算中,MIKE URBAN模块和MIKE21的水力信息交互是双向的。通过MIKE FLOOD这种实时的全面的交互式模拟能够准确呈现地表径流形成的过程,管网溢流的过程,以及地面积水的过程,能够比较客观、科学的评估城市内涝风险。

　　 基于MIKE URBAN模型,石家庄市雨水管网分别采用1年一遇、2年一遇、3年一遇和5年一遇降雨进行评估,通过管网模型综合运算,采用linkflood方法对管网进行评估。

　　 经过统计分析,石家庄市雨水管网排水能力小于1年一遇的比例为64.5%,仅28.9%比例的雨水管网排水能力大于2年一遇。石家庄市现状管网排水能力评估结果具体见图4。

　　 基于MIKE FLOOD耦合模拟结果,在不同暴雨重现期降雨事件下,结合城市地表积水时间和积水深度,城市内涝风险评估采用双因子评估方法,总体将内涝风险划分为3类:内涝低风险区、内涝中风险区和内涝高风险区。石家庄市内涝风险矩阵表见表3。

　　 利用ARCGIS软件对模拟结果进行统计,通过对每个区域内涝积水时间和内涝积水深度进行分析,绘制出石家庄市10年一遇、20年一遇和50年一遇2h内涝风险区划图,其中50年一遇内涝风险图5。

　　 由内涝风险区划图可知,石家庄市内涝风险高风险区主要集中在和平西路与京广铁路交叉区域,东部环山湖附近区域,其余高风险区主要分布在地道桥区域。

　　 内河水系综合治理总体方案是西部恢复四支渠;中部连通石津南支渠与东明渠;东部新建高速公路西明渠、南石明渠、产业区明渠、滹沱河排水通道等排水水系;整治现状汪洋沟(见图6)。主要河道规划方案如下。

　　 (1)四支渠。近年来中心城区西侧城中村改造占据了原有四支渠,导致该区域雨水通过管道排入五支渠,增大了五支渠排水压力。规划整治四支渠,沿苑东街、西王街、苑西街、吉恒街等规划道路,最终接入南泄洪渠。四支渠为梯形断面,断面宽度12~15m,最大深度3.5 m,总长10.4km,渠道坡度0.4‰~0.8‰。四支渠汇水范围为南水北调中线干渠与四支渠之间、四支渠以东部分地区,汇水总面积约为16.3km²。

　　 (2)东部退水明渠。东环水系以东与东石环路之间大部分地区属于相对独立的排水系统,总面积约为38.3km²,现状北部地区排入环山湖,利用公园水面调蓄雨水,其余地区雨水无明确排放出处。规划新建东部退水明渠,北起环山湖,沿燕山大街至方郄路,向东至东石环路西侧,沿东石环路往南,沿化工南路向东,下游接入洨河。东部退水明渠断面为梯形断面,断面宽度20~35 m,最大深度4.5 m,总长约16.5km,渠道坡度0.4‰~0.8‰。东部退水明渠连接东环水系、环山湖,收集该排水系统雨水。

　　 (3)南石明渠。东南环水系主要为景观水体,渠底坡度平缓,排水路径较长,排水能力较弱。规划新建南石明渠,以东南环水系与京港澳高速交叉口的东南角为起点,连接东南环水系,沿南石环路向东汇入东部退水明渠,增加东南环水系向下游的排水流量,提高东环水系雨水分区内的内涝防治水平。南石明渠断面为复式断面,断面宽度16 m,最大深度4.5m,总长约6.7km,渠道坡度0.3‰~0.5‰。南石明渠建立了东环水系与东部退水明渠之间的连接通道,能及时有效地降低东南环水系的水位,增强东南环水系的蓄排能力。

　　 (4)高速公路西明渠。石津干渠以南、东二环以北、东明渠以东、京珠高速公路以西大部分地区现状排水主通道为东二环路雨水主干管,排水压力较大,东二环路两侧易积水,规划沿京珠高速公路西侧,新建一条明渠,向南接入南环水系,明渠断面为梯形断面,断面宽度14~20 m,最大深度4.5 m,总长约9.2km,渠道坡度0.3‰~0.9‰,主要承担石津干渠以南、东岗路以北、谈固大街以东、京珠高速公路以西片区的雨水排放,汇水面积约为15.8km²。

　　 规划区内雨水受纳水体众多,按照地形地势、规划水系、城市建设时序等划分为五支渠、四支渠、南泄洪渠、桥西明渠、东明渠、元村明渠、南栗明渠、总退水渠、石津渠、滹沱河、东环水系、南环水系、高速公路西明渠、东部退水明渠、汪洋沟、产业区东明渠16个雨水分区(见表4)。在雨水分区的基础上,结合雨水主干管、次干管布局,进一步细化雨水分区,优化雨水排除路径,提高雨水系统排水效率。规划在石家庄中心城区、良村开发区、化工基地等重点区域,划分173个排水子分区。

　　 城市新建、改建雨水管渠的设计标准、径流系数等设计参数,根据《室外排水设计规范》(GB50014—2006,2014年版)的要求确定。其中,径流系数应该按照不考虑雨水控制设施情况下的规范规定取值,以保障系统运行安全。

　　 对于现状雨水管网,由于雨水管网的系统性非常强,其设计标准的提升要求上下游各管段在能力应相互匹配,一般单独对个别管段进行提标改造意义不大,故本规划不要求专门对现状雨水管线进行大规模的提标改造,而是要求在道路改建或雨污分流改造时,相应的雨水管渠按新标准进行建设,以逐步实现整个雨水管网系统的提标。

　　 规划新建13个排水(雨水)泵站,主要集中在地道桥、下穿式立交桥处以及排水明渠入滹沱河河口附近;对现状9个排水(雨水)泵站实施改造,详见表5。

　　 调蓄设施的布局综合考虑内涝风险区的分布;结合地道桥、立交桥等积水点;就近排水主干管网系统布置;结合现状及规划用地空间布局。

　　 调蓄设施主要包括地面调蓄设施和地下调蓄设施(见图7)。地面调蓄设施利用公园内水体等做为削减峰值雨量的调蓄空间,由湿地、草坪广场和游戏广场等雨水可渗入的设施组成。规划设置地上调蓄设施16处,调蓄容量共计36万m³。

　　 综合考虑可实施性,减少占地,地下调蓄设施尽量结合城市公园绿地布局,在其下方设置。规划设置35座,调蓄容量共计14万m³。

　　 石家庄市中心城区地势平坦,降雨分布集中,排水通道较少,地道桥较多,排水管网基础差,遭遇高强度降雨易出现城市内涝,具有典型的平原地区城市排水系统特点。城市的排涝需要管网、水系、行泄通道、泵站、调蓄设施等综合性排水系统解决,针对石家庄市的特点,提出了优先解决排水出路,科学划分排水分区,提高管网和泵站建设标准,合理布置调蓄设施的系统性解决策略。

　　 内涝风险评估是规划方案制定的基础,通过MIKE 21、MIKE URBAN、MIKE 11模块建立二维地表漫流模型、雨水管网模型和河道模型,通过耦合运算对雨水管网排水能力和内涝风险进行了科学评估,为城市雨水管网管理和内涝风险控制提供技术支撑。

　　 石家庄内涝问题的解决重在构建大排水系统,大排水系统的关键之处在于排水出路的解决。规划恢复四支渠;连通石津南支渠与东明渠;新建高速公路西明渠、南石明渠、产业区明渠;整治现状汪洋沟等一系列排水通道。这些水系治理方案的落实是石家庄市排水系统建设的重点。

　　 地道桥等局部内涝点的解决应结合管网改造,泵站提升,调蓄设施的建设综合整治。地道桥汇水区重在通过合理的管网系统和适当的竖向调整,控制桥区客水水量的汇入。