每到汛期, 国内城市就面临内涝防治的严峻考验。许多专家学者从不同角度分析城市内涝产生原因, 提出了许多对策和建议。本文从分析城市竖向规划与内涝防治关系着手, 结合案例介绍如何基于防涝思想优化传统竖向规划方法, 在城市开发建设后最大程度避免和减少由于竖向不合理带来的低洼区和内涝点, 并研发以道路作为内涝行泄通道的规划实用工具软件, 为城市竖向规划设计提供技术支持。

　　 城市竖向规划是指城乡建设用地内, 为满足规划区道路交通、排水防涝、建筑布置、城乡环境景观、综合防灾和经济效益等方面的综合要求, 对自然地形进行利用、改造, 从确定坡度、控制高程和平衡土石方等而进行的规划^[1]。竖向规划与内涝防治关系十分紧密, 竖向规划若没有充分考虑防涝需求, 十分容易造成内涝灾害, 例如城市中有不少低洼小区、低洼道路、下凹式立交桥等, 不仅向外排水困难, 而且周边地势高的地区客水大量汇入, 汛期经常发生严重积水。因此, 基于内涝防治思想开展城市竖向规划, 借助风险模拟分析, 在城市规划阶段, 提出竖向控制要求, 可以最大程度避免或减少日后的城市内涝风险。

　　 另外, 经文献调研, 美国和澳大利亚的城市排水系统是按照小排水系统和大排水系统分别进行规划建设的^[2,3]。小排水系统相当于国内的雨水管道系统, 一般用于排除重现期10年以内的降雨事件;大排水系统用于排除超过小排水系统设计排水能力时的地表径流, 大排水系统建设的目的在于应对重现期为10~100年的降雨事件。大排水系统通常由地表排水通道组成, 包括自然形成地表通道和人为设置地表通道, 通过地表排水通道, 城市内涝积水最终向自然或人工的受纳水体或设施排放。城市大排水系统, 即城市排涝系统, 需通过城市场地和道路竖向规划来构建。通过科学合理规划, 建设城市大排水 (防涝) 系统, 有利于提高城市内涝防治能力。

　　 以北京新首钢高端产业综合服务区 (以下简称新首钢) 为案例, 介绍基于城市内涝防治思想的竖向规划方法。新首钢总规划面积约8.6km², 其前身为全国十大钢铁生产基地之一, 随着北京市对环境保护的发展要求, 首钢进行搬迁改造, 而首钢原厂址则定位发展为石景山综合服务中心, 由传统产业向高端综合服务产业转变, 如图1所示。该区域地形地势为西北高、东南低。为了更好结合地形条件, 提高该地区的防涝能力, 开展了新首钢地区道路和场地竖向专项规划。

　　 为了更好地指导新首钢竖向规划工作, 在传统竖向规划方法基础上, 结合内涝防治思想提出以下优化方法和步骤, 并以此开展该地区竖向规划工作。

　　 (1) 现状和上位规划调研。对现状地形地势、现状河湖、现状建筑、现状铁路、公路、道路及现状文保区等资料进行收集与整理;对已编制完成的总体规划、用地规划、交通规划、排水规划、河湖规划及绿地规划等相关规划进行分析。提炼总结出编制竖向规划的边界约束条件。

　　 (2) 初步方案编制。基本符合原地形地势, 根据现状保留的建构筑物 (如工业遗产保护区建筑) 和河湖洪水位等情况, 为满足与已建或在建道路衔接、与铁路相交、市政管道覆土、环境景观、道路交通以及土石方平衡等要求, 初步确定道路变坡点和交汇路口控制标高, 以及按散水要求确定各个场地的地表高程。

　　 (3) 内涝风险模拟评估与方案优化。按初步方案修改原始地形DEM数据, 构建地表漫流水力模型, 在不同重现期降雨量中扣除初期损失量和相就管道排除量以后, 便可以概化模拟不同情景下的内涝积水风险。当模拟结果显示存在场地或道路严重积水点时, 需要针对积水点, 对初步竖向方案进行优化调整, 直到满足要求, 确定最终方案, 如图2所示。

　　 对新首钢现状地形、河道、道路、建设区以及用地规划、交通规划等调研资料进行分析, 总结出如下边界条件:

　　 (1) 应符合现状地形地势, 减少土石方量; (2) 应与用地控规与交通规划衔接, 应与新首钢外部道路衔接; (3) 应与现状已建设道路或正在建设道路衔接; (4) 应遵循现状保留场地的高程要求, 如文物保护及工业保护遗留区, 如图3和图4所示; (5) 新首钢西邻永定河, 应考虑区域竖向与洪水位的关系, 南邻人民渠 (凉水河的上游支流) , 应考虑区域排水与人民渠洪水位的关系; (6) 道路下重力流排水管道覆土要求是道路竖向规划的重要控制指标。

　　 在边界条件约束下, 按照不同道路等级、交通车辆行驶对纵坡要求以及场地散水标高要求, 先初步规划了新首钢地区规划道路和场地的竖向高程。

　　 接下来, 根据新首钢竖向高程初步方案修改现状DEM数字地形, 构建地表漫流水力模型, 开展内涝风险模拟评估, 模拟结果如图5所示。在重现期为50年一遇的降雨情景下, 新首钢地区道路存在11处严重积水, 最大积水深度约16~48cm, 其中3处为与铁路相交的下凹式立交桥区, 有8处为城市道路低洼路段。

　　 经分析, 与铁路相交的3处下凹式立交桥区, 除周边相连道路要求设置变坡点以外, 桥区本身竖向没有优化空间, 需要单独设防, 应按一桥一策、高水高排、低水低排、低水强排、客水截蓄等原则方法开展下凹桥防涝专项规划, 此处不再赘述。对于8处道路局部低洼路段, 可以通过优化调整其周边场地和道路竖向来解决积水问题。

　　 以新首钢2处道路积水点为例, 如图6所示。

　　 道路位置1为局部地区最低点, 周边均为建设用地, 如发生超过雨水管道排除能力的降雨, 该处涝水没有排除出路, 容易发生严重积水;道路位置2也是局部地区最低点, 然而, 其北侧规划有绿地, 如果适当降低北侧绿地高程, 规划为低洼绿地或干/湿塘等“海绵”蓄水设施, 就可以解决位置2处积水问题。对于道路位置1的积水问题, 解决方案一是调整用地, 规划在位置1周边设置绿地, 用于调蓄涝水;方案二是对位置1东侧局部路段进行竖向高程调整, 将涝水通过道路疏导排入下游最近的绿地调蓄区。最终推荐了方案二, 优化方案如图7所示。

　　 按上述优化思路, 针对道路积水点, 结合新首钢绿地规划方案, 对传统初步竖向规划方案进行了优化调整。优化以后的各条道路及交汇口处控制点高程、道路行泄通道以及相应蓄涝区布局如图8所示。

　　 最后, 根据土石方平衡原则, 对城市居住、公建、工业等场地竖向高程进行规划, 要求建设用地高程至少比周边道路高程的最低点高出0.2m^[1]。如果场地竖向高程不能调整, 应编制单独设防的专项规划。

　　 在城市大排水 (排涝) 系统中, 应地制宜地利用道路作为涝水行泄通道是防治道路积水及减轻周边区域内涝风险的有效措施之一, 这在上述新首钢竖向规划的案例中有所体现。然而, 如何对道路作为行泄通道时排涝能力进行定量计算, 能够更好地辅助规划设计, 是当前国内有待解决的问题。作者所在单位团队研发了城市内涝防治系统规划UFPCP (Urban Flooding Prevention and Control Planning) 辅助软件, 其中主要功能包含行泄通道的定量计算。

　　 UFPCP软件以Arcgis地理信息系统作为底层数据库的管理系统, 通过ArcEngine组件库进行程序的界面和模块设计, 并基于优化的SWMM模拟计算引擎, 实现管网设计及校核、内涝风险分析和防涝系统设计三大功能模块, 软件架构如图9所示。其中在防涝系统设计功能模块中, 有道路定线、道路坡度、道路高程、蓄涝容积等行泄通道相关规划设计辅助功能。

　　 将道路作为内涝行泄通道规划设计时, 道路横断面和纵向坡度应该以满足城市交通功能需求为前提^[4], 因此道路横断面尺寸是不能随意改变的, 可以根据行泄要求有允许范围内优化调整道路纵向坡度。

　　 行泄通道水力模拟计算原理简述为:将道路概化为复杂横断面形式的排水明渠, 以排水管网系统溢流水量过程线作为行泄通道的输入量, 采用运动波方法对系统上游各段流量进行汇流演算, 通过叠加计算的峰值流量和流速、水深等约束条件设计行泄通道纵向坡度, 并统计行泄通道周边和下游需要调蓄的涝水量。

　　 UFPCP软件在北京市东坝某片区防涝系统规划中进行应用。该地区是新开发区域, 内涝防治设计重现期为50年一遇, 规划雨水管道系统设计标准为5年一遇, 考虑将道路作为行泄通道, 将区域绿地作为涝水调蓄区即蓄涝区。该地区雨水管道系统规划布局如图10所示。根据地形地势、道路规划以及初步风险模拟结果, 行泄通道和蓄涝区布局方案如图11所示。在软件中构建的行泄通道水力计算模型, 如图12所示。

　　 雨水管网模拟计算采用等流时线和动力波方法, 模拟计算出各节点溢流水量过程线作为行泄通道水力模型的输入条件, 如图13所示。由于防涝设施设计标准高于雨水管网标准, 因此模拟行泄通道时, 地表径流系数考虑在雨水管网设计参数的基础上提高5%~25%^[5] (分别对应20~100年一遇降雨情景) 。在模拟过程中, 设计水深、流速、稳定系数和纵向坡度等参数需同时满足相应约束条件, 其中最大设计水深采用0.15m, 最大流速为2m/s, 最大稳定系数 (即流速×水深) 为0.3m²/s^[1], 最大纵向坡度必需满足道路的设计车速要求, 通过模拟计算, 可以得到行泄通道的优化坡度, 部分行泄通道的设计计算结果如表1所示。

　　 在UFPCP软件中, 行泄通道周边或下游蓄涝区调蓄容积通过行泄通道排放口流量过程线累加统计获得, 同时可以对调蓄设施长度、宽度和水深进行设计。

　　 行泄通道设计计算之后, 需要反馈优化调整地面的竖向高程, UFPCP软件将自动根据行泄通道纵向坡度计算道路和交汇口处的控制点高程推荐值, 如图14所示。

　　 (1) 在传统城市竖向规划方法中, 增加内涝风险模拟评估环节, 对城市道路和场地竖向初步方案进一步优化, 有利于最大程度避免和减少低洼区和积水点, 降低内涝灾害风险。

　　 (2) 研发将道路作为行泄通道时定量计算工具软件。结合地形地势, 以满足交通需求为前提, 在合理布局道路行泄通道和蓄涝区基础上, 工具软件可以对道路纵向坡度、流速、水深、调蓄量等进行计算, 并设计道路和交汇口处控制点高程。

　　 本文对城市竖向规划优化方法进行研究, 并研发工具软件, 旨在为城市大排水 (排涝) 系统规划设计提供了辅助支撑。