王紹征,申國(guó)朝,劉慶宇
(鄭州市市政工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,河南鄭州450000)
鄭州市位于河南省的中部,是河南省省會(huì),地處北溫帶,屬大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,多年平均降雨量632.4 mm,降水量年內(nèi)分配極不均勻,夏季多雨,汛期7~9月3個(gè)月占年降水量的54.6%。汛期降雨的過分集中導(dǎo)致城市雨水危害加劇,內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā),市區(qū)部分地區(qū)和路段雨季經(jīng)常出現(xiàn)積水現(xiàn)象,造成交通阻斷,市民出行困難,也嚴(yán)重威脅著人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前鄭州市中心城區(qū)遭遇強(qiáng)降水時(shí),易造成道路斷行及嚴(yán)重積水的主、次干道,立交橋路段尚有積水區(qū)域22處。
鄭州市隴海路京廣路積水區(qū)位于隴海路、京廣路一帶,為鄭州市的三大積水點(diǎn)之一,歷經(jīng)多次治理未能解決。其匯水范圍西起金水河,東至京廣鐵路、熊耳河西支,南起航海路,北至中原路,面積約7km2。嚴(yán)重積水面積約30000 m2,京廣路口積水深度約60 cm,路口東側(cè)京廣鐵路立交被全部淹沒,造成交通斷行,退水時(shí)間約10 h。圖1為積水區(qū)匯水范圍示意圖。
區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有雨水強(qiáng)排泵站一座,流量4.72 m3/s。雨水立交泵站一座,流量1.53 m3/s。雨水出水口14個(gè),出水總能力23.07 m3/s。除康復(fù)前街等個(gè)別路段外,市政道路均設(shè)有雨水管渠,雨水管網(wǎng)覆蓋率達(dá)90%以上,雨水排放出路為金水河和熊耳河。
隴海路與京廣路積水區(qū)是自然條件、城市建設(shè)、城市管理等多種因素造成的。
(1)積水區(qū)地勢(shì)低洼,降雨不易排出。
匯水區(qū)域內(nèi)地勢(shì)西高東低,西側(cè)自然地形標(biāo)高為109.17 m,東側(cè)地形標(biāo)高為101.5 m,地形坡度約為0.0025,積水區(qū)位于匯水區(qū)域的最低點(diǎn),當(dāng)雨水管渠滿負(fù)荷后,地表徑流沿地勢(shì)迅速匯集到該區(qū)域,形成積水。
(2)氣候異常,暴雨空間分布極不均勻,出現(xiàn)頻率增長(zhǎng)。
2007年政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)指出:全球的極端天氣事件已經(jīng)變得更普遍,包括暴雪、暴雨、大旱、熱浪天氣和熱帶風(fēng)暴。2007年6月4日《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家方案》中提出:氣候變化伴隨的極端天氣氣候事件及其引發(fā)的氣象災(zāi)害增多。
鄭州市也不例外,近年來極端天氣狀況出現(xiàn)也是越來越頻繁,如2007年8月2日,局部降水量達(dá)到100 mm;2008年7月13日20:00至14日5:00,局部降水量達(dá)到173.5 mm;2009年6月27日,短短1 h內(nèi),鄭州市區(qū)有5個(gè)觀測(cè)站的降水量在50 mm以上,局部最大降水量達(dá)到70.5 mm。2009年8月2日3 h降水達(dá)53 mm,8月4日晚,鄭州市再次出現(xiàn)暴雨,降水量達(dá)到85 mm等等。同時(shí),由于城市形成的熱島效應(yīng),使夏季大氣對(duì)流活動(dòng)在城區(qū)附近得以加強(qiáng),也增加了局部大暴雨發(fā)生的機(jī)率。
這種降雨的不均勻性使原設(shè)計(jì)時(shí)采用的暴雨強(qiáng)度q的取值與實(shí)際相比偏小,雨水管渠斷面不足。
(1)從圖1可以看出,京廣鐵路由西北向東南方向從積水區(qū)東側(cè)穿過,分別與金水河與熊耳河相交,阻斷了原有地面排水系統(tǒng),導(dǎo)致地面雨水無法沿自然地勢(shì)向東排放,全部匯集在京廣路口和鐵路立交處,嚴(yán)重積水。
(2)該區(qū)域現(xiàn)有雨水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低,大多數(shù)排水管道設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為0.5 a,甚至更低,無法滿足一般地區(qū)1~2 a一遇、重要地區(qū)2~3 a一遇的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)核算,目前該區(qū)域雨水管出水總能力為23.07 m3/s,而按2 a一遇標(biāo)準(zhǔn)雨水管所需出水能力為43.63 m3/s,缺口較大,這也是鄭州市其它積水點(diǎn)普遍存在的問題。
造成設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低的原因,主要有以下幾點(diǎn):一是受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)能力限制,壓縮投資規(guī)模,降低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);二是隨著建成區(qū)的不斷擴(kuò)大,雨水管渠缺乏總體規(guī)劃,被動(dòng)地從已有干管向上游延伸方式,匯水面積不斷增大,造成干管超負(fù)荷,雨水排放受阻。當(dāng)暴雨超過該標(biāo)準(zhǔn)時(shí),管道排水能力不足。
(3)隨著城市的大規(guī)模建設(shè)和快速擴(kuò)展,區(qū)域內(nèi)被建筑物、道路和地面硬化所占據(jù)的面積比例越來越大,綠化面積和透水面積越來越小,改變了原有的下墊面,使得不透水層面比例增長(zhǎng),地表綜合徑流系數(shù)與原來相比增長(zhǎng)明顯。
根據(jù)排水規(guī)范,非鋪砌土路面徑流系數(shù)0.25~0.35,綠地徑流系數(shù)為0.10~0.20,而硬化和屋頂?shù)膹搅飨禂?shù)為0.55~0.95。由于地面性質(zhì)變化產(chǎn)生的雨水徑流量差別有2~3倍之多。
(4)雨水泵站收水范圍擴(kuò)大,導(dǎo)致抽升能力不足。
一般立交泵站的收水范圍按立交范圍內(nèi)考慮,高水高排,低水低排,在立交兩側(cè)設(shè)置截水駝峰,防止外水進(jìn)入。但在實(shí)際運(yùn)行過程中,雨量較大時(shí),隨著周邊地區(qū)積水深度的增加,最終越過截水駝峰。
隴海鐵路立交泵站最大抽升能力為1.53 m3/s,立交區(qū)域內(nèi)的匯水面積為2.25 hm2,按暴雨重現(xiàn)期20 a,綜合徑流系數(shù)0.9考慮,設(shè)計(jì)流量為0.85 m3/s,如立交內(nèi)積水,最大蓄水量達(dá)18000 m3,如按0.85 m3/s流量計(jì)算,抽水時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5.88 h,此值還未考慮中間雨水注入的補(bǔ)充量,泵站設(shè)計(jì)規(guī)模偏小。
此類積水點(diǎn)還有如鄭州市二環(huán)支路立交、城東路立交等,均是這種情況,導(dǎo)致泵站排水時(shí)間延長(zhǎng),積水不能及時(shí)排除。
(5)區(qū)域內(nèi)地勢(shì)原因天然形成的排水明溝走向一般較不規(guī)則,多從規(guī)劃地塊中通過,影響地塊使用,因此,在城市發(fā)展過程中或被取消,或被改成暗涵后占?jí)?,堵塞?yán)重,過水能力減小,維護(hù)困難,嚴(yán)重影響區(qū)域內(nèi)的雨水排放。如鄭州市健康路明溝、沙口路明溝等,均已被占?jí)?,?nèi)部堵塞嚴(yán)重,過水?dāng)嗝鏈p小,無法正常發(fā)揮作用。
(6)部分道路雨污水設(shè)施未能配套建設(shè),仍存在無雨水管道或雨污水合流的現(xiàn)象,如康復(fù)前街,目前僅有d300~500 mm合流管,不能滿足流量要求。
(1)雨水口雨季由于落葉等雜物影響,收水能力減弱。
沿街單位、個(gè)人向雨水口內(nèi)傾倒垃圾現(xiàn)象普遍,現(xiàn)狀雨水管渠普遍淤積嚴(yán)重,過水?dāng)嗝娌糠止芫€不足一半。根據(jù)調(diào)查,此現(xiàn)象在商業(yè)較為發(fā)達(dá)的城市支路尤為明顯。造成管內(nèi)無水,地面積水。積水區(qū)鐵路局范圍內(nèi)雨水支管較為完善,但雨水箅子堵塞嚴(yán)重,喪失收水功能,是地面積水的主要原因。
(2)雨水管道下游河道與雨水管道分屬不同部門管理,協(xié)調(diào)困難。
出于城市河道景觀要求,河道上設(shè)有橡膠壩等蓄水構(gòu)筑物。如雨季時(shí)閘壩放水不及時(shí),造成河道水位偏高,雨水管渠出水不暢。如興華南街出水口,下游緊臨橡膠壩,蓄水時(shí)出水口被完全淹沒,雨水管只能靠壓力出流。
(3)雨水管渠建成后移交不及時(shí),影響正常使用。
部分雨水管渠建成后由于各種原因未能正常移交市政管理部門,管道內(nèi)垃圾未能及時(shí)清理,管道接口、基礎(chǔ)、檢查井存在質(zhì)量隱患,維護(hù)責(zé)任單位不明確,影響正常使用。
根據(jù)以上分析,可見造成城市積水的原因是多種多樣的,對(duì)積水區(qū)的治理方法也應(yīng)采用多種手段,應(yīng)該用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法,進(jìn)行綜合治理。而且,應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到城市的積水問題的解決是相對(duì)的。鄭州市的治理目標(biāo)是:中雨不積水,大雨不斷行,暴雨有對(duì)策。下面仍以鄭州市隴海路京廣路積水點(diǎn)為例,對(duì)鄭州市積水區(qū)的治理方法進(jìn)行探討。圖2為積水區(qū)治理方案。
(1)改造道路豎向坡向,為地面雨水徑流尋找出路。
城市雨水的排泄出路主要有地表徑流和管道輸送兩種形式,雨水管道設(shè)計(jì)時(shí)是按照區(qū)域的重要程度,按不同的重現(xiàn)期設(shè)計(jì)的。當(dāng)降雨量超過設(shè)計(jì)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)時(shí),多余雨水以地表徑流的形式沿路面向地勢(shì)低洼處排放。因此,路面排水的作用非常重要。京廣路隴海路積水點(diǎn)積水的重要原因之一就是路面排水被京廣鐵路阻斷,最終匯集在路口洼地,造成長(zhǎng)時(shí)間積水。經(jīng)調(diào)研,京廣鐵路西側(cè)有一條小趙寨東街,北起隴海路,南至熊耳河,全長(zhǎng)約500 m,現(xiàn)狀南高北低,高差1.3 m,擬北側(cè)高程不變,南側(cè)全線下挖,形成由北向南排水通道,進(jìn)入熊耳河,解決路面排水問題。
(2)增設(shè)或改造雨水管渠,提高輸水能力和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
如前所述,區(qū)域內(nèi)雨水管渠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低,需提高標(biāo)準(zhǔn)。因此,以最小的工程量使設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)是研究的方向。我們采用的方法是對(duì)原有排水系統(tǒng)進(jìn)行分割截流,在原有系統(tǒng)內(nèi)中段增設(shè)雨水干管,將上游來水截入新建干管內(nèi),這樣上游來水截流后,下游管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)提高,同時(shí)改造的路段大大減少。如在大學(xué)路設(shè)雨水干管,把大學(xué)路以西雨水全部截流,以東雨水管經(jīng)核算基本滿足2 a一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),并有效地減少了對(duì)原有道路的破壞。
(3)減少鋪裝,加大綠化面積,大力推廣屋頂綠化。
鄭東新區(qū)為鄭州市新建區(qū)域,2002年開始規(guī)劃建設(shè),目前起步區(qū)33 km2已基本建設(shè)完成。鄭東新區(qū)雨水系統(tǒng)基本按重現(xiàn)期1~2 a設(shè)計(jì),標(biāo)準(zhǔn)并不高,但自建成以來,當(dāng)老城區(qū)雨季嚴(yán)重積水時(shí),東區(qū)基本無積水現(xiàn)象,究其原因,較高的綠化率功不可沒,大量雨水下滲,減少了地表徑流,同時(shí)也補(bǔ)充了地下水資源。
針對(duì)老城區(qū),硬化面積較大,雨水下滲少,原有建筑較為密集,增加綠化面積難度較大等現(xiàn)狀,近年來出現(xiàn)的屋頂綠化技術(shù)可很好地解決這一問題。屋頂綠化通常由隔根層、蓄排水層、輕質(zhì)土壤種植層四層組成(見圖3)。配置合理的屋頂綠化系統(tǒng),能夠有效地截留雨水,減輕城市污水排放壓力;改善生態(tài)環(huán)境,夏季能減輕太陽輻射強(qiáng)度,緩解城市局部熱島效應(yīng);冬季具有保溫作用,可降低能源消耗。通過屋頂綠化,可使屋頂雨水排泄量減少70%以上。
(4)改造河道,避免雍水。
城市雨水的最終受納水體為流經(jīng)城市周邊的河道,河道內(nèi)水位應(yīng)適當(dāng)降低,這樣才能保證雨水的順利排放。通過下切河床或加寬河面寬度,可使河道行洪能力增加。
(5)增設(shè)雨水強(qiáng)排泵站。
對(duì)于重要地區(qū),為提高除澇標(biāo)準(zhǔn),降低積水概率,必要時(shí)可增設(shè)雨水強(qiáng)排泵站,自流排放與泵站提升相結(jié)合。
(1)加強(qiáng)對(duì)雨水系統(tǒng)的管理,保證排水功能的正常使用。
根據(jù)調(diào)查,積水區(qū)域內(nèi)很多雨水箅子和支管堵塞嚴(yán)重,過水?dāng)嗝娌蛔阋话?,甚至完全堵死。道路清掃垃圾和沿街商鋪的隨意傾倒是主要原因。應(yīng)加強(qiáng)管理措施,出臺(tái)可操縱性強(qiáng)的實(shí)施辦法,杜絕此類現(xiàn)象的發(fā)生。
(2)統(tǒng)一管理,統(tǒng)一調(diào)度,保證汛期雨水排放。
把城市道路、管線、明渠、河流、蓄水排水構(gòu)筑物等做為一個(gè)整體來綜合整治,避免人為因素導(dǎo)致出水不暢,造成積水。
(3)強(qiáng)化工程施工質(zhì)量管理,理順交接程序,保證雨水工程順利移交,使其盡快正常發(fā)揮作用。
為避免新的積水區(qū)出現(xiàn),在城市建設(shè)過程中應(yīng)注意:
道路豎向規(guī)劃應(yīng)充分考慮地表徑流的影響,避免出現(xiàn)最低點(diǎn);立交泵站規(guī)模應(yīng)按城市除澇標(biāo)準(zhǔn)對(duì)立交積滿水后泵站抽升時(shí)間進(jìn)行核算;透水結(jié)構(gòu)在人行道、廣場(chǎng)鋪裝中的應(yīng)用越來越多,好處一是有利于雨水下滲補(bǔ)充地下水,二是減少地表徑流;樹立“生態(tài)環(huán)保”的設(shè)計(jì)理念,遵循自然規(guī)律,城市發(fā)展過程中把對(duì)原有水文水系的影響和破壞降到最低點(diǎn),包括地表徑流系數(shù)的影響,河道走向的影響,天然蓄水區(qū)的影響等多方面。
城市在發(fā)展過程中形成的積水區(qū)對(duì)人民的生產(chǎn)、生活會(huì)造成很大的影響,甚至?xí)斐缮?cái)產(chǎn)損失,應(yīng)引起足夠重視。積水區(qū)形成的原因是多種多樣的,包括自然地形地貌、河流水系、城市規(guī)劃建設(shè)、城市管理等多方面原因。要解決城市積水問題,需從降雨的源頭開始,采取規(guī)劃、工程、管理等綜合治理措施,對(duì)降水實(shí)行下滲、調(diào)蓄、導(dǎo)排、調(diào)峰等多種手段,并在各部門密切配合下,才能有效地解決城市積水問題。