資 強(qiáng)，楊仲韜，楊 洋，楊 宇

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司,天津市 300110）

1 概 述

隨著城鎮(zhèn)化的迅猛推進(jìn)，城市內(nèi)澇防治成了汛期防災(zāi)減災(zāi)的“新課題”。城市建設(shè)是人們利用自然改造自然，實(shí)現(xiàn)人類歷史發(fā)展的必然途徑。城市建設(shè)必將導(dǎo)致硬化地面的增多，天然水系、坑塘、洼地等天然雨水滯蓄單元的減少，將加大城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。因此，合理規(guī)劃和建設(shè)排水設(shè)施，保護(hù)和整合現(xiàn)有天然雨水滯蓄單元，對(duì)雨水進(jìn)行有組織的排放是降低內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的有效途徑[1，2]。

雨水系統(tǒng)規(guī)劃就是要針對(duì)設(shè)定的排水目標(biāo)，確定排水體制、對(duì)雨水排泄路徑進(jìn)行合理組織，對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃布置，確定排水設(shè)施的走向、規(guī)模，以保障城市排澇安全。雨水系統(tǒng)規(guī)劃應(yīng)借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的排水理念，遵循蓄、滲、滯、排相結(jié)合的原則，因地制宜，合理構(gòu)建城市排水系統(tǒng)。利用低影響開發(fā)設(shè)施對(duì)城市降雨水量和水質(zhì)控制具有重要意義[3]。

我國(guó)幅員遼闊，南北城市氣候差異很大，全國(guó)各地降水量變化很大，東南沿海地區(qū)全年多雨，年降水量一般在1 500mm以上，而西北內(nèi)陸地區(qū)年降水量為100～200mm。許多北方城市的全年的降水大多集中在汛期的幾場(chǎng)降雨。因此，北方城市對(duì)排水設(shè)施的利用率較低。對(duì)于北方城市，尤其是西北干旱地區(qū)城市的雨水排水系統(tǒng)的構(gòu)建時(shí)，應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)、降雨特征、土壤滲透性、地下水位情況等進(jìn)行充分了解的基礎(chǔ)上，在保證城市排水安全的前提下，盡量利用自然排水體系和海綿設(shè)施，減少排水管渠的投資。充分利用地形，建設(shè)綠色道路系統(tǒng)進(jìn)行雨洪控制[4]。同時(shí)，為保證城市排水系統(tǒng)順暢，應(yīng)做好管網(wǎng)、河道、水系網(wǎng)絡(luò)的銜接。

本文以新疆烏昌新區(qū)五一新鎮(zhèn)為例，對(duì)干旱地區(qū)城市雨水系統(tǒng)規(guī)劃的方法和要點(diǎn)進(jìn)行闡述。

2 城市概況

2.1 城市基本情況

烏昌新區(qū)地處新疆北部，東南鄰烏魯木齊地窩堡國(guó)際機(jī)場(chǎng)，距烏魯木齊市中心28 km，西與昌吉市毗鄰，北靠昌吉回族自治州，南緣烏昌大道。五一新鎮(zhèn)屬中溫帶半干旱大陸性氣候，區(qū)域年平均氣溫6.4℃，年降水量215mm，降水量集中在6、7、8月雨季，以及11月中旬至來年2月的積雪期，最大積雪厚度48 cm。年均蒸發(fā)量2 266mm。土壤以壤土、砂土、砂卵石為主，下滲性能較好。城市建設(shè)區(qū)現(xiàn)狀大多為耕地和林地，現(xiàn)狀地形整體地勢(shì)南高北低，呈臺(tái)地布局，地形平臺(tái)狀多數(shù)坡度在15%以下。地下水形成分布特征為河流入滲及基巖裂隙水的補(bǔ)給，廣泛分布第四系松散層空隙潛水，埋藏深度30~70m。

城市雨水系統(tǒng)規(guī)劃重現(xiàn)期為2 a一遇，內(nèi)澇重現(xiàn)期為30 a一遇。

2.2 水系規(guī)劃情況

烏昌新區(qū)的過境河流頭屯河位于新區(qū)的西部，自南向北流入青格達(dá)湖。頭屯河整體地勢(shì)比新區(qū)高，新區(qū)內(nèi)的雨水排入較為困難。

新區(qū)現(xiàn)狀水系主要為五一農(nóng)場(chǎng)用于灌溉的五一大渠、南干渠、三支渠等?？傄?guī)通過現(xiàn)狀渠道梳理整合，并對(duì)水系進(jìn)行局部聯(lián)通，形成總體向南的城市水系，城市雨水最終向北排入城區(qū)外的農(nóng)田（萬畝荷塘）消納。規(guī)劃水系見圖1。

圖1 水系規(guī)劃圖

3 排水體制的選擇

城市排水體制一般分為合流制和分流制兩種類型。當(dāng)生活污水、工業(yè)廢水和雨水用兩個(gè)或兩個(gè)以上排水管渠排除時(shí)，稱為分流制排水系統(tǒng)。根據(jù)排除雨水方式的不同，又分為完全分流制、不完全分流制和截流式分流制。完全分流制排水系統(tǒng)分設(shè)污水和雨水兩個(gè)管渠系統(tǒng)，我國(guó)大多數(shù)城市均采用該種方式。截流式分流制既有污水排水系統(tǒng)，又有雨水排水系統(tǒng)。與完全分流制的不同之處是在于它利用截流井將初期雨水引入污水管道，能較好的保護(hù)水體不受污染[5，6]。不完全分流制只建污水排水系統(tǒng)，未建雨水排水系統(tǒng)，雨水沿著地面、道路邊溝和明渠泄入水體?；蛘咴谠星琅潘芰Σ蛔阒幮藿ú糠钟晁艿?，待城市進(jìn)一步發(fā)展或有資金時(shí)再修建雨水排水系統(tǒng)。該排水體制投資省，主要用于有合適的地形、有比較健全的明渠水系的地方，以便結(jié)合排泄雨水。

烏昌新區(qū)年降雨量215mm，除去冬季的降雪量，年降雨量少于200mm，為干旱地區(qū)。若采用雨水管網(wǎng)利用率低。因新區(qū)地形坡度較大，且土地滲透性較好，地下水位低，具有良好的排水、下滲條件。因此可考慮采用不完全分流制，利用在道路綠地內(nèi)建設(shè)的植草溝、滲渠等海綿設(shè)施進(jìn)行排水。對(duì)于出現(xiàn)頻率較低的暴雨，可通過構(gòu)建雨水行泄通道排出。對(duì)于局部低洼點(diǎn)，可采用修建調(diào)蓄設(shè)施，或建設(shè)局部雨水管道系統(tǒng)，將低洼處積水排入河道水系。

4 計(jì)算方法選擇

雨水系統(tǒng)計(jì)算的方法主要為推理公式法和模型法。推理公式法計(jì)算參數(shù)容易獲得，計(jì)算形式簡(jiǎn)單，應(yīng)用十分廣泛。但受理論限制，推理法中無法考慮隨時(shí)間和空間變化的降雨過程，對(duì)大流域雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)發(fā)生較大偏差[1]。

對(duì)于不完全分流制區(qū)域，因沒有設(shè)置完善的雨水管網(wǎng)，需要充分考慮地塊對(duì)雨水的截留、下滲以及低影響開發(fā)設(shè)施等對(duì)雨水源頭的減量消納，這些因素在推理公式法中不能得到很好的體現(xiàn)。不完全分流制的雨水系統(tǒng)規(guī)劃需要利用地形，因勢(shì)利導(dǎo)，對(duì)雨水徑流路徑進(jìn)行合理組織，對(duì)內(nèi)澇積水點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而對(duì)低洼易澇點(diǎn)采取相應(yīng)的措施，消除內(nèi)澇對(duì)城市的影響。本次采用基于infoworks ICM的模型法。

5 模型構(gòu)建

5.1 降雨資料

為使模型能更加符合實(shí)際情況，在進(jìn)行雨水規(guī)劃時(shí)理應(yīng)采用當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計(jì)的雨型。但是，這往往很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槲覈?guó)大部分區(qū)域并未整理出當(dāng)?shù)氐挠晷?。在缺少資料的情況下，可采用芝加哥雨型對(duì)暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行解析，得到設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下降雨過程曲線。烏昌新區(qū)缺少當(dāng)?shù)氐挠晷蛿?shù)據(jù)，且沒有自己的暴雨強(qiáng)度公式。新區(qū)年降雨量比烏魯木齊低，因此借用烏魯木齊的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是偏于安全的。

本次規(guī)劃對(duì)烏魯木齊的暴雨強(qiáng)度公式利用芝加哥雨型進(jìn)行解析得到設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下的降雨過程。烏魯木齊的暴雨強(qiáng)度公式如下：

5.2 地形資料

通過對(duì)1:1000的實(shí)測(cè)地形圖中的高程點(diǎn)進(jìn)行提取，利用ArcGIS軟件對(duì)提取的高程點(diǎn)生成TIM地面模型，并利用軟件的三維分析工具進(jìn)行高程、坡度分析，見圖2、圖3。

圖2 城市地面高程圖（單位：m）

圖3 城市坡度分析圖（單位：度）

從圖中可以看出，烏昌新區(qū)規(guī)劃區(qū)域范圍內(nèi)地形大致為南高北低，高程變化范圍較大，一般高程在530~740m之間。從地形上看，規(guī)劃區(qū)域內(nèi)沒有大面積的局部低洼點(diǎn)，地形地勢(shì)對(duì)排水有利。

規(guī)劃范圍內(nèi)南部坡度較大，一般為0.5%~2%之間，北部較為平坦，一般為0.05%~1%之間。西部局部區(qū)域坡度達(dá)到10%。

6 雨水徑流路徑分析

6.1 開發(fā)前雨水徑流路徑分析

對(duì)開發(fā)前的雨水徑流路徑分析，能夠了解規(guī)劃區(qū)在天然狀態(tài)下的排水方式和途徑，對(duì)于加強(qiáng)“山、水、林、田、湖”的保護(hù)具有重要意義。同時(shí)，通過模擬，可以了解天然狀態(tài)下雨水的流向，在進(jìn)行路網(wǎng)和地塊規(guī)劃時(shí)，應(yīng)盡量避免割裂天然徑流通道，可因勢(shì)利導(dǎo)，在天然徑流通道上規(guī)劃成排洪溝、植草溝或雨水行泄通道。另外通過模擬，能發(fā)現(xiàn)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的易澇區(qū)、積水點(diǎn)，在土地利用規(guī)劃時(shí)，可將易澇積水點(diǎn)規(guī)劃成濕地公園、綠地或廣場(chǎng)等，如果一定要作為建設(shè)用地應(yīng)當(dāng)采取有效的應(yīng)對(duì)措施。因此，雨水徑流路徑分析是合理布局排水設(shè)施、保證排水安全的前提。

利用Infoworks ICM軟件，構(gòu)建烏昌新區(qū)開發(fā)前雨水徑流模型。模型中，河道水系按照規(guī)劃河道進(jìn)行了建模。計(jì)算在遭遇30 a一遇雨水時(shí)，地面的徑流情況，模擬結(jié)果見圖4。

圖4 開發(fā)前徑流路徑及積水點(diǎn)分析圖

從圖4可以看出，開發(fā)前地面徑流從南往北流動(dòng)，并形成了較為明顯的徑流通道。同時(shí)可以看出，在局部低洼區(qū)域，容易產(chǎn)生局部積水。

6.2 開發(fā)后雨水徑流路徑分析

城市開發(fā)后由于路網(wǎng)的建設(shè)，會(huì)對(duì)雨水徑流產(chǎn)生較大的影響。一般城市的道路要比地塊低，且由于道路的連通性，使得雨水很容易沿道路快速匯集。

按照規(guī)劃路網(wǎng)構(gòu)建開發(fā)后的城市地面模型，模擬計(jì)算遭遇30a一遇降雨時(shí)雨水沿地面漫流過程。提取出雨水徑流的流速矢量圖見圖5。圖5中，藍(lán)色箭頭越大、顏色越深表示流速越大。

圖5 開發(fā)后徑流路徑分析圖

從圖5中可以看出，規(guī)劃區(qū)雨水匯集進(jìn)入河道后，主要由處于城市中間的南北向河道排放，進(jìn)入頭屯河的徑流量很小。城區(qū)內(nèi)部分地面雨水沿道路匯集，排入水體或規(guī)劃區(qū)以外的萬畝荷塘區(qū)。

7 雨水行泄通道規(guī)劃

由于規(guī)劃區(qū)南北高差大，東西向道路縱坡為0.2%～0.5%，排水條件好，公園綠帶面積較大，有較強(qiáng)的自然消納能力，且蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量，規(guī)劃五一新鎮(zhèn)采用不完全分流制非常規(guī)雨水系統(tǒng)，即海綿城市系統(tǒng)。

城市道路下只建設(shè)污水管網(wǎng)系統(tǒng)，雨水的排除消納由下沉綠地形式的機(jī)非隔離帶與林間滲渠系統(tǒng)共同完成。非常規(guī)雨水系統(tǒng)根據(jù)地區(qū)的土層性質(zhì)與降雨特點(diǎn)，以本地下滲消納降雨為主要，通過增加綠化面積，強(qiáng)化下滲條件，細(xì)化道路豎向設(shè)計(jì)以避免出現(xiàn)積水區(qū)等方法，實(shí)現(xiàn)2 a一遇的降雨道路無積水的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

為盡快排出雨水，防止地塊積水，本次根據(jù)雨洪模擬結(jié)果，在雨水匯流路徑上，選取道路及綠廊作為雨水行泄通道，將雨水導(dǎo)向水體或下沉綠地。規(guī)劃雨水行泄通道見圖6。行泄通道的總體方向?yàn)樽阅舷虮本徒湃氤菂^(qū)河道。

圖6 雨水行泄通道規(guī)劃圖

為實(shí)現(xiàn)獲得良好的排水性能，作為雨水行泄通道的道路，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)當(dāng)滿足如下要求[7]：

（1）根據(jù)道路用地情況，采用路面排水、植草溝排水及其組合形式排水。當(dāng)?shù)缆芬?guī)劃紅線內(nèi)外有連續(xù)綠地時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先將綠地建設(shè)成植草排水溝的形式，排水溝內(nèi)設(shè)置促滲、消能設(shè)施。

（2）作為雨水行泄通道的道路，道路縱坡應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格為坡向下游的單坡。應(yīng)當(dāng)避免局部出現(xiàn)反坡或平坡的情況，以保證排水順暢。

（3）雨水行泄通道應(yīng)與排放水體有效聯(lián)通。在排入水體處，可將行泄通道與排入水體之間的人行道架空，或設(shè)置收集管道，以利于雨水順利排入水體。

8 開發(fā)后城區(qū)積水情況分析

為對(duì)城市排水效果進(jìn)行評(píng)估，本次構(gòu)建規(guī)劃范圍內(nèi)的地面排水模型，并分別模擬在遭遇2 a一遇、10 a一遇和30 a一遇降雨情景下，城市積水情況。經(jīng)模型模擬，在遭遇2~30 a一遇降雨時(shí)，城市內(nèi)整體排水狀況良好，大部分區(qū)域都能滿足排水要求。僅在城市地塊內(nèi)局部低點(diǎn)處，在降雨期間容易積水。從積水點(diǎn)數(shù)量上來看，隨著降雨強(qiáng)度的增大，積水點(diǎn)數(shù)量有所增加。積水點(diǎn)的積水深度大多在0.3m以下，在遭遇30 a一遇降雨時(shí)，也沒有超過0.5m的積水點(diǎn)。這些積水點(diǎn)是局部低洼造成的，積水范圍不大，積水深度較小，沒有形成大范圍、連續(xù)的內(nèi)澇積水區(qū)域。局部積水點(diǎn)可在設(shè)計(jì)階段通過場(chǎng)地平整或因地制宜的建設(shè)濕塘、雨水花園、下沉式廣場(chǎng)等海綿設(shè)施解決。

9 結(jié) 語

西北干旱地區(qū)降雨稀少，雨水管網(wǎng)利用率低，在進(jìn)行雨水系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)可結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況采用不完全分開的排水體制。利用在道路綠地內(nèi)建設(shè)的植草溝、滲渠等海綿設(shè)施進(jìn)行排水。對(duì)于出現(xiàn)頻率較低的暴雨，可通過構(gòu)建雨水行泄通道排出。

通過對(duì)新疆烏昌新區(qū)五一新鎮(zhèn)進(jìn)行雨水排水模擬分析，可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域開發(fā)前地面徑流從南往北流動(dòng)，并形成了較為明顯的徑流通道，開發(fā)后該區(qū)域內(nèi)地面雨水沿道路匯集，排向水體或規(guī)劃區(qū)以外。本次規(guī)劃因勢(shì)利導(dǎo)的選取道路及綠廊作為雨水行泄通道，將雨水導(dǎo)向水體或下沉綠地，行泄通道的總體方向?yàn)樽阅舷虮本徒湃氤菂^(qū)河道。通過水力模擬，該區(qū)域開發(fā)后在遭遇2~30 a一遇降雨時(shí)，城市內(nèi)整體排水狀況良好，積水點(diǎn)的積水深度大多在0.3m以下，在遭遇30 a一遇降雨時(shí)，也沒有超過0.5m的積水點(diǎn)。局部積水點(diǎn)可在通過因地制宜的建設(shè)濕塘、雨水花園、下沉式廣場(chǎng)等海綿設(shè)施解決[8，9]。

本工程利用地面行泄通道排除雨水，減少了城市雨水管網(wǎng)的投資，可作為類似城市借鑒參考。