城市内涝综合治理方案探析

2017-09-22杨宇璐陈安杨华舒符必昌

科技创新与应用 2017年28期

杨宇璐+陈安+杨华舒+符必昌

摘要：强降雨造成的城市内涝是普遍存在的难题，传统排水措施的速度太慢，许多海绵城市的蓄滞容量小、效益较低。文章在分析内外滞洪因素的基础上，理顺水务、市政、建筑物综合治理的思路，讨论了城外河湖疏浚、城内蓄雨滞流的任务界定、措施以及成效，提出了相关建议，明确城外河湖、城内管网的各自目标，并侧重探析了屋面蓄滞空间拓展和暴雨流量调节的新方法。枯季内外兼顾治理，汛期蓄滞科学调度，方能获得较好的城市排涝效果。

关键词：内涝；治理；流量调度；海绵城市；蓄滞容量

中图分类号：TU992 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）28-0076-03

引言

暴雨引发城市内涝在国内外都普遍存在，通常归咎于路面吸水太慢、地下排水管网的截面积太小，但许多城市、尤其是周边河湖水位较高城市的已有实践表明：大力建设海绵城市或排水管网的效果并不明显[1-3]。按照雨水流向进行全程讨论，需要综合建筑、市政、水务等方面的多种因素，明晰内涝的本源机制，才能在有针对性的前提下实现高效治理。

按照水力学原理，如若城内的洼地高程与排水口的河湖水位之差太小，形成淹没出流必然显著降低排水的流速，继续恶化还将导致无法自流排水乃至在城内低洼处发生倒灌现象。这种情况应当确定周边排涝的控制水位，侧重于城外河湖的疏浚和流量调度。在排水出口始终高于河湖水面的时候，管网才能较好地发挥排水功效，这种情况下海绵城市蓄滞工程的优势凸显，但防涝能力仍在很大程度上取决于城市的蓄雨调节容量。由此可知，有关城外河湖整治和城内蓄雨扩容的研究，对于根治城市内涝均具有重要意义。

1 河湖疏浚调节措施

依据水力学和水文知识，城市雨季排涝应当具备的条件可描述为：城内排水+周边径流+河湖面之上降水+河湖上游来水-下泄水量=本地积蓄水量，要求其抬高的水位≤河湖控制水位。此处的“河湖控制水位”是城市排水管网的最低出口高程，暴雨来临前最好使河湖水位低于排水出口1～2m，以便预留充足的调蓄空间。如果不能满足前述必要条件，即便海绵城市也很难根治内涝，故应当侧重于河湖疏浚、调度，乃至排水出口改道等外部条件的研究。

1.1 流域综合治理

欲加大下泄流量、保障城市周边河湖具有雨水调蓄容量，根本的办法是进行全流域综合治理，降低土壤侵蚀、增加河湖或湿地面积。在风化、沙化严重区域，应大面积采用植物固土措施，并选种适宜的弱酸性农作物促使土壤胶结；工程上兴建挡渣和反滤设施，注重环境的水土保持；在城市周边倡导以渔代耕、退库退湖，并改善生态。减少水土流失将使河湖水清、水道通畅，增加水面和周边湿地将明显扩大雨水的调蓄空间，这些方案是城市的“内涝外治”，属于“治本”举措，然而涉及地域太广、耗资耗时太大，尚需国家有关部门统筹安排才能实施，但对相关技术先行研究无疑是应当鼓励的。

相对而言，属于“治标”但见效较快的河道整治工程，主要是在城市上游两岸避免滑塌、拦污挡土，在河床中疏浚清淤。这些项目在我国已经施行了数十年，已有较多研究成果[4-7]，本文不再赘述。值得注意的是，小型水库滞留泥沙具有很好的效果[8]，这固然会逐渐减少其库容，但在改善下游河道及流量调度方面显然对防止城市内涝大有益处，建议开展相关的权衡和损益评价研究。

1.2 河湖滞蓄调度

具备了前述雨季排涝的必备条件（总排水量对应的水位≤河湖控制水位），还需要根据水文规律和气象预报及时调整城市周边河湖的水位，才能使暴雨时城市的排水通畅无碍，但调节手段受限于河湖的上下游工程。若城市排水对应的河湖在上下游均设有节制建筑物（如水库、水电站、水闸、引水设施等），城外调度就能有效调节暴雨总水量中的主体部分[9]，即河湖的上游來水和下游泄流量。

抬高水位的水量=来水量-泄流量，考虑到我国城市的排水设计标准普遍较低、而1-3h暴雨预报的准确度较高、计算机调洪演算高速便捷的现状，初步提出城外调度设想：在即将出现城市暴雨之前以及降雨过程中，都应当及时联系流域上游和下游降雨较少、河湖暂时处于较低水位的节制建筑物管理部门，按降雨期调洪演算结果酌情减少上游闸阀的开度、增大下游闸阀的开度，以便尽可能减少上游来水、尽可能增加向下游的泄水量，为城市降雨排水预留出较多的调蓄空间。

城外河湖的水位调节可能涉及到多个地区或部门的利益，但鉴于重点城市内涝将造成显著的财产甚至生命损失，建议发挥我国“执行力强”的优势，由国家防总授权各流域水利委员会，依据气象水文条件和城市暴雨情况，统筹调度河湖的各级水位。

1.3 雨水分流

除了前两种城外防涝措施，还应当在城市周边对截断来水、通畅出流各方面进行全面检查，采用一切可能的手段分流雨水，尽量使排水出口处于较低的河湖水位。

充分重视周边径流入城的危害，尤其是海拔高于城内地面的坡地，大雨和暴雨将产生严重汇流和并可能造成泥石流。应当在城市周边设置截水槽和排水沟，必要时可专门兴建城外排水网，有效防范周边径流汇入城市。

以往城市排水管网的出口往往只关注较大的江河湖泊，而这些河湖的来水、泄水构成均较为复杂，本地水位在很大程度上并非仅仅由降雨量控制，故其调度效果常常不如人意。城市周边通常还有一些小河，重要的特征是其在较远的下游才汇入大江大湖，其在城市附近的水位明显低于大江的水面。由水力学原理可知，这类小河的河床坡度陡于大江、流速更快，故可作为城市排水管网的补充出口。

在经济条件较为宽裕的情况下，还可考虑拓宽上述小河，进一步扩建成引向较远下游的排水渠道。这种工程对正常生产和生活的扰动不大，不仅能显著改善城市暴雨排水的外部条件，还增加了渠道周边的农田灌溉面积，并可在汛期主动分流大江本地段的水量，从而在杜绝江水倒灌城内洼地的同时降低河湖的防汛压力。

2 城内蓄滞尚存的问题endprint

在具备了城外排水条件的情况下，解决内涝问题应当侧重于城内的排水管网建设和降雨蓄滞研究。其中，排水管网的全面改建或扩充不仅耗资巨大、工期绵长，而且将对城内居民的生产及生活造成很大干扰，容易诱发不安定隐患，须慎重决策。相对而言海绵城市的效益虽然较高，但常规工程蓄水滞流的能力有限，实践已经证明其对暴雨或较长时间大雨的排水调节并不明显[3]，因此有必要在明晰现有措施局限性的基础上，探寻具备更大调蓄容量的技术手段。

2.1 地面生态蓄水较少

园林城市的地表绿化率可达30%左右，这似乎不算少，但生态蓄滞设施需要通过重力流来收集雨水，而绿化面积中超过2/3都无法满足这个条件，故通常城内生态蓄水的面积占比ρ≯10%；再由于植物吸附效果和景观制约，扣除各种固体物质占用的空间之后，绿化地表的蓄水净深hm≯150mm。

设城市地面的平均主动蓄水深度为h，则在理想条件下的饱和蓄水：h=ρ×hm=15mm。换言之，地面生态蓄水的效果不明显，还不到200mm暴雨量级的1/10；如果虑及城内的许多绿地高于主干道和广场，实际的h值还要小得多。此外，生态蓄水的消耗主要依靠自然蒸发和植物吸收，这是一个冗长的过程，其间若遇降雨，再次蓄水的能力将受很大影响。

综上可知，城市绿地的生态蓄水容量不大，对中小降雨量或许具有一些可见的滞流效果，但对于诱发城市内涝的大雨、暴雨、大暴雨而言，这种措施只能算杯水车薪，显然无法从本源上解决问题。

2.2 地下蓄滞效益较差

地下蓄滞管廊可视为城市排水管网的一种补充，平时蓄存雨水作为资源，雨季前可以预放排空，暴雨期间调节排水流量以减缓城外河湖的泄洪压力。因此，地下蓄滞手段在城市防涝方面具有较为明显的优势，不足之处主要是综合效益较差。

地下蓄存雨水的势能太低，对于生产、生活、园林等绝大多数地面以上的项目而言，利用这一资源需要耗费提升的能量，与屋面蓄水相比既不低碳还会增加长期开支，而这就降低了社会各界主动利用雨水的积极性。

如果容量足够大，地下管廊的蓄水效果确实值得期待，但由于城市面积较大、地下原有的各种管网系统复杂交错，蓄水管廊与排水管道一样坡度将受到制约。由此可知，蓄水管廊在暴雨前的预排速度慢，与较为准确的1-3h暴雨预报配合调度的难度较大，这可能导致城市洼地部分发生内涝。

为了顺利吸收雨水和避开原有的管网，地下蓄水管廊的埋深通常较浅，约为地面以下1-1.5m[11]。若仅在荷载较小的绿化带之下设置蓄水管廊，如上节所述容量太小；若大面积设置浅层地下管廊，则只能采用小管+多管的复杂分布交汇方式，否则较大的荷载（渣土车等）就可能引发地表塌陷。而在城内建设集中式地下水库的风险太大：地震波导致的水力振荡和拍击将显著增加破坏力；较大水压的渗透、浮托、润滑、孔隙水压、溶蚀等不利因素长期作用[12]，将大大降低地铁隧道、地下车库、建筑物基础等地下设施的经济寿命。

2.3 屋顶花园污损室内

屋顶花园在保温降暑、改善环境景观方面确实具有一定的效果，但由于植物、土壤等占据了大多数空间，再虑及多数观赏植物的习性，要求花园中土壤的含水量不能饱和，故实际能用于蓄调雨水的容量很小。此外园中的泥土松散，若被多余的雨水挟带，长期积淀很容易加速排水管网的淤积和堵塞。

水分子具有变形能力，是穿透力最大、最顽强的物质之一，就连电厂的厚壁钢管外表都长期显现雾滴、数十米厚混凝土大坝的廊道内更漏水成渠，遑论区区十几厘米厚度的屋面板。由于持续浸润而造成室内顶部污损，是长期以来屋顶花园无法回避的难题，也是其难以推广的重要原因[13]；若用其蓄调雨水，还可能造成屋面排水不畅，浸渗将更为严重。

建筑物露台防水层的保修期只有3-5年，而城市房屋和室内装饰的经济寿命达20-50年，两者差异显著。泥土中长期保有的较多水分不间断浸湿，通过屋面板中的毛细孔逐渐下行终将到达室内，虽由于蒸发未能形成水滴，但已足够损毁装饰层了。此外，防水材料还可能成为某些有毒植物（如常在屋顶混凝土缝隙中疯长的福禄桐、毒芹、马鞭草等）的养分；植物根须对屋面板的持续钻入力也不能忽视，例如前苏联切诺贝尔核电站泄漏事故之后不到二十年，附近体育场看台的混凝土就被植物摧毁殆尽。

3 拓展暴雨蓄滞空间

前述对雨水蓄滞现状的分析表明，城内滞蓄弊病的主要症结在于：（1）蓄水容量不足，难以满足较大城市尤其是工业城市的暴雨调节需求；（2）地下管廊排水速度慢，难以适应暴雨前夕迅速排空的应急预案；（3）蓄滞雨水的势能太小，需要额外耗费能量才能加以利用；（4）相关工程均属于大面积浅表项目，施工将对正常的生产及生活造成很大干扰。城内各种平顶建筑物众多，为了充分挖掘容量、显著提升效益，不妨讨论屋顶蓄水的拓展方案。

自从西式屋顶引入较为富裕的农村以来，采用屋顶露台蓄存雨水的降温方式，在夏天气温较高的乡村小楼上已经出现二三十年了，这种蒸发降热措施较为明显地改善了室内小环境，得到了较好的认同。欲在城市的已有建筑物上进行大面积推广，亟待解决的主要问题包括：防范渗浸污损、控制屋面荷载，以及雨水资源化利用、暴雨蓄滞调度等。

3.1 屋面滞蓄雨水的优点

各种建筑物在城市地面的占比通常超过30%，其中可资利用的顶部面积不低于85%，据其推算出雨水蓄滞面积可拓展比例大于25%，对于城市防涝而言等于直接降低了1/4以上的降雨排水压力。相对于地下管廊，屋面蓄水能够持续蒸发且分散范围广、势能大，故在降雨前应急预排放的速度快捷。此外还具有如下优势：

（1）250mm已经属于罕见的特大暴雨量级了，但对于屋顶蓄水池来说只是浅积水，而且对屋面荷载的影响也不大。即便水深再增加1倍（冗余安全系数取2），500mm水深形成的分布面荷载仅为4.9kPa，还不到传统屋顶自来水增压池中面荷载的一半，如按3.2节提出的方案妥善进行设计，不难满足屋面板及其梁格的承載能力。endprint

（2）屋面水池平时积蓄的雨水位置较高，容易获得资源化的各种利用。雨季或大雨前才主动放空蓄水池，作为滞流防涝的重要设施。

（3）在屋面进行土建或安装施工的干扰较小，基本上不会影响市民的日常生活及工作。

（4）水的温度传导和对流性能优良，蒸发换热效果较好，屋面蓄水对顶层居民无疑是防暑节能的福音。参照3.2节提出的方案进行防渗和通风设计，可以避免室内装饰的污损。

（5）屋面承受的水压虽然较小，然而可使得温度变幅显著下降，面板混凝土将由此得到长期的湿润养护，可防止屋面板龟裂，从而大大延长其经济寿命。

3.2 关键问题的解决方案

限于篇幅，本文针对屋面蓄水的若干关键性问题先提出解决途径，将另文结合工程实例进行详细设计。

（1）隔离通风杜绝室内污损

对较多屋顶自来水增压池进行的抽检表明，即便在水深3倍于500mm的长期压力作用下，采用三十年前防渗技术的水池亦未出现滴漏现象，仅在部分底面和下侧找到一些不太严重的渗浸水渍，对其下的屋面板并未产生渗透水源，这应主要应归功于隔离和通风。自来水增压池并非直接放置在屋面板之上，水池底部与屋面板之间均有数十厘米厚的隔离通风层，渗浸水在表面被持续蒸发或者风干，无法积聚成对屋面板产生实质影响的水滴。

聚乙烯、聚氯乙烯等防渗膜的渗透系数≯10-12cm/s，即便最密实的混凝土防渗墙，也要近百米厚度才能与1mm厚的高分子薄膜拥有同等的防渗能力。如果采用这类高密度卷材按规范铺设在水池的内表面防渗，再按结构计算用最小的墩子在水池与屋面板之间留出足够的蒸发通风空间，即可彻底杜绝暴雨蓄滞水池长期渗浸对顶层室内装饰的污损。

在经费较为宽裕的前提下，建议采用较薄的不锈钢板来设计屋面的暴雨蓄滞水池，并规范为若干固定的标准尺寸在工厂中统一制造。在钢材产能过剩的大背景下，如此不仅使大量的屋顶蓄滞水池安装快捷、施工干扰很小，而且质量更加可靠、不会因长期干燥而龟裂，对屋面板的附加荷载更小。

（2）分区蓄水控制屋面荷载

为了预留足够的安全通道和必要的检修通道，屋面的蓄滞水池应当分区布置，并尽可能覆盖更多屋面板以增加暴雨蓄调能力。各蓄滞水池在下侧全部用管道连通，便于雨水的利用和迅速排空。作为资源化和防涝的平衡点，建议平时水池蓄积雨水至约200mm深即自动溢流，经由屋面的常规路径排入地下管网；大雨或暴雨前1-3h排空全城的屋面水池，预留最大容量蓄滞雨水，即可显著减轻城内管网及城外河湖的排水压力。

按照大暴雨的降水量并计入较大的安全系数，建议屋面蓄滞水池的净深为500mm，对若干屋面板、梁柱进行计算后认为，附加的分布荷载尚在其承载能力范围内。在项目实施之前，应当查阅建筑物的竣工资料或进行相关计算，分区蓄滞水池的净深设计必须满足各构件的承载力要求。

（3）防涝调度和资源化建议

将屋面各蓄滞水池的下侧出水管连通，各单元均采用大口径管道引至地面附近，串联总阀再引入地下排水管网。1-3h的暴雨预报已经较为准确，城市的通讯设施也趋于完善，大雨或暴雨前可短信群发给物业公司乃至若干居民，通知其即刻开启屋面蓄滞水池的排水总阀，暴雨过程中依据排水监测数据及时通知关闭或开启总阀。条件具备时，还可采用远动、遥控技术统一启闭阀门，由此就能够充分发挥大量屋面蓄滞水池的防涝功能。

对中水需求量最大的居民生活设施就是便池或马桶。蓄滞水池的大口径下水管在外墙的适宜位置开口，转换成小管分别入户，串联阀门后接入冲水箱的进水口作为水源之一。无须利用其浇花或洗车，由于能够长期节省水费，许多居民平时会开启雨水阀门用于便池冲洗，各屋面共同积蓄的雨水用尽后才会使用自来水冲洗，这就达到了利用雨水、节约淡水资源的目的。

4 结束语

城市防涝的可用手段虽然较多，但应结合实际情况各有侧重、综合治理，关键在于暴雨时的排水量必须与城内管网、城外河湖相适应。

（1）若河湖水位较高使排水出口变成淹没出流，即便海绵城市也对暴雨无能为力。此时建议侧重于河湖疏浚、上下游调度，必要时还应进行排水出口远程改道的研究。

（2）当城市排水口对应的城外河湖水位较低时，建设海绵城市的防涝效益较高，但仍然存在绿地的调蓄容量小，地下管廊的施工干扰多、应急排水慢，对其他地下工程有较大隐患等不可忽视的难题，尚待分别进行深入研究。

（3）大面积兴建屋面浅水池，对正常生产和市民生活的扰动小，而且在不明显影响建筑物承载力的前提下可获得蓄滞雨水的较大容量。这不仅能够充分利用雨水资源、改善顶层的人居环境，还易于配合暴雨预报实施统一调度、显著降低排水压力，因此是一种值得提倡和推广的城市治涝方案。

参考文献：

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