干旱地區(qū)不完全分流制雨水系統(tǒng)規(guī)劃方法與實踐

資 強，楊仲韜，楊 洋，楊 宇

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司,天津市 300110）

1 概 述

隨著城鎮(zhèn)化的迅猛推進，城市內澇防治成了汛期防災減災的“新課題”。城市建設是人們利用自然改造自然，實現(xiàn)人類歷史發(fā)展的必然途徑。城市建設必將導致硬化地面的增多，天然水系、坑塘、洼地等天然雨水滯蓄單元的減少，將加大城市內澇的風險。因此，合理規(guī)劃和建設排水設施，保護和整合現(xiàn)有天然雨水滯蓄單元，對雨水進行有組織的排放是降低內澇風險的有效途徑[1，2]。

雨水系統(tǒng)規(guī)劃就是要針對設定的排水目標，確定排水體制、對雨水排泄路徑進行合理組織，對排水系統(tǒng)進行規(guī)劃布置，確定排水設施的走向、規(guī)模，以保障城市排澇安全。雨水系統(tǒng)規(guī)劃應借鑒國內外先進的排水理念，遵循蓄、滲、滯、排相結合的原則，因地制宜，合理構建城市排水系統(tǒng)。利用低影響開發(fā)設施對城市降雨水量和水質控制具有重要意義[3]。

我國幅員遼闊，南北城市氣候差異很大，全國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降雨。因此，北方城市對排水設施的利用率較低。對于北方城市，尤其是西北干旱地區(qū)城市的雨水排水系統(tǒng)的構建時，應對當?shù)氐臍夂蛱攸c、降雨特征、土壤滲透性、地下水位情況等進行充分了解的基礎上，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施，減少排水管渠的投資。充分利用地形，建設綠色道路系統(tǒng)進行雨洪控制[4]。同時，為保證城市排水系統(tǒng)順暢，應做好管網(wǎng)、河道、水系網(wǎng)絡的銜接。

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

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際機場，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。城市建設區(qū)現(xiàn)狀大多為耕地和林地，現(xiàn)狀地形整體地勢南高北低，呈臺地布局，地形平臺狀多數(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湖。頭屯河整體地勢比新區(qū)高，新區(qū)內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，并對水系進行局部聯(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。當生活污水、工業(yè)廢水和雨水用兩個或兩個以上排水管渠排除時，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)分設污水和雨水兩個管渠系統(tǒng)，我國大多數(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。或者在原有渠道排水能力不足之處修建部分雨水管道，待城市進一步發(fā)展或有資金時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，利用在道路綠地內建設的植草溝、滲渠等海綿設施進行排水。對于出現(xiàn)頻率較低的暴雨，可通過構建雨水行泄通道排出。對于局部低洼點，可采用修建調蓄設施，或建設局部雨水管道系統(tǒng)，將低洼處積水排入河道水系。

4 計算方法選擇

雨水系統(tǒng)計算的方法主要為推理公式法和模型法。推理公式法計算參數(shù)容易獲得，計算形式簡單，應用十分廣泛。但受理論限制，推理法中無法考慮隨時間和空間變化的降雨過程，對大流域雨水系統(tǒng)設計會發(fā)生較大偏差[1]。

對于不完全分流制區(qū)域，因沒有設置完善的雨水管網(wǎng)，需要充分考慮地塊對雨水的截留、下滲以及低影響開發(fā)設施等對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，因勢利導，對雨水徑流路徑進行合理組織，對內澇積水點進行評估，進而對低洼易澇點采取相應的措施，消除內澇對城市的影響。本次采用基于infoworks ICM的模型法。

5 模型構建

5.1 降雨資料

為使模型能更加符合實際情況，在進行雨水規(guī)劃時理應采用當?shù)亟y(tǒng)計的雨型。但是，這往往很難實現(xiàn)，因為我國大部分區(qū)域并未整理出當?shù)氐挠晷?。在缺少資料的情況下，可采用芝加哥雨型對暴雨強度公式進行解析，得到設計重現(xiàn)期下降雨過程曲線。烏昌新區(qū)缺少當?shù)氐挠晷蛿?shù)據(jù)，且沒有自己的暴雨強度公式。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)進行排水系統(tǒng)的設計是偏于安全的。

本次規(guī)劃對烏魯木齊的暴雨強度公式利用芝加哥雨型進行解析得到設計重現(xiàn)期下的降雨過程。烏魯木齊的暴雨強度公式如下：

5.2 地形資料

通過對1:1000的實測地形圖中的高程點進行提取，利用ArcGIS軟件對提取的高程點生成TIM地面模型，并利用軟件的三維分析工具進行高程、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)域內沒有大面積的局部低洼點，地形地勢對排水有利。

規(guī)劃范圍內南部坡度較大，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，對于加強“山、水、林、田、湖”的保護具有重要意義。同時，通過模擬，可以了解天然狀態(tài)下雨水的流向，在進行路網(wǎng)和地塊規(guī)劃時，應盡量避免割裂天然徑流通道，可因勢利導，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)域內的易澇區(qū)、積水點，在土地利用規(guī)劃時，可將易澇積水點規(guī)劃成濕地公園、綠地或廣場等，如果一定要作為建設用地應當采取有效的應對措施。因此，雨水徑流路徑分析是合理布局排水設施、保證排水安全的前提。

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

圖4 開發(fā)前徑流路徑及積水點分析圖

從圖4可以看出，開發(fā)前地面徑流從南往北流動，并形成了較為明顯的徑流通道。同時可以看出，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，會對雨水徑流產(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)構建開發(fā)后的城市地面模型，模擬計算遭遇30a一遇降雨時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)雨水匯集進入河道后，主要由處于城市中間的南北向河道排放，進入頭屯河的徑流量很小。城區(qū)內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，有較強的自然消納能力，且蒸發(fā)量遠遠大于降水量，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)。

城市道路下只建設污水管網(wǎng)系統(tǒng)，雨水的排除消納由下沉綠地形式的機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)的土層性質與降雨特點，以本地下滲消納降雨為主要，通過增加綠化面積，強化下滲條件，細化道路豎向設計以避免出現(xiàn)積水區(qū)等方法，實現(xiàn)2 a一遇的降雨道路無積水的設計目標。

為盡快排出雨水，防止地塊積水，本次根據(jù)雨洪模擬結果，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為自南向北就近排入城區(qū)河道。

圖6 雨水行泄通道規(guī)劃圖

為實現(xiàn)獲得良好的排水性能，作為雨水行泄通道的道路，在設計和施工時應當滿足如下要求[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?shù)缆芬?guī)劃紅線內外有連續(xù)綠地時，應當優(yōu)先將綠地建設成植草排水溝的形式，排水溝內設置促滲、消能設施。

（2）作為雨水行泄通道的道路，道路縱坡應當嚴格為坡向下游的單坡。應當避免局部出現(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

為對城市排水效果進行評估，本次構建規(guī)劃范圍內的地面排水模型，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，城市內整體排水狀況良好，大部分區(qū)域都能滿足排水要求。僅在城市地塊內局部低點處，在降雨期間容易積水。從積水點數(shù)量上來看，隨著降雨強度的增大，積水點數(shù)量有所增加。積水點的積水深度大多在0.3m以下，在遭遇30 a一遇降雨時，也沒有超過0.5m的積水點。這些積水點是局部低洼造成的，積水范圍不大，積水深度較小，沒有形成大范圍、連續(xù)的內澇積水區(qū)域。局部積水點可在設計階段通過場地平整或因地制宜的建設濕塘、雨水花園、下沉式廣場等海綿設施解決。

9 結 語

西北干旱地區(qū)降雨稀少，雨水管網(wǎng)利用率低，在進行雨水系統(tǒng)規(guī)劃時可結合當?shù)貙嶋H情況采用不完全分開的排水體制。利用在道路綠地內建設的植草溝、滲渠等海綿設施進行排水。對于出現(xiàn)頻率較低的暴雨，可通過構建雨水行泄通道排出。

通過對新疆烏昌新區(qū)五一新鎮(zhèn)進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，并形成了較為明顯的徑流通道，開發(fā)后該區(qū)域內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)劃因勢利導的選取道路及綠廊作為雨水行泄通道，將雨水導向水體或下沉綠地，行泄通道的總體方向為自南向北就近排入城區(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，城市內整體排水狀況良好，積水點的積水深度大多在0.3m以下，在遭遇30 a一遇降雨時，也沒有超過0.5m的積水點。局部積水點可在通過因地制宜的建設濕塘、雨水花園、下沉式廣場等海綿設施解決[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。