城市雨洪管理的三種模式對(duì)比研究

連之瑤 陳秋彤 梅駿翔 杜 欽*

隨著城市化的不斷發(fā)展，城市內(nèi)澇問(wèn)題日益嚴(yán)峻。雨水管排模式、雨水道排模式和自然下滲為主的雨洪管理模式是全球解決城市雨洪問(wèn)題的三種主要模式，其各自特點(diǎn)及優(yōu)劣勢(shì)是亟需解決的問(wèn)題。研究分別從實(shí)施理念、技術(shù)原理、實(shí)踐案例和實(shí)踐效果等方面，對(duì)三種城市雨洪管理模式進(jìn)行剖析和對(duì)比，期望能為中國(guó)城市雨洪管理提供有益參考。

城市內(nèi)澇；雨洪管理；麥克哈格；管網(wǎng)排水

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化速度不斷加快，各類城市環(huán)境問(wèn)題，如城市熱島、大氣污染、光污染、城市雨洪等，也在同步顯現(xiàn)與暴露[1]。其中，城市雨洪問(wèn)題影響最廣且最受關(guān)注。城市雨洪問(wèn)題通常是指城市在遭受瞬時(shí)或短期暴雨等強(qiáng)甚至極端降雨天氣時(shí)，因雨水滯留而產(chǎn)生的城市內(nèi)澇現(xiàn)象[2]。其產(chǎn)生的主要原因在于城鎮(zhèn)在形成、擴(kuò)大過(guò)程中，為了建設(shè)各種城市基礎(chǔ)設(shè)施，不得不緊實(shí)、硬化原有自然下墊面[3]，這大大減小甚至完全削除了下墊面的滲透性能，降低阻隔了雨水透過(guò)地表向下滲透的過(guò)程。雨水下滲不暢和受阻，使得雨水只能蓄積于地表，順著低地勢(shì)流動(dòng)[4]。

應(yīng)對(duì)城市雨洪問(wèn)題主要有三種不同的解決思路：第一種，即為常規(guī)的構(gòu)建以雨水管排為主的方式；第二種與第一種思路和原理相同，但使用的是雨水道排方式；第三種，即以地表自然向下滲透為主導(dǎo)的解決方式。目前，城市雨洪問(wèn)題主要發(fā)生在以雨水管排為主的城市[5]，而以雨水道排和地表自然向下滲透式模式為主的城市，即使經(jīng)歷強(qiáng)暴雨，也少有內(nèi)澇問(wèn)題發(fā)生[6]。對(duì)此，“三種城市雨洪管理模式各具哪些特點(diǎn)？彼此各有哪些優(yōu)點(diǎn)和不足？這些能為城市雨洪管理提供哪些啟示？”值得深入討論。文章對(duì)三類模式進(jìn)行梳理，并對(duì)比三者特點(diǎn)，以期研究結(jié)果有助于對(duì)上述問(wèn)題的理解。

1 雨水道（管）排式的城市雨洪管理模式

雨水道（管）排式是目前全球城市采用最為廣泛的城市雨洪管理方式，是將下滲、蓄滯、收集、輸送、處理和利用雨水的設(shè)施以一定方式組合形成的總體[6]，包括從雨水徑流產(chǎn)生到末端排放的全過(guò)程管理。其主要通過(guò)雨水口收集在城市形成的地表徑流，通過(guò)地下排水廊道或地下排水管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)將雨水徑流引流向受納水體。依據(jù)具體執(zhí)行過(guò)程，在雨水地表徑流進(jìn)入雨水口前，會(huì)增加源頭減排過(guò)程[8]；在雨水廊道和管網(wǎng)運(yùn)移過(guò)程中，會(huì)有增加調(diào)蓄、雨水凈化和收集利用過(guò)程[9]。相同的實(shí)施理念和技術(shù)原理在具體實(shí)踐過(guò)程中產(chǎn)生了兩種截然不同的管理效果，即雨水道排式和雨水管排式實(shí)踐。

1.1 雨水道排式案例和實(shí)踐效果

雨水道排式是地下廊道式城市排水設(shè)施，其多在地下幾十米，寬至少5 m，有著巨大的物理空間。其優(yōu)點(diǎn)是能顯著減少短期強(qiáng)降雨帶來(lái)的城市雨洪災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)收集雨水的后續(xù)利用；缺點(diǎn)是建設(shè)周期長(zhǎng)，建設(shè)造價(jià)極高。代表性案例有日本東京廊道式城市排水設(shè)施。

1872年，一場(chǎng)大火重創(chuàng)東京，但也為東京帶來(lái)全新規(guī)劃契機(jī)。在隨后的規(guī)劃中，東京傳統(tǒng)的陰溝逐步被地下溝渠取代。這種取代的另一個(gè)原因是傳染病，排水設(shè)施的落后是傳染病肆虐的源頭。19世紀(jì)90年代，東京開始設(shè)立專業(yè)機(jī)構(gòu)規(guī)劃下水道建設(shè)。這一機(jī)構(gòu)的設(shè)立極具前瞻性，其最初規(guī)劃和建設(shè)的東京下水道系統(tǒng)足以支持約150萬(wàn)人的生產(chǎn)生活，隨后又進(jìn)一步升級(jí)到300萬(wàn)人（直到2001年，舊東京市區(qū)的人口才剛剛超150萬(wàn)人）。1962年，新規(guī)劃的下水道系統(tǒng)支持總?cè)丝诒惶岣叩? 000萬(wàn)人。即便如此，這樣的下水道對(duì)于地處沖積平原、地勢(shì)低洼、河湖眾多的東京仍是杯水車薪。近幾十年來(lái)，隨著全球氣候變暖，東京遭受更頻繁的暴雨和洪水侵襲。多次“水漫東京”后，日本政府開始為東京制定新的城市規(guī)劃。1992年，開始建設(shè)“首都圈外圍放水路”，這一工程與東京原有下水道排水系統(tǒng)相結(jié)合，大大增強(qiáng)了東京的泄洪能力[10]。

“首都圈外圍放水路”又稱“江戶川工程”（圖1）。整個(gè)系統(tǒng)位于地下50 m，是一條總長(zhǎng)6.3 km、直徑10.6 m的巨型隧道，將江戶川、十八號(hào)水路、中川、倉(cāng)松川、幸松川和大落古利根川等幾大河流串聯(lián)在一起。排水系統(tǒng)通過(guò)5個(gè)深約70 m、直徑約30 m的豎坑連通地面的河流、河溝，作為分洪入口。在日常狀態(tài)和普通降雨時(shí)，污水和雨水經(jīng)過(guò)處理后會(huì)通過(guò)一般的方式，流經(jīng)下水道和江河遂流入東京灣。但當(dāng)暴雨、臺(tái)風(fēng)等極端天氣來(lái)臨時(shí)，一旦降雨量超過(guò)河流可承受范圍，豎坑的疏導(dǎo)接口將會(huì)打開，洪水流入豎坑群使東京各河流的水位趨于平緩，豎坑群積攢一定洪水后便通過(guò)泄洪隧道向調(diào)壓水槽輸送洪水。調(diào)壓水槽內(nèi)部高18 m、寬78 m、深177 m；支撐調(diào)壓水槽的是59根石柱，與天井高度同為18 m，重約500 t，它們不僅支撐著天井，同時(shí)還能防止導(dǎo)入水流過(guò)多時(shí)，設(shè)施自身“屈服”于水的浮力而產(chǎn)生的意外。調(diào)壓水槽儲(chǔ)存一定水量后，水泵會(huì)被打開，將水以200 m3/s的速度排入江戶川。只有當(dāng)水儲(chǔ)存到一定量時(shí)才會(huì)被排出去，所以一般情況下還能儲(chǔ)水，為旱災(zāi)作準(zhǔn)備[10]。

1. 江戶川工程示意圖（改繪自參考文獻(xiàn)[9]）

該排水系統(tǒng)總投資約2 400億日元（約200億人民幣）。自發(fā)揮作用以來(lái)，雨洪對(duì)東京的侵害程度急劇下降。以東京地區(qū)地勢(shì)較為低洼的春日部市、幸手市和杉戶町為調(diào)查地，在2000年的一次降雨量達(dá)159 mm/h的暴雨中，有236戶遭遇不同程度的水淹，但至2005年，雖然臺(tái)風(fēng)帶來(lái)了強(qiáng)度更大的降水，卻僅有14戶遭遇輕微水害。

1.2 雨水管排式案例和實(shí)踐效果

雨水管排式是地下管網(wǎng)式排水設(shè)施。通常在較淺地下，設(shè)置口徑約為1 m的排水管[11]，排水管與排水管相連，形成系統(tǒng)管網(wǎng)式排水設(shè)施。現(xiàn)代中國(guó)的城市幾乎均可看作是雨水管排式的典型案例。

其優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)難度低、建設(shè)成本低，當(dāng)降雨形成的徑流量小于甚至等于雨水管網(wǎng)負(fù)荷徑流量時(shí)，雨水管排式足以正常應(yīng)對(duì)雨洪，地表不會(huì)出現(xiàn)滯留；缺點(diǎn)是當(dāng)瞬時(shí)或短期內(nèi)強(qiáng)降雨形成的徑流量大于雨水管網(wǎng)負(fù)荷徑流量時(shí)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)澇，強(qiáng)降雨量越大內(nèi)澇程度越嚴(yán)重，二者正相關(guān)。

2 自然下滲為主的城市雨洪管理模式

2.1 實(shí)施理念

這種模式的實(shí)施理念主要包含兩方面：（1）自然界實(shí)際存在不同滲透性能的下墊面[12]。對(duì)于滲透性好、能完全實(shí)現(xiàn)水分自然下滲的下墊面，應(yīng)該完好保存，杜絕開發(fā)；對(duì)于滲透性能適中、能允許部分水分下滲的下墊面，應(yīng)該有計(jì)劃實(shí)行低密度開發(fā)；對(duì)于滲透性能差、水分多無(wú)法實(shí)現(xiàn)下滲的下墊面，可作為主要開發(fā)區(qū)域。（2）無(wú)法及時(shí)下滲的雨水，會(huì)順著自然地勢(shì)匯集于地勢(shì)低洼處，形成暫時(shí)或長(zhǎng)久型濕地，對(duì)于這些自然濕地需要給予保留。

2.2 技術(shù)原理

（1）土壤分類。不同土壤類型具有不同水文效應(yīng)，因此土壤水文性質(zhì)和空間分布直接影響地塊的雨洪調(diào)節(jié)能力。需要依據(jù)土壤透水性能、土壤與不透水層間距、土壤與高地下水位間距等特性[13]，制定預(yù)期開發(fā)密度和土地利用類型。

（2）利用露天排水和蓄水系統(tǒng)。充分并合理使用天然露地排水[14]和蓄水系統(tǒng)，如天然草地洼地、森林洼地和濕地等，這能廣泛收集雨水徑流、減小地表徑流距離、減小侵蝕和淤積、增大雨水蓄滯，并降低排水系統(tǒng)的建造成本。

（3）確定可開發(fā)比例和類型。以保持開發(fā)前后場(chǎng)地對(duì)徑流滲、蓄、滯能力不變?yōu)槟繕?biāo)，根據(jù)土壤水文狀況和植被覆蓋現(xiàn)狀，盡量保留植被面積及其多樣性，確定可開發(fā)比例和開發(fā)類型[14]。

2.3 實(shí)踐案例及效果

自然下滲為主的雨洪管理模式，最典型的案例為美國(guó)得克薩斯州休斯頓市的伍德蘭茲社區(qū)。休斯頓市由于緊鄰墨西哥灣，時(shí)常受颶風(fēng)強(qiáng)降雨的影響，雖然其年降雨量約330 mm，但一次颶風(fēng)造成的強(qiáng)降雨量常常等于甚至數(shù)倍于年均降雨量。由于城市采用的是雨水管排式的傳統(tǒng)排水方式，每逢颶風(fēng)登陸，休斯頓市飽受雨洪影響[15]。1970年，喬治·米切爾拿到了休斯頓市北面二十多萬(wàn)英畝土地，計(jì)劃建一座新城。伊恩·麥克哈格和其他多位土壤、植物和地質(zhì)學(xué)家共同受到委托對(duì)這座新城進(jìn)行規(guī)劃，喬治同時(shí)要求：（1）地處上游的新城雨水不能排入附近河流及其流域，一旦雨水排入河流，強(qiáng)暴雨發(fā)生會(huì)加重休斯頓市內(nèi)澇；（2）由于休斯頓和新城場(chǎng)址下海洋沉積物是連續(xù)含水層，過(guò)去休斯頓的發(fā)展常從此層抽水，為了防止地面下沉，雨水需要下滲回流補(bǔ)充。

伍德蘭茲社區(qū)中的土壤類型分為4類：A類為土壤蓄水能力高的砂質(zhì)和壤質(zhì)砂土；B類為土壤蓄水能力中等的砂質(zhì)壤土和壤土；C類為土壤蓄水能力低的粉質(zhì)壤土、砂質(zhì)黏土和壤土；D類為無(wú)蓄水能力的粉質(zhì)黏土壤土、黏壤土、黏土（圖2）。規(guī)劃師根據(jù)4種土壤類型對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行詳細(xì)劃分（表1）：將蓄水能力較強(qiáng)的A類和B類土壤作為地表向下滲水的核心；在維持天然滲透和徑流的前提下，計(jì)算出城市化用地的占地比例，將住宅、道路等活動(dòng)場(chǎng)所建設(shè)在幾乎無(wú)蓄水能力或蓄水能力較差的C類和D類土壤上；在單元與單元之間建立天然開放式排水系統(tǒng)，將道路垂直于場(chǎng)地坡度，在道路盡端平行于坡度，這樣可以使地表徑流通過(guò)自然排水溝流入主要排水渠道。此外，伍德蘭茲社區(qū)林地眾多，主要植被類型是松樹和橡樹群落，高海拔處主要為柳樹、橡樹和冬青樹等，植物種類豐富，土壤蓄水能力較強(qiáng)[16]。

2. 伍德蘭茲社區(qū)第一期場(chǎng)地細(xì)分圖（改繪自參考文獻(xiàn)[18]）

表1 場(chǎng)地劃分、處理以及開發(fā)對(duì)策

實(shí)施此規(guī)劃后，在1979年、1987年、1994年和2001年多次超強(qiáng)颶風(fēng)的強(qiáng)降雨中，伍德蘭茲社區(qū)都未遭受洪水內(nèi)澇，而休斯頓市及其他周邊社區(qū)則內(nèi)澇嚴(yán)重。自然下滲為主的雨洪管理模式優(yōu)點(diǎn)是雨洪回流補(bǔ)充地下水、防止地面沉降、對(duì)自然肌理影響小、建設(shè)造價(jià)低；缺點(diǎn)是城市被建設(shè)和開發(fā)密度低，屬典型低密度開發(fā)。

3 三種城市雨洪管理模式對(duì)比

通過(guò)上述分析可以看出，三種模式各具特點(diǎn)，總結(jié)對(duì)比如表2。

表2 三種城市雨洪管理模式的對(duì)比

4 對(duì)中國(guó)城市雨洪管理的啟示

4.1 雨水道排式雨洪管理模式

現(xiàn)在中國(guó)城市排水管網(wǎng)的建設(shè)和升級(jí)改造中，借鑒廊道式的下水道是由鋼筋混凝土澆鑄而成，內(nèi)部空間寬敞（跨徑小于4 m），儲(chǔ)水量大的“箱涵式”雨水管，其被越來(lái)越多推廣使用[17]。此外，借鑒廊道式下水道調(diào)控管理方式，優(yōu)先考慮將雨水存儲(chǔ)并進(jìn)行后續(xù)利用，而不再是過(guò)去將雨水徑流直接排入河道。

4.2 自然下滲為主雨洪管理模式

麥克哈格通過(guò)土壤水文特性來(lái)協(xié)調(diào)開發(fā)密度和開發(fā)模式的解題策略[18]，為中國(guó)城市雨洪問(wèn)題提供了方向，特別是對(duì)于一些新型小城鎮(zhèn)和新城區(qū)建設(shè)。未來(lái)新型小城鎮(zhèn)和新城區(qū)建設(shè)需要融合多學(xué)科多專業(yè)背景的專業(yè)人士共同完成規(guī)劃[19]。如伍德蘭茲社區(qū)案例的成功是基于土壤學(xué)家對(duì)土壤類型、滲透性、保水性等特點(diǎn)的分析；基于地質(zhì)學(xué)家對(duì)地下含水層、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形結(jié)構(gòu)等的分析；基于植被學(xué)家對(duì)伐木比例、林木種類梯度與磐巖層和水位關(guān)系等的分析等等。其次，要借鑒伍德蘭茲社區(qū)方案形成時(shí)嚴(yán)密的科學(xué)分析過(guò)程，如為了保留天然露天的蓄水場(chǎng)地，每片草地洼地、林地洼地、現(xiàn)有濕地的位置、蓄水量和干涸時(shí)間都有詳細(xì)的前期估算[16]。在城市發(fā)展建設(shè)過(guò)程中，有必要保留場(chǎng)地原有的自然肌理，特別是各類天然洼地[14]，以構(gòu)成城市天然雨水調(diào)節(jié)庫(kù)。

5 結(jié)語(yǔ)

研究對(duì)三種城市雨洪管理模式從實(shí)施理念、技術(shù)原理、實(shí)踐案例和實(shí)踐效果等方面進(jìn)行了分析，總結(jié)出三者間的差異。以雨水管排為主導(dǎo)的雨洪管理模式是目前中國(guó)城市最常用的模式，但這種模式承受強(qiáng)降雨雨洪的能力弱，頻繁導(dǎo)致城市內(nèi)澇。相比之下，雨水道排式和以自然下滲為主的雨洪管理模式卻能很好地化解城市雨洪問(wèn)題[20]。在現(xiàn)有雨水管排模式下，如何提升現(xiàn)有中國(guó)城市應(yīng)對(duì)強(qiáng)降雨的能力，還需因地制宜，多方共謀。