路面行泄在城市内涝防治中的作用探讨

阮红权

(上海市节能减排中心有限公司,上海 200232)

近年来全国气候异常凸显,多地大暴雨创气象观测记录。为了提升城市内涝防治能力,除继续完善雨水管渠、调蓄池等灰色基础设施外,早期的雨水工程系统提出,在规划雨水排放时需要对水系统进行统筹规划[1],其特点表现为保留一定的蓝绿基础设施,体现了基于自然的解决方案(nature-based solution,NbS)思想。此后,国内进一步发展了NbS,诸如水敏性城市、可持续排水系统、绿色基础设施,以及海绵城市的研究与应用。水敏性城市提倡保护水体健康、减少洪水风险、提升雨水利用率[2-3];可持续排水系统提出重点以接近自然水循环的方式管理地表径流[4-5];绿色基础设施则强调对自然要素的充分利用[6-7];海绵城市主要是采取各种绿色削峰措施,避免径流冒溢引发的灾害[8-10]。这些技术都针对了城市建成区在高度集聚化时忽视环境适应性而导致韧性减弱的问题。但极端降雨仍导致了包括河南特大暴雨灾害、山西暴雨洪涝灾害、湖北暴雨洪涝灾害等严重后果,其中尤以郑州特大暴雨为甚,引起社会各界高度关注。那么,还有哪些技术可以减少“天灾”导致的损失呢?

谢正辉等[11]认为,道路具有不透水的特性并阻碍地表水和地下水相互交换,会加剧城市韧性不足,增加暴雨时发生内涝的风险。道路用地占城市建设用地面积8%～20%[12],除了建设透水层缓解暴雨的不利影响外[13],还有与道路相关的新型雨洪管理措施,如道路低影响开发措施、道路低洼点排水能力等应用[14],部分专家[15-19]更是未雨绸缪对道路路面排水进行了先期研究。基于这些研究成果、技术的发展和工程经验的总结,2022年3月发布的《城乡排水工程项目规范》(GB 55027—2022)[20]规定了城镇行泄通道应充分利用非交通主干道。

本文梳理道路路面行泄的背景与技术要点,并提出尚待进一步研究的问题,为排水工作者研究、应用这一新型内涝防治技术提供参考。

1 传统排涝方式

城市传统排涝基本依靠雨水管渠。雨水管渠由雨水口、明渠、暗管、检查井、雨水泵站等组成。大暴雨发生时雨水管渠的能力在一些城市尤其是老城区已显“力不从心”,造成内涝频发。分析原因,一是早期这些城市雨水管渠建设标准偏低;再者是因为城市化进程中下垫面不透水的屋面、地面、道路等都在增加,雨水径流峰值变高;第三,近年来大暴雨发生的概率及地点发生了变化。为此,从2014年版《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)到《室外排水设计标准》(GB 50014—2021),直至新发布的《城乡排水工程项目规范》,均将雨水管渠最低设计重现期提高到了2～3年,并将特别重要地区的最低设计重现期提高到了10～50年,如表1所示。雨水管渠设计标准提高了,但从全国看城市内涝灾害问题并未得到有效解决。这是因为雨水短历时径流越大,所需管渠规模越大,总投资也越高,按照径流线性放大管渠能力而大拆、大建在一些城市可操作性不强,且雨水管渠转输雨水径流的最大量也是有限的。另外,一些城市的内涝灾害还与雨水竖向关系、行泄通道、受纳水体顶托等因素有关[21]。例如,郑州“7·20”特大暴雨灾害客观上是当日出现最大日降雨量[624.1 mm,是郑州国家气象站建站以来最大值(189.4 mm)的3.3倍],且16:00—17:00出现201.9 mm极端小时雨强(突破我国大陆气象观测记录198.5 mm的历史极值),也有郑州市内建成区高度集聚化过程中忽视雨水渗透、调蓄、生态转输等源头减排,以及雨水管网跟不上发展新要求的原因,还有黄河洪水大幅超历史顶托排涝的因素。

表1 城镇雨水管渠设计重现期 (单位:a)[20]

2 内涝防治新思路

2.1 界定雨水系统范围与源头减排设施

针对传统排涝方式基本依靠雨水管渠的局限,在探究与实践水敏性城市、可持续排水系统、绿色基础设施、海绵城市等方案的基础上,城市内涝防治开始向源头削减、管网转输与调蓄、排涝除险并举的方向发展,即由相对狭隘的“雨水管渠”迈入了“雨水系统”的新阶段。这一发展在《城乡排水工程项目规范》中体现得尤为明显。《城乡排水工程项目规范》明确雨水系统应包括“源头减排”“雨水管网”“排涝除险设施”等技术性措施和应急管理等非工程性措施。对雨水系统范围的明确界定,可以纠正过往内涝防治只重视雨水管渠的片面做法。

海绵城市等NbS具有绿色源头削峰作用,可以很大程度降低内涝防治对灰色基础设施(指雨水管渠、泵房等)的依赖。Xu等[22]认为,采纳了绿色与灰色设施耦合的情境在径流控制方面的表现较好,可以节省灰色基础设施约94%的生命周期成本。这些研究成果及相关行之有效的措施,如渗透、雨水利用等在《城乡排水工程项目规范》中均归集于“源头减排”,并予以了规定。考虑到该规范关于“源头减排”的条文可操作性,因此,“源头减排”设计还应同时结合《室外排水设计标准》《城镇内涝防治技术规范》(GB 51222—2017)[23]等标准。

2.2 明确雨水管网的范围

雨水管网在《城镇内涝防治技术规范》(GB 51222—2017)和《室外排水设计标准》中被称为“排水管渠”,易与污水收集管网混淆。《城乡排水工程项目规范》在界定雨水系统范围的基础上,规定“雨水管网”应包括雨水管渠及其附属构筑物和泵站等设施,从而有利于管网设计、建设、运营中统筹考虑管渠、附属构筑物、泵站等设施,避免形成局部瓶颈。例如,近年来的雨水系统针对源头减排和雨水管渠能力之外的暴雨径流还增设了调蓄池,暂存洪峰径流量,待径流量下降至设计值后再将雨水按计划排出。调蓄池的设置可充分利用天然洼地、池塘、公园水池等。不具备这些自然条件的城市建设灰色调蓄池,如图1为上海中心城区的雨水调蓄池总体布局,共设置了半地下或地下灰色调蓄池191座,布置在现状排水泵站周边并结合道路广场、绿化、公共服务设施、河道、商务办公等用地的服务需求[24]。除了常规调蓄池外,对于空间紧凑但有经济条件的城市,可以建设深层雨水调蓄管道系统工程。例如,上海正在建设中的长达15.3 km的苏州河深隧工程,可服务沿线25个排水系统,服务面积约为58 km2[25]。

图1 上海中心城区雨水调蓄池总体布局[24]

2.3 重视排涝除险设施

车伍等[21]认为,一些地形条件较好的城市即便雨水管渠设计重现期未达到规范要求,超标雨水径流也能够利用地面坡度和竖向条件滞蓄、排放,这种NbS其实就是国外设计中的“非设计大排水”。传统排涝方式对管渠应对能力之外的大暴雨没有“成文规定”,《城乡排水工程项目规范》则对此类非设计大排水进行了统一归并,在“排涝除险”章节做了规定。排涝除险措施包括城镇水体、雨水调蓄设施和行泄通道设施等,承担超出源头减排和雨水管网承载能力的雨水径流的调蓄和排放,确保发生内涝防治设计重现期内降雨时城镇正常运转(图2)。《城乡排水工程项目规范》并明确了城镇排涝除险设施的规模应根据内涝防治设计重现期、地面最大允许积水深度(表2)和最大允许退水时间(表3)确定。笔者认为,区域绿地、防护绿地和非交通主干道等空间均可作为行泄通道一并纳入排涝除险设施。

图2 雨水系统中的非交通主干道行泄

表2 城镇内涝防治设计重现期和地面最大允许积水深度[20]

表3 城镇内涝防治设计重现期下的最大允许退水时间[20]

《城乡排水工程项目规范》关于充分利用非交通主干道作为行泄通道的规定,是我国内涝防治相关标准中首个道路路面行泄的强制性规定。道路路面兼高重现期暴雨情境下的排涝通道是对不断放大的雨水管网建设的一种约束,在看似“逆现代性”的表象下考虑到了灰色基础设施建设的天花板,尽可能模拟了“水往低处流”的天然排涝方式。该规范还规定了非交通主干道作为行泄通道应符合的两个条件:一是达到设计最大积水深度时,周边居民住宅和工商业建筑物的底层不得进水;二是应设置行车方向标志、水位监控设备和警示标志。

3 路面行泄技术要点

3.1 路面横坡

由图2可知,源头减排、雨水管网、排涝除险3个子系统一般情况下是依次参与到雨水系统中,源头减排设施超流量的径流进入雨水管网,雨水管网设施超流量的径流进入排涝除险设施。大暴雨发生时,源头减排和雨水管网冒溢的径流与地面径流沿着设计好的行泄通道有组织地流向调蓄设施或受纳水体,3个子系统同时高负荷运行,并在应急预案、预测预警机制、管理部门的指挥下接受调度,实施衔接。对于道路路面行泄,除内涝防治设计重现期、地面最大允许积水深度、最大允许退水时间外《城乡排水工程项目规范》并未给出详细技术说明,这就需要设计人员注意结合其他相关标准。车伍等[21]认为,非交通主干道行泄通道子系统涉及的设施包括路面行泄通道和道路边沟。雨水受道路横坡作用形成基本漫流并有序汇集到边沟,通过边沟汇入雨水管网。关于横坡坡度,应执行道路专业的相关标准,如《城乡建设用地竖向规划规范》(CJJ 83—2016)规定道路的横坡宜为1%～2%,纵坡大时横坡取小值,纵坡小时取大值。由图3可知,若设定道路宽度,2%横坡的路面最大过水断面更大,更有利于提高路面行泄能力。因此,暴雨情况下考虑到非交通主干道主要作为行泄通道,有条件时横坡应当取值2%。美国《城市暴雨排水标准手册:第1卷 管理,水文学和水力学》[26]也指出,路面行泄的横坡应大于1%(2%较为典型),但受驾驶员舒适度及行车安全限制。

图3 路面行泄断面示意图

3.2 路面纵坡

同理,笔者认为道路路面行泄对纵坡的要求也需要在遵守《城乡排水工程项目规范》原则的基础上注意结合其他相关标准。道路路面行泄能力随纵坡坡度增加而增加。《城乡建设用地竖向规划规范》规定城镇道路机动车车行道的纵坡应大于0.3%,同时路边径流深度不应大于0.2 m,径流深度与流速的乘积应小于0.5 m2/s(径流深度、径流深度与流速的乘积主要考虑人、车失稳因素[27-28]),这与《城市暴雨排水标准手册:第1卷 管理,水文学和水力学》给出的纵坡应大于0.4%但受行车安全限制的规定相当[26]。不论是何种原因的内涝,积水空间位置一定位于城市低洼地带[29],因此,纵坡取值时要避免人为过度干预而造成锯齿形纵坡道路(图4)[30]。对于地势平坦的城镇或在既有建成区道路变坡位置难以满足纵坡大于0.3%要求的,应当重新选取行泄通道,总原则是源头减排、雨水管网和排涝除险的设施应在竖向、平面和蓄排能力上相互衔接,纵坡的取值应当以自然地势为基础使得行泄通道与受纳水体或调蓄空间直接相连。

图4 道路纵坡低洼点[30]

3.3 路面积水宽度

路面积水宽度是路面行泄需要考虑的另一重要参数[16],但《城乡排水工程项目规范》未涉及这一技术细节。设计人员可以按照《城镇内涝防治技术规范》提供的公式在确定了道路横坡、纵坡后计算出积水宽度、雨水口宽度范围外纵向流量。图5中复合过水断面的T即路面积水宽度,可知道路表面流量Q0在数值上等于雨水口宽度范围内纵向流量QW加上雨水口宽度范围外纵向流量QS,其余符号W代表雨水口宽度、TS代表雨水口宽度范围外路面积水宽度、SW代表边沟横向坡度、SX代表道路横向坡度、α代表边沟横向坡度引起的额外侧石边水深。

图5 路面复合过水断面[23]

3.4 尚待进一步研究的问题

以《城乡排水工程项目规范》为代表的路面行泄的新成果基于人车失稳机理考虑道路路面行泄参数,在如郑州“7·20”特大暴雨的情境下,其可借鉴性已然不强。特大暴雨情境下路面行泄的相关要点值得进一步探讨,如①关闭交通使道路行泄不受积水深度限制时的安全性分析;②路面行泄通道横截面与流量的关系; ③雨水管网与路面行泄通道的相互作用; ④道路路面行泄针对特大暴雨的抗冲击性、适应性、快速恢复能力(即增强城市内涝灾害韧性); ⑤同时,在全球变暖环境下,极端气候事件每年的发生概率和重现期都在变化,小概率事件的发生概率会变大[31-32],一些通常认为无内涝之虞的城市由于极端降雨随机性较大也面临不确定性的挑战,这就要求在完善道路路面行泄设计的同时有效提升应急管理水平等。从这些角度看,关于路面行泄在内涝防治中作用的探讨还需进一步深入。

4 结论

近年来多地大暴雨造成的严重后果表明城市传统排涝基本依靠雨水管渠的方式已无法满足要求。道路路面行泄这一新型内涝防治技术在NbS、雨水管网等的研究、应用基础上,得到了研究关注及实践尝试。新发布的《城乡排水工程项目规范》规定城镇行泄通道应充分利用非交通主干道也体现了这一发展。在介绍新型雨水系统中“源头减排”“雨水管网”“排涝除险”内涵与作用的基础上,本文重点梳理了路面行泄涉及的路面横坡、路面纵坡、路面积水宽度这几个技术要点,并提出特大暴雨情境下路面行泄需要进一步研究如关闭交通使道路行泄不受积水深度限制时的安全性分析等一些问题,以期助力路面行泄的研究。