工业园区雨水系统分等级设计方法研究

1、 工业园区雨水系统分等级设计方法研究 陈露摘要：工业园区硬质化的下垫面占比高，排水压力大，但一味提高雨水排水系统的设计标准，不但造价高，而且并不能彻底消除极端气象条件下的内涝风险。研究适应自然的分等级雨水排水系统，在工业园区显得特别重要，并有实际意义。本文从工业园区的特殊性，提出了分等级设计的原则及方法，为提高工业园区雨水系统的安全性及经济性提供一个思路。关键词：工业园区;雨水系统;分等级设计工业园区作为推进我国改革开放和经济发展的重要载体，一直被看作是经济建设的主战场12。工业园区是包含若干不同性质的工业企业，有计划地实施和履行长期发展的政策和要求，聚集了各种生产要素并在一定范围内能科学整合

2、而聚集的产业群集1。1工业园区的类型工业园区按生产类型可分为：主导工业园区、支柱工业园区和特色工业园区2。按生产性质可以分为：智力密集型工业园区、劳动密集型工业园区、资本密集型工业园区、以吸引高科技企业型工业园区2。不同性质的工业园区，对市政基础建设类、生产服务类等配套产业的需求是不同的，具体体现在紧急性和紧密性上：智力密集型工业对教育资源、研发设备、展示条件场地等软硬件配套服务要求较高，冶金、化工、电力与能源等资本密集型工业对物流仓储、安全措施等硬件配套服务功要求较高，而劳动密集型工业的发展以人员、交通等条件为主，其他条件要求不高，因此，各类工业园区的构成、格局分布等也不同2。2 工业园区的

3、特点2. 1 人员组成结构特殊性工业园区内人口分布特殊，他们的工作时间较固定，早晨8点至晚间6点的人口密度较大，其余时间只有少量安保及特需人员。白天工作时间人员密度较大，晚上人口密度急剧降低，工业园区与一般城市人口组成结构差别较大。一般城市中人口是由常住人口及外来打工人员为主3，工业园区聚集了各种生产要素专门从事生产，外来人口居多，同一工业园区具备相同素质的从业人员多，从事密集型生产、物流运输等劳动强度大的职业的比例很大，常住人口比例较少3。不仅如此，工业园区人口流动性大，人员不固定，数量变化也大，随时段波动较明显。2. 2 出行目的特殊性工业园区主要为工业用地和居住用地，教育、文娱、医疗等公

4、共设施较少。外来人口占较大比例，这些外来人口大多住宿区与生产作业区分离，居民出行以工作、出差等刚性需求为主，文体、医疗等弹性需求较少。所以，工业园区内居民出行目的相对单一，出行次数也较少，且具有很强的时段性3。2. 3 出行方式特殊性由于工业园区内居民出行主要是刚性需求，一般都是上下班或者购物等，次数也较少，每天的频次在3到4次。其出行的距离普遍较短，一般都会选择步行、打车、私家车或者是公交车等4。但是由于工业园面积大，园区内人员基数大，会出现不太常规的通勤交通压力，这也不容忽视。2. 4 路网布局结构的特殊性工业园区道路系统路网布局必须具备多种功能。因为工业园区较城市道路行人量少，而车流多，

5、所以在满足车流和行人的畅通无阻的要求的基础上，还要保证车流和行人的方面的安全。工业园区内的道路系统在规划时要考虑道路重要性、道路功能性、道路安全性等方面。3工业园区道路排水系统分等级原则3.1 保证道路排水安全传统雨水排水模式的主要是以延长排水时间和增加管径为主要手段，工业园区排水系统分等级设计以快速排除雨水径流为主要出发点。与传统的排水模式相比，工业园区排水系统分等级设计首先考虑地域的特殊环境，规定排放指标要求;其次在工业园区流域范围内寻找排水系统分等级的可行性和局限性5。3.2遵循传统道路设计路面雨水分等级排水设计主要有两部分组成，一是行车道雨水排水设计，若车行道长时间积水，不仅会产生交通

6、堵塞，还对道路路面及路基产生影响，从而对道路平整度有影响，影响道路使用寿命6。降雨量较小的次干路或者支路，可以选择单坡排水方式，这样能降低施工难度，从而减少工程量，进而节省投资，节约成本。行车道较宽的主干路通常采用双坡排水方式，这样做最主要的目的是可以提高路面的雨水排水效率6。这样的设计为之后选择淹没道路提供了便利，即使有部分支路被淹没，大体上也不影响整个工业园区内的雨水排水效果。二是人行道雨水排水设计，人行道被淹没容易对来往行人的人身安全产生威胁，这是不可忽视的现象要尽量减少。常规设计中，车道设计得较行人道低，一般采用立石等进行分隔，人行道横向坡向车行道，使得人行道上的积水通过立石旁的雨水口

7、顺着坡度进入地下雨水管道6。分等级道路设计仍遵循常规道路设计。3.3 充分利用地形增加调蓄与传统的雨水排水模式相比，工业园区分等级排水系统设计专注于控制道路雨水径流，分为源头、途中和和末端三个方面。源头措施一般采用LID等措施对地块雨水进行引流，去除面源污染的同时，增加雨水汇流时间;途中措施是在符合规范的情况下尽量延长汇流时间，延长径流路，让雨水能被充分吸收、下渗，从而减小径流5。末端措施是对经源头、途中措施无法消纳的雨水进行收集或处理，主要承担了防止内涝、雨水收集利用、调节水循环的作用。工业园区分等级排水系统设计主要是道路路面雨水进行分等级设计，针对不同等级的道路采用不同的设计标准，将道路范

8、围内的雨水进行收集。通过降低不太重要路段（一般是支路）的重现期来调整雨水管网管径，同时将该淹没区域作为调蓄设施。这不仅可以减小工业园区内部雨水排水特别是暴雨降雨排水的压力，减少初期管道投资和后期维运费用，节约成本。这种分等级系统的措施可以从两个方面入手，一是路面径流排水，二是雨水管道排水。管道分等级排水设計应深刻贯彻“高水高排、低水低排”排水原则。这种方法以地形、地势和水系为依托，对区域内的雨水在各个阶段都要进行分流6。在工业园区分等级排水系统设计中，以被淹没的支路为依托，作为短暂的调蓄水域，可以承托部分来不及排除的雨水，既解决了重点区域的快速排水问题，也为整体工业园区延长排水时间，增加调蓄设

9、施作出了安全保障。4工业园区道路排水系统分等级方法分等级计算方法为：对交通量较小、道路等级较低的道路选用较低的标准，将道路雨水管网计算中重现期进行调整，同时将该道路作为调蓄设施使用，本次选用支路。同时，支路的淹没容积可用来校核雨水排水的可行性。4.1 合理规划园区内道路等级首先，需要筛选道路等级，结合城镇道路等级划分规范，根据道路在路网中的地位、通行能力、道路荷载需求等，工业园区道路可以分为主干路、次干路和支路三类7。工业园区主干路主要作用是连接工业园区与各城镇，以及工业园区内各功能单元，是园区内路网的骨架。主干路的交通以车行为主，要求交通便捷、顺畅，是连接城市各主要分区的交通干道，是城市内部

10、的主要大动脉。次干路主要承担了连接工业园区内各功能单元的作用，另外连接并补充主干路7。工业园区次干路的交通也是以车行为主，只是车流量较主干路少，要求交通顺畅安全。与主干路类似，次干路也要求机动车与非机动车分流，人车分流。工业园区支路承担连接工业园区各功能单元，以及联系用地内部的作用。支路对交通量分流功能贡献较少，同时地块间隔较少，可通过临时管制条件调配车辆量，对交通影响较小。结合道路等级计算方法，支路可被选为可淹没区。其次，按车流量大小确定可淹没区处的支路。例：车流量小于150/h的道路可以接受被淹没，不过这需要交通规划的资料。目前采用工业园区内位于地块末端的支路均可短暂被淹的思路设置可淹没区

11、。4.2 合理设置调蓄设施根据室外排水设计标准（GB50014-2021）中雨水管渠设计重现期：表中所列设计重现期，均为年最大值法，根据片区位于城市及重要等级确定整个片区的重现期后，支路的重现期选擇可以下调一级。如规划片区位于大城市的非中心城区，片区所对应的重现期为2-3年，则支路的重现期可选取为1年。降低重现期不仅是工业园区排水系统分等级的主要手段，它还可以减缓管网压力，是一种双向推动的解决方法。在现有雨水管网的工作能力下，部分雨水管网会出现超载现象，超载指的是水面高于最高管渠的内部顶层处，即超过管网所容许的最大运输限度时会发生的一种破坏现象。一般来说，节点超载数量与降雨强度成正比关系，降雨

12、强度越大，超载节点也就越多。选取某工业园区作为研究区域，建立模型，通过动态模拟降雨产汇流及管网传输过程，进而分析管网的实际荷载13。短降雨历时是选取重现期设置为1 年、3年、5年、20年，降雨历时为120 min，长历时是选取重现期为30年，降雨历时为24h的模型对雨水管网节点的运输能力进行检验。结果显示重现期1年时，雨水管网基本能满足正常工作;超过1年，雨水管网逐渐出现积水现象;超过5年，有一半以上的节点出现超载情况，对管网的正常工作造成了严重影响，十分容易导致内涝。下表是对不同重现期的雨水管网检测的超载节点百分比。不同重现期对应的节点超载情况不同，在重现期为 0.25 年、0.5 年、1

13、年、3 年、5 年、10 年、20 年降雨情形下，研究区域的节点超载个数分别为0、0、1、21、51、93，占全部节点的百分比分别为 0%、0%、1.03%、21.65%、52.58%、95.88%。根据选取的工业园区进行暴雨径流水文模型模拟，降雨量越大的情况下，管道负荷越大，产生内涝的风险越大。通过有效的调蓄措施，能有效缓解其他管段的排水压力，减轻其他路段的内涝风险。4.3 合理规划园区内水系园区内水系需合理布置水系，尽量做到均为分布，避免管网布设过长导致管道埋设较深;同时园区内水系尽量靠近主干道、次干道等，为支路短暂积淹提供可能性，如水系靠近支路，则支路的管道设置为雨水主管，一旦雨水主管道

14、位置发生积淹，影响上游排水管段，造成影响较大。所以，合理规划水系的密度和位置尤为重要，不仅能为工业园区排水系统分等级措施提升效率，更能为所在水系和人员提供安全可靠的保障。4.4 合理规划园区道路及地块竖向长时间的地面积水首先会造成路面淹没严重影响交通通行，再次会导致园区内道路及建筑物的地基沉降，容易出现道路塌陷、建筑沉降等不利现象，产生不良社会反映。若不能及时地排除地面积水，则会导致生产危险，甚至引发事故。所以，需要合理规划园区道路及地块竖向，把握好可被淹没支路的时间，做到既能提高防洪效率，又能保证生产安全。为实现路网片区中支路被淹后不对其他道路及地块产生影响，需支路竖向上略低于其他道路及周边

15、地块。根据规划片区原常规的重新期计算支路的管道排放流量及重现期下调之后流量的差值来确定需调蓄流量，确定可淹时长为1h，确定所需调蓄体积。结合“一种对道路洪水模拟的方法”专利中方法进行计算，确定需要调蓄的道路长度，分配至规划片区中，进而确定片区中支路的竖向。因区域地块调蓄无法通过常规计算得出，避免积淹水范围扩散等风险，分等级设计确定管径及竖向后需采用模型进行模拟，确定积淹水区域及深度，从而实现风险可控性。5工业园区道路排水系统检验方法5.1 工业园区分等级排水系统检验的依据由于排水系统作为城市建设的基础设施部分，是保障城市水环境安全的关键环节8。实际的城市排水系统结构复杂，影响其运行效果的因素很

16、多，很难对排水系统实际的运行情况进行评估8。采用合适的模型进行动态模拟，确保工业园区排水系统分等级设计的安全性。5.2 工业园区分等级排水系统模型检验1.模型的选择本次工业园区排水系统分等级方法采用模型检验，从上世纪 60 年代起，一些发达国家就开始研发能够有效模拟雨洪过程的模型，经过多年的发展改进，一些雨洪模型经受住理论与实际工程的检验，在雨水排水规划等方面得到了广泛的应用。SWMM、InfoWorks、MOUSE三个模型的综合能力较强，在实际工程的应用要更加广泛9。（1）暴雨管理模型（SWMM）：SWMM（Storm Water Management Model）是由美国环境保护署（EPA

17、）提供资金支持，研发的动态的降水-径流模拟模型，主要用于排水系统的规划和设计阶段，可对雨水的水量及水质的变化进行模拟。主要用于可视化对象的编辑，因为它比较方便，处理功能相对比较完善，能够实现对降雨径流的水文、水力、水质三方面的演算模拟，同时模拟结果的表达形式多样化8。（2）MOUSE模型：不仅能够模拟雨水管网中水流的水质和水力，还能够动态模拟雨水排水的过程。主要功能包括对于地表降雨下渗的演算模拟、地表雨水径流的形成与汇流过程的计算、真实模拟雨水在管渠内的流动过程、对于长时间降雨的雨洪过程模拟等8。MOUSE 模型在我國的应用也比较广泛，对国家体育馆所在区域的雨水排放系统的雨水排水能力进行分析的

18、过程，就是选用的MOUSE模型14，通过在不同重现期的降雨情景下，对设计的排水系统模拟校核，真实有效的反映了排水系统可能存在的安全隐患，利用雨水系统模型为相关排水防涝对策的提出提供了可靠的依据8。（3）InfoWorks ICM：InfoWorks ICM是HR Wallingford软件公司于1998年开发的Wallingford模型中的最新版。包含水文过程模块、水力过程模块及水质模拟模块8。能对城市现有排水系统进行排水能力的分析，还能对污水处理、城市水域管理等方面进行改造和规划8。InfoWorks ICM模型功能较齐全，在对研究区域的雨洪过程进行模拟的基础上，还能够对模拟结果进行相应的编

19、辑、分析和重新演算，应用非常广泛11。SWMM、MOUSE、InfoWorks ICM模型均在国内有较多使用，在区域排水系统的规划和设计方面均有良好的前景。但是，各个模型各有特点，要具体情况具体分析，因此根据实际问题合理的选择模型尤为重要8。本研究中选择InfoWorks ICM模型进行研究区域的雨洪模拟，以下为InfoWorks ICM模型的操作步骤。2.模型的运行步骤（1）基础数据处理：采用鸿业市政管线或管立得工具（CAD平台）对规划片区内雨水管道进行绘制，并需要对管道及检查井实施赋值;同时需要处理的包含道路路网、河道水系、道路及地块高程等内容，均需要处理成模型可识别的格式。（2）导出数据

20、：将绘制的管道及检查井的参数（包含管道、检查井、排出口、地形数据等）导成模型可识别的格式：csv及dxf格式文件。（2）导入模型：将模型识别的文件导入模型中并建立数据库，同时需要导入模型的还有降雨时间、河道水位等基本情况数据，最后可以运行模型，运行前模型会对建立好的模型网络进行检查及保存，运行完成的模型可进行查看，包含一维及二维成果，成果中包含管网运行情况、检查井是否积淹等，实现可视化。6总结工业园区硬质化的下垫面占比高，排水压力大，极端气象条件下的内涝风险的的问题，本文研究适应自然的分等级雨水排水系统，缓解工业园区管道压力，降低内涝风险，本文主要研究成果如下：（1）因工业园区道路断面、人员类型、出行需求等特殊性，具备将道路下雨水系统进行分等级设计的条件。（2）在一个独立的排水体系内，部分道路等级较低的路段可根据实际情况，以不影响道路基本功能的前提、不造成内涝风险的要求下，采用道路本身来设置积淹范围，从而增加雨水调蓄空间来适当降低雨水系统重现期要求，减小雨水管径、埋深，达到降低整个片区市政雨水管道基础投资的目的。（3）为精准定位积淹位置，在前期规划内就需确定道路等级、雨水管道等级、积淹深度及长度、管道设计标准、片区竖向、水系等