城市化对城市雨水排放的影响

城市化对城市雨水排放的影响

近年来，我国城市频繁发生城市洪水。一场风暴使整个城市陷入瘫痪和道路洪水，威胁到居民的生命和财产。并且随着城市立体化发展,地铁、地下车库、地下商场等各种地下设施及场所越来越多,使得城市受淹情况更加复杂化。目前,城市雨水内涝问题引起了社会各界的广泛关注,已提至政府的议事日程。1城市雨水洪水的原因分析1.1城市发展的影响城市化发展对城市雨水排放的影响产生在两个方面:一是城市雨岛效应的产生,二是地面硬化对径流系数和汇水面积的影响。(1)暴雨发生与降水、农田湿度的关系城市发展改变了原来的生态环境,产生城市雨岛效应。雨岛效应集中出现在汛期和暴雨之时,易形成大面积降水,甚至形成城市区域性内涝。同时,近年来城区降水强度明显大于郊区也可能与雨岛效应有关。相关研究显示,上海市区降水量平均年增长率为郊区的1.6倍,雨岛效应可能是上海城区与郊区降水差异的主要原因。(2)场地雨水径流小,导致生态功能弱化径流系数是计算雨水量的重要参数,反映了大气降水形成径流的程度。一般而言,绿地、农田或干旱地面形成的径流量较小,硬地面、屋面或湿润浸水场所形成的径流量较大。现行教科书及设计规范对径流系数的取值规定仅考虑了场地的性质,而忽略了场地的干湿程度。所以,在持续降雨过程中,即使绿地、农田等易于含水的场所,场地浸水已趋于饱和,也会出现较大的径流量,从而导致径流系数加大。城市发展改变了原来的生态环境,地面硬化后丧失了天然的雨水蓄水功能,使得原本可以渗透的雨水被集中快速排放,导致雨水径流量增大。另外,城市建设和城市局部功能调整,有可能在竖向标高设计方面改变原有的分水线,导致既有排水系统的汇水面积增大;另外,在城市规划初期部分没有纳入城市雨水排放系统的区域,随着区域开发和建设,需就近纳入城市排水系统,这样也会增加既有排水系统的汇水面积,改变初期城市规划的排水系统负荷,出现按照原来场地分水线设计的排水系统排水能力不足的情况,导致城市区域性内涝。1.2根据城市公共交通的标准(1)重现期取值的确定目前国内在城市排水规划设计方面的相应规范有《城市排水工程规划规范》(GB50318—2000)和《室外排水设计规范》(GB50014—2006)两项。现行的《室外排水设计规范》(GB50014—2006)中第3.2.9条规定:“雨水管渠设计重现期,应根据汇水地区性质、地形特点和气候特征等因素确定。同一排水系统可采用同一重现期或不同重现期。重现期一般采用0.5~3年,重要干道、重要地区或短期积水即引起较严重后果的地区,一般采用3~5年,并应与道路设计协调。特别重要地区和次要地区可酌情增减。”《城市排水工程规划规范》第3.2.5条规定类似。从上述规定可看出,设计人员设计时一般情况下重现期取值的上限为5年,在特别重要地区才有可能增加重现期的取值,而“特别重要地区”在概念上是模糊的。针对特定工程,有可能增加重现期取值,但对于城市雨水排放系统设计来说,如果没有地方管理部门的相关规定和针对特定工程的特殊要求,设计重现期取值一般不会超过5年,当出现重现期为50~100年的大暴雨时,城市排水管道的排放能力自然不能满足大重现期大气降水的要求。此外,与《室外排水设计规范》(1997年版)相比,GB50014—2006中的重现期下限值由1997年版规范的2年变为3年,1997年版规范的“注”变成正文,其他内容基本未变。(2)关于t1和p值排水系统设计规范标准偏低,同时在执行设计规范时,还存在设计规范运用不当的现象。暴雨强度公式的通式为q=167A1(1+ClgP)/(t+b)n,对于特定城市而言,式中A1、C、b、n均为定值,t=t1+mt2,t1为雨水进入排水系统起始端的时间,一般取5~10min,m=2,t2为管道延续时间,经计算得出。式中t1和重现期P是由设计人员决定的取值,t1取值有1~2倍的主观空间,P值也与设计人员的认识有关。可以说,能否根据工程实际情况正确选取t1和P值是雨水排放设计的关键问题。但实际设计中,很多设计人员为计算简单而取重现期为1年,这在降水大重现期出现并持续降水时,城市雨水排水系统出现排水不畅是显而易见的。(3)国外的城市排水系统立法及实践城市防洪标准的建立旨在通过立法等手段,从排水系统上减小城市内涝的可能性。我国城市建设飞速发展,但城市防洪工程建设相对失衡,一直没有受到太大的重视,城市防内涝能力不能适应城市的快速发展。一些发达国家在城市防洪方面具有比较成功的经验,已制定相关的法律法规,以法律条文的形式规定预防和治理城市内涝的相关举措。美国科罗拉多州、佛罗里达州和宾夕法尼亚州分别制定了《雨水利用条例》,不仅规定了雨水调蓄利用的具体措施,而且制定了详尽的城市内涝防范、治理措施以及问责手段。英国议会于2010年4月通过了《洪水与水管理法案》,以法律条文的形式规定了预防和治理洪水的相关做法以及各级负责方。日本则几乎是城市防洪标准的最早设立者,其《下水道法》从颁布起已有上百年,对排入城市下水道的物质及污水种类具有严格限制,对下水道的排水能力及各项技术指标也都有严格的规定。此外,德国也制定了《城市内涝保险法》等。这些发达国家从立法的角度规定了城市建设过程中应强制采取的城市防内涝的措施,具有极强的约束力。从高层决策到基层执行,整体考虑城市排水系统的设计、管理及维护。而我国在城市防内涝方面,相关法规制定明显滞后。1.3暴雨—受纳水体水位增高引起城市排水能力下降近年来,各地一旦进入主汛期,“水浸街”便成为媒体报道的关键词。极端暴雨天气造成局部降雨强度大,雨量集中。由于暴雨的面积大、历时长,导致流域上下游水位普遍上涨,流经城市水体的水位也普遍上涨,对于沿海城市,还有天文潮汐顶推的不利影响。上述种种原因导致城市雨水排放的受纳水体水位增高,原有的自由出流变成了淹没出流,导致城市整体排水能力下降。1.4新旧公式对比分析我国给水排水设计手册中推荐的暴雨强度计算公式大多是20世纪70年代左右推导得出的,其依据的雨量资料年份除北京、上海、天津、南京等四座城市等于或超过40年外,其余的均在30年以下。由于这些公式推导时资料年份较少,加之计算手段多为手算,较为原始,其精度大打折扣。以南宁市为例,2007年受南宁市规划管理局委托,华南理工大学和广州大学组建编制组对南宁市暴雨强度公式进行了修编。修编成果《南宁市暴雨强度公式修编》中,对新旧公式降雨量计算进行了对比分析,发现重现期P≥50年时,在任何降雨历时内,新公式计算值均大于旧公式计算值;当重现期P≤50年时,随着降雨历时的增加,新公式计算值逐渐大于旧公式计算值。所以,出现大重现期雨水时,特别是近年来大重现期降水频繁出现时,按旧公式计算设计的排水系统的排水能力不足是必然的。1.5排水系统及管理维护排水系统在建成后,如维护管理不善,局部排水能力下降,也会形成城市局部性内涝。首先,在使用方面,不该进入城市雨水管的各种垃圾沉淀堆积缩小了过水断面,使排水系统能力下降;明装雨水口的堵塞使系统集水能力下降。其次在管理及维护方面,管网施工、道路施工、污水治理截污等过程中,存在损坏原有排水系统的现象;另外在旧管网改造过程中往往容易出现雨水管与污水管混接的现象,造成管网连接混乱,排水不畅,降低系统排水能力。此外,各种工程的改造使原有雨水管局部截断或汇入其他汇水面积的来水,都是城市局部水淹的原因。2对策分析2.1透水铺装技术在雨水径流控制的设计中的应用从源头上降低雨水径流量尤为重要。近年来,雨水入渗及调蓄系统得到越来越多的应用,一些具有前瞻性的城市管理政策已经或正在制订,包括鼓励采用雨水入渗及调蓄系统,倡导低影响开发(LID)理念,降低场地雨水径流系数等综合措施,有些工程已取得明显的社会效果。采用低影响开发(LID)理念,设置雨水入渗及调蓄系统,通过分散的小规模设施对雨水径流进行源头控制,减小雨水径流峰值流量和总量,可以采取多种多样的实现手段,如透水材料、渗透排水沟、植物过滤带、植被浅沟等。露天硬地面如道路、广场、停车场等尽量铺设透水材料,使大气降水渗入地下,形成含水量较高的土壤层,由短期径流变成长期径流。道路两侧设置渗透排水沟,将部分雨水渗入地下,同时可以过滤掉雨水径流中的污染物,形成的雨水径流采用渗透管而非传统的雨水管道,尽最大可能将雨水在形成径流的过程中渗入土壤,这样可以有效削减暴雨期形成洪峰的频率和径流量。绿地及其他植被根系保持水土涵养,大面积的绿化草坪设计规划为植被过滤带,建立适当的雨水管理辅之以工程渗透技术,使雨水充分渗入地下,可以有效地去除雨水中的污染物,降低暴雨径流量。目前,该方法在北京、天津、宁波等地已有应用,取得了很好的经济效益和环境效益。雨水生态化处理采用雨水渗透—排放一体化模式,从整体考虑,结合LID理念及技术,将雨水的控制及利用贯穿于整个项目的规划设计过程之中。2.2重现期取值的提高规范中重现期取值滞后于城市建设发展需求,建议在深入调研的基础上,在规范中适当提高重现期取值。我国一些大型项目,由于其重要性及特殊性,在场地雨水组织排放设计过程中,往往根据实际情况放大重现期取值,取得了较好效果。2.3排水系统的排水能力对于新建排水系统,在设计时需综合考虑各种影响因素,正确选取设计参数。例如,在设计时考虑多年一遇的受纳水体水位(历史最高洪水位)及其对整个排水系统水力坡降的影响,以其参数校核排水系统的排水能力;根据项目重要性,以及所在区域历年来的受涝情况,适当增大重现期、径流系数取值;据实计算t1值,特别是对于大型雨棚雨水排水设计时,据实计算t1值设计系统排水能力,以使新设计的雨水排放系统有较大的排水能力。2.4对原有雨洪排放系统进行整理的可行性分析随着各地气象部门雨量记录的累积,国内各城市已具备了对暴雨强度公式进行新一轮修编的条件。目前,杭州、福州、长沙、南宁等省会城市已对原有的暴雨强度公式进行了修编,经修编的暴雨强度由于雨量记录年份更长,计算手段更为先进,因而精度更高,针对性更强,以此为依据设计的雨水排放系统更能适应城市发展的需要。因此,各地暴雨强度公式进行新一轮修编势在必行。2.5加强水系统能力管理对于已建排水设施,一方面应根据城市建设发展实际,分别进行扩容改造,加大城市排水系统能力;另一方面加强维护管理,督促各有关单位加强日常管网养护和巡检,经常清疏、维修排水设施;对因道路施工、地下管网施工、污水治理截污等损坏原有排水系统的情况,应尽快督促责任单位对其进行整改和完善,使之更适合雨水排放的实际需要。3城市雨水排放的lid理念近年城市暴雨频发,城市内涝问题受到多方关注。导