北京市中心城内涝的成因分析及对策

北京市中心城内涝的成因分析及对策

自2004年以来，每当降雨时，北京的道路和道路变得泥泞，道路和桥梁被洪水淹没，汽车被水井淹没。数万人无法正常工作，这使北京这个古老而现代化的城市显得无与伦比。世界城市发展史已经证明,要真正跻身“世界城市”之列,除了地上的光鲜与繁荣之外,埋藏在地下不为人见的市政设施系统才标致着城市真正的实力、潜力和包容力。北京的雨水系统如何应对迅速增长的城市人口、不断扩大的城市规模以及不断变化的气候等条件?解决北京城市内涝已是当务之急。本文将从城市雨水排除系统规划设计角度入手,提出解决北京市城市排涝问题的一些思路与方法。1.北京雨污水之制北京的排水工程有着长远历史积淀,根据明朝正统四年(1439年)及成化二年(1466年)的记载,当时在京城内外大街小巷已普遍有排水沟渠,到清朝乾隆年间,已有较普遍的暗沟系统。解放初期在新中国百废待兴的情况下,市政府决定掏挖、整修旧沟,将明清遗留下的排水沟渠加以利用,同时财政投资在城区陆续修建了龙须沟、大石桥、夕照寺、右安门内、陶然亭、铜法寺、李广桥、四海下水道和御河下水道等一系列的排水工程。鉴于当时的历史和经济状况,政府投资主要目的在于改变城市内涝(积水)和改善污水横溢的环境卫生状况,所以沿袭了较为经济的旧下水道的体制——雨污合流制。1953年制定的“北京市下水道计划方案”中首次明确提出了北京市区的下水道按雨水、污水分流制的原则进行建设,以后的60年间尤其是改革开发以来,北京的雨污水系统得到了很大的发展与完善。经过几十年不懈的努力和建设,目前中心城范围内已拥有以清河、坝河、通惠河、凉水河四条河流为排水尾闾的四大排水系统,已建设雨水管道长约3000km,建设立交排水泵站90余座,完成了雨水利用工程约700项,为北京市区雨水排除创造了很好的基础。2.雨水系统存在的问题2004年以来北京城区屡屡发生内涝,综合分析有以下原因:(1)下垫面变化:城市规模不断增长,地表不透水面积比例越来越大,建成区下垫面的变化不断改变着城市的水文特征,致使城市地表径流量大幅度增长。(2)“雨岛效应”:即城市比周边郊区降雨强度高、雨量大(盛夏,建筑物空调、汽车尾气加重了热量的超常排放,使城市上空形成热气流,热气流越积越厚,最终导致降雨既快又急)。(3)河道排水能力不足:作为受纳水体的下游河道经过治理景观及排水能力有了很大的改观,但是仍有部分河道未按规划要求进行疏浚,致使雨水系统下游排水不畅。(4)雨水设施不健全:中心城边缘地区及城乡结合部地区雨水管道系统不够完善,造成部分道路及周边地区的雨水管道下游排除出路不畅。(5)立交桥下积水:客水汇入、高强度降雨、排水泵站发生故障、应急预案和对应措施不完善,致使立交桥区发生积水。(6)雨水管道设计重现期偏低:随着城市化快速发展,城市的安全运行等级不断提升,许多一般地区提升为重点地区,一般道路升级为主要干道,按原标准设计的雨水管道不能满足雨水排除要求。3.北京雨水管网设计重现期2003年3月,北京市规划委员会和水利局联合发布经市政府同意的《关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定》,其中规定“凡在本市行政区域内的新建、改建、扩建工程均应进行雨水利用工程设计和建设……建设工程的附属设施应与雨水利用工程结合,景观水池应设计为雨水储存设施,草坪绿地应设计建设为雨水滞留设施”。2005年5月1日实施的北京市人民政府办公厅第号《北京市节约用水办法》中规定“新建、扩建、改建建设项目的节水设施应当与主体工程同时设计、同时施工、同时投入使用。……节水设施包括用水器具、工艺、设备、计量设施、再生水回用系统和雨水收集利用系统。……住宅小区、单位内部的景观环境用水和其他市政杂用用水,应当使用雨水或者再生水,不得使用自来水。”根据近些年北京城市发展的新特点、气候变化及雨水排除过程中出现的问题因素等,北京市规划委员会北京市于2011年发布了《关于调整北京市雨水排除系统规划设计重现期的意见》规定:一般地区的雨水管渠设计重现期采用3年一遇,重要地区采用5年一遇,特别重要地区采用10年一遇。道路立交雨水泵站设计重现期5~10年一遇。重要道路雨水管渠设计重现期采用5年一遇,并采取综合措施,力争在10年一遇降雨时,保证交通通行。该规定将北京市目前执行的雨水管渠的设计标准(设计重现期)普遍提高了2~5年,在此政策的指导和政府财力的支持下,北京市的雨水排除系统将进行新一轮的调整和高标准的建设。提高标准后的北京市雨水管道设计重现期,与纽约排水重现期10年一遇、伦敦重现期5年一遇、巴黎重现期5年一遇仍显偏低,但与东京排水重现期3年一遇基本持平。一个多世纪以来,成为巴黎和伦敦人民引以为骄傲的,有着巨大空间和埋深,可行船可跑汽车的下水道系统,对受纳超频率洪水有着积极意义。北京旧城的御河下水道、南北沟沿、东西护盖板河等历史遗迹也都起到过类似作用。但随着城市扩张,按照规划设计规范标准建设的雨水管网很难产生类似超规模的干线系统以排除短时高峰雨水,遇非常态雨型,容易造成积水。如今北京城市化进程不断加快,遇到了城市内涝、水资源紧缺、环境污染等诸多问题,如何使北京这座古老、文明、现代化的城市跻身世界的前例?我们必须寻求一条适合北京的崇尚绿色、低碳、可持续的发展之路。4.北京降雨强度公式北京市雨水管道计算公式:Q=iΨf暴雨强度i计算公式:(单位:mm/min)其中:Q-雨水管道计算流量,单位:m3/s;从上述公式中看出,雨水管道的计算流量与雨水设计重现期、径流系数、汇水面积正相关,与雨水的径流时间负相关。当雨水计算流域内地面径流系数加大、重现期提高以及雨水径流时间缩短的情况下,就会导致雨水流量的增加。北京市暴雨强度公式是1980年由北京市市政设计院在40年降雨资料的基础上,结合的北京地区雨型、雨量特点,模拟适于北京地区的雨水管道流量计算流量的公式。该公式已沿用了30多年,如今北京城市的下垫面发生了很大变化,中心城建设用地从1989年的422km2,增长2002年的630km2,增长幅度为54%(图1),到2020中心城建设用地将达到778km2,如果不对暴雨强度公式进行修正或从源头上控制雨水流量,雨水管道计算流量将小于实际发生的洪峰流量,使城市的雨水系统不堪重负。随着全球气候变暖及城市“雨岛效应”等诸多影响,使北京的雨型、雨量均发生了很大变化。目前沿用的暴雨强度公式在很大程度上不能准确描述降雨过程,确实使我们感到现在城区的降雨来得既快又急,有猝不及防之感。近年来,超过排水管道规划设计标准的降雨时有发生,影响了城市交通,地下设施,甚至生命财产安全。5.解决北京城市池塘问题的对策5.1源头控制雨水源头控制雨水利用方式,主要是提高城市下垫面天然入渗能力,建立由“入渗池、井、草地、透水地面”组成的地表回灌系统,源头控制雨水的作用在于在排水系统的各子流域内,将雨水或就地渗入地下,或延长其排放时间,或暂时蓄存。三种做法均可以达到削峰、减流、净化雨水径流、补充地下水的效果。在国外美国、德国和日本等一些发达国家,城市雨水的收集利用已有较长的历史,并受到一系列法律法规的保障,积累了许多成功的经验,诸多国外城市成功的经验对既内涝又严重缺水的北京城市有很好的借鉴意义。北京市从2003年执行了《关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定》,要求以后所有新建、改建、扩建工程均应加入雨水利用工程的建设,否则有关部门将不予验收。城市规划部门也在根据北京市内涝特点,大力加强区域层面、街区层面、小区层面的雨水控制与利用,从源头截留雨水控制雨水径流量,减少城市雨水管道、河道及防洪系统的压力。源头控制雨水主要有以下四种方式:(1)充分利用建筑物屋顶雨水:建筑物屋顶雨水较地面雨水清洁,屋顶雨水所含污染物质(有机物、病原体、重金属、油剂、悬浮固体等)远低于地面径流雨水污染物的含量,可通过建筑物屋顶排水管,将建筑物屋顶的雨水引入绿地、透水路面,或引入储水设施蓄存。利用建筑物屋顶雨水不仅改变了建筑物周边的生态环境又作为资源收利用了雨水,同时也减少了城市雨水的下泄流量。(2)庭院、广场、人行道等城市开放的公用空间雨水:可选用透水材料性强的地面铺装,对有特殊要求不能保证实施透水铺装的局部地面,可建设汇流设施将雨水引入透水区域或储水设施。据初步定性显示透水地面铺装可使进入雨水管道的峰值流量减少20%~30%,起到了减少雨水径流蓄养地下水起到了积极的作用。(3)规划要求街区内绿地设计成低于周围道路5~10cm的下凹式,与道路相连处不设路牙,让径流雨水直接进入绿地,在最大限度截留雨水的同时充分利用表层植被和土壤的净化功能减少径流带入水体的污染物。(4)居民小区将按规划要求修建雨水收集和利用装置(储水罐、地下蓄水池等),雨水通过这些设施收集到一起,经过简单的过滤处理,就可以用于小区内建设观赏水景、浇灌小区内绿地、冲刷路面等需求,这样不但减少了雨水经流量同时节约了大量水资源。我国城市雨水利用虽具有悠久的历史,而真正意义上的城市雨水利用的研究与应用却从20世纪80年代开始,并于90年代发展起来。但总的来说技术还较落后,缺乏系统性,更缺少法律、法规保障体系。20世纪90年代以后,随着城市化的进一步加速,城市缺水的矛盾也进一步加深,环境与生态问题也同步扩展。为了解决内涝、缺水、环境、生态等一联串的矛盾,人们开始把注意力放到雨水的收集和利用。我国一些城市和地区放弃了传统的雨水管道排除系统,因地制宜地建立了雨水控制、雨水处理与利用系统。例如天津滨海新区《东丽湖万科城》、北京潮白河畔的《东方太阳城》、北京天秀花园雨洪利用示范工程、双紫小区雨洪利用工程、水文地址公司雨洪利用示范工程、北京校园雨洪利用示范工程等,为区域雨水的排除、控制与利用积累了宝贵的经验。5.2排水系统排水不畅针对受纳水体的城市河湖,北京中心城范围内保留了较为完善的河湖水系系统,现有清河、坝河、通惠河、凉水河等四条主干排水河道(均属北运河水系)及其120余条支流,河道总长度约581km,总流域面积约1266km2。近年来,对中心城区河湖水系进行了综合整治,先后治理了长河、京密引水渠昆玉段、筒子河,清河上段、万泉河、马草河下段、坝河(酒仙桥段)、北小河(望京段)等河道,在一定程度上提高了河道的输水和防洪能力。虽然政府投入了很大力度整治河道,由于城市下垫面的变化,致使已治理的河道,又出现排水能力不足等问题,从而导致在高强度降雨时,受河水顶托,雨水管道排水不畅。目前仍有一批河道未达到规划要求,像城南部经常造成雨水管道排水不畅的丰草河、马草河、水衙沟、水衙沟南支沟、小龙河、凉水河下段等河道仍需按规划要求进行整理。针对雨水管网系统,北京市以举办亚运会、奥运会为契机,排水设施建设得到了快速发展。随着城市的拓展和改建及城市道路的建设,新建雨水管道长度是2002年以前累计建设的1.6倍。截至到2010年底中心城共有雨水管道2543km,已经形成了500多个排水管道系统,雨水管道服务面积率在到75%左右。据初步校核统计,中心城主要道路雨水干管设计重现期P≥3年一遇的管线仅占15.6%,而84.4%雨水干管设计重现期<3年。虽然北京城市雨水排除设施建设取得很大成绩,但是与建设现代化国际大都市要求相比仍有明显的差距,尤其中心城边缘地区,如西郊半壁店、五里店、北苑、定福庄、丰台桥南、石景山模市口等地区,由于分散建设未按规划统一实施,造成排水系统很不完善。为达到总体规划要求中心城、新城建成区的雨水管道覆盖率达到90%以上,在发生设防标准内降雨时,城市不产生严重积水的目标,还有很多的工程要做。针对衔接雨水管网和下游受纳水体的泵站,目前中心城主要雨水排水泵站约83座,在排水集团主管的77座泵站中,重现期达到5年一遇的泵站只有5座,仅占泵站总数的6%,3年一遇泵站有21座,占27%,其余67%的立交雨水泵站重现期均低于3年一遇。今后几年中政府要采取综合措施对中心城四环以内立交桥区排水泵站进行升级改造,最终全部达到降雨设计重现期5年一遇标准以上,才能彻底保证城市立交雨季畅通。5.3蓄滞洪水区建设全世界为之震撼的法国巴黎和英国伦敦庞大下水道系统,是城市雨水排除与蓄积的典范。日本在1963年开始兴建滞洪和储蓄雨水的蓄洪池,这些设施大多建在地下,以充分利用地下空间。而建在地上的也尽可能满足多种用途,如在蓄洪池内修建运动场,雨季用来蓄洪,平时用作运动场。21世纪东京建造大深度地下河道,把雨水有计划的贮存起来,以减小洪峰流量,并作为中水水源。为缓解因城市建设规模不断扩大而增加了洪水流量与排洪河道用地已难以拓宽的矛盾,蓄滞洪区规划就成为当今北京市防洪规划的一个重要组成部分,规划在适当的位置设置蓄滞洪区,将雨季洪峰流量暂时滞蓄在蓄滞洪区内,待洪水过后,再将滞蓄洪区内滞蓄洪水排入河道,以保障城市的防洪安全。该项措施是提高城市防洪标准和雨水排除标准的重要组成部分,可以同时达到削峰、减流、净化雨水径流、补充地下水的效果。《北京城市总体规划(2004~2020年)》确定了中心城“西蓄、东排、南北分洪”的防洪措施,其中“西蓄”主要指利用西郊砂石坑、玉渊潭、南旱河蓄洪区、万泉庄蓄洪区等约300多hm2占地地蓄滞洪区,蓄滞中心城西部洪水,减少进入中心区地洪水,确保城市防洪安全,同时也起到利用部分雨洪回灌地下水地作用。在《中心城控规整合河湖水系规划》中增加了中心城东部地区利用水碓湖调蓄洪水、清河出口滞洪区、北小河出口滞洪区、坝河出口滞洪区等处近700hm2地滞蓄洪区。在《北京市“十二五”时期地下管网空间布局规划》中,指出在“十二五”期间中心城将建设城西区(阜石路砂石坑)雨洪水引渗工程;城东区(通惠河系统调蓄、北运河—潮白河系统调蓄、千亩湖蓄滞洪区、朝阳区崔各庄乡雨洪滞蓄区、朝阳区金盏湖雨洪利用)雨洪调蓄工程;城中区(玉渊潭湖调蓄、紫竹院湖调蓄)雨洪控制工程;公园雨水利用(中心城区所有公园均实