本文系科技部“十三五”重點研發(fā)計劃項目課題“城市低影響排水(雨水)系統(tǒng)與河湖聯(lián)控防洪抗?jié)嘲踩Ｕ详P鍵技術”(2016YFC0802507)相關成果。刊載于《城市規(guī)劃》雜志2019年第8期。
1 引言
近年來，很多城市都相繼遭遇道路積水和內(nèi)澇災害的影響，社會各界包括業(yè)內(nèi)人士都把內(nèi)澇的主要原因歸咎于現(xiàn)有城市排水系統(tǒng)，認為現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)建設標準低是造成城市排水問題的罪魁禍首，并由此掀起城市排水工程設計標準修訂和雨水管網(wǎng)提標改造的序幕。
經(jīng)過多次修訂和調(diào)整，雨水管網(wǎng)設計標準較以前有了明顯的提高。毫無疑問，標準提高在一定程度上提升了雨水管網(wǎng)的排水能力，但付出的代價是排水工程建設規(guī)模和投資顯著增加，同時，人們最關心的道路積水和內(nèi)澇問題依然沒有得到解決。
筆者認為，這種困局出現(xiàn)的主要原因是排水系統(tǒng)不完善、超范圍應用現(xiàn)有雨量計算方法(即暴雨強度公式法)導致排水管網(wǎng)建設標準與排放能力不匹配，從而嚴重影響排水系統(tǒng)的整體排水能力。因此把當前城市排水問題完全歸咎于現(xiàn)有排水工程建設標準低是片面的，不客觀的。
通過對城市現(xiàn)有雨水管網(wǎng)實際建設水平的分析，結合近年來編制的城市排水防澇規(guī)劃特點和實施效果，為從根本上解決城市排水問題，同時提高排水工程的投資效率，首先要充分了解現(xiàn)有雨量計算方法的特點，從整個排水系統(tǒng)出發(fā)，銜接好上下游排水管網(wǎng)設計標準與排水能力之間的關系；其次調(diào)整確定排水工程建設標準的關鍵因素，合理配置系統(tǒng)內(nèi)排水管網(wǎng)的建設標準，保證排水系統(tǒng)的整體排放能力能滿足設計標準的要求。
2 設計重現(xiàn)期的調(diào)整歷程
隨著城市人口和財富的高度集聚，城市功能的日趨完善，經(jīng)濟實力的提升以及對排水安全要求的提高，城市排水工程的建設標準也在逐步提高。特別是最近幾年，修訂排水工程規(guī)范、不斷提高管網(wǎng)設計標準已成為應對城市排水問題的主要措施。
以《室外排水設計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)為例，該《規(guī)范》進行了多次修改或局部修訂，頒布的版本主要有：《室外排水設計規(guī)范》(TJ14-74)，《室外排水設計規(guī)范》(GBJ14-87)以及1997年版的《室外排水設計規(guī)范》(GBJ14-87)。進入本世紀以來，又先后進行了4次修改或局部修訂，頒布了《室外排水設計規(guī)范》(GB50014-2006)以及2011年版、2014年版和2016年版《室外排水設計規(guī)范》(GB50014-2006)。伴隨著設計規(guī)范的多次修訂，雨水管網(wǎng)的設計標準也在不斷提高。
在1974年版《規(guī)范》中，排水管網(wǎng)重現(xiàn)期選用范圍一般為0.33-2.0年；在1987年版《規(guī)范》中，重現(xiàn)期的下限值和上限值較上版均有所提高，重現(xiàn)期選用范圍為0.5-3年；2006版《規(guī)范》基本維持1987版規(guī)定的設計重現(xiàn)期，即重現(xiàn)期一般采用0.5-3年。
2011年版《規(guī)范》對排水管網(wǎng)的設計標準調(diào)整較大，取消了0.5年的下限值，將一般地區(qū)的重現(xiàn)期調(diào)整為1-3年，同時對雨水管網(wǎng)的降雨歷時計算也給出了調(diào)整建議，提出在經(jīng)濟條件較好、安全性要求較高的地區(qū)排水管網(wǎng)的折減系數(shù)取１。
2014年版《規(guī)范》對雨水管網(wǎng)設計重現(xiàn)期再次進行了調(diào)整，中等城市和小城市設計重現(xiàn)期調(diào)整為2-3年，大城市為2-5年，超大城市和特大城市為3-5年，并且要求降低降雨歷時計算公式中的折減系數(shù)全部取1，這相當于又變相提高了排水管網(wǎng)的設計標準。
通過對建設標準的多次調(diào)整，目前我國城市尤其是大城市雨水管網(wǎng)的建設標準已非常接近歐美城市的建設標準。
3 排水系統(tǒng)主要問題識別
3.1 排水工程規(guī)劃建設缺乏系統(tǒng)性
在排水工程領域存在重局部排水管網(wǎng)設計、輕系統(tǒng)排水規(guī)劃構建的現(xiàn)象。主要體現(xiàn)在雨水管網(wǎng)與其他排水設施之間、上游與下游之間缺乏有效銜接；其次城市排水工程規(guī)劃的編制往往只考慮本輪規(guī)劃期和規(guī)劃范圍的發(fā)展需求，沒有從長遠發(fā)展和流域協(xié)調(diào)的角度規(guī)劃建設城市的排水系統(tǒng)，從而影響到排水工程的系統(tǒng)性和整體性，在不同程度上影響到排水系統(tǒng)的整體排水功能。
鑒于現(xiàn)有排水管網(wǎng)無法有效解決城市的排水問題，一些學者提出在城市內(nèi)部再新建一套應對內(nèi)澇的排水系統(tǒng)，即把城市排水系統(tǒng)人為劃分為雨水管網(wǎng)和內(nèi)澇防治兩個部分。這種把城市排水和內(nèi)澇防治分而治之的做法，在實施過程中存在很大的風險和不確定性，有可能造成排水工程投資大幅度增加、而內(nèi)澇問題依舊得不到解決的尷尬局面。
3.2 對雨量計算方法特征和使用范圍缺乏分析研究
當前，我國還沒有制定出適合我國國情的雨量計算方法，一直使用基于蘇聯(lián)時代的雨量計算方法(即暴雨強度公式法)來指導城市雨水工程的設計與建設，并且不重視對該雨量計算方法基本特征和使用范圍的分析研究。以排水系統(tǒng)匯水面積為例，該方法僅適用于匯水范圍較小雨水管道的工程設計。由于沒有更好的雨量計算方法加以替代，事實上暴雨強度公式法的使用范圍已經(jīng)非常寬泛，幾乎沒有任何限定。不論是匯水面積為1hm2的小區(qū)，還是高達數(shù)平方公里的雨水系統(tǒng)都在采用相同的雨量計算方法，十分不妥。
超范圍應用暴雨強度公式法已經(jīng)給我國城市現(xiàn)有排水系統(tǒng)造成很大的不利影響。按此方法構建的排水系統(tǒng)，上游雨水支管排放能力很強，而下游雨水干管排水能力相對不足，其中最具代表性的就是“大管接小管”現(xiàn)象。對于一些坡度較小且匯水面積較大的排水系統(tǒng)，應用暴雨強度公式法計算下游干管設計流量時，雨水管設計流量不是隨匯水面積的增加而增加，反而是隨匯水面積的增加而減小，其計算結果是上游雨水管段設計流量大于下游雨水管段設計流量，若按計算設計流量直接選取雨水管管徑，就會出現(xiàn)上游雨水管管徑大于下游雨水管管徑的情況。毫無疑問，這些管段將成為整個排水系統(tǒng)的瓶頸的情況，管段所在地區(qū)在汛期極易發(fā)生道路積水或內(nèi)澇。筆者通過分析研究多個城市內(nèi)澇點與排水系統(tǒng)的關系，也進一步證實了這一結論。
3.3 標準選取沒有體現(xiàn)排水系統(tǒng)的自然屬性
目前在確定排水工程建設標準時存在本末倒置的現(xiàn)象。標準選取忽視了排水系統(tǒng)的自然屬性，如匯水面積、設施規(guī)模、影響程度等因素，卻把排水設施所在區(qū)域的用地性質(zhì)、建(構)筑物重要程度、道路等級等外部因素作為選取設計重現(xiàn)期的重要條件。在眾多版本《室外排水設計規(guī)范》中，只有1974年版《規(guī)范》在確定排水設施設計重現(xiàn)期時考慮了匯水面積這一因素，其他版本規(guī)范都沒有把“匯水面積”作為選取重現(xiàn)期大小的重要條件。按照現(xiàn)有規(guī)劃設計規(guī)范的規(guī)定，不管是匯水面積1hm2的雨水支管，還是匯水面積高達幾百公頃的雨水主干管，選取的設計標準可能是一樣的，甚至可能出現(xiàn)匯水面積小的雨水管卻選取了較高設計標準的現(xiàn)象。
按照現(xiàn)有雨量計算方法，雨水管對應的暴雨強度與其服務的匯水面積呈反比關系，即匯水面積越小，雨水管對應的暴雨強度越大；反之匯水面積越大，雨水管對應的暴雨強度越小。加上現(xiàn)有規(guī)范在選取雨水管網(wǎng)設計標準時又忽略了匯水面積這一關鍵因素，造成系統(tǒng)上下游雨水管網(wǎng)排水能力相差懸殊，具體表現(xiàn)在上游雨水支管管徑普遍偏大，排水能力很強，管網(wǎng)建設的高投入；而下游雨水干管管徑偏小，排水能力嚴重不足，成為制約整個排水系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和瓶頸。
3.4 沒有充分考慮標準調(diào)整對工程投資的影響
設計標準選定對于排水工程規(guī)劃建設起著非常重要的作用，它決定著城市排水系統(tǒng)的安全，影響到排水工程的建設規(guī)模與投資。在確定新建雨水管網(wǎng)設計標準時，不但要滿足相關規(guī)范要求，更要考慮現(xiàn)狀排水管網(wǎng)的實際建設水平；不僅技術上可行，在經(jīng)濟上也必須合理。
長期以來，我國很少考慮設計標準調(diào)整對排水工程投資的影響。一些學者經(jīng)常拿發(fā)達國家城市的排水設計標準和我國進行對比，以強調(diào)提高我國城市排水工程建設標準的必要性。但令人擔憂的是，他們很少考慮我國的具體國情、降雨特征和當?shù)卣慕?jīng)濟承受能力。以倫敦、巴黎和北京為例，雖然這3個城市年降雨量比較接近，但城市間的氣候條件差異卻很大，降雨特點也明顯不同。倫敦和巴黎屬于溫帶海洋性氣候，城市年內(nèi)降雨較為均勻，暴雨很少，即使采用較高的設計標準也不會明顯增加排水工程的規(guī)模。而北京屬于溫帶季風性氣候，年內(nèi)降雨量極不均衡，85%的降雨集中在汛期6-9月份，如果北京采取和上述兩個城市同樣的設計標準，排水工程的建設規(guī)模和投資將遠遠高于這些城市。一旦我國所有城市都參照國外城市的設計標準，將造成雨水管網(wǎng)和其他排水設施在年內(nèi)大部分時間處于閑置和低效狀態(tài)，并給城市發(fā)展帶來沉重的財政負擔。
通過對近年來編制的城市排水防澇規(guī)劃進行分析，也驗證出設計標準調(diào)整對工程投資的影響非常大。以北方某城市為例，根據(jù)對建成區(qū)現(xiàn)狀雨水管(D400～D3000)進行統(tǒng)計分析，小于和等于D1000的雨水管占到雨水管道總長度的73%，大于D1000雨水管道占27%，其中管徑大于D1500的雨水干管只占8%。
當使用修訂后的暴雨強度公式、采用規(guī)范確定的設計重現(xiàn)期計算規(guī)劃建成區(qū)雨水管網(wǎng)時，排水管管徑構成與現(xiàn)狀相比發(fā)生了顯著的變化。在規(guī)劃新建的雨水管中(不包括相當數(shù)量的箱涵)，管徑小于和等于D1000的雨水管占比僅為11.8%，管徑大于D1000的雨水管則占到88.2%，其中管徑大于D1500管道占比上升到38%(圖1～圖3)。
圖1 現(xiàn)狀雨水管和規(guī)劃雨水管管徑構成對比
圖2 現(xiàn)狀雨水管管徑構成
圖3 規(guī)劃雨水管管徑構成
由此可見，整體提高排水系統(tǒng)設計標準將使得包括雨水支管、干管以及其他排水設施規(guī)模的普遍增加。和現(xiàn)狀管相比，規(guī)劃雨水管管徑平均增加了3～4個尺寸單位(每個尺寸單位為100mm)，經(jīng)初步測算，規(guī)劃管網(wǎng)單位長度造價比現(xiàn)狀管網(wǎng)增加約67%。由于城市雨水管網(wǎng)和排水設施量大面廣，增加的投資規(guī)模十分可觀，如果擴展到全國層面，增加的投資額度可能是萬億元量級的。
然而，與增加巨額投資形成鮮明對比的是，按新的設計標準建設的城市排水系統(tǒng)其排水能力卻沒有得到明顯的提高。尤其是對于匯水范圍較大的排水系統(tǒng)，上下游雨水管排水能力相差依然很大，“大管接小管”現(xiàn)象還可能出現(xiàn)，在遭遇長歷時降雨時下游雨水干管所在地區(qū)仍然面臨較高的內(nèi)澇風險。
3.5 缺乏清晰的內(nèi)澇定義和適用范圍
目前我國還缺乏比較清晰的城市內(nèi)澇定義和嚴謹?shù)某鞘袃?nèi)澇防治標準。在2011年版《規(guī)范》中首次提出了反映排水系統(tǒng)排除地面積水能力的設計重現(xiàn)期，規(guī)定重現(xiàn)期一般采用3-5年，重要干道、重要地區(qū)或短時間積水即能引起嚴重后果的地區(qū)應采用5-10年，特別重要地區(qū)可采用50年或以上。而在2014年版《規(guī)范》中，則把反映排除地面積水能力的設計重現(xiàn)期改為內(nèi)澇防治標準，同時模糊了內(nèi)澇標準的適用范圍，把防澇范圍由局部重點地區(qū)擴展到整個城市，即不論是系統(tǒng)上游還是下游、一般地區(qū)還是重點地區(qū)全部執(zhí)行同一個內(nèi)澇設防標準。要求中小城市設計重現(xiàn)期要達到20-30年，大城市達到30-50年，超大城市和特大城市達到50-100年。由于內(nèi)澇防治標準與傳統(tǒng)雨水管網(wǎng)設計標準相差很大且兩者之間缺乏關聯(lián)性，加上規(guī)范沒有提出滿足內(nèi)澇防治要求的建設性措施和實施途徑，導致設計者在具體制定內(nèi)澇防治對策時無所適從，不知道該采取什么手段才能使整個城市達到如此高的內(nèi)澇設防標準。
4 城市排水系統(tǒng)重構
4.1 合理確定排水系統(tǒng)建設標準
為提高排水工程投資效益，提升排水系統(tǒng)整體排水能力，需要制定與城市排水要求相適應、并能系統(tǒng)指導排水工程建設的標準。若繼續(xù)使用現(xiàn)有雨量計算方法，在確定排水系統(tǒng)內(nèi)雨水管網(wǎng)建設標準時，應把能體現(xiàn)排水系統(tǒng)自然特征的匯水面積作為確定設計重現(xiàn)期高低的主要因素。為此，排水系統(tǒng)內(nèi)上下游設計重現(xiàn)期不是固定不變的，應隨匯水面積的增加呈有序增加的態(tài)勢。對于匯水面積很大的排水系統(tǒng)，上下游雨水管網(wǎng)設計重現(xiàn)期變化幅度也會很大，可能由1年或不到1年持續(xù)提高到5年、10年、20年甚至更高，最終與河湖水系等受納水體的設防標準相銜接。
為合理確定排水系統(tǒng)上下游雨水管道的設計標準，需要分析研究匯水面積變化對雨水管暴雨強度即排水能力的影響，并結合排水系統(tǒng)地形特點、系統(tǒng)形狀、主干管布置方式等因素，找到制定排水系統(tǒng)雨水管網(wǎng)設計重現(xiàn)期與匯水面積的對應關系。
4.2 合理界定暴雨強度公式適用范圍
為避免超范圍應用暴雨強度公式法給排水系統(tǒng)造成的不利影響，需要界定該方法的適用范圍(降雨歷時或匯水面積)。當設計重現(xiàn)期確定后，為使計算雨量相對合理，選取的管徑在能滿足設計標準前提下，又不造成工程投資的嚴重浪費，就需要根據(jù)排水系統(tǒng)的實際情況，界定出暴雨強度公式法的合理應用范圍。以匯水面積指標為例，為滿足上述要求，雨水管道匯水面積就不能太大，否則會出現(xiàn)雨水管道排水能力不能滿足設計標準的情況，甚至出現(xiàn)“大管接小管”現(xiàn)象。同時雨水管匯水面積又不能太小，否則會出現(xiàn)雨水管排水能力過強、管徑太大，造成工程投資浪費。當匯水面積超出暴雨強度公式法界定范圍時，就需要通過采取增減相應管道設計重現(xiàn)期、優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)匯水面積等措施使管道排水能力與設計標準盡可能相匹配。
4.3 優(yōu)化配置排水系統(tǒng)設計標準
城市排水系統(tǒng)標準并不是越高越好，高標準意味著建造和維護成本高，造成不必要的浪費。設計標準選取需要在排水安全、工程投資、運營維護之間尋找一個合適的平衡點。應在符合經(jīng)濟合理，安全適用的條件下，合理確定排水系統(tǒng)中不同設施的設計標準。若排水設施標準配置合理、應對措施得當，有限的投資就可以很好解決城市排水問題。
結合排水系統(tǒng)特點，并結合匯水面積與暴雨強度之間的相互關系，為保障排水系統(tǒng)的整體排水能力，避免不必要的投資浪費，建議對排水系統(tǒng)設計標準進行適當?shù)恼{(diào)整。
(1) 降低上游雨水支管的設計重現(xiàn)期。目前規(guī)范確定的設計重現(xiàn)期對于排水系統(tǒng)中的雨水支管來說明顯偏高，導致管道排水能力過強和工程投資的浪費。從經(jīng)濟合理和排水安全角度考慮，建議把雨水支管的設計重現(xiàn)期降低到1年，對排水條件比較好的地區(qū)可降到0.5年。由于雨水支管數(shù)量在排水系統(tǒng)中占有很高的比例，標準降低可以節(jié)省大量的工程投資。
(2) 合理選擇中游排水設施的設計標準。隨著排水系統(tǒng)匯水面積的增加，有序提高中游排水設施的設計重現(xiàn)期，發(fā)揮其在排水系統(tǒng)承上啟下的作用，使排水管道的排水能力真正滿足實際的排水需求。
(3) 大幅提高下游排水干管和其他排水設施的設計標準。提高下游排水設施標準可緩解現(xiàn)有雨量計算方法對系統(tǒng)排水能力造成的不利影響，能明顯提升整個排水系統(tǒng)的排水能力，有利于從根本上解決城市面臨的排水問題。加上下游排水干管長度在整個排水系統(tǒng)中所占比例很小，設計標準的提升對整個排水系統(tǒng)的工程量和投資規(guī)模影響相對較小。
4.4 因地制宜，突出重點
對于現(xiàn)狀建成區(qū)，要避免對既有排水管網(wǎng)進行大規(guī)模的提標擴建。應根據(jù)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)存在問題及其成因，制定相應的系統(tǒng)改善措施，改造的重點應放在排水系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)、重要節(jié)點和下游排水設施方面。對于匯水面積過大的排水系統(tǒng)，可通過擴建或新建排水主干管、調(diào)整排水分區(qū)、縮減排水系統(tǒng)匯水面積等分流措施，減輕原有雨水干管的排水壓力。通過對這些局部排水設施進行提標改造，并輔助增設強排和雨水調(diào)蓄設施等措施，可以用較少的資金、在較短的時間內(nèi)提升既有排水系統(tǒng)的排水能力。
對于規(guī)劃建成區(qū)，除合理配置好上下游雨水管網(wǎng)設計標準外，排水工程建設要充分考慮系統(tǒng)性要求。由于城市排水工程建設是一個漫長的過程，工程量大、投資高、建設周期長，為構建完善的城市排水系統(tǒng)，除要銜接好排水系統(tǒng)內(nèi)不同環(huán)節(jié)、不同排水設施、管道與河道、內(nèi)河與外河之間的關系外，還必須妥善處理好排水現(xiàn)狀、近期建設、遠期規(guī)劃以及遠景發(fā)展的關系，合理安排好建設時序，以維持排水工程的連續(xù)性和系統(tǒng)性。
水是不可壓縮的，其形狀可以任意改變，但體積卻是恒定的。為保障城市排水安全，要協(xié)調(diào)好城市規(guī)劃建設與排水工程建設的關系，應結合規(guī)劃用地布局，水系分布、綠地系統(tǒng)、場地豎向等因素劃定排水分區(qū)，合理安排雨水管網(wǎng)和排放通道；同時加強對河道、湖泊、濕地、溝塘等受納水體的保護和利用，在城市內(nèi)部為雨水預留足夠的排放和調(diào)蓄空間。
5 結論
雨量計算方法和規(guī)劃設計理念是否科學合理，不僅影響到城市排水安全，也影響到排水工程的建設規(guī)模和投資效益。應盡快制定出適合我國國情的雨量計算方法，以科學指導城市排水工程的規(guī)劃、設計與建設。
充分了解現(xiàn)有雨量計算方法的特點與局限性，界定出該方法的合理應用范圍，避免超范圍應用對城市排水系統(tǒng)造成不利影響。
全面提升排水系統(tǒng)設計標準并不能徹底解決城市面臨的排水問題，反而會大幅度增加排水工程的投資規(guī)模。應結合排水系統(tǒng)的基本特征和現(xiàn)有雨水計算方法的特點，合理配置排水系統(tǒng)不同設施的建設標準，通過降標與提標相結合，使排水系統(tǒng)整體排放能力真正能滿足設計標準要求。
慎重選擇現(xiàn)狀建成區(qū)雨水管網(wǎng)的改造措施，應根據(jù)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的實際情況、存在問題及其成因，制定出針對性的改造方案和對策。
（作者郝天文系中國城市規(guī)劃設計研究院西部分院總工程師，教授級高級工程師，中國城市規(guī)劃學會工程規(guī)劃學術委員會委員；孔彥鴻系中國城市規(guī)劃設計研究院副總工程師，教授級高級工程師）
京公網(wǎng)安備 11010802021286號