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张辰:新时代我国城镇排水防涝与流域防洪体系衔接研究

北极星水处理网  来源:给水排水  作者:张辰等  2020/10/21 14:05:25  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:城镇排水防涝 内涝防治 张辰

北极星水处理网讯:导读:洪涝灾害包括内涝和外洪,两者既有区别又紧密联系。在对内涝和外洪关系分析的基础上,借鉴美国在城镇洪涝灾害防治方面的经验,提出城镇排水防涝和流域防洪在标准和技术上的衔接,详细阐述并分析了城镇排水标准、内涝防治标准、治涝标准和防洪标准规定的内容和彼此之间的衔接条件,从规划和工程两方面提出了技术衔接的途径,并提出明确排水防涝与防洪的职责与界限、加强规划管控、加强信息共享和建立联防联控机制等建议,以期为新时代城镇排水防涝和流域防洪工作提供参考。

0 前言

2020年6月1日至7月28日,长江流域平均降水量为528.8 mm,较常年同期偏多50%,为1961年以来历史同期最多,太湖流域平均降水量为690.1 mm,较常年同期偏多1倍,为历史同期第二多,持续性强降水导致我国部分流域出现了严重的洪涝灾害。

洪涝灾害包括内涝和外洪,两者既有区别又紧密联系。本文拟在对内涝和外洪关系分析的基础上,借鉴国际上发达国家在城镇洪涝灾害防治方面的经验,提出内涝和外洪防治在标准和技术上的衔接,并提出建议,以期为新时代城镇排水防涝和流域防洪工作提供参考。

1 内涝和外洪的区别

1.1 内涝和外洪的定义

内涝,根据《城镇内涝防治技术规范》(GB 51222-2017)认为:是指一定范围内的强降雨或连续性降雨超过其雨水设施消纳能力,导致地面产生积水的现象。标准中认为道路积水小于15 cm,住宅底层不进水不是内涝,只有超过这一标准,且积水的退水时间超过一定标准,影响城镇安全运行才能定义为内涝。

洪灾,根据应急管理部认为:是指由于江、河、湖、库水位猛涨,堤坝漫溢或溃决,水流入境而造成的灾害。按照成因可分成暴雨洪水(雨洪)、山洪、河流洪水、融雪洪水、溃坝洪水、冰凌洪水、泥石流、风暴潮等。

1.2 内涝和外洪的关系

1.2.1 产生原因不同

内涝主要是由于城镇本地降雨过多(强降雨或连续性降雨)、地表消纳能力不足(硬化面积过大、原滞蓄空间被占用)、城镇排水能力不足(管道和内河排水不畅)、局部地势低洼等原因导致超过一定标准的城镇雨水径流(内水)在城镇无法排除而造成。外洪主要是由于暴雨、急骤融冰化雪、风暴潮等原因引起流域性河湖水体的水位上涨并超过流域防洪标准的承受能力而导致堤坝漫溢甚至溃决、洪水(外水)进入城镇而造成。

1.2.2 管理空间不同

内涝科学防治的管理空间是城镇尺度,对城镇范围内降雨产流的管理,通过在城镇规划建设过程中采用合理的措施,排除一定的城镇雨水径流量,避免城镇在降雨期间的道路积水和房屋进水,保障城镇的安全运行。外洪防治则是从流域尺度,对流域范围内(包括干流和支流流经的区域)降雨产流的管理,通过在流域的防洪规划和工程建设过程中采用合理的措施,确保流域性河道的水位保持在合理的范围内,保障沿线城镇的排水安全。

1.2.3 两者既有联系又不同

内涝和外洪彼此之间存在着复杂的联系,包括因雨致涝、因洪致涝、因涝致洪等多种情况。因雨致涝,当城镇遭遇的暴雨量超过内涝防治设计重现期的标准时,雨水管渠和排涝除险设施不能及时将城镇雨水径流排至外河,导致积水超过一定深度、退水时间超过标准并影响城镇秩序和安全运行的现象。因洪致涝,当外洪形成后外河水位上涨,城镇内河无法顺利将城镇雨水径流排出,内河水位上涨,对排水系统产生顶托甚至倒灌,导致城镇径流不能及时排出造成严重积水且退水时间过长的现象。因涝致洪,当沿河城镇产生的城镇雨水径流排至外河,大江大河流域面积大,干流汇集不同支流的洪峰,导致形成历时较长涨落较平缓的洪峰;或者小河流的流域面积和河网的调蓄能力较小,导致形成涨落迅猛洪峰的现象。

2 国际城镇排水防涝经验

发达国家和地区在城镇化发展过程中也都遭受过洪涝问题,基于可持续性雨洪管理理念,建立了适合本国国情的暴雨径流源头控制标准体系,如美国的低影响开发(Low Impact Development, LID)、英国的可持续城市排水系统 (Sustainable Urban Drainage System, SUDS)和新加坡的低影响城市设计和发展体系(Low Impact Urban Design and Development, LIUDD)等。欧洲城镇降雨较为平缓,与我国降雨特征不符,且流域面积不大、地势坡降大,不易产生大面积洪涝灾害;新加坡国家面积较小,与我国国情相差较大;分析研究美国的排水防涝经验对我国的借鉴意义较大。

美国的排涝防洪明确由城镇排水防涝(Urban Flooding)和流域防洪(Flooding)两部分组成,其责任主体分别为地方政府(Local Government)和联邦政府(Federal Government)。其中城镇排水防涝体系大体经历了水量控制、雨水水量和水质控制并重以及可持续性雨水管理等阶段。在发展过程中,逐步形成了目前由低影响开发(Low Impact Development)或称源头减排的微排水系统(Micro Drainage System)、小排水系统(Minor Drainage System)和大排水系统(Major Drainage System)组成的城镇排水防涝体系。

低影响开发注重源头径流控制,包括透水铺装、雨水花园、绿色屋顶等绿色基础设施,可有效削减降雨期间的流量峰值,减轻市政雨水管渠的压力,降低城镇内涝发生的频率和强度。小排水系统包括雨水管渠、排水泵站和调蓄设施等传统雨水排水设施,主要担负重现期为1~10年较大概率事件城镇雨水径流的安全排放,且不允许地面积水。大排水系统包括城镇低洼地、坑塘河湖水系、道路、广场、绿地、体育设施等允许滞涝调蓄、行泄空间,以及管道泵排等灰色设施,主要应对小概率极端降雨事件,大排水系统的设计重现期为50年~100年。低影响开发设施、小排水系统、大排水系统均由城镇政府进行建设和管理,如在北卡罗来纳州,由市政雨水部门(municipal Stormwater divisions)负责市政雨水管渠、调蓄设施的建设和运维管理,与流域防洪管理相衔接。

流域防洪工程包括修建防洪堤、河道整治、开辟滞洪区和泄洪道等工程措施,以及滞洪区管理、洪水保险、洪水预报和预警等非工程性措施。防洪工程建设单位为陆军工程师团,负责全国主要河道的堤防兴建、护岸退建等,以及全国的防洪调度、对泛洪区管理等,堤防建设后交由各州政府运维管理。

美国把全国划分成13个流域,每个流域均建立了洪涝预警系统,洪涝预报由国家海洋与大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration)向社会发布,对洪水可能造成的灾害进行及时、准确的预测,发布警示信息。城镇内涝和防洪预警发出后,视灾害事件的规模按不同责任主体启动不同的应急响应。以洛杉矶为例,洪涝响应分为四个层级,包括市级(City of Los Angeles)、郡级(County of Los Angeles)、州级(State of California)和联邦政府级。在规模较小的暴雨灾害事件中,应急响应的主导部门为市应急管理局。当灾害达到一定规模时,由市应急管理局启动市应急行动中心作为联络中心和牵头单位,以市水务部门作为应急方案主要执行部门协调市水务系统,同时联合市交通、建筑安全、公共建设、消防、警务、园林、动物管理等部门进行工作部署。当灾害超过市政府的处理能力时,提请郡级、州级乃至联邦政府支援。郡级政府中参与的主要有消防、公共建设、交通和环境等部门。联邦政府中参与的部门主要有陆军工程师团、气象团、地质调查局、垦务局和联邦应急管理局(Federal Emergency Management Agency)、海岸警卫队等,其中陆军工程师团的职责是负责区域内Hansen和Sepuulveda两个大坝以及洛杉矶机场防汛工作。

3 内涝和外洪的衔接

城镇内涝防治是一项系统工程,涵盖从雨水径流的产生到排放的全过程控制,包括产流、汇流、调蓄、利用、排放、预警和应急措施等,而不仅仅只有传统的雨水排水管渠设施。自2012年北京“7·21”暴雨之后,我国住房和城乡建设部对城镇内涝防治工作高度重视,多次强调城镇内涝防治和流域防洪的衔接,标准体系逐步完善,工程建设陆续开展。特别是国家海绵试点城市对内涝防治体系的探索和工程实践,取得了很大成效。比如上海临港国家海绵城市建设试点区经受住了2018年和2019年两次台风和暴雨的考验。

3.1 标准衔接

2013年我国内涝标准提出以前,我国仅有城镇排水和水利的治涝、防洪标准。这些标准隶属于不同学科,在考虑问题的角度、计算方法的选择等方面存在不一致之处 。近年来我国城镇排水标准、内涝防治标准和水利的治涝标准、防洪标准已基本实现统筹,形成统一的城镇内涝防治和流域防洪体系。

3.1.1 相关标准

(1)排水标准。《室外排水设计规范》(GB 50014-2006,2016版)规定,雨水管渠设计重现期应根据汇水地区性质、城镇类型、地形特点和气候特征等因素确定,并应明确相应的设计降雨强度,如表1所示。上海中心城区雨水管渠设计重现期确定为5年,其对应的设计降雨强度为58 mm/h,当发生小于该雨强的降雨时,不应产生地面积水。

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(2)内涝防治标准。《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)2019年全面修订时提出内涝防治标准包括三方面,一是设计重现期,二是积水深度,三是退水时间。

内涝防治设计重现期应根据城镇类型、积水影响程度和内河水位变化等因素确定,并应明确相应的设计降雨量,如表2所示。

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最大允许退水时间如表3所示。人口密集、内涝易发、特别重要且经济条件较好的城区,最大允许退水时间应采用规定的下限。此外,交通枢纽的最大允许退水时间应为0.5 h。

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积水深度设计标准,居民住宅和工商业建筑物的底层不进水、道路中一条车道的积水深度不超过15 cm,本规定能保证城镇道路不论宽窄,在内涝防治设计重现期下,至少有一车道能够通行。

上海作为超大城市,确定内涝防治设计重现期为100年,其对应的设计降雨量为24小时275 mm,中心城区的退水时间为1 h。

(3)治涝标准。《治涝标准》(SL723-2016)规定,城市涝区的设计重现期应根据其政治经济地位的重要性、常住人口或当量经济规模指标确定,如表4所示。

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(4)防洪标准。《防洪标准》(GB 50201-2014)规定,城市防护区应根据政治、经济地位的重要性、常住人口或当量经济规模指标确定,如表5所示。

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3.1.2 标准衔接

从上述不同类型标准的标准值看,同一级别城镇对应的重现期差异较大,比如对于某一特大城市,雨水管渠设计重现期是3~5年,内涝防治标准是50~100年,治涝标准是20年,防洪标准是200年。但是,这些标准由于针对的对象不同,所以对应的降雨历时和强度、水文数据统计方法、设施计算方法都不一样,不能单纯从标准值上看是否可以衔接。

排水标准针对排水分区,应对1 h的短历时强降雨,在排水标准的降雨下不允许地面出现积水。内涝防治标准针对城镇范围,应对3~24 h的长历时强降雨,允许地面出现一定深度积水,并根据城镇能承受的程度明确最大允许退水时间,一般为0.5~4 h。这两个标准针对城镇管理尺度,一般以水量控制。

治涝标准针对城镇内河流域范围,应对24 h或更长的长历时降雨,要求雨后24 h排除。防洪标准针对流域范围,应对数日至数月的长历时降雨。这两个标准针对流域尺度,一般以水位控制。

雨水管渠设计采用的是强度法,计算的是流量的概念,注重“排”。内涝防治、治涝和防洪工程设计采用的都是容积法和强度法相结合的方式,除了计算流量,还要计算总水量和水位,注重“蓄排结合”。

城镇排水标准和治涝标准的衔接,是通过城镇内河、湖泊等“蓄”的作用减缓城镇排水峰值流量对排涝流量的影响。内涝防治标准和治涝标准的衔接,主要依靠措施的不同,内涝防治是城镇范围内的陆域水域协同,通过在陆域设置有调蓄功能的绿地、广场等开放空间和调蓄池等工程设施,控制排入城镇水域的径流总量和径流峰值,实现与城镇内河治涝标准的衔接,并确保区域满足地面积水标准和退水时间要求。内涝防治标准和流域防洪标准的衔接,则主要是通过对相应标准条件下洪水位的分析,建立确定的设计水位线,作为城镇内涝防治系统设计的边界条件和城镇防洪工程实施的标准。

以上海市中心城区为例,排水标准为5年一遇,1 h降雨量为58 mm。治涝标准为30年一遇,不同水利片最大24小时面降雨量有所差异,如蕰南片为222.5 mm、淀北片为223.2 mm,最大1 h降雨量取总降雨量的24.7%为55 mm左右,结合水利片内河湖的蓄水空间基本实现与排水标准相衔接。内涝防治标准为100年 一遇,其中蕰南片24 h面降雨量为286.7 mm、淀北片为282.6 mm,最大1 h降雨量为70 mm左右,规划通过蓝绿灰结合、增设源头减排设施和深层调蓄隧道的方式,控制超过内河排涝能力的径流量,实现内涝防治标准和治涝标准的衔接。而上海黄浦江防汛墙的防洪(潮)设计标准为千年一遇,就是保证流域发生千年一遇洪(潮)位时,防汛墙不会发生漫溢或者溃坝,同时,内涝防治系统的设施能在设计条件下正常运行。

3.2 技术衔接

内涝防治和流域防洪均为系统工程,两者在规划上需要有效衔接,在工程手段上有共通之处。

3.2.1 规划边界衔接

内涝防治系统和流域防洪系统在规划上应统筹计算洪涝水量,实现空间布局和竖向规划的衔接。在流域(区域)防洪规划、城镇总体规划和城市防洪规划的基础上,洪、涝、潮灾害统筹治理,合理布置防洪工程布局和规模,充分考虑城镇排涝除险能力,以确定合理的设计洪峰流量、时段洪量和洪水过程线,为洪水流经城镇提供内涝防治系统规划的边界。城镇内涝防治系统以洪水过程线为规划边界,合理布局源头减排设施系统、市政雨水排水管渠系统和排涝除险系统,并与城镇内污水处理和合流制溢流污染控制等系统有机衔接,实现对城镇雨水径流总量、峰值和污染等多重目标的控制。竖向高程规划是实现城镇排水通畅重要前提。

3.2.2 工程手段衔接

内涝防治系统和流域防洪系统均采用“蓄排结合”的工程技术手段。城镇内涝防治系统统筹地面地下,结合陆域水体,协调包括源头减排、排水管渠和排涝除险等工程性设施以及应急管理等非工程性措施,并与防洪设施相衔接。流域防洪亦强调工程措施与非工程措施相结合,统筹治理洪、涝、潮灾害,针对较为常见的江河洪水防治,工程措施以堤防为主,配合水库、分(滞)洪、河道整治等,构建蓄排结合的完整防洪体系。

因此,在城镇建设中应加强湖泊、水塘、湿地等天然水域保留,充分发挥其在内涝防治系统中源头减排和排涝除险的蓄排作用,以及其在流域防洪系统中的防洪滞涝作用。

4 建议

4.1 明确排水防涝与防洪的职责与界限

城镇排水防涝属于地方事权,城镇建设是系统工程,排水和内涝防治更是系统工程,地方政府应在住建部指导下开展相应工作,其针对的是城镇范围内发生的降雨事件,包括3~5年的大概率和20~100年的小概率事件;流域防洪则属于中央事权,由水利部主管,针对的是流域范围内的小概率降雨事件,设计重现期一般为100~200年一遇甚至更大。

4.2 加强规划管控

在规划层面加强空间分配和竖向衔接的统筹是解决城镇排水防涝和流域防洪的核心问题。以流域为单位编制防洪规划,确定流域防洪标准和相应的洪(潮)水位,合理分配流域上下游城镇的外排水量,并科学布局滞洪区域,为流域洪水留出足够的空间。以城镇为单位编制排水防涝规划,首先要为城镇“留白”,最大限度保护山水林田湖草的基本生态格局,最大限度适应地形地貌,对沿江沿河岸线留出一定距离、不予开发;确定城镇排水防涝标准,科学划分排水分区,规划各类排水设施的布局和规模,做好竖向衔接,包括源头减排设施、雨水管渠和排涝除险设施的衔接,以及排涝除险设施和外河设计洪水位的衔接。

4.3 加强信息共享,建立联防联控机制

加强对降雨统计、气象预报、降雨产汇流、河湖水位等重要水文特征和数据的信息共享,共建数据感知体系和预警预报系统。针对不同范围和程度的降雨,建立流域层面和城镇层面的联防联控机制,加强多部门联合的应急预案编制以及应急装备和物资的储备。

原标题:给水排水 |张辰:新时代我国城镇排水防涝与流域防洪体系衔接研究

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