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【關鍵詞】城市水災 規劃建設 防災工程體系 科學架構
【中圖分類號】 TU984.2 【文獻標識碼】A
【DOI】10.16619/ki.rmltxsqy.2016.21.004
近年來，我國城市水災頻發，造成了巨大的經濟、財產損失，嚴重影響了城市的正常安全運行，并受到了媒體、公眾和政府的高度重視。城市水災包括城市洪災和城市內澇，很多專家學者從不同的角度探討了城市內澇的產生原因和解決途徑，并各有建樹。城市水災產生的原因是多方面的，包括：政府的重視和投入、社會和市民的期望值等社會因素，氣象條件等自然因素，防災工程建設等工程因素，工程設施的運行、調度與管理等管理因素和民眾的防災減災意識等多方面因素。目前來看，政府的重視和投入、社會和市民的期望值等社會因素都期望減少和避免城市水災的產生，氣候變化等自然因素可以通過科學的預測體現在防災工程的建設標準之中。所以，筆者認為：建設高標準的防災工程設施是最關鍵且最重要的防災措施。有了高標準的防災工程設施，才能有效地通過工程設施的運行、調度與管理等措施實現防災減災的目的。為了科學規劃建設城市水災防御工程，抵御城市內澇，本文僅從工程的角度探討如何構架城市水災防御工程的系統科學問題。
我國城市水災的二元體系架構
人類從農耕社會逐步發展到現在以城市為中心的現代化社會，現代文明促進了城市的發展、壯大。城市是一個人口和社會財富高度集中的區域，為了提高城市的土地承載能力，城市從自然生態系統逐步轉變為人工生態系統，它的生態安全、排水安全和防災安全都依賴于相應的工程設施提供保障。目前，我國已經建設了比較完善的城市防洪工程和城市雨水排水工程。
濱水城市一般沿河、湖、海岸線等水體岸邊建設有防洪、防潮堤壩，相關河流水系建設有高標準的防洪水庫、堤壩和滯洪區以保護城市免受外部洪水的危害，城市防洪工程的設防標準與城市的重要性有關，設計依據是城市防洪工程設計規范。在設防標準以下，防洪工程應保證城市的防洪安全。目前，城市防洪工程已經有比較完善的規劃設計標準體系和工程實踐經驗。
幾乎所有的城鎮規劃建成區范圍以內，都建有地下雨水排水管網或合流制管網，用來排除規劃建成區以內的暴雨徑流，保障城市排水安全。其作用是補償城市建設過程中對地表排水溝渠的破壞、提高排水能力、保護城市免受暴雨災害和為市民提供舒適的生存條件。城市雨水排水工程的設計標準、設計依據應符合城市排水設計規范。在設計標準以下，排水工程應保證城市的排水安全。目前，城市排水工程也已經有比較完善的規劃設計標準體系和工程實踐經驗。
城市規劃建設的防洪工程和雨水排水工程共同構成了我國城市水災的二元體系架構。城市防洪工程由水利部門負責，有專業的人才培養體系和高等院校、工程規劃建設的理論、技術標準體系以及運行維護機構。城市雨水工程由城建部門負責，同樣有專業人才培養體系和高等院校、工程規劃建設的理論、技術標準體系和運行維護機構。在兩個體系都正常運轉的條件下，為什么還會發生城市內澇災害呢？其原因是城市雨水管網設計標準偏低，經常發生雨水排水系統“失效”工況，而且沒有對超標雨水做出安排，任由超標的地表漫流雨水流到城市低洼地區造成內澇災害，而城市的管理者處于沒有任何解決之道的尷尬狀態。
2012年，由住房與城鄉建設部完成的亞洲發展銀行技術援華項目“城市雨水管理與內澇防治”的咨詢報告全面分析了我國法律、機構、技術和投資等方面存在的問題，并提出了解決問題的建議。研究發現，我國城市雨水排水設施設計標準偏低，超過雨水排水標準的內澇事件經常發生，且許多城市沒有對超標雨水產生的地表漫流做出相應的工程安排。調研發現，發達國家采用兩種方式解決導致城市內澇的超標雨水地表漫流問題：其一是建設高標準的城市地下雨水排水設施；其二是利用城市道路排除超標雨水，對超標雨水進行約束，設計標準可以達到“百年一遇”。我國的經濟處在高速發展之中，即將邁入中等發達國家行列，國外發達國家的先進經驗和技術值得借鑒，那么我們應采用哪種方式解決城市內澇問題呢？
我國一直以來都采用城市排水工程和城市防洪工程的二元工程體系架構來解決城市的水災問題。2011年以前，主要采用排水管網工程排除城市雨水，沒有對超標雨水做出工程安排。傳統的思維方式是通過提高地下雨水管網的設計標準來解決城市內澇問題，可以學習的范例有我國香港地下雨水排水工程“50年一遇”的設計標準、英國倫敦“30年一遇”的設計標準。采用這種方式進行管網改造或重建的優點是沒有理論和技術方法方面的困難，而缺點是大范圍開挖對城市造成的負面影響以及管網沉積造成的運行維護費用增加，同時還應考慮地下空間利用等問題。因此，這種方式適合在新建城區進行探索。
《室外排水設計規范（2011版）》首次提出“內澇”的概念，在《室外排水設計規范（2014版）》頒布以前，一直將排水標準作為內澇的防治標準。因此，很多人將排水管網提標改造作為解決城市內澇的核心技術。《室外排水設計規范（2014版）》從頂層設計角度，建立了涵蓋“源頭控制體系”“排水管網系統體系”和“內澇防治體系”的城鎮排水系統標準體系框架。根據該規范提出的體系框架，第二種建設與改造的方式是參考北美與澳大利亞等國家，建立城市排水、內澇防治和防洪三套工程體系架構，一并考慮城市雨水系統的防災問題。內澇防治的工程措施包括源頭的削峰調節池、利用道路縱坡排除超標地表徑流的行泄通道、建立大型調蓄設施以及城市內河、湖的排澇泵站等。
兩種解決方式的差別在于是將眼光局限于城市排水的范疇，還是從整個城市雨水系統的角度出發來構架工程系統。為深入探究，我們必須提高現有排水管網的設計標準，同時制定新的內澇防治標準，并且要與城市排水標準和防洪標準相銜接。
國務院2013年的《關于做好城市排水防澇設施建設工作的通知》為科學防治城市內澇災害提出了從規劃做起的基本要求。2014年1月1日頒布的《城鎮排水與污水處理條例》為科學防治城市內澇災害奠定了法律依據。《室外排水設計規范（2014版）》為科學防治城市內澇災害制定了防治標準。在《住房城鄉建設部關于印發城市排水（雨水）防澇綜合規劃編制大綱的通知（建城[2013]98號）》的基礎上，全國各地都在應用《城鎮內澇防治技術規范》中提出的相關技術，積極編制城市排水（雨水）防澇綜合規劃。目前，海綿城市建設已經被提上城市排水防澇綜合規劃的議事日程。為了更好地將以上精神落實到工程之中，定義科學防治城市內澇災害的設計工況就十分必要。國務院辦公廳2015年出臺的《關于推進海綿城市建設的指導意見》中要求：“小雨不積水、大雨不內澇、水體不黑臭、熱島有緩解，通過海綿城市工程建設逐步完善城市內澇防治工程體系。”
由于城市內澇是最近提出的概念，城市內澇災害相關的基本概念一直困擾著工程技術人員和社會公眾，因此應進行深入研究予以澄清。城市內澇災害是城市水災的一種，城市內澇災害防御工程是城市水災防災工程的重要組成部分。
我國的城市水災防災工程體系
城市水災防災工程體系包括城市雨水的管理、排除和防止河水倒灌或洪水泛濫的一整套工程設施，這一整套工程設施是防治城市內澇災害的重要基礎條件。
為了實現城市排水（雨水）防澇工程體系防災、減災的目的，并考慮到定量化規劃、設計該工程體系，我國參考國際發達國家的經驗和本國具體實踐，按照雨水的流動方向，從上游到下游將城市水災防災工程體系劃分為5個單項工程：源頭控制工程（海綿城市建設――低影響開發部分）、雨水排水管網工程（小排水系統）、內澇防治工程（大排水系統上游）、排澇工程（大排水系統下游）和防洪工程。5個單項工程互為上下游關系，定量化共同分擔防止內澇災害發生的責任。
源頭控制工程。降落到城市規劃區范圍以內的降雨，在小區或街坊內產生地表徑流，地表徑流的量取決于用地性質和地表覆蓋種類。科學地規劃建設各種用地性質的雨水徑流過程，可以有效地控制進入雨水管網的流量過程線特性。
源頭控制工程采用調蓄或增加入滲等低影響開發（LID）和雨水利用典型技術，主要設計參數為降雨量（mm）。常用的設計調蓄水量為10～30mm，實際降雨量小于設計值時，源頭控制工程將所有降雨蓄存在建設小區以內。實際降雨量超過該工程的設計值后，該工程會失效，將產生向源頭控制工程以外的排水過程。
從原則上講，通過工程設施可以將全部的降雨滯蓄在進入雨水管網之前的地表徑流階段，但是，在大城市寄希望于通過源頭控制工程解決城市內澇問題可能是不經濟和不安全的。采用源頭削峰技術可以有效解決超過雨水排水管網能力的雨水外排問題，還應對有關問題進行深入研究。
雨水排水管網工程。在城市規劃范圍以內，都要求建設城市雨水管網，來排除設計重現期以內的暴雨徑流，以保證城市居民在降雨期間出行方便。降落在城市規劃區內的暴雨，產生地表徑流后，從建筑小區、工廠、學校、單位等區域設計地面流向道路，并通過道路邊溝進入設置在路邊的雨水口，之后進入地下雨水管網系統，雨水管網收集地表徑流以后排向下游的受納水體（排澇工程或防洪工程）。由于城市雨水管網的設計重現期與城市內澇防御工程設計重現期相比有很大差別，并且都比較低，所以北美和澳大利亞等國稱城市雨水管網為小排水系統（minor drainage system）。在我國的規劃設計理念中，超過雨水管網排水能力的暴雨徑流可以暫時蓄存在地表低洼處，待暴雨過后或管網有富余排水能力時再排出，所以在超過管網排水能力的大暴雨條件下，一定會產生城市區域內積水問題。
根據推理公式法設計理論，城市雨水管網的主要設計參數是設計暴雨強度（mm/min或l/s.ha），常用的設計重現期為2～5年。如果將設計標準提高到30～100年，有很多新的問題需要探索，尤其是對下游排澇設施的影響。
內澇防治工程。城市規劃區范圍內產生積水問題是一種自然現象，超過城市雨水管網排水能力的暴雨徑流聚集在城市低洼地區，造成一定經濟或財產損失，即產生內澇災害。城市內澇災害是一種發生在城市規劃區范圍內新的自然災害，是改革開放以后經濟發展帶來的新問題，確定城市內澇防治標準、建設城市內澇防御工程是保護市民財產和保證城市快速、安全運行的重要前提。我國原有的城市規劃設計理論不包含城市內澇災害防治的內容，所以內澇防治工程規劃建設是一種新的需求。為了科學構建城市內澇工程防災體系，《室外排水設計規范（2014版）》列出了城市內澇綜合防治標準，設計重現期范圍在20～100年，遠遠高于城市雨水管網設計標準的2～5年。美國、日本、歐盟等國家均對內澇設計重現期做了明確規定。我國在此之前沒有專門針對內澇防治的設計標準，《室外排水設計規范（2014版）》修訂增加了控制地面積水方面的內容，并規定了內澇防治系統設計重現期和積水深度標準，用以規范和指導城市內澇防治工程的設計。
發達國家和地區均建有城市內澇防治系統，北美和澳大利亞等國稱為大排水系統（major drainage system），主要包含雨水明渠、坡地、道路、深隧、內河河道和調蓄設施等。由于我國行政管理和專業分工與國外有一定的差異，排澇工程和防洪工程由水利部門負責，城市排水和城市內澇防治工程由建設部門負責。城市內澇防治工程包括行泄通道和調蓄設施，其中行泄通道由道路和大排水通道組成，將超過排水管網排水能力的地表徑流排入下游水體。
城市區域內規劃設計的道路除了保障交通運輸的任務以外，還應承擔排除雨水的任務，即：排除自身產生的暴雨徑流、排除上游和周邊區域產生的暴雨徑流以及作為輸送超標雨水的行泄通道。雨水口和檢查井都設置在道路之上，源頭區域產生的地表徑流只能通過道路才能進入雨水管網，超標的暴雨徑流一般都聚集在道路之上，只能通過科學合理地設計道路的坡度和斷面才能及時排除。因此，道路設計方法的改進和創新是構建城市內澇防治工程體系的關鍵。
排澇工程。城市排澇工程是保證城市運行安全的工程設施，是城市雨水管網和城市內澇防治工程的下游排水通道，由河道和排澇泵站等工程設施組成，是保證城市雨水排水工程和城市內澇防治工程正常工作的重要工程設施。
城市排澇工程采用與暴雨強度相關的排澇模數進行設計，設計標準一般為設計重現期20年，設計依據一般為城市或區域的水文手冊，主要由水利工程師負責設計。
排澇工程的設計水位超過城市雨水管網和城市內澇防治工程的下游設計水位，就會對城市雨水管網和城市內澇防治工程的排水造成頂托，影響排水能力。如果水位過高就會通過城市雨水管網和城市內澇防治工程設施倒灌進城市規劃區范圍以內，形成嚴重內澇災害。
目前城市排澇工程的設計方法是從農田排澇實踐發展而來，排水時間等設計參數還應該從城市的需求來考慮，模型技術的推廣應用也應予以重視。
防洪工程。城市防洪工程是保障城市安全、保證城市免受洪水災害的工程設施，由水庫、河道和滯洪區組成。它是城市排水、防澇和排澇工程的下游排水通道，對城市內澇防治的作用非常重要。
城市防洪工程一般采用設計流量作為設計參數，設計標準一般為50年以上，設計流量通過對觀測河流的洪峰流量進行數理統計的方法確定，設計水位是城市排水、防澇和排澇工程的重要設計參數。水位超過洪水設防標準以后，所有的排水設施，包括城市排水、防澇和排澇工程都會失效，將產生嚴重洪澇災害。對此，應研究包括城市雨水排水工程在內的所有影響因素的水力模型，全面評估各種情況下城市的防災能力。
城市水災防災工程體系各個組成部分的相互關系
源頭控制工程、雨水排水管網工程（小排水系統）、內澇防治工程（大排水系統上游）、排澇工程（大排水系統下游）和防洪工程這5個單項工程共同分擔防止內澇災害發生的責任，5個單項工程缺一不可。目前，我國內澇災害頻發以及對內澇災害認識混亂的根本原因是由于內澇防治工程缺失和整個系統的不完善。科學構建適合我國國情的城市水災防災工程體系，并建立各個組成部分的相互邊界關系，對于提高城市防災能力來說十分重要。
城市排水（雨水）防澇系統的規劃建設涉及到城市防洪排澇、內澇防治、城市排水、低影響開發、雨水利用和合流制改造等多個研究領域，與水利工程、市政工程、市政道路工程和環境工程密切相關。目前，由于各個領域的交叉銜接等問題，造成很多概念混淆。為保證我國排水（雨水）防澇系統的規劃建設工程實踐沿著正確的方向發展，筆者認為應通過學習國外發達國家的先進經驗，結合我國的實際技術經濟條件，建設5個單元工程體系，依據中國國情建設城市水災防御工程規劃的體系架構。
內澇防治工程是城市內澇防災的主體。城市排水（雨水）防澇系統包括城市洪水災害的安全處置、城市內澇災害的安全處置和城市排水安全。城市化發展過程中片面追求發展速度以及地上、地下不和諧的發展傾向，導致了近年來中國城市區域內澇災害頻發，這不僅嚴重影響城市居民的正常生活，也對城市的安全運行和城市的良性可持續發展構成了挑戰。在我國，城市防洪由水利部門負責，經過幾十年的建設已經形成比較完善的體系。城市內澇災害防治和城市排水由城建部門負責，已經建成的城市排水管網只能排除小重現期條件下的降雨徑流，能夠應對高重現期條件下內澇災害的防御體系幾乎是空白。城市雨水排水標準普遍偏低，雖然已經制定了城市內澇防災標準，但是缺乏相應的工程體系建設經驗，同時預警機制不夠健全、部門之間缺乏協調聯動等，暴露出了城市內澇風險管理體系的不完善。
各個單項工程的責任。由源頭控制工程、城市排水工程、城市內澇防治工程、排澇工程和城市防洪工程共同組成應對城市水災的工程體系，應明確它們之間的邊界條件，以便分清責任。
城市防洪工程的邊界條件是保證城市的過境河流和水系不泛濫成災，即：防止外洪威脅城市的安全，從流域層面保證河流行洪通道通暢，蓄滯洪區工作正常；從城市層面應保證城市安全，防止外部洪水泛濫進城。主要由地方政府的水利部門和國家水利部負責，國家和地方的防汛抗旱指揮部負責協調防汛、搶險和救災事項。
城市排澇工程是城市防洪工程的重要組成部分，城市排澇工程的設計標準是保證排除城市澇水的設計水平，是城市區域降雨徑流可能排入受納水體的限制性條件。
城市排水工程的邊界條件是保證在小重現期暴雨（一般地區2～5年）的條件下，城市區域不產生嚴重積水，不影響城市的正常運行。主要由地方政府的城建部門（或水務局）和住房與城鄉建設部負責規劃、建設、運營和管理。
城市內澇防治工程的邊界條件是保證在大重現期暴雨（一般20～100年）的條件下（與城市內澇防治工程設計標準有關），城市區域不產生內澇災害，不影響城市的正常運行。城市內澇防治工程的上游邊界條件是城市排水工程，即超過城市排水管網排水能力的降雨產生的地表徑流進入城市內澇防治工程，下游邊界條件是城市防洪工程（排澇工程），即城市河流水系等所能夠接納的城市區域的降雨徑流水量。因此，城市應建設排除或蓄存超過排水工程排水能力、小于內澇防治工程建設標準的暴雨徑流的工程設施，保證在發生城市內澇防治工程建設標準以下的暴雨事件時不發生內澇災害。筆者認為，該項工程應由地方政府的城建部門（或水務局）和住房與城鄉建設部負責規劃、建設、運營和管理。
源頭控制工程、城市排水工程、城市內澇防治工程、排澇工程和城市防洪工程5個單元工程體系構成一個完整的應對城市區域洪、澇災害的工程系統，它們相互聯系、相互影響，是一個有機的整體，缺一不可。由于我國缺乏足夠的經濟實力，無法效仿香港將排水、防澇、防洪三套工程合為一套，按照防洪工程標準建設同時具有防洪、排水和城市內澇防治功能的排水工程。我國現有的排水工程建設標準偏低，也學不了英、美等國建設高標準的城市排水工程和城市防洪工程，輔助建設部分城市內澇防治工程設施的方式。我國可以參照澳大利亞建設三套工程體系的經驗，結合我國具體實踐，創新性地構架中國防治城市區域洪、澇災害的工程系統，科學規劃建設城市排水工程、城市內澇防治工程和城市防洪工程三套工程體系，即5個單元工程。
各個單項工程的相互關系。源頭控制工程、雨水排水管網工程（小排水系統）、內澇防治工程（大排水系統上游）、排澇工程（大排水系統下游）和防洪工程這5個單項工程共同承擔防止城市內澇災害發生的責任，5個單項工程缺一不可。其中任何一個環節出現問題都會導致城市區域嚴重積水，并引發城市內澇災害或城市下游發生洪水災害。
城市附近的水利工程是城市排水工程的下游受納水體，目前排水工程和水利工程的設計銜接關系是水利工程的設計水位，一旦水利工程的實際運行水位超過設計水位，城市區域內的雨水就無法順利排入下游水體，就會產生由洪水引發的城市內澇災害。在大暴雨期間城市區域產生的大量積水就相當于流域的滯洪區，對削減下游河道的洪峰流量有一定好處。如果不加評估就增加向河流排放的洪峰流量，就會產生由城市內澇導致的下游洪水災害。
在規劃設計城市雨水管網時，應根據規劃用地地表情況確定徑流系數，因為該徑流系數決定了城市雨水管網的排水能力。如果在管網建成后改變了用地特性，增加了不透水地表的比例，就會出現由地表特性改變導致雨水排水管渠工程提前失效和實際排水標準變低的現象。
工程失效。當實際運行工況不能滿足設計工況條件，如實際的暴雨超過了排水和防澇工程設計的能力，或者下游受納水體水位超過了設計水位，都會導致排水（雨水）防澇工程失效。對此，應該建立評估方法和評估程序對城市產生內澇災害的原因進行科學評估，分清責任，對城市內澇災害造成的損失建立追責和問責機制。
規范標準的銜接問題
在源頭控制工程、城市排水工程、城市內澇防治工程、排澇工程和城市防洪工程5個單元工程體系中，設計標準的表述方式不同，大體可以分為3類：源頭控制工程采用降雨量；城市排水工程、城市內澇防治工程、排澇工程采用降雨強度，用重現期表示設計標準；城市防洪工程采用觀測洪峰流量的重現期。源頭控制工程只能計算出總調蓄水量，沒有數理統計的重現期設計標準概念，也無法計算出設計流量，因此對于高重現期極端暴雨事件的應對能力應慎重對待。城市排水工程、城市內澇防治工程、排澇工程都采用降雨的重現期來確定設計標準，《室外排水設計規范（2014版）》已經推薦采用年最大值法采集暴雨樣本資料，為協調3個工程的設計標準奠定了基礎。如果采用相同的基礎暴雨資料，應采用同樣的資料整理方法，則在相同設計標準條件下，暴雨強度值應該是相同的。城市防洪工程的設計標準與其他工程的標準不同，沒有對應關系。
采用年最大值法采集暴雨樣本資料，設計工況條件下假設有充沛的前期降雨，因此源頭控制工程設計調蓄水量對城市排水工程、城市內澇防治工程和排澇工程的影響很有限。
城市防洪工程、排澇工程與城市排水工程和城市內澇防治工程的設計標準銜接可以簡單地處理成設計工況的水位銜接，將來可以采用流量演算的方法進行流量通行能力的銜接。
結論
為了科學構架城市排水防澇工程體系，結合我國國情和現行的規范標準體系，本文提出了5個單元工程體系架構的設想，并探討了5個單元工程的組成、分擔的任務、相互關系和設計標準銜接問題。
源頭控制工程以調蓄降雨量為設計參數，無法與排水工程的設計暴雨強度相銜接。
城市排水工程、城市內澇防治工程和排澇工程都采用設計暴雨強度作為設計參數，并且采用相同的年最大值采樣分析方法，設計標準和設計計算方法應進行協調，以保證系統的安全性和可靠性。
在總體框架下，應科學劃分5個單項工程的任務和上下游邊界條件，各個單項工程應完善其設計計算方法，并建立完善的監管體制，明確產生城市內澇的工程原因。
在5個單項工程中，除城市內澇防治工程是新的工程以外，其余4個單項工程都有比較完善的設計規范標準和技術方法，所以建立城市內澇防治工程的規范標準和技術方法體系是當前的重點和難點。