城市暴雨积水成因分析与雨水系统设计

城市暴雨积水成因分析与雨水系统设计

摘要：随着城市化的发展，暴雨积水现象日益突出。本文在深入分析积水成因的基础上，分析探讨了雨水管网的设计，总结指出了雨水系统设计与运行中的问题与国外先进经验。

关键词：城市暴雨；积水原因；城市排水；雨水管网

1. 引言

随着经济的不断发展，城市中建设越来越多的高楼大厦、柏油马路、城市广场、立交桥、停车场等等，市区内的裸露土地越来越少，一旦下起雨来，雨水很难渗入地下。遇到大雨、暴雨，雨水来不及通过下水道流走，就形成径流，汇积成了了积水，特别是在市区内地势比较低的地区。虽然现在许多现代化城市、包括我国新建的不少城市都有比较现代化的排水和下水管道系统，但遇到降雨量过大时，仍然会发生排水不及形成积水，同样的情况国外许多现代化的都市也难以避免。积水的多少与降雨的强度、降水量的大小以及下水系统的设计有很大关系。

城市积水首先危害的是城市交通，即便是20分钟的暴雨也能使公路立交桥下造成严重积水，导致涉水车辆的熄火，就可能形成交通的堵塞。更为严重的积水就可能使城市的街道、民房、商业用房、仓库、地下停车场、工厂、机关、学校等受到影响，其所造成直接经济损失是十分巨大的。现代化城市人口密集，商业区集中，受危害严重。如果处置不当或救助不及时还可能造成人员的伤亡。

例如：2003年12月3日在澳大利亚的第二大城市墨尔本，在十几个小时内降雨120多毫米,使市内部分地区积水，许多驾车的市民不得不弃车而逃，或站在车顶或站在马路边的高处求救，相关部门收到的手机求救信号就有上千次，当地警察及时派出一批橡皮船出来救助，才未造成人员伤亡，但经济损失严重；1个多月后，2004年1月29日晚，仍然在墨尔本，一场雨下了不到2个小时，降雨量不到70毫米，在该城东北部被水淹，水深约0.5米，不仅造成交通混乱，许多商店、居民住宅及车辆被淹，损失超过100万澳元；2004年3月31日，香港下雨不到70毫米，洪源路等地水深及膝，汽车被水半淹，木屋居民纷纷报警求救；2004年4月1日上午在广州出现降雨天气，时间1小时左右，降雨量也只有37.6毫米，但造成多处浸水，海关学院对面马路100多米长的路段浸水约0.7米，相关的报警和求救电话大增；2002年7月30日我国成都市的一场暴雨使市内部分地区受淹，五福立交桥和五块石大道立交桥下的积水达1.5米，交通中断达8小时，市区共有13处出现积水，西城角低洼处水深齐腰，经民警救助153人得以脱险。类似的例子近几年在我国许多城市都曾发生过。

造成这些灾害的降水的特点是：时间短，可能只有几个小时，有时甚至不到一个小时；降雨强度大，1个小时就可能下三五十毫米，但降雨总量到不一定很大；降水范围较小，只是城市的一部分，甚至只是几个街区；灾害持续的时间不长，一般几个小时、最多一天就过去了。

近20年来，随着我国城市化进程的迅猛发展，城市地区由于人口密集，物资和财产密度不断加大等特点，高强度暴雨积水形成的洪涝灾害对城市化地区产生的威胁和带来的损失愈来愈大。灾害一旦发生，不仅给人们的日常生活带来不便，严重的话还可能危及人民和集体的生命和财产安全，破坏城市整体形象。通过对暴雨积水形成原因的分析，可以找出防汛工作中的薄弱点与空白点，由此加以改进，减轻灾害带来的损失。同时，如何对城市地区地面积水的发生区域及形成过程进行预测，以有效地分析涝情可能造成的后果，及时可靠地制定

城市排涝减灾对策和措施是日前城市防汛研究和实践的重要课题。

2. 城市暴雨积水成因分析

2.1 城市地区的流域特性

相对于天然流域而言，城市地区的水文气象特性和产、汇流机制远较前者复杂。

首先，城市地区由于城市化影响产生的“热岛”、“尘罩”和“雨岛”效应，影响了区域的降雨特性。主要表现为汛期大暴雨次数及在大暴雨中降水总量和平均雨强增大，使得城市地区暴雨出现的几率明显增加。[1][2]

其次，城市化的过程，显著改变了土地利用特性，致使城市地区与天然流域的产汇流特性大为不同。土地利用特性的改变突出表现为建筑物密集、高楼林立、道路纵横交错，绿化率和水面率降低，增加了不透水面积，天然透水面积的比率却大幅下降。由此直接改变了当地雨洪径流的形成条件，导致径流总量增加，流速加大；峰量增高，峰现提前，历时缩短。

再次，为了迅速排出城市地区产生的雨水径流，市政部门兴建了排水管网系统。加上地面沉降等因素，低洼区不得不依靠泵站动力抽排的强排水模式。这使汇流速度显著加快，而入河强度明显提高。

最后，我国城市在建设发展过程中，往往存在与水争地，侵占河道，破坏水系的现象，致使城市地区水面率大幅降低。结果使得城市滞蓄雨洪的能力急剧减弱，影响城市的防洪安全。

2.2 城市地区暴雨积水的形成原因

综合来说，城市暴雨积水的产生主要有以下三个方面的原因[3-5]：

（1）自然原因：

○1 全球气候变化和城市化等原因，暴雨次数增多和强度加大。○2沿海城市多属感潮河网地区，地势平坦，如暴雨时恰逢外河道发生高水（潮）位时，会影响到城市排水能力，内河水无法外排。同时，为保护防汛墙设施安全，防止河水漫溢，防汛泵站停泵，从而造成暴雨积水。特别是遭遇风、暴、潮“三碰头”时，情势更加严峻。

（2）排水设施抵御暴雨能力不足：

○1 较多老城区的设计暴雨重现期标准偏低，当遭遇超标准暴雨时，容易造成暴雨时积水。○2一些系统泵站和主干管线虽已建成，但收集支管由于种种原因尚未完善，造成实际排水能力达不到系统标准。系统中一些地区管道处排水系统的末梢，或下游管道管径偏小造成瓶颈导致积水。○3 排水系统的改造，使得原有系统的服务区域范围发生变更，存在泵站与管道系统排水能力不相配套的情况。

（3）人为因素：

○1 市区面积逐年扩大，且市区不透水面积比例迅速提高；下渗量减小，产流增大，汇流加快，形成暴雨洪水。○2 长期超采地下水引起地面沉降，形成一些排水不畅、地势低洼区，容易造成暴雨积水。○3 城市发展，施工建设管理不善造成建筑垃圾或居民生活垃圾堵塞淤积管道，造成排水不畅，局部地面积水成灾。○4 突发因素的影响，如泵站故障停泵导致的积水。

3. 雨水管网设计

3.1雨水管网设计与计算

一．城市雨水管网平面布置特点

1.充分利用地形，就近排入水体

雨水管渠应尽量利用自然地形坡度布置，要以最短的距离靠重力流将雨水排入附近的池塘、河流、湖泊等水体中。一般情况下，当地形坡度较大时，雨水干管布置在地形低处或溪谷线

上；当地形平坦时，雨水干管布置在排水流域的中间，以便于支管接入，尽量扩大重力流排除雨水的范围。

分散出水口：当管道将雨水排入池塘或小河时，水位变化小，出水口构造简单，宜采用分散出水口。就近排放管线短、管径小，造价低。集中出水口式：当河流等水体的水位变化很大，管道的出水口离常水位较远时，出水口的构造就复杂，因而造价较高，此时宜采用集中出水口式布置形式。

2.尽量避免设置雨水泵站

当地形平坦，且地面平均标高低于河流的洪水位标高时，需将管道适当集中，在出水口前设雨水泵站，经抽升后排入水体。尽可能使通过雨水泵站的流量减到最小，以节省泵站的工程造价和经常运行费用。

二．雨水管渠设计参数

（一）水力计算的基本公式: v Q ?=ω 21321I R n v ??=

式中 Q —— 流量（m3/s ）;

ω —— 过水断面面积（m2）；

v —— 流速（m/s ）；

R —— 水力半径（m ）；

I —— 水力坡度；

n —— 粗糙系数。

（二）水力计算的设计数据

1．设计充满度

雨水中主要含有泥砂等无机物质，不同于城市污水的性质，加之暴雨径流量大，而相应较高设计重现期的暴雨强度的降雨历时较短。故管道设计充满度按满流考虑，即 h /D =1。明渠则应有不小于0.20 m 的超高。

2．设计流速

为避免雨水所挟带的泥砂等无机物在管渠内沉积下来而堵塞管道，我国设计规范规定满流时管道最小设计流速为0.75 m/s ；明渠最小设计流速为0.4 m/s 。

为防止管壁受到冲刷而损坏，雨水管渠的最大设计流速为：金属管道为10 m/s ；非金属管道为5 m/s ；明渠按表采用。

3．最小管径和最小设计坡度

雨水管道的最小管径为300 mm ，相应的最小坡度为0.003；雨水口连接管的最小管径为200 mm ，相应的最小坡度为0.01。

4．最小埋深与最大埋深

在冰冻地区，雨水管道正常使用是在雨季，冬季一般不降雨，若该地区使雨水管内不贮留水，且地下水位较深时，其最小埋深则可不考虑冰冻影响，但应满足管道最小覆土厚度的要求。其它具体规定同污水管道。 3.2雨水管网设计步骤

（一）划分排水流域，进行管道定线

根据城市总体规划图，按地形划分排水流域。

在每一排水流域内，结合建筑物及雨水口分布，充分利用各排水流域内的自然地形，布置管道，使雨水以最短距离靠重力流就近排入水体。在总平面图上绘出各流域的主干管、干管和支管的具体位置。

（二）划分设计管段

根据管道的具体位置，在管道转弯、管径或坡度改变、有支管接入、管道交汇等处以及超过一定距离的直线管段上都应设置检查井。把两个检查井之间流量不变且预计管径和坡度也不变的管段定为设计管段。并从管段上游往下游依次进行检查井的编号。

（三）确定各设计管段的汇水面积

各设计管段汇水面积的划分应结合地形坡度、汇水面积的大小以及雨水管道布置等情况而划定。

地形较平坦时，可按就近排入附近雨水管道的原则划分；

地形坡度较大时，应按地面雨水径流的水流方向划分。并将每块面积进行编号，计算其面积并将数值标注在图上。汇水面积除包括街坊外，还应包括街道、绿地等。

（四）确定各排水流域的平均径流系数

通常根据排水流域内各类地面的面积数或所占比例，计算出该排水流域的平均径流系数。也可根据规划的地区类别，采用区域综合径流系数。

（五）确定设计重现期 P 和地面集水时间 t 1

结合地形特点、汇水面积的地区建设性质和气象特点确定设计重现期。各排水流域的设计重现期可相同，也可不同。

根据设计地区的建筑密度、地形坡度和地面覆盖种类、街坊内是否设置雨水暗管等，确定雨水管道的地面集水时间。

（六）求单位面积径流量 q 0

暴雨强度 q 与径流系数ψ的乘积，称为单位面积径流量 q0。即：

()()n b mt t p c A q q ++?+=?=2110lg 1167ψψ（L/s ·ha ）

对于某一设计来说，式中P 、t 1、ψ、m 、A 1、b 、c 、n 均为已知数，只要求得各管段的管内雨水流行时间 t 2，就可求出相应于该管段的 q 0值。

（七）管渠材料的选择

雨水管道管径小于或等于400 mm 采用圆形断面的混凝土管，管径大于400 mm 采用钢筋混凝土管。

（八）雨水管道的水力计算

列表进行雨水干管的水力计算，求得各设计管段的设计流量。并确定各设计管段的管径、坡度、流速、管内底标高及管道埋深等值。

（九）绘制雨水管道的平面图和纵剖面图

雨水管道平面图和纵剖面图的绘制方法和要求与污水管道相同。

4. 雨水系统设计与运行中的问题与国外先进经验

4.1雨水系统设计与运行中的问题

科技投入不足:教科书还停留在前苏联的水平，雨水管网设计理论还沿用100年前的推理公式法（极限强度法）科技投入只注重环境，科技项目投入不足，造成人才流失和改行，导致该学科发展的严重萎缩，研究生培养数量极少，工程界至少落后国外发达国家30年。

政府投入不足:改革开放促进了我国的城市化进程，大城市和比较富裕地区地面建筑成倍增长，而支撑现代化城市发展的地下基础设施则相对投入不足，还停留在改革开放前的水平。改革开放前修建的雨水排水系统。

规划设计、施工质量和运行管理:设计规范落后；设计人才短缺；规划的严肃性不能得到保证；污水管网、雨水管网连接混乱；合流制与分流制混乱；地下掩蔽工程的质量堪忧；与城市排涝工程的衔接的关系不清。

管理水平：经验管理方法难以支撑现代化城市对城市排水系统的需求；不能变被动救灾为科学防灾。

4.2国外的先进经验

基于公式与基于计算机模型；设计重现期与保险；第二排水系统与城市排涝；风险分析与防灾预案；生态排水系统与雨洪利用；人才培养-水信息

5. 总结

随着经济不断的发展，城市化将越来越普遍，农村人口将逐渐向城市集中，都市化要发展，这将是我国今后几十年的大趋势，不仅我国如此，许多发展中国家也如此；全球气候变化也是一个本世纪的大趋势。这两个趋势就确定了城市积水的灾害正在和将要增多。

本文通过对城市地区暴雨积水的成因分析，分析总结了雨水管网的设计，病指出了我国雨水系统设计运行中的问题及国外先进经验，希望可以为今后的城市建设提供借鉴。

参考文献

[1] 方增强．受城市化影响地区的设计洪水计算［A］．全国城市水利学术研讨会论文集，南京：河海大学出版社，2001，119-122．

[2] 李养龙，赵凯，金林，全国强．城市化发展面临的水文问题［J］．山西水利科技，2001，4：86-88．

[3] 耿艳芬．城市雨洪的水动力耦合模型研究［D］．大连理工大学博士学位论文，2006．

[4] 刘树人，周巧兰．上海市暴雨积水灾害成因及防治对策研究［J］．城市研究2000，2：18-21．

[5] 石红．改善上海市区暴雨积水区对策研究［J］．中国市政工程，2003，3：46-47．

[6]《气象知识》2004年合订本

[7]关于我国大城市暴雨积水灾害产生原因的思考中国城市雨洪控制利用高级研讨会北京工业大学周玉文教授