中国城市排水之问.pdf
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1、第 3 3卷第 5期 Vo 1 3 3 No 5 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f W a t e r Re s o u r c e s 2 0 1 3年 9月 S e p 2 0 1 3 D O I : 1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 3 0 5 0 0 1 中国城市排水之问 芮孝芳, 蒋成煜 ( 河海大学水文水资 源学 院 , 江苏 南京2 1 0 0 9 8 ) 摘要: 论述城 市雨洪的形成、 洪涝的基本类型以
2、及城市排水 系统的水文学和水力学基础。总结了中 国城 市排 水存在 的主要 问题 : 城市发展 快速、 粗放 ; 城市建设重地表轻地下; 排水系统设计标准偏低 且升级 困难 ; 城市建设防汛意识淡薄 , 灾害预警能力不达标等。提 出了若干解决中国城市排水 问题 的措施 : 从整体上规划布局地下排水管网建设 ; 修订暴雨强度公式, 提 高排水设计标准; 实施 雨污分 流 , 整治城市河道 ; 改造不透水下垫面, 增加渗透铺装、 绿地和湿地面积; 建立长效管理体制, 加强灾 害预警等。 关键词 : 城市洪涝 ; 城 市排 水系统; 水文学; 水力学; 排水设计标准; 低影响开发 中图分类号 : T
3、 U 9 9 2 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 0 1 0 5 P r o b l e ms o f u r b a n d r a i n a g e i n C h i n a R U I X i a o f a n g ,J I A N G C h e n g y u( C o l l e g e o f H y d r o l o g y a n d W a t e r R e s o u r c e s , H o h a i U n i v e r s i t y , N a n j i n g 2 1 0
4、0 9 8 , C h i n a ) Ab s t r a c t :T h e f o r ma t i o n o f u r b a n fl o o d s ,t h e b a s i c t y p e s o f u r b a n fl o o d s ,a n d t h e b a s i c h y d r o l o g i c a n d h y d r a u l i c t h e o ri e s f o r r e s e a r c h o f u r b a n d r a i n a g e s y s t e ms a y e d i s c u s
5、 s e d T h e ma i n p r o b l e ms o f u r b a n d r a i n a g e i n C h i n a aye s u mma ri z e d a s f o l l o w s :u r b a n c i t i e s d e v e l o p w i t h r a p i d a n d e x t e n s i v e p a t t e r n s ,p e o p l e p a y a t t e n t i o n t o c o n s t r u c t i o n o f b u i l d i n g s
6、o n t h e g r o u n d b u t i g n o r e c o n s t ru c t i o n o f u n d e r g r o u n d d r a i n a g e n e t wo r k s ,t h e d e s i g n c rit e ri a o f d r a i n a g e s y s t e ms a r e r e l a t i v e l y l o w a n d a r e d i ffi c u l t t o u p g r a d e,t h e c i t y S fl o o d p r e v e n
7、t i o n c o n s c i o u s n e s s i s w e a k d u ri n g c i t y c o n s t ruc t i o n ,a n d t h e d i s a s t e r wa rni n g c a p a b i l i t i e s a r e s u b s t a n d a r d S e v e r a l i d e a s a n d me a s u r e s t o s o l v e t h e s e p r o b l e ms a r e s u g g e s t e d:t h e u n d e
8、 r g r o u n d d r a i n a g e n e t wo r k s s h o u l d b e c o n s t r u c t e d wi t h o v e r a l l p l an n i n g ,t h e r a i n s t o rm i n t e n s i t y f o rm u l a s h o u l d b e r e v i s e d t o i mp r o v e t h e d e s i g n c ri t e ri a o f d r a i n a g e s y s t e ms , r a i n f a
9、ll s e wa g e s e p a r a t i o n s h o u l d b e i mp l e me n t e d a n d u r b a n ri v e r s s h o u l d b e r e g u l a t e d,s u r f a c e i n fi l t r a t i o n s h o u l d b e i n c r e a s e d,g r e e n b e hs a n d w e t l a n d a r e a s s h o u l d b e p r o t e c t e d a n d e x p a n d
10、 e d,an d a l o n g a c t i n g ma n a g e me n t me c h a n i s m t o e n h a n c e d i s a s t e r wa r n i n g s h o u l d b e e s t a b l i s h e d Ke y wo r d s :u r b a n fl o o d;u r b a n d r a i n a g e s y s t e m ;h y d r o l o gy ;h y d r a u l i c s ;d e s i g n c r i t e ri o n o f d r
11、 a i n a g e s y s t e m ;l o w i mp a c t d e v e l o pme n t 近年来 , 中国城市发生特大暴雨 的概率似在增 加。给人们 留下深 刻印象 的城市特大暴 雨有重 庆 2 0 0 7年“ 7 1 6 ” 暴雨 、 济南 2 0 0 7年“ 7 1 8 ” 暴雨 、 广 州 2 0 1 0年“ 5 0 7 ” 暴 雨 、 南京 2 0 1 1年 “ 71 8 ” 暴 雨 、 北京 2 0 1 1年“ 6 2 3 ” 暴雨和 2 0 1 2年“ 7 2 1 ” 暴 雨 、 天津 2 0 1 2年“ 7 2 5 ” 暴雨等 。在济南 2 0
12、 0 7年 “ 7 1 8 ” 暴雨中, 7月 1 8日1 7: 0 0至 1 9 : 0 0 2 h降雨 量达 1 5 0 m m, 创历史记录, 致使南北向 1 0余条主干 道顿时变成河流 , 水深最大处达 1 m多 , 地势最低 的 泉城广场积水超过 2 m, 泉城广场 的银座地下商城 积水达 1 7 m。北京市 2 0 1 2年 7月 2 1日 1 0: 0 0至 7月2 2 13 8 : 0 0 , 2 2 h降雨量全市平均达 1 7 0 mm, 暴 雨中心房山区河北镇 2 2h降雨量高达 4 6 0m m, 均为 1 9 5 0年 以来最大。这场特 大暴 雨致使 部分山区 山 洪地
13、质灾害暴发 , 泥石流横行 ; 市区 6 3处 主要路段 严重积水 , 其 中积水超过 3 0 c m的路段有 3 0处 ; 多 处下水道井盖被冲翻 , 路面塌方 3 1处。这两次城市 特大暴雨均造成重大损失。城市特大暴雨引发的积 水淹水问题、 山洪泥石流问题 , 不仅影响社会的经济 发展 , 而且威胁人 民生命财产的安全。能否经受住 倾盆大雨的考验 , 是检验一个城市排水 系统是否发 达的标准 。破解中国城市下水道危机 , 科学地解决 中国城市排水问题 已成为中国城市化进程中必须重 点解决的问题之一 。 基金项 目: 国家 自然科学基金重点项 目( 4 1 1 3 0 6 3 9 ) 作者简
14、介 : 芮孝芳 ( 1 9 3 9 一 ) , 男 , 江苏溧 阳人 , 教授 , 主要从事水文学及水资源研究 。E - ma il : j i a n g g u o l h o t ma i l C O B 水利水电科技进展 , 2 0 1 3 , 3 3 ( 5 )T e l : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E m a i l : h h u e d u c n h t t p: k k b h h u e d u c n 1 1 城市洪涝的形成 及分类 诱发洪涝的关键性因子是暴雨。暴雨特征与下 垫面条件的共 同作用形成 了洪涝。图 1 ( a ) 是不 同 强度的暴雨降
15、至同一流域形成 的洪水过程 : 暴雨强 度越大 , 形成的洪峰流量越大 , 峰现时间越早 , 洪水 历时越短。图 1 ( b ) 是同样的暴雨降落在面积相 同、 形状不 同的流域上形成 的洪水过程 J : 扇形水 系流 域形成的洪峰流量最大 , 峰现时间最早 , 洪水历时最 短; 羽毛形水系流域形成的洪峰流量最小 , 峰现时间 最晚 , 洪水历时最长 ; 混合形水系流域形成 的洪峰流 量 、 峰现时间和洪 水历时介于扇形 和羽毛形之 间。 图 1 ( c ) 是 同样的暴雨 降落在面积、 形状相 同, 但坡 度不相同的两个流域上形成 的洪水过程线 , 陡坡 流 域形成的洪水过程线 比缓坡流域形
16、成 的洪水过程线 洪峰流量大 , 峰现时间早 , 洪水历时短。 D D ( a ) 降雨强度 0 ( b ) 水系 形状 ( c ) 地形坡度 图 1 影响城市洪水的 3个 因素 按照暴雨特性和下垫面条件 , 城市洪水一般可 分为内涝型洪水和山洪型洪水两类 。当地面坡度较 缓 、 汇流速度较小时, 若排水不及 , 会出现内涝 , 这样 的洪水称为内涝型洪水 ; 当地面坡度较陡 , 暴雨强度 较大 , 由于汇流速度快 , 会产生巨大的冲击力 , 这样 的洪水称为山洪型洪水 。山洪一般又分为普通山洪 和泥石流 山洪 J 。普 通 山洪是 指流 速很大 ( 可 达 51 0 m s ) , 但泥石含
17、量小于 1 3 t m 的山洪 ; 泥石 流山洪是指洪水与泥石流 同时发生, 泥石含量超过 1 3 t m 甚至高达 2 t m 的山洪。内涝型洪水多发 生在平原城市的低洼地 区; 山洪型洪水易发生在 山 区城市 的陡峻山区, 其 中泥石流山洪一般发生在地 表覆盖疏松 、 地质构造 比较破碎的陡坡地区。 2 城市排水系统及原理 在城市排水系统 ( 图 2 ) 中, 城市地面被建筑物 2 水利水电科技进展 , 2 0 1 3, 3 3 ( 5 )T e l : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 和道路分割为一个个集水 区或汇水区。集水区是城 市流域降雨产汇流的基本单元 。每个集水区至少
18、有 1 个受水 口。受水 口一般位于集水 区地面高程 的最 低处 , 它既是集水区降雨产流量的汇集点, 又同时是 出 口处。受水 口接受 的由集水区形成 的降雨径流 , 经竖井流入地下管网。根据受水 口位置高程 , 集水 区形成的降雨径流进入其 中可以 自排 , 也可 以通过 水泵机排。一个城市常常布设多个地下管网 , 这些 相对独立的地下管 网通过 串、 并联构成了城市整体 或局部的地下管网。一个个地下管网又 以多个出水 口与城市的排洪河网相连接。按照地下管网出口高 程与河网水位的关 系, 城市降雨径流进入排洪河 网 也有 自排和通过水泵机排两种形式。这样就构成了 一 个对城市经济社会正常有
19、序运行起重要保障作 用 的城市排水系统。由此可见, 城市的排水系统一般由 集水区、 受水口、 地下管网、 排洪河网、 泵站等组成 。 集 水 区 河 网 图 2城市排水系统 作为城市流域降雨产汇流基本单元的集水区, 由于其面积一般 较小 , 可 以忽略流域 汇流作用 , 因 此 , 一场暴雨形成 的受水 口的人流量过程 即为暴 雨 过程。受水 口的出流量过程需要通过水力计算或模 型试验确定 J 。图3是一场暴雨过程中集水区受水 口的人流量过程与其出流量过程 的对 比图。由图 3 可见 , 一场暴雨形成的受水 口人流过程虽然一定 , 但 受水 口出流过程将随受 水 口的形状 、 大小及有关水 力
20、 因素如积水深、 与地 下管 网的衔 接形式等而 变。 如果受水 口的出流量等于一场暴雨形成的人流过程 的峰值 , 那么这场暴雨所形成的受水 口的人流量就 能顺利通过受水 口进入地下排水管 网, 地 面不产生 受水 口形状 、 及有关水力 影响下的受 排水过程 图 3 受水 口形状、 大小及水力 因子对其排水 的影响 E ma i l : h h u e du c a h t t p: k k b h h u e d u c H 积水 ; 反之 , 如果受水 口的出流量小于一场暴雨形成 的人流过程的峰值 , 那么这场暴雨就会在地面形成 积水。图 4表示一场暴雨过程 中积水量和积水深的 变化过程
21、 , 由此可 以看 出最大积水深出现的时间及 这场暴雨造成的地面积水时间。暴雨产生的径流经 受水 口进入地下排水管网后 , 就成为管 网水流 , 最终 通过管 网出 口排入河道 , 成为河道水流 。 Q o o ( a ) 地面积水 量变化过程 一 厂 最大积水深 出现 时间 卜 _ 一地面积水 历时 ( b ) 地面积水深变化过程 图 4 地面 积水现象 地下排水管 网中水流很复杂 , 它不仅具有呈空 间分布的多个人流点和多个 出流点 , 存在各条管道 水流的相互干扰和与河道水 位的复杂顶托 , 而且有 时为有压流 , 有 时为无压流 , 有时有压流和无压流并 存 。由此可知 , 城市排水系
22、统 中的水流运 动主要涉 及水文学原理和水力学原理 J 。 受水 口出流不仅与集水区的暴雨及其产汇流有 关 , 而且受地下排水管 网的影响 , 地下排水管网又受 到河道水位变化 的制约。因此 , 只有 它们之 间协调 畅通, 才能保证排水系统的有效运作, 充分发挥排水 系统的应有功能。 3 城 市排水 问题分 析 城市排水系统为什 么不 给力?每逢暴 雨 , 为什 么许多城市“ 不堪一 击” ?笔者认 为主要有 以下几 方面原因。 a 城市发展快速 、 粗放。据报道 , 2 0 0 0年北京 市建成面积仅 为 7 0 0 k m , 2 0 1 0年则达到 1 4 0 0 k m , 1 0
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