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张辰大师详细解读《城镇内涝防治技术规范》

    文章来源:给水排水 张辰等 发布时间:2017年07月13日 点击数: 字号:

  摘要

  课题组通过开展《城镇排水系统标准体系研究》,确定源头减排、排水管渠和排涝除险三段式内涝防治体系。在此基础上,编制完成了《城镇内涝防治技术规范》,规范了新建、改建和扩建的城镇内涝防治设施的建设和运行维护。本文介绍了《规范》的编制背景和思路,明确了内涝防治系统的定义,并对主要技术要求和技术措施等内容进行了说明,有助于《规范》的推广应用,提升城镇内涝防治能力。

  1 编制背景

  由于各种原因,全国各地极端天气频发,很多城市出现特大暴雨。大规模城市建设中缺乏应对暴雨的设施和措施,导致城市发生内涝。为有效防治城镇内涝灾害,保障公民生命、财产和公共安全,20128月,住房城乡建设部委托国内12家单位联合开展《城镇排水系统标准体系研究》,通过研究,确定了源头减排、排水管渠和排涝除险的三段式内涝防治体系,以及应急管理措施的要求。

  20133月,国务院办公厅颁布了《关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》,要求“合理确定建设标准”。随后,《室外排水设计规范》GB 50014进行了局部修订,提高了雨水管渠设计重现期标准,并增加了内涝防治相关规定,但受规范定位和篇幅的限制,仍以雨水管渠设计的规定为主,因此有必要制定一部专门针对城镇内涝防治的系统性技术规范。20134月,住房城乡建设部下达了国家标准《城镇内涝防治技术规范》的编制任务。编制组经过数十次修改完善,完成《规范》的制订工作。住房城乡建设部2017121日正式发布公告第1444号,《规范》于201771日起实施,编号为GB51222-2017

  2 编制思路

  2.1规范定位

  《规范》适用于新建、改建和扩建的城镇内涝防治设施的建设和运行维护,规定了源头减排、排水管渠和排涝除险的三段式内涝防治体系,和现行国家标准《室外排水设计规范》GB50014均包含雨水管渠设计相关的内容,但侧重点有所不同,因此在设计时应按照两部规范执行。雨水调蓄是城镇内涝防治的一项重要手段,《规范》还应与《城镇雨水调蓄工程技术规范》GB51174等其他相关规范配合使用。

  2.2 城镇内涝防治系统的定义

  《规范》规定的城镇内涝是指城镇范围内的强降雨或连续性降雨(不包括进入城镇范围内的客水、因给水排水等管道爆管而产生的径流等)超过城镇雨水设施消纳能力,导致地面产生积水的现象。城镇内涝防治是一项系统工程,涵盖从雨水径流的产生到末端排放的全过程控制,包括产流、汇流、调蓄、利用、排放、预警和应急措施等,而不仅仅包括传统的雨水管渠设施。城镇内涝防治系统应包括源头减排、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。应急管理是以保障人身和财产安全为目标的管理性措施,既可针对设计重现期之内的暴雨,也可针对设计重现期之外的暴雨。应急管理还需重点保护既有的河道和明渠等敞开式的雨水调蓄、行泄通道,以及保持雨水调蓄、行泄通道和河道漫滩的畅通,不得非法占用。

  3 技术内容

  3.1 主要技术要求

  (1)内涝防治设计文件

  内涝防治设计文件是有关部门对建设项目进行评估和审批的重要技术依据。《规范》规定新建、改建和扩建工程的内涝防治设计文件,应在项目可行性研究报告中编制内涝防治设计篇(章);项目可行性研究报告论证结论中,应提出初步设计阶段编制内涝防治设计报告的要求,对城镇内涝防治影响较大的工程应编制内涝防治设计报告,其他工程可编制内涝防治设计报告。

  (2)内涝防治设计重现期

  《规范》规定的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,经技术经济比较后按表1取值。《规范》明确重现期的同时,提出了相应的地面积水设计标准,即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15cm,当地面积水不满足要求时,应采取渗透、调蓄、设置行泄通道和内河整治等措施。还规定对超过内涝防治设计重现期的降雨,应采取应急措施。

  (3)主要设计方法与参数

  设计降雨历时不同,得出的设计雨量和平均雨强有显著差别。根据水文计算原理和方法,设计降雨历时应不小于流域汇流时间,流域汇流时间主要取决于流域特性,包括汇水面积、流域形状、地面坡度、土地利用性质、河网密度、河道特性、河湖调蓄容积等。对于城市化地区的雨水管渠系统,一般采用暴雨强度公式推求设计雨强,其中设计历时是指汇水区域最远点的水质点流到设计断面所需时间。内涝防治设计重现期校核时需要计算渗透、调蓄等设施对雨水的滞蓄作用,因此宜采用较长历时降雨,且应考虑雨型的影响。

  《规范》规定“进行城镇内涝防治系统设计时,应采用符合当地气候特点的设计雨型。当缺乏设计雨型资料时,可采用附近地区的资料,也可选取当地具有代表性的一场暴雨的降雨历程,采用同倍比放大法或同频率放大法确定设计雨型。当设计降雨历时小于3h时,可根据暴雨强度公式人工合成雨型”。我国大部分地区的暴雨强度公式是根据2h以内的降雨资料确定的,近几年,有不少城市根据《室外排水设计规范》GB50014的规定编制了180min芝加哥雨型作为城市雨水管渠的设计雨型,但采用同频率分析法编制1440min雨型的城市则较少,大多仍采用各城市水利系统规定的雨型。目前仅北京、江苏、厦门等地区据此建立并发布了1440min的暴雨强度公式或对应的设计雨型。

  《规范》规定“当汇水面积大于2km2时,应考虑区域降雨和地面渗透性能的时空分布的不均匀性和管网汇流过程等因素,采用数学模型法确定雨水设计流量,并校核内涝防治设计重现期下地面积水深度等要素”。主要考虑推理公式法适用于较小规模排水系统的计算,当应用于较大规模排水系统时会产生较大误差,而内涝防治系统一定是区域范围的,所以作此规定。

  (4)强制性条文

  《规范》共有强制性条文2条。其中:

  第3.2.2 “当地区整体改建时,对于相同的设计重现期,改建后的径流量不得超过原有径流量。”按照海绵城市建设要求,强调径流量控制在地区整体改建时的重要性,与《室外排水设计规范》GB50014相应条款一致,并在条文说明中增加“本条所指的径流量为设计雨水径流量峰值,设计重现期包括雨水管渠设计重现期和内涝防治设计重现期”。

  第4.1.9 条“严禁在地表污染严重的地区设置具有渗透功能的源头减排设施”。加油站、修车厂、危险废物和化学品的储存和处置地点、污染严重的重工业场地等,严禁采用渗透设施,以免污染物质渗入地下,造成土壤和地下水污染。

  (5)城镇河道在内涝防治中的定位

  城镇河道是雨水的重要出路和受纳体,因此是内涝防治系统的重要组成部分。传统上,我国的河道规划设计是以城镇防洪排涝标准为主要依据,缺乏与市政排水系统的有效协调和衔接,两者在设计暴雨和暴雨参数推求时的选样方法等方面均有较大差异。市政排水管渠关注的是短历时强降雨后地面积水的排除速度,各级排水管渠的管径主要取决于短历时暴雨强度;而河道排涝关注的是长历时(一般为24h~72h)的降雨总量,并根据河道应承担的调蓄容积确定河道和相关排涝设施的规模。因此,《规范》规定,城镇河道应按当地的内涝防治设计标准统一规划,并与防洪标准相协调。

  3.2主要技术措施

  源头减排设施包括渗透设施、转输设施和调蓄设施,这里规定的转输设施是指生态转输设施;排水管渠设施包括管渠系统和管渠调蓄设施;排涝除险设施包括城镇水体、调蓄设施和行泄通道;运行维护包括日常维护和应急管理。

  生物滞留设施:目前海绵城市建设中使用较为广泛,可用于源头径流污染和径流峰值控制,设计目标不同时,计算得到的调蓄量也不同,相应的生物滞留设施面积在服务汇水面积内的比例也不同。生物滞留设施自上而下宜设置蓄水层、覆盖层、种植层、透水土工布和砾石层,应设置溢流装置、雨水径流预处理设施、水位观察井(管)。

  渗透管渠:可用于雨水转输和临时储存,宜采用穿孔塑料、无砂混凝土等透水材料。渗透管渠开孔率宜为1%~3%,无砂混凝土管的孔隙率应大于20%;渗透管渠应设置预处理设施,地面雨水进入渗透管渠处、交汇处、转弯处和直线管段每隔一定距离处应设置渗透检查井;渗透管渠四周应填充砾石或其他多孔材料,砾石层外应设置透水土工布,土工布搭接宽度不应小于200mm

  隧道调蓄工程:主要设置于内涝易发、人口密集、地下管线复杂、现有排水系统提标改造难度较高的地区,调蓄容量应根据内涝防治设计重现期或其他要求确定。

  行泄通道:城镇易涝区域可选取部分道路作为排涝除险的行泄通道。应选取排水系统下游的道路,不应选取城镇交通主干道、人口密集区和可能造成严重后果的道路;应与周边用地竖向规划、道路交通和市政管线等情况相协调;行泄通道不应设置转弯,应设置行车方向标识、水位监控系统和警示标志;行泄通道上的雨水应就近排入水体、管渠或调蓄设施,设计积水时间不应大于12h,并应根据实际需要缩短;当达到设计最大积水深度时,周边居民住宅和工商业建筑物的底层不得进水;宜采用数学模型法校核道路作为行泄通道时的积水深度和积水时间。

  4 技术说明

  4.1关于分期达到标准

  《规范》规定“目前不具备条件的地区可分期达到标准”。内涝防治系统是一项系统工程,对不满足内涝防治设计重现期标准的地区,应结合地区整体改建,一次规划,分期达到标准;对于城市低洼地段、人口密集区域、立交桥等道路集中汇水区域、地铁和重要市政基础设施等易涝点和易涝区,应率先达到标准。

  4.2 关于地面积水标准的确定和校核

  《规范》规定的内涝防治设计重现期条件下地面积水标准有两点,一是“居民住宅和工商业建筑物的底层不进水”,二是“道路中一条车道的积水深度不超过15cm”。其中道路积水深度是指靠近路拱处的车道上最深积水深度,根据调查,路面积水深度不超过15cm时,不会造成机动车熄火,此规定是为了保证城镇道路不论宽窄,在内涝防治设计重现期下都保证道路至少一条车道的通行能力。在《规范》编制过程中,曾有专家希望能对积水时间也有所规定,但中国地区差异大,不同城市的经济水平和承灾能力不一,甚至一座城市不同交通流量的道路的承灾能力也不一样,因此,《规范》要求“各城市应根据地区重要性等因素,因地制宜确定设计地面积水时间”。

  在《规范》条文说明中,对我国部分城市类似的规定进行介绍,如上海市关于判定市政道路积水的标准有两个:一是积水深度超过道路立缘石(侧石),上海市规定立缘石高出路面边缘一般为10cm~20cm;二是道路中心雨停后积水时间大于1h;上海市还规定下穿式立体交叉道路在积水20cm时限行,在积水25cm时封闭;公共汽车超过规定的涉水深度(一般电车23cm、超级电容车18cm、并联式车辆30cm、汽车35cm)且积水区域长达100m以上时,车辆暂停行驶。

  《规范》附录规定了内涝防治设计校核的方法和步骤。《规范》推荐采用数学模型法模拟内涝防治设计重现期条件下,设计范围内的产汇流情况,如果有条件建立二维模型,可以比较清晰地得到最不利情况下,不同下垫面的积水情况,包括积水深度和积水时间;如果只有一维模型,可以根据最大溢流点的溢流量及其周边下垫面的标高,推算溢流点周边最不利情况下积水深度,并得到积水时间。当只能采用手工计算时,《规范》也规定了具体的步骤,可以较好地帮助规划设计人员掌握内涝防治设计的校核方法。

  4.3关于路面积水宽度的计算

  我国城市道路的路拱曲线一般采用直线型路拱,其边沟形式如图1所示,图中T为路面积水宽度,Sx为路拱横坡度,H为侧石边水深。

  路面积水宽度T是《规范》提出的新术语,是指路缘石到道路中心方向的积水宽度。《城市道路工程设计规范》规定,沥青混凝土路面的路拱横坡度Sx一般为1.0%~2.0%。当Sx2%时,对于双向两车道的次干路或支路而言,如按《规范》达到内涝防治设计重现期的要求,即“道路中一条车道的积水深度不超过15cm(道路积水深度是指靠近路拱处的车道上最大积水深度)”,则此时道路的积水宽度为7.5m

  《规范》采用了美国交通运输部联邦公路局2009年版《城市排水设计手册》(水利工程第22号通报)的部分计算方法,规定了具有单一横向坡度和复合横向坡度的路面积水宽度T和道路表面流量Q0的计算方法。积水宽度确定后,可通过路边过水断面的几何关系求得积水深度。路面积水宽度概念的引入可指导雨水口的合理设置,如果路面积水宽度T大于设计允许值,则应重新选择雨水口位置,减少汇水面积和距离。同样,如果路面积水宽度T远小于设计允许值,也可适当增加雨水口的间距。同时,通过路面积水宽度,还可核算在内涝防治设计重现期条件下,超过雨水口截流能力的路面纵向流量Qs,以此设计道路行泄通道的过流能力。

  4.4 关于径流总量控制

  径流总量控制是海绵城市建设的重要内容之一,根据国内研究和实践,《规范》规定“当源头减排设施用于径流总量控制时,应按当地相关规划确定的年径流总量控制率等目标计算设施规模,并宜采用数学模型进行连续模拟校核。当降雨小于规划确定的年径流总量控制要求时,源头减排设施的设置应能保证不直接向市政雨水管渠排放未经控制的雨水”,并在条文说明中强调年径流总量控制率的“控制”,指的是“总量控制”,即包括径流污染物总量和径流体积。源头调蓄设施的设计容积,应根据当地的内涝防治设计标准、其他源头减排设施的有效容积和位于下游的排水管渠、街道、内河、湖泊等受纳体的调蓄能力等因素,经技术经济比较后确定,并应符合《城镇雨水调蓄工程技术规范》GB51174的有关规定。

  5 结语

  《城镇内涝防治技术规范》是基于对发达国家和地区内涝防治系统技术标准的研究和借鉴,在分析我国现行城镇排水系统标准的不足之处和发展方向的基础上,通过对内涝防治系统的源头减排、排水管渠、排涝除险和应急管理等方面技术措施的研究和标准的制定,建立适应我国国情的城镇内涝防治技术规范,以期科学指导我国内涝防治系统的建设、运行和管理,全面推动我国排水事业的发展,减少减轻我国城镇暴雨内涝的发生,保障人民生命财产和城镇的安全运行。