城市道路用于大排水系统的规划设计方法与案例

作者:李俊奇 王耀堂 王文亮 杨正
单位:北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育重点实验室 北京建筑大学海绵城市研究院 中国地质大学水资源与环境学院
摘要:近年来, 大排水系统在城市内涝防治中的重要作用得到越来越多的认同, 作为海绵城市建设的重要内容, 我国仍然缺乏大排水系统的具体规划设计方法。进一步梳理了大排水系统的概念、构成及其与海绵城市相关子系统的衔接关系, 提出了大排水系统的规划方法与地表径流行泄通道的设计方法, 并以某城市片区内涝防治系统构建为例, 通过案例介绍了道路径流行泄通道的设计, 以期为我国大排水系统的合理构建提供参考。
关键词:内涝防治系统 大排水系统 地表径流行泄通道 调蓄设施 案例
作者简介:李俊奇, E-mail:jqli@vip.163.com;
基金:国家自然科学基金项目 (51478026); 北京市科委重点项目 (D161100005916001); 北京未来城市设计高精尖创新中心项目资助 (UDC2016040100);

 

    

1 大排水系统构成及其与海绵城市相关子系统的衔接关系

   在已有对大排水系统概念、构成、形式及其与微排水系统 (也称源头减排系统) 、小排水系统 (排水管渠系统) 衔接关系研究[1,2]的基础上, 作者结合工程实践, 进一步梳理了大排水系统的概念、构成及其与海绵城市相关子系统的衔接关系。

   大排水系统 (major drainage system) 是由地面或地下调蓄、排放设施组成的蓄排系统, 用以应对超过源头减排系统和排水管渠系统承载能力的降雨导致的城市积水灾害, 也称为超标雨水径流排放系统[3]

   大排水系统的构成及其与海绵城市相关子系统的衔接关系如图1所示。

图1 大排水系统构成及其与海绵城市相关子系统的衔接关系

   图1 大排水系统构成及其与海绵城市相关子系统的衔接关系

    

   大排水系统的设施可分为“排放设施”与“调蓄设施”两类, 其中, “排放设施”主要包括具备排水功能的地表漫流 (竖向控制) 、道路 (包括道路路面、利用道路红线内带状绿地构建的生态沟渠, 详见本文案例) 、沟渠、河道等地表径流行泄通道, 以及转输隧道等地下径流行泄通道, 实践中, 往往是几种设施的组合, 此外, 还需重视通过道路低点人行道渐变下凹、小区低洼处围墙底部打通等方式, 构建完整、顺畅的地表径流行泄通道;“调蓄设施”则主要包括调蓄塘/池 (含调节塘/池) 、调蓄隧道、天然水体等地面和地下设施。

   需要指出, 在形式上, 设施既包括“绿色”设施, 也包括“灰色”设施, 条件允许时, 可优先选择绿色设施。此外, 设施可能是未经特别设计, 简单利用自然地形或空间条件而形成的, 可将其称为“非设计设施”, 如由自然地形或利用自然地形形成的地表漫流行泄通道、道路径流行泄通道, 及自然沟渠、坑塘等, 实践中应优先保护并利用;而简单利用自然地形及空间条件无法达到设计要求时, 需要工程师在现状基础上进行设计, 合理选择蓄排设施来构建大排水系统。

   非常重要的是, 城市大排水系统与微排水系统、小排水系统、防洪系统协同作用, 地表和地下调蓄、排放设施协同作用, 综合达到城市内涝防治标准。

   本文重点探讨大排水系统的规划方法, 及地表径流行泄通道的设计方法与案例。

2 国内外大排水系统构建概述

2.1 发达国家大排水系统构建

   长期以来, 发达国家针对城市大排水系统的规划建设已积累了一定的经验。美国交通部 (DOT) 联邦公路管理局1996年发布了《城市排水设计手册》 (Urban Drainage Design Manual) , 在2001年、2009年、2013年分别进行了三次修订, 详细介绍了城市排水系统的规划设计要点, 其中就包含大排水系统的相关内容[4];美国部分州、城市也针对大排水系统的建设提出了具体要求, 例如科泉市利用Urban Drainage and Flood Control District (UDFCD) 发布的计算工具“Q-Allow worksheet”, 计算得出了不同降雨情况下, 不同断面形式、不同纵坡的道路路面的排水能力[5], 用于指导道路作为城市大排水系统的规划设计;英国建筑行业研究与咨询协会 (CIRIA) 2006年重点针对道路径流行泄通道、地表调蓄设施的规划设计及内涝风险评估等开展了大量研究, 并出版了相应手册[6];澳大利亚Austroad出版的道路排水设计规范, 详细阐述了包括大小排水系统在内的道路排水规划设计要求[7], 澳大利亚公路集团有限公司 (ARRB, 隶属于澳大利亚政府和维多利亚州政府的官方机构) 出台的道路雨水收集与排放手册中也详细介绍了道路作为大排水通道的规划设计流程及具体设计要求[8]

2.2 我国大排水系统构建及存在的主要问题

   近年来, 随着我国海绵城市建设的持续推进及海绵城市专项规划编制的不断深入, 对城市大排水系统的构建提出了更高的要求, 相关新编、修编国家标准提出了大排水系统的相关设计要求, 但相关规划及“迟来”的规范标准, 对城市大排水系统的规划、设计指导仍存在一定不足, 城市大排水系统的系统性工程实例也较少, 原因在于:

2.2.1 城市规划考虑不足

   在城市总体规划及控制性详细规划层面偏重传统用地规划, 缺乏对河道、沟渠、坑塘等天然蓄排空间的保护与利用, 以及对排放、调蓄设施用地、竖向的相关要求;城市排水 (雨水) 防涝综合规划对不同降雨情景下的内涝风险分析不足, 或对工程落地的指导性较差;城市竖向规划对区域整体防涝规划考虑不足;道路交通、绿地、水系等相关专项规划也缺乏区域或城市尺度蓄排设施的用地、竖向及蓝绿线的落实细化。目前, 各地正在编制的海绵城市专项规划成为在一定程度上弥补上述不足, 强化各层级规划衔接性的重要机遇。

2.2.2 规范标准有待完善

   《室外排水设计规范》 (GB50014-2006, 2016年版) [9]给出了我国内涝防治设计重现期和积水深度标准, 但对道路行泄通道的积水深度、漫幅、流速等设计标准及多功能调蓄设施的设计方法等仍缺乏, 此外, 针对道路径流行泄通道、沟渠、调蓄公园的应急、预警附属设施的设计等也存在不足。

2.2.3 相关专业、部门应更有效的联动

   城市大排水系统的构建需要城市规划、道路、园林、防洪等政府管理者及专业设计人员突破传统设计理念的制约, 建立科学、有效的沟通及合作机制, 源头减排系统、多功能调蓄公园、道路径流行泄通道、管渠等的运行维护、应急预警、信息管理平台等的综合实施尤其需要各部门建立有效的联动机制[10,11], 并采用购买服务、PPP等模式提高政府管理效率和质量。

2.2.4 已建城区构建难度大

   在一些高密度开发的已建城区, 城市竖向、空间条件已经形成, 较难通过现有场地竖向、空间条件的调整解决内涝问题, 但是, 对老城区现状管网排放能力、竖向, 及区域整体空间和竖向条件等的评估仍尤为重要, 是确定重点改造的区域和措施, 并进行多方案比选的基础。此外, 对于非设计道路径流行泄通道, 汇水面积与地形坡度较大的情况下, 容易形成马路洪水, 需综合考虑上游源头减排及中途截流等措施, 结合完善的预警系统建设进行解决。

2.2.5 方案设计系统性较差

   区域大排水系统的构建, 容易忽视对地表漫流等径流行泄通道的分析和设计, 对超负荷 (有压流) 运行状态下排水管渠系统排水能力的评估, 以及一定条件下源头减排系统提升排水能力的评估等, 导致调蓄与排放系统竖向或设计标准不衔接, 难以有效解决区域整体内涝风险。

3 大排水系统规划

   城市大排水系统规划应贯穿于城市总体规划与专项规划、控制性详细规划、修建性详细规划各个环节, 城市规划过程中, 蓄排系统构建应结合当地降雨规律、地形特点及内涝风险等分析, 统筹规划, 合理布局。

   总体规划阶段, 应明确大排水系统控制标准, 保护和合理利用河流、湿地、沟渠等天然蓄排空间, 提出用地布局及竖向相关要求, 并通过相关专项规划进行细化、补充。

   控制性详细规划层面应落实蓄排设施的内涝防治设计重现期等控制指标, 并细化布局与竖向控制, 保障大型蓄排空间及其与周边竖向的整体衔接;在控制性详细规划编制的全过程, 还应始终协调和衔接海绵城市专项规划、排水防涝规划、绿地系统规划等专项规划, 在保障以汇水分区为基本单元, 及各子系统蓄排设施之间完整性和衔接性的基础上, 进行蓄排空间的布局、竖向及相关指标的落实与细化。

   在修建性详细规划阶段及设计阶段, 应进一步落实和细化蓄排设施的规模、平面位置及场地高程, 保障各系统、各蓄排设施之间, 及其与防洪系统之间衔接顺畅。大排水系统规划方法如图2所示。

4 地表径流行泄通道设计

   地表径流行泄通道的设计, 应根据当地内涝防治设计标准要求, 通过水文、水力计算得出[12,13]。再次强调, 应综合分析源头减排系统、排水管渠系统、大排水系统、防洪系统在设计暴雨情景下的耦合作用;此外, 地表漫流主要通过竖向规划设计实现, 良好的竖向控制作为“非设计地表径流行泄通道”是最简单、有效的内涝防治措施, 应给予足够重视。

   地表径流行泄通道的设计流程如图3所示[8], 需指出的是, 该设计方法基于手算求解, 而当汇水面积较大, 地形、相关子系统较为复杂时, 宜综合采用模型模拟方法进行设计。

图2 大排水系统规划方法示意

   图2 大排水系统规划方法示意

    

图3 地表径流行泄通道规划设计流程

   图3 地表径流行泄通道规划设计流程

    

4.1 确定地表径流行泄通道

   地表径流行泄通道的选择应依据当地水文条件、地形地貌分析, 并通过不同降雨条件下的内涝风险评估等综合确定。

4.2 汇水区域水文分析

   汇水区域水文分析应包括下列内容:降雨资料分析;汇水区域边界、整体竖向、用地构成分析, 明确地表排水方向;道路路网布局与竖向分析;调研分析排水管网和雨水口淤堵情况;明确汇水区关键节点竖向、断面控制要求, 如汇流路径交叉点, 道路交叉口等;分析其他相关的水问题, 如污染、水资源流失等;子汇水区划分, 确定道路、沟渠等作为径流行泄通道的布局。

4.3 确定地表径流行泄通道的设计重现期与暴雨强度

   考虑城镇类型、积水影响程度和内河水位变化等因素, 经技术经济比较, 内涝防治设计标准可按照表1的规定取值[9]

   确定内涝防治标准后, 根据设计降雨资料, 确定内涝防治、管渠设计暴雨强度, 进而计算地表径流行泄通道的设计暴雨强度及对应的设计重现期, 如式 (1) 所示。首先, 应确定设计降雨历时, 降雨历时一般按设计控制断面的汇流时间确定, 比如, 将道路路面概化成排水明渠, 汇流时间为径流从汇水面远端流至道路路面的地面流行时间, 通常采用运动波

   表1 内涝防治设计标准   

表1 内涝防治设计标准

   计算公式计算。

    

   式中———地表径流行泄通道对应的设计降雨强度, L/ (s·hm2) ;

   ———内涝防治标准对应的设计降雨强度, L/ (s·hm2) ;

   ———管道对应的设计降雨强度, L/ (s·hm2) 。

   需注意的是, 该方法未考虑管道汇流时间与径流行泄通道汇流时间的差异, 以及暴雨情景下, 管道压力流时的实际排水能力会大于其满管流时的设计排水能力等, 也未考虑分散式源头减排设施对径流雨水的蓄滞作用, 所以该方法计算结果较为保守。

4.4 地表径流行泄通道水力计算

   对于道路路面, 其排水能力根据道路断面形式、纵坡等确定, 可采用地表漫流和道路边沟流, 通过修正后的曼宁公式进行计算[11,13]。对于沟渠, 其排水能力计算可参照明渠均匀流计算公式, 道路路面与沟渠组合使用时, 需对二者排水能力进行叠加计算。道路路面过水断面沿道路纵向发生变化时, 应根据其变化情况分段计算。若过水断面变化过于复杂, 可简化并选择最不利断面进行保守计算。

   需注意的是, 道路路面作为径流行泄通道时, 应保证行人、行车交通安全, 因此道路路面排水应满足一定的流速、水深等要求。国外对于道路路面排水的评价指标有流速、水深、流速*水深等, 如英国[6]规定地表排水的设计径流深度≤0.2 m, 流速*水深≤0.5m2/s;美国不同州、县道路路面排水设计标准也不尽相同[14];而目前国内规范建议采用道路积水深度标准, 如表1所示, 规定道路中一条车道的积水深度不超过15cm, 即进行道路径流行泄通道水力计算时, 最大水深不应超过15cm。此外, 还应对设计暴雨情景下道路行泄通道的漫幅进行分析, 确保满足行车安全设计要求。

4.5 计算地表径流行泄通道最大服务汇水面积

   根据上述计算得出的径流行泄通道排水能力Q和设计暴雨强度I, 可计算径流行泄通道的最大服务汇水面积A, 如式 (2) , 然后与实际的道路汇水面积进行对比, 分析是否满足要求。需指出的是, 式 (2) 适用于小汇水区域 (一般小于2km2) 的设计计算, 汇水面积较大时可利用模型模拟进行辅助分析。

    

   式中A———道路/沟渠排水服务面积, hm2;

   Q———道路/沟渠流量, L/s;

   ψ———综合径流系数。

   值得注意的是, 实际情况下, 当暴雨发生时, 汇水区域内的超标径流并非全部汇入市政道路中, 而是更多滞留在了汇水区域内部, 即汇水区域内部的积水在一定程度缓解了外围市政管道和道路路面的排水压力, 起到了“被动调蓄”或“非设计调蓄”的功能。这也部分解释了虽然理论计算得到的道路最大服务汇水面积较小, 暴雨发生时, 城市内部部分道路却并未发生严重的积水现象。

4.6 编制水力计算表

   按照划分的计算断面, 计算每个子汇水区域内的地表径流行泄通道是否满足设计要求, 并编制水力计算表。

4.7 设计校核

   当地表径流行泄通道的过水能力不满足设计要求时, 需对纵向坡度、断面进行调整, 或设计新的径流行泄通道, 并重新进行水文、水力计算, 确保满足设计要求。

   此外, 关于调蓄设施的设计, 应根据项目条件, 考虑兼顾峰值控制、径流污染控制及休闲娱乐功能[15], 其规模可根据调蓄设施汇水面水文计算、设施调蓄水位变化及其对应的出流口水力计算, 得到设施的入流和出流过程线后确定[16]。根据调蓄设施与排水管渠、径流行泄通道位置关系及运行工况的不同, 可分为在线式和离线式两种, 可根据实际条件选用。

5 道路径流行泄通道案例

5.1 片区概况及问题分析

   该项目位于某北方城市生态新区, 区域内路网已形成, 现状基本建成占地约1km2的棚改回迁居住区及中学等, 其余地块已基本出让。管网为雨污分流, 雨水管网就近接入河道与湖泊。

   区域地形平坦, 排水、排涝条件差, 现状雨水管渠末端排放口均为淹没出流。如何利用规划公园绿地 (现状为沙坑) 构建末端多功能调蓄水体, 并结合片区整体竖向条件, 选取适合的既有道路作为径流行泄通道, 成为该片区内涝防治系统构建的关键。

5.2 片区建设目标

   (1) 片区通过源头减排、末端调蓄综合实现年径流总量控制率85% (设计降雨量24.6mm) 。

   (2) 通过源头减排、现状雨水管渠、末端调蓄综合实现小排水系统设计重现期标准由现状1年一遇提高到2~3年一遇。

   (3) 通过道路径流行泄通道、末端多功能调蓄水体等大排水系统的构建, 结合源头减排与雨水管渠系统, 综合达到20年一遇内涝防治设计重现期标准。

5.3 道路径流行泄通道设计方案

   结合区域水文条件分析, 并利用上述设计方法对区域内不同类型道路路面的排水能力进行评估, 最终分别选择横五路的路面与纵十三路两侧带状绿地作为径流行泄通道, 如图4所示。

图4 片区大排水系统构建总体方案

   图4 片区大排水系统构建总体方案

    

   道路径流行泄通道在不同降雨情景下的运行工况如图5、图6所示。横五路道路径流行泄通道 (路面) 通过渐变下凹式人行道与下游纵十三路径流行泄通道 (生态沟渠) 衔接;纵十三路路面径流同样通过道路低点渐变下凹式人行道与路旁生态沟渠衔接, 以便于路面暴雨径流顺畅排入行泄通道。周边小区暴雨径流则通过小区出入口道路渐变下凹并护栏打开、小区低洼处围墙底部打通的方式, 与周边道路径流行泄通道顺畅衔接。

5.4 道路径流行泄通道设计过程

5.4.1 设计降雨强度计算

   汇流时间取15min, 内涝防治系统、雨水管渠系统、大排水系统的设计降雨强度计算如表2所示, 根据内涝防治和现状管渠设计重现期标准, 保守计算得到道路径流行泄通道设计降雨强度, 如式 (3) 所示。

图5 横五路路面径流行泄通道不同降雨情景下的运行工况

   图5 横五路路面径流行泄通道不同降雨情景下的运行工况

    

图6 纵十三路生态沟渠径流行泄通道不同降雨情景下的运行工况

   图6 纵十三路生态沟渠径流行泄通道不同降雨情景下的运行工况

    

    

   式中PI15———道路径流行泄通道设计降雨强度, L/ (s·hm2) ;

   20I15———内涝防治设计降雨强度, L/ (s·hm2) ;

   1I15———雨水管渠设计降雨强度, L/ (s·hm2) 。

   由表2可知, 道路径流行泄通道的设计重现期约为2年一遇。

   表2 各系统不同重现期设计降雨强度计算   

表2 各系统不同重现期设计降雨强度计算

5.4.2 水力计算

   横五路和纵十三路地下管网、道路径流行泄通道及其汇水面积如图7所示, 对道路径流行泄通道的A、B、C过水断面进行水力计算, 得到最大服务汇水面积, 通过与实际汇水面积进行对比, 判断是否满足设计标准, 水力计算如表3所示, 并据此进行相应的断面调整。

图7 大排水通道水力计算示意

   图7 大排水通道水力计算示意

    

   表3 水力计算   

表3 水力计算

   横五路与纵十三路径流行泄通道的水力计算断面如图8、图9所示。

图8 横五路道路路面径流行泄通道断面

   图8 横五路道路路面径流行泄通道断面

    

图9 纵十三路生态沟渠径流行泄通道断面

   图9 纵十三路生态沟渠径流行泄通道断面

    

6 结语

   合理构建海绵城市综合系统, 城市大排水系统是关键之一, 而对于大排水系统的构建, 整体竖向、用地规划与水文水力分析是关键。本文虽梳理了城市大排水系统的构成及其与海绵城市相关子系统衔接关系, 提出了大排水系统的规划及地表径流行泄通道的设计方法, 但如何更好地指导规划设计人员进行大排水系统构建, 用地空间布局与竖向规划衔接、汇水区水文计算、径流行泄通道的设计标准、调蓄设施的规模计算等仍需进一步研究和梳理。

  

 

    

    

参考文献[1]车伍, 杨正, 赵扬, 等.中国城市内涝防治与大小排水系统分析.中国给水排水, 2013, 29 (16) :13~19

[2] 杨正.城市内涝防治与大小排水系统研究:[学位论文].北京:北京建筑大学, 2014

[3] 住房城乡建设部.海绵城市建设技术指南-低影响开发雨水系统构建 (试行) .北京:中国建筑工业出版社, 2014

[4] U.S.Department of Transportation.Urban Drainage Design Manual.Washington, D.C.2009

[5] Urban drainage and flood control district.Urban storm drainage criteria manual.Denver, Colorado:UDFCD, 2008

[6] CIRIA.Designing for exceedance in urban drainage-good practice.London.2006

[7] Austroads.Guide to road design part 5:Drainage Design.Austroads Publications, 2013

[8] Allan Alderson.The collection and discharge of stormwater from the road infrastructure.Austroads, 2006

[9] GB50014-2006 (2016年版) .室外排水设计规范

[10] Stahre.15 Years Experiences of Sustainable Urban Storm Drainage in the City of Malmo, Sweden.Impacts of Global Climate Change, 2005, 1~12

[11] Department for Environment, Food and Rural Affairs.Surface Water Management Plan Technical Guidance.London:Department for Environment, Food and Rural Affairs, 2010

[12] Guo J C Y.Urban Hydrology and Hydraulics Design.2008

[13]李树平, 刘遂庆著.城市排水管渠系统.北京:中国建筑工业出版社, 2009.143~149

[14] County of San Diego.Drainage Design Manual.San Diego County:Department of public works, 2005

[15]李俊奇, 王文亮.基于多目标的城市雨水系统构建与展望.给水排水, 2015, 41 (4) :1~3

[16]李俊奇, 孟光辉, 车伍.城市雨水利用调蓄方式及调蓄容积实用算法的探讨.给水排水, 2007, 33 (2) :42~46

Urban roads for major drainage system planning-design methods and cases
Li Junqi Wang Yaotang Wang Wenliang Yang Zheng
(Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment , Beijing University of Civil Engineering and Architecture Institute of Sponge City and Stormwater Management, Beijing University of Civil Engineering and Architecture School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences)
Abstract: In recent years, the important role of major drainage system in urban flooding mitigation have been increasingly recognized.As an important part of sponge city development, the planning and design methods of major drainage system has been lacking.Further combed the definition and composition of major drainage system, also its relationship with related subsystem of Sponge City, the planning and design methods of major drainage system and overland roadway paths was proposed.On the base of the case, the designing of roadway overland flow paths was introduced, so as to provide reference to the construction of major drainage system in our country.
Keywords: Urban flooding prevention and control system; Major drainage system; Overland flow paths; Detention and retention space; Case;
499 0 0
文字:     A-     A+     默认 取消