城市雨水利用措施的災(zāi)害防御作用

張書函,孟瑩瑩,陳建剛

(北京市水利科學(xué)研究所,北京 100048)

1 城市降雨災(zāi)害及減災(zāi)的必要性

城市降雨災(zāi)害中,以高強度暴雨引起的雨澇積滯水災(zāi)害表現(xiàn)最為突出,如北京市2004年7月10日的特大暴雨中,局部瞬時降雨強度達到2.2mm/min,造成較嚴(yán)重的積滯水災(zāi)害,使本來缺水的北京市產(chǎn)生了不必要的損失。雨澇積滯水災(zāi)害除了造成人員傷亡、建筑物和物資直接損毀之外,更在于其對水、電、氣、交通、通訊等城市命脈系統(tǒng)的影響,如果其中某個環(huán)節(jié)或幾個環(huán)節(jié)癱瘓,必然會引起社會經(jīng)濟活動一度中斷,由此可能產(chǎn)生更大的損失甚至引起社會不穩(wěn)定,嚴(yán)重?fù)p害城市的整體形象[1]。此外,由于大范圍的地表硬化,徑流產(chǎn)生時間短、洪峰來臨早且洪量較大,降雨徑流會攜帶大量污染物進入排水系統(tǒng),未經(jīng)處理部分直接排入受納水體,造成嚴(yán)重的雨天排河污染問題;同時,雨水無法及時回補地下水,使得地下水超采而補給不足形成的地下降落漏斗無法得到修補,長此以往,還會帶來地面塌陷問題?？梢?城市降雨不僅會造成積滯水內(nèi)澇災(zāi)害,還會帶來許多其他的次生及衍生災(zāi)害,若不加以重視,將嚴(yán)重制約城市的建設(shè)和發(fā)展。

我國目前正處于經(jīng)濟和城市化高速發(fā)展時期,城市暴雨的危害性應(yīng)引起規(guī)劃決策者和普通民眾的高度重視。能否有效抵御和防治這些災(zāi)害,最大限度地減少人員傷亡和災(zāi)害損失,已成為保障城市經(jīng)濟社會安全穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的一個重要主題。

2 城市降雨災(zāi)害成因分析

城市降雨災(zāi)害的成因錯綜復(fù)雜,可主要從自然和人為2個方面進行分析。

2.1 自然因素

我國大部分地區(qū)季風(fēng)氣候顯著,造成降雨在時空分布上極不均勻,具有雨熱同期的特點。城市中易澇、易旱,汛期幾個月通常集中了全年 60%～80%的雨量,加上降水量的年際變化劇烈,造成城市雨澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。此外,多數(shù)城市暴雨內(nèi)澇爆發(fā)期也是周邊水體(河道、湖泊)的汛期,此時,水體功能徘徊于“排洪”和“景觀”之間,矛盾突出,加上風(fēng)險調(diào)度的時效性不夠,雨中河道水位不能及時降低,高水位頂托排水管網(wǎng),造成城市排水不暢,加重了雨水排放壓力,從而增加了城市暴雨內(nèi)澇形成的機會。

2.2 人為因素

2.2.1 城市化發(fā)展

城市化是社會發(fā)展的必然產(chǎn)物,20世紀(jì)80年代以來,我國城市化水平發(fā)展迅速,2010年全國城市化平均水平可達到48%,導(dǎo)致城市氣候、下墊面條件、洪水水文特性、地下水位均發(fā)生了顯著的變化,主要表現(xiàn)在:①城市“雨島效應(yīng)”明顯。北京自20世紀(jì)90年代以來,城區(qū)年降水量比郊區(qū)多60mm,相當(dāng)于每年多了1場暴雨雨量,呈現(xiàn)出清晰的城市雨島,使得城區(qū)內(nèi)發(fā)生降雨災(zāi)害的幾率顯著增加。美國有研究表明,一個完全城市化的流域多年平均洪峰流量比相似的農(nóng)村流域增大4.5倍,50年一遇洪水的洪峰流量增大3倍,100年一遇洪水出現(xiàn)幾率增加6倍。②地表硬化率高。該因素使得下墊面的滯水性、滲透性減弱,加之城市道路、邊溝以及排水系統(tǒng)的完善,城市集水區(qū)天然調(diào)蓄能力減小,匯流速度加快,徑流系數(shù)增大,峰現(xiàn)時間提前且峰形變得尖陡,洪峰流量明顯增大,這些都增大了城市的成災(zāi)風(fēng)險。深圳在城市化后,100年一遇洪水的洪峰流量增加了10%～20%,峰現(xiàn)歷時縮短了20%。③地下水空洞增大。這是由過度開采地下水而補給不足造成的,容易產(chǎn)生地面塌陷的風(fēng)險,同時導(dǎo)致防洪排澇設(shè)施功能降低。上海是我國地面沉降發(fā)生最早、影響最大、帶來危害最嚴(yán)重的城市,截至2007年沉降面積已達到1000km2,沉降中心最大沉降量達到2.6m。

2.2.2 排水理念陳舊、排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低[2-6]

傳統(tǒng)的排水理念是將雨水視為“廢水”,盡快將其排出,而近年來國外較為流行的觀點是視雨水為“資源”并進行“管理”,主要通過多種措施對其進行滲透、存儲、調(diào)蓄和利用?？梢?在排水理念上國內(nèi)大部分地區(qū)與發(fā)達國家還存在較大的差距。

城市排水系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的高低直接決定著排水系統(tǒng)的安全性。以北京市為例,目前主要道路排水標(biāo)準(zhǔn)為l年一遇,立交橋區(qū)(泵站)為2～3年一遇,天安門、奧運中心等重要地區(qū)為5年一遇。與發(fā)達國家相比,這種標(biāo)準(zhǔn)是偏低的,而且近幾年來北京市5年一遇56mm/h的降雨在城區(qū)局部已較為頻繁,設(shè)計排水能力顯著不足。此外,隨著城市的快速發(fā)展,雨水管道等市政建設(shè)與城市改造還存在著不同步的現(xiàn)象,很多新建工程未按標(biāo)準(zhǔn)新建排水設(shè)施而是接入原有的市政管線,加大了排水負(fù)荷,一旦瞬時徑流雨水量超過排水系統(tǒng)設(shè)計能力就會導(dǎo)致道路排水不暢。事實上,一些城市的排水設(shè)施設(shè)計不合理使得系統(tǒng)在設(shè)計之初即未達到標(biāo)準(zhǔn),如橋區(qū)、路段雨水口設(shè)置過少,雨水箅子未在道路的最低點等,以至于并不罕見的降雨卻出現(xiàn)了積水和洪水問題。

再者,目前市政部門負(fù)責(zé)的城市管渠排水與水利部門負(fù)責(zé)的河道防洪排澇往往標(biāo)準(zhǔn)不一,二者如何銜接存在較大的爭議,使得整個城市的排水設(shè)計不能達到一個統(tǒng)一的水平。

2.2.3 非工程性措施不完善

目前對于城市規(guī)劃、維護管理、預(yù)警防災(zāi)等非工程性措施的重視不夠,如熱力、地鐵等不同系統(tǒng)的無序施工破壞了原有的排水系統(tǒng),對于已建排水系統(tǒng)和雨水泵站缺乏良好的維護管理,且暴雨預(yù)報精度低、預(yù)警發(fā)布晚,調(diào)度方案、應(yīng)急預(yù)案不完善等問題普遍存在,社會保險等商業(yè)化措施的介入也處于初級發(fā)展階段。

3 雨水利用措施的災(zāi)害防御作用

雨水利用力圖通過人為干擾城市區(qū)域的降雨徑流水循環(huán)過程,實現(xiàn)雨水排放的生態(tài)性,即盡量減少進入排水系統(tǒng)的雨水量,促進雨水的自然消化及資源化利用,這樣不僅能夠利用雨水資源,達到節(jié)約用水的目的,還具有減輕城市雨澇、減少干旱缺水、防止水土流失、控制雨水徑流污染以及減緩地下水位下降以防止地面塌陷的作用,是解決城市降雨災(zāi)害及次生、衍生災(zāi)害的有效措施之一[7]。以下根據(jù)目前主要的幾種雨水利用形式[8],重點對其減輕城市降雨災(zāi)害的作用進行分析討論。

3.1 滲透性措施

滲透性措施采用能夠下滲雨水的綠地、透水性鋪面、專用滲透設(shè)施等促進雨水入滲、補充地下水,使得地表徑流能夠分散、就地排放,從而減輕了排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

3.1.1 綠地入滲

在道路系統(tǒng)中調(diào)整綠地的高程,將傳統(tǒng)的高綠地、低道路的設(shè)計改為下凹式綠地,可以使其自身雨水不外排,同時還可接納周圍硬化面的地表徑流流入并下滲,充分利用了其下滲及蓄水的能力。在不同重現(xiàn)期降雨、不同下凹深度、是否接納徑流流入的條件下綠地的徑流系數(shù)如表1所示[9]?？梢钥闯?對于5年一遇降雨,綠地下凹50mm和100mm時都可完全消納自身產(chǎn)流,下凹100mm時幾乎可以完全消納自身及相同面積不透水表面上產(chǎn)生的徑流。而綠地等滲透性措施的設(shè)計重現(xiàn)期一般不小于2年,理論上下凹式綠地可以完全消納設(shè)計重現(xiàn)期內(nèi)自身及相同面積不透水表面上產(chǎn)生的徑流。對于超標(biāo)準(zhǔn)降雨,下凹式綠地的徑流系數(shù)也顯著小于平綠地,綠地下凹100mm時仍可完全消納20年一遇的自身產(chǎn)流,接納相同面積不透水表面產(chǎn)生的徑流時徑流系數(shù)也僅為0.35,而平綠地在2種條件下的徑流系數(shù)分別達到0.34和0.55。進一步分析可知,采用下凹100mm的綠地,可將2倍于綠地面積區(qū)域內(nèi)的降雨消納能力從傳統(tǒng)的2年一遇提高到20年一遇?？梢?下凹式綠地具有明顯的削減徑流量及洪峰流量的作用,從而有效地減少地面積滯水現(xiàn)象,抵御雨澇災(zāi)害的發(fā)生。

3.1.2 透水性鋪面

路面應(yīng)多使用透水磚、草坪磚、透水瀝青、透水混凝土等透水性的鋪面材料。JC/T 945—2005《透水磚》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求面層滲透系數(shù)至少達到0.1mm/s,且找平層和墊層的滲透能力應(yīng)大于面層,這樣即使面層有堵塞、滲透系數(shù)削減 50%,滲透系數(shù)也有0.05mm/s(相當(dāng)于承受180mm/h的降雨量),足以完全滲透重現(xiàn)期較大的降雨。

北京海淀區(qū)RZ小區(qū)透水地面的路基土滲透系數(shù)為0.000228mm/s,透水磚及其墊層整體的平均孔隙率為11.0%,滲透系數(shù)為0.5mm/s,平均蓄水量大于35mm。計算不同重現(xiàn)期、不同歷時所產(chǎn)徑流的理論徑流系數(shù)如表2所示。可見,該透水地面在北京市2年一遇60min、5年一遇 30 min、10年一遇20min、20年一遇15min降雨水平下基本不產(chǎn)流。

表2 不同重現(xiàn)期、不同降雨歷時條件下RZ小區(qū)透水性地面的徑流系數(shù)

實際中,該小區(qū)2001年初將總面積為5067m2的硬化地面的17.4%改為透水地面,2004—2005年逐步將其余地面全部改為透水地面。該小區(qū)不同透水鋪裝比例情況下道路雨水系統(tǒng)的降雨徑流特征參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表3。表3中2005年8月12日A場降雨與2001年8月25日降雨的雨量、歷時和最大強度差別不大,前期影響雨量也相似,但是產(chǎn)流過程和產(chǎn)流量卻差別很大:后者的產(chǎn)流系數(shù)接近0.38,前者的卻不到0.01;后者的徑流高峰流量接近37.3L/s,前者的卻只有0.21L/s。對表3進行綜合分析可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)透水面積比例從17.4%增加到100%時,小區(qū)道路系統(tǒng)的洪峰滯后時間平均延長20min,徑流系數(shù)平均從0.23減小到0.05。

滲透性措施不僅能夠防止積滯水災(zāi)害、減輕河道行洪壓力及排水系統(tǒng)負(fù)擔(dān),同時入滲的雨水還補充了地下水,抑制了地下水漏斗區(qū)的擴大,有效地防止地面沉降及地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。滲透性措施未與排水系統(tǒng)相連接,可減緩徑流流速,使徑流對于地表的沖刷程度減小,防止了水土流失。此外,該措施促進了地面上下水分和熱量的流通,可以緩解城市“熱島效應(yīng)”及“雨島效應(yīng)”。

表3 不同透水地面比例時小區(qū)道路系統(tǒng)降雨產(chǎn)流特征

3.2 調(diào)控排放措施

利用天然的洼地、池塘或人工修建的景觀水體、調(diào)蓄池等作為調(diào)蓄設(shè)施將區(qū)域內(nèi)的雨洪暫時滯留,并利用流量控制井、溢流堰等設(shè)施,使其以一定的控制流量排放到下游,可以削減地面徑流量,減輕排水系統(tǒng)的壓力,并減少雨季污水處理廠的負(fù)荷,是解決暴雨內(nèi)澇的一條有效途徑。同時水量在短暫存儲時也有部分沉降作用發(fā)生,使得調(diào)控排放時的污染負(fù)荷減輕。天然洼地、池塘的雨水下滲后可以補充地下水,人工調(diào)蓄設(shè)施若滿足下層地質(zhì)構(gòu)造透水性良好的條件,可將蓄積的雨水緩慢滲入地下。可見,調(diào)控排放措施也可以起到防御雨澇、水土流失、雨天排河污染、地面塌陷等災(zāi)害的作用。

目前,將下沉式廣場、停車場、運動場、露天庭院等公共服務(wù)設(shè)施作為降雨時的調(diào)蓄設(shè)施的做法在發(fā)達國家較為流行,它在積水退去后仍可以發(fā)揮服務(wù)功能。美國Denver市中心的Skyline下沉式廣場可容納數(shù)英寸深的雨水,該廣場還專門設(shè)置雨天穿行廣場的架空通道;日本的東京、大阪等城市利用當(dāng)?shù)氐陌羟驁龊吞飶綀鰠R集截留雨水,匯集的雨水經(jīng)過處理可用于沖洗廁所和綠化灌溉;歐美、日本及我國臺灣均將該措施列為城市泄洪分流的重要對策加以推廣。在國內(nèi),通常修建人工調(diào)蓄池進行雨水的調(diào)控排放。對于設(shè)計重現(xiàn)期內(nèi)的降雨,當(dāng)匯集的降雨徑流小于流量控制設(shè)施限定的過流量時,匯集的流量全部排入市政管道;當(dāng)匯集流量大于限定的過流量時,則以限定過流量外排,同時在管道和滯蓄系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生積水。這樣調(diào)控排放系統(tǒng)的下泄流量被控制在限定的較小范圍之內(nèi),從而削減了洪峰流量,延遲了峰現(xiàn)時間,同時減小了對下游排水系統(tǒng)的沖擊,提高了排水的安全性。對于超標(biāo)準(zhǔn)降雨,在雨水以限定過流量排入市政管道的同時,超過系統(tǒng)滯蓄能力的雨水也會通過溢流堰溢流進入市政管道,與沒有調(diào)控措施的雨水排放相比較,可在一定程度上起到控制徑流速度、削減峰值流量、延遲峰現(xiàn)時間的作用。北京通州某小區(qū)對屋頂2.4萬m3的排水采用調(diào)控排放的方式,通過建設(shè)容積為120m3的調(diào)蓄池和流量控制井,可使1年一遇設(shè)計降雨的最大出流量從483.3L/s削減到157L/s,減小67.5%。

屋頂綠化是一種特殊的調(diào)控排放方式。城市中屋面面積占整個城市硬化表面的30%左右,對屋面進行綠化可以補償建筑占據(jù)的自然植被面積。而且植物的莖葉對雨水進行截流,種植基質(zhì)也有吸水作用,可把大量的降水儲存起來。有研究表明該措施可以降低50%的徑流量。另外,綠化屋面排水層同時又可作為蓄水層,多余的水蓄在卵石層內(nèi),當(dāng)種植土干燥時,可返吸入土中?，F(xiàn)在常用的塑料蓄排水盤可在凹處蓄積一部分雨水,在排水的同時還有50%的蓄水功能(蓄水能力大于10L/m2),具有保持土壤濕潤的作用,同時還保證了植物生長所需的水分,并使根系快速向下生長,牢固地扎根于土壤中。綠化屋面通過其蓄積雨水的能力可以控制暴雨雨水流量的70%～100%,徑流系數(shù)可減小到非綠化屋面的30%,大幅度減少了屋面排水,降低了對排水系統(tǒng)的壓力,減輕了城市的雨澇災(zāi)害程度。同時,還可以設(shè)置排水管將出水引入蓄水池中以待回用。

3.3 收集回用措施

雨水收集回用措施中收集設(shè)施的容積一般可接納重現(xiàn)期內(nèi)降雨產(chǎn)生的徑流,這樣杜絕了設(shè)計降雨條件下積滯水的發(fā)生;如遇超標(biāo)準(zhǔn)降雨,則超過收集設(shè)施容積的水量溢流進入排水管道,此時的收集設(shè)施即相當(dāng)于以上調(diào)控排放措施。這2種形式都減少了地表的徑流量,減弱了徑流流動對地表的沖刷程度,減緩了雨澇積滯水和水土流失災(zāi)害的發(fā)生,同時也減少了雨水徑流攜帶污染物的總量,減輕了雨天排江污染災(zāi)害的程度。若收集雨水后用于地下水回灌,還可發(fā)揮補給地下水、防止地面沉降塌陷災(zāi)害的作用。北京TX小區(qū)將10297m2屋面、2851m2不透水地面、2811m2透水地面的雨水收集進入500m3的雨水綜合池,經(jīng)沉淀、過濾后用于回灌地下和補充景觀用水,2004—2008年的監(jiān)測結(jié)果顯示,在監(jiān)測期內(nèi)系統(tǒng)沒有發(fā)生溢流外排,全部雨水得到了利用。北京順義區(qū)2006年雨水收集利用工程的蓄水能力已達到6733萬m3,主要用于綠化美化、衛(wèi)生和環(huán)境用水,減少了地下水的使用量,且年回補地下水量達到1.4億m3。這些設(shè)計良好的收集利用措施,大幅度削減了徑流外排量,減輕了下游管網(wǎng)的排水壓力,起到顯著的災(zāi)害防御作用。

此外,在確保防洪安全的前提下,合理調(diào)控洪水,暫時將洪水蓄存,在干旱時再抽取利用,可提高水資源的抗旱效率,緩解城市的干旱缺水災(zāi)害,對于類似于北京這樣具有干濕分明的降雨分布特點的城市是非常重要的。

3.4 綜合雨水利用措施

將以上雨水利用措施進行有機組合,如“屋面綠化+下凹式綠地”、“屋面綠化+透水性鋪面+調(diào)控排放”等形式,可以發(fā)揮綜合的災(zāi)害防御效果,抵御重現(xiàn)期較長的大暴雨。

以面積為10hm2的小區(qū)為例,其地面類型和不采取雨水利用措施的估算徑流系數(shù)如表4所示,設(shè)計以下幾種方式對其雨水進行利用。方案A:小區(qū)內(nèi)人行道、綠地面積不變,將平綠地改成下凹100mm的下凹式綠地,不考慮客水進入綠地;人行道改為透水性鋪面。方案B:在方案A的基礎(chǔ)上考慮下凹式綠地接納相同面積不透水地面的雨水,即接納混凝土道路和1/3屋面的雨水。方案C:在方案B的基礎(chǔ)上增加1個容積為800m3的蓄水池,將20000m2屋面的雨水收集回用;蓄水池的調(diào)蓄容積為400m3,回用容積為400m3。將各單種材質(zhì)下墊面實測外排徑流系數(shù)與流量進行加權(quán)平均,計算得3種方案的外排綜合徑流系數(shù)如表4所示,可以看出:采用方案A時,可將小區(qū)的外排綜合徑流系數(shù)分別從1年一遇、2年一遇、5年一遇降雨的0.665,0.698,0.754減小到 0.472,0.518,0.572,削減率分別為 29.0%,25.8%,24.1%;采用方案B時,相應(yīng)重現(xiàn)期降雨的外排綜合徑流系數(shù)分別為0.202,0.241,0.293,削減率分別為69.6%,65.5%,61.1%;采用方案C時,相應(yīng)重現(xiàn)期降雨的外排綜合徑流系數(shù)分別為0.069,0.148,0.227,削減率分別為89.6%,78.8%,69.9%。可見,通過不同程度的雨水利用,徑流總量得到不同程度的削減,小區(qū)綜合外排污染負(fù)荷也有相應(yīng)的減少,有效控制了小區(qū)的雨澇積滯水及徑流污染災(zāi)害。

表4 小區(qū)不同雨水利用措施的外排綜合徑流系數(shù)

4 結(jié) 語

a.目前主要的雨水利用形式滲透、調(diào)控排放和收集回用措施都可不同程度地起到削減洪峰流量、延遲峰現(xiàn)時間、減小徑流對地表的沖刷、改善進入受納水體水質(zhì)的作用,從而減小了雨澇積滯水、水土流失、雨天排江污染等災(zāi)害發(fā)生的可能。此外,滲透和收集回用措施還可以削減徑流總量,滲透、底面滲透的調(diào)控排放以及用于回灌的收集回用措施還可以補充地下水,抵御地面塌陷災(zāi)害發(fā)生的可能。

b.將各種雨水利用的基本形式進行有機組合,可以發(fā)揮綜合的災(zāi)害防御作用,抵御重現(xiàn)期較長的大暴雨。組合形成的綜合雨水利用措施可使10hm2面積的居住小區(qū)在1年一遇、2年一遇、5年一遇降雨下的外排綜合徑流系數(shù)分別削減89.6%,78.8%和69.9%。

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