干旱地区不完全分流制雨水系统规划方法与实践

资 强，杨仲韬，杨 洋，杨 宇

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津市 300110）

1 概 述

随着城镇化的迅猛推进，城市内涝防治成了汛期防灾减灾的“新课题”。城市建设是人们利用自然改造自然，实现人类历史发展的必然途径。城市建设必将导致硬化地面的增多，天然水系、坑塘、洼地等天然雨水滞蓄单元的减少，将加大城市内涝的风险。因此，合理规划和建设排水设施，保护和整合现有天然雨水滞蓄单元，对雨水进行有组织的排放是降低内涝风险的有效途径[1，2]。

雨水系统规划就是要针对设定的排水目标，确定排水体制、对雨水排泄路径进行合理组织，对排水系统进行规划布置，确定排水设施的走向、规模，以保障城市排涝安全。雨水系统规划应借鉴国内外先进的排水理念，遵循蓄、渗、滞、排相结合的原则，因地制宜，合理构建城市排水系统。利用低影响开发设施对城市降雨水量和水质控制具有重要意义[3]。

我国幅员辽阔，南北城市气候差异很大，全国各地降水量变化很大，东南沿海地区全年多雨，年降水量一般在1 500mm以上，而西北内陆地区年降水量为100～200mm。许多北方城市的全年的降水大多集中在汛期的几场降雨。因此，北方城市对排水设施的利用率较低。对于北方城市，尤其是西北干旱地区城市的雨水排水系统的构建时，应对当地的气候特点、降雨特征、土壤渗透性、地下水位情况等进行充分了解的基础上，在保证城市排水安全的前提下，尽量利用自然排水体系和海绵设施，减少排水管渠的投资。充分利用地形，建设绿色道路系统进行雨洪控制[4]。同时，为保证城市排水系统顺畅，应做好管网、河道、水系网络的衔接。

本文以新疆乌昌新区五一新镇为例，对干旱地区城市雨水系统规划的方法和要点进行阐述。

2 城市概况

2.1 城市基本情况

乌昌新区地处新疆北部，东南邻乌鲁木齐地窝堡国际机场，距乌鲁木齐市中心28 km，西与昌吉市毗邻，北靠昌吉回族自治州，南缘乌昌大道。五一新镇属中温带半干旱大陆性气候，区域年平均气温6.4℃，年降水量215mm，降水量集中在6、7、8月雨季，以及11月中旬至来年2月的积雪期，最大积雪厚度48 cm。年均蒸发量2 266mm。土壤以壤土、砂土、砂卵石为主，下渗性能较好。城市建设区现状大多为耕地和林地，现状地形整体地势南高北低，呈台地布局，地形平台状多数坡度在15%以下。地下水形成分布特征为河流入渗及基岩裂隙水的补给，广泛分布第四系松散层空隙潜水，埋藏深度30~70m。

城市雨水系统规划重现期为2 a一遇，内涝重现期为30 a一遇。

2.2 水系规划情况

乌昌新区的过境河流头屯河位于新区的西部，自南向北流入青格达湖。头屯河整体地势比新区高，新区内的雨水排入较为困难。

新区现状水系主要为五一农场用于灌溉的五一大渠、南干渠、三支渠等。总规通过现状渠道梳理整合，并对水系进行局部联通，形成总体向南的城市水系，城市雨水最终向北排入城区外的农田（万亩荷塘）消纳。规划水系见图1。

图1 水系规划图

3 排水体制的选择

城市排水体制一般分为合流制和分流制两种类型。当生活污水、工业废水和雨水用两个或两个以上排水管渠排除时，称为分流制排水系统。根据排除雨水方式的不同，又分为完全分流制、不完全分流制和截流式分流制。完全分流制排水系统分设污水和雨水两个管渠系统，我国大多数城市均采用该种方式。截流式分流制既有污水排水系统，又有雨水排水系统。与完全分流制的不同之处是在于它利用截流井将初期雨水引入污水管道，能较好的保护水体不受污染[5，6]。不完全分流制只建污水排水系统，未建雨水排水系统，雨水沿着地面、道路边沟和明渠泄入水体。或者在原有渠道排水能力不足之处修建部分雨水管道，待城市进一步发展或有资金时再修建雨水排水系统。该排水体制投资省，主要用于有合适的地形、有比较健全的明渠水系的地方，以便结合排泄雨水。

乌昌新区年降雨量215mm，除去冬季的降雪量，年降雨量少于200mm，为干旱地区。若采用雨水管网利用率低。因新区地形坡度较大，且土地渗透性较好，地下水位低，具有良好的排水、下渗条件。因此可考虑采用不完全分流制，利用在道路绿地内建设的植草沟、渗渠等海绵设施进行排水。对于出现频率较低的暴雨，可通过构建雨水行泄通道排出。对于局部低洼点，可采用修建调蓄设施，或建设局部雨水管道系统，将低洼处积水排入河道水系。

4 计算方法选择

雨水系统计算的方法主要为推理公式法和模型法。推理公式法计算参数容易获得，计算形式简单，应用十分广泛。但受理论限制，推理法中无法考虑随时间和空间变化的降雨过程，对大流域雨水系统设计会发生较大偏差[1]。

对于不完全分流制区域，因没有设置完善的雨水管网，需要充分考虑地块对雨水的截留、下渗以及低影响开发设施等对雨水源头的减量消纳，这些因素在推理公式法中不能得到很好的体现。不完全分流制的雨水系统规划需要利用地形，因势利导，对雨水径流路径进行合理组织，对内涝积水点进行评估，进而对低洼易涝点采取相应的措施，消除内涝对城市的影响。本次采用基于infoworks ICM的模型法。

5 模型构建

5.1 降雨资料

为使模型能更加符合实际情况，在进行雨水规划时理应采用当地统计的雨型。但是，这往往很难实现，因为我国大部分区域并未整理出当地的雨型。在缺少资料的情况下，可采用芝加哥雨型对暴雨强度公式进行解析，得到设计重现期下降雨过程曲线。乌昌新区缺少当地的雨型数据，且没有自己的暴雨强度公式。新区年降雨量比乌鲁木齐低，因此借用乌鲁木齐的降雨数据进行排水系统的设计是偏于安全的。

本次规划对乌鲁木齐的暴雨强度公式利用芝加哥雨型进行解析得到设计重现期下的降雨过程。乌鲁木齐的暴雨强度公式如下：

5.2 地形资料

通过对1:1000的实测地形图中的高程点进行提取，利用ArcGIS软件对提取的高程点生成TIM地面模型，并利用软件的三维分析工具进行高程、坡度分析，见图2、图3。

图2 城市地面高程图（单位：m）

图3 城市坡度分析图（单位：度）

从图中可以看出，乌昌新区规划区域范围内地形大致为南高北低，高程变化范围较大，一般高程在530~740m之间。从地形上看，规划区域内没有大面积的局部低洼点，地形地势对排水有利。

规划范围内南部坡度较大，一般为0.5%~2%之间，北部较为平坦，一般为0.05%~1%之间。西部局部区域坡度达到10%。

6 雨水径流路径分析

6.1 开发前雨水径流路径分析

对开发前的雨水径流路径分析，能够了解规划区在天然状态下的排水方式和途径，对于加强“山、水、林、田、湖”的保护具有重要意义。同时，通过模拟，可以了解天然状态下雨水的流向，在进行路网和地块规划时，应尽量避免割裂天然径流通道，可因势利导，在天然径流通道上规划成排洪沟、植草沟或雨水行泄通道。另外通过模拟，能发现规划区域内的易涝区、积水点，在土地利用规划时，可将易涝积水点规划成湿地公园、绿地或广场等，如果一定要作为建设用地应当采取有效的应对措施。因此，雨水径流路径分析是合理布局排水设施、保证排水安全的前提。

利用Infoworks ICM软件，构建乌昌新区开发前雨水径流模型。模型中，河道水系按照规划河道进行了建模。计算在遭遇30 a一遇雨水时，地面的径流情况，模拟结果见图4。

图4 开发前径流路径及积水点分析图

从图4可以看出，开发前地面径流从南往北流动，并形成了较为明显的径流通道。同时可以看出，在局部低洼区域，容易产生局部积水。

6.2 开发后雨水径流路径分析

城市开发后由于路网的建设，会对雨水径流产生较大的影响。一般城市的道路要比地块低，且由于道路的连通性，使得雨水很容易沿道路快速汇集。

按照规划路网构建开发后的城市地面模型，模拟计算遭遇30a一遇降雨时雨水沿地面漫流过程。提取出雨水径流的流速矢量图见图5。图5中，蓝色箭头越大、颜色越深表示流速越大。

图5 开发后径流路径分析图

从图5中可以看出，规划区雨水汇集进入河道后，主要由处于城市中间的南北向河道排放，进入头屯河的径流量很小。城区内部分地面雨水沿道路汇集，排入水体或规划区以外的万亩荷塘区。

7 雨水行泄通道规划

由于规划区南北高差大，东西向道路纵坡为0.2%～0.5%，排水条件好，公园绿带面积较大，有较强的自然消纳能力，且蒸发量远远大于降水量，规划五一新镇采用不完全分流制非常规雨水系统，即海绵城市系统。

城市道路下只建设污水管网系统，雨水的排除消纳由下沉绿地形式的机非隔离带与林间渗渠系统共同完成。非常规雨水系统根据地区的土层性质与降雨特点，以本地下渗消纳降雨为主要，通过增加绿化面积，强化下渗条件，细化道路竖向设计以避免出现积水区等方法，实现2 a一遇的降雨道路无积水的设计目标。

为尽快排出雨水，防止地块积水，本次根据雨洪模拟结果，在雨水汇流路径上，选取道路及绿廊作为雨水行泄通道，将雨水导向水体或下沉绿地。规划雨水行泄通道见图6。行泄通道的总体方向为自南向北就近排入城区河道。

图6 雨水行泄通道规划图

为实现获得良好的排水性能，作为雨水行泄通道的道路，在设计和施工时应当满足如下要求[7]：

（1）根据道路用地情况，采用路面排水、植草沟排水及其组合形式排水。当道路规划红线内外有连续绿地时，应当优先将绿地建设成植草排水沟的形式，排水沟内设置促渗、消能设施。

（2）作为雨水行泄通道的道路，道路纵坡应当严格为坡向下游的单坡。应当避免局部出现反坡或平坡的情况，以保证排水顺畅。

（3）雨水行泄通道应与排放水体有效联通。在排入水体处，可将行泄通道与排入水体之间的人行道架空，或设置收集管道，以利于雨水顺利排入水体。

8 开发后城区积水情况分析

为对城市排水效果进行评估，本次构建规划范围内的地面排水模型，并分别模拟在遭遇2 a一遇、10 a一遇和30 a一遇降雨情景下，城市积水情况。经模型模拟，在遭遇2~30 a一遇降雨时，城市内整体排水状况良好，大部分区域都能满足排水要求。仅在城市地块内局部低点处，在降雨期间容易积水。从积水点数量上来看，随着降雨强度的增大，积水点数量有所增加。积水点的积水深度大多在0.3m以下，在遭遇30 a一遇降雨时，也没有超过0.5m的积水点。这些积水点是局部低洼造成的，积水范围不大，积水深度较小，没有形成大范围、连续的内涝积水区域。局部积水点可在设计阶段通过场地平整或因地制宜的建设湿塘、雨水花园、下沉式广场等海绵设施解决。

9 结 语

西北干旱地区降雨稀少，雨水管网利用率低，在进行雨水系统规划时可结合当地实际情况采用不完全分开的排水体制。利用在道路绿地内建设的植草沟、渗渠等海绵设施进行排水。对于出现频率较低的暴雨，可通过构建雨水行泄通道排出。

通过对新疆乌昌新区五一新镇进行雨水排水模拟分析，可以发现该区域开发前地面径流从南往北流动，并形成了较为明显的径流通道，开发后该区域内地面雨水沿道路汇集，排向水体或规划区以外。本次规划因势利导的选取道路及绿廊作为雨水行泄通道，将雨水导向水体或下沉绿地，行泄通道的总体方向为自南向北就近排入城区河道。通过水力模拟，该区域开发后在遭遇2~30 a一遇降雨时，城市内整体排水状况良好，积水点的积水深度大多在0.3m以下，在遭遇30 a一遇降雨时，也没有超过0.5m的积水点。局部积水点可在通过因地制宜的建设湿塘、雨水花园、下沉式广场等海绵设施解决[8，9]。

本工程利用地面行泄通道排除雨水，减少了城市雨水管网的投资，可作为类似城市借鉴参考。