對海綿城市建設中排水分區相關問題的思考
導語：合理劃分排水分區是海綿城市建設中一項重要的基礎工作。進一步梳理了排水分區的定義，簡要分析、總結了排水分區在美國城市雨水管理與我國海綿城市建設中的重要作用，對排水分區的劃分方法進行了闡述，包括基礎數據分析與現場踏勘，排水分區劃分的主要分類，排水分區的邊界確定，排水分區劃分的精度探討，以及排水分區的連接性分析，并對其中不同情況涉及的相關問題進行了分析。
作者簡介：楊正（1990- ），男，山東濰坊人，在讀博士，主要研究方向為城市雨水控制利用。
以構建現代城市雨洪管理體系為核心的海綿城市建設正在全國范圍內積極推進，重點解決城市洪澇、徑流污染、合流制溢流污染等城市雨水與水環境綜合問題，需要構建包含源頭控制、排水管渠、超標雨水徑流控制等綜合系統，并協調銜接污水、水利防洪等系統。實踐中，區域洪澇、水體黑臭等問題邊界條件的識別、區域雨水徑流綜合管控系統方案的制定、海綿城市建設效果的評價等多方面工作，都需要以排水分區為基礎開展。因此，綜合考慮不同城市和區域的不同條件，合理劃定排水分區，對海綿城市建設的有序推進具有重要意義。
本文討論的排水分區主要針對海綿城市建設重點涉及的城市雨水排水系統與合流制排水系統。
1排水分區的定義
排水分區一詞常用于城市市政與小區排水管渠系統的規劃設計，主要指雨水徑流沿地表與管渠相對獨立匯集排放的區域；而從突出地形地貌等對雨水匯流過程的影響，以及突出某設施匯流服務范圍的角度，如針對超標雨水徑流控制系統、生物滯留等源頭減排設施的設計時，也常稱之為匯水分區。因此，排水分區與匯水分區二者名稱不同源于其側重的角度不同，但在實際工作中，往往需要統籌考慮不同情況下雨水徑流的匯集與排放過程，排水分區與匯水分區并無嚴格的界限，本文以下統稱為排水分區。
在英語中，Watershed, Catchment, Basin皆可用來表示排水分區/匯水分區，通常可以互用，沒有嚴格的區分，此外，部分設計手冊中以Sewershed表示有排水管網覆蓋的城市排水分區。
對于自然水文過程，從降雨發生至徑流的形成和匯集主要分為填挖入滲、產流與匯流、滲透與蒸發三個階段，地形地貌與河湖水系格局則是影響自然水文過程的主要因素，也是自然未開發區域和管渠較少區域排水分區劃分的主要依據。城市建設會一定程度改變原有的自然地形地貌和水系形態，城市中建筑、路網與排水管渠等基礎設施的建設都會改變自然的徑流匯流過程，如圖1所示。因此，針對城市建設區域，需要結合城市雨水徑流沿地表與管渠的實際匯流排放路徑劃分排水分區，具體劃分方法詳見后文。
圖1 城市開發前與開發后地表水流過程示意
2美國城市雨水管理基于排水分區管控
2.1 雨水系統排放許可制度中對排水分區的要求
美國的NPDES（National Pollutant Discharge Elimination System）體系是基于清潔水法（Clean Water Act）的要求，在國家層面制定的針對水污染管控的污染物排放許可制度。美國環保局EPA在2007年發布了NPDES基于流域視角的技術指南與實施指南，旨在以流域為基礎來分析點源與非點源污染物排放情況，并制定相應的管控策略。
針對城市雨水系統的排放許可（Municipal Separate Storm Sewer System (MS4) Permits）是NPDES的重要組成部分，在該體系下對區域雨水徑流進行綜合管理，要求申請人在許可申請前必須制定相應的雨水管理計劃（Stormwater Management Program Plan），計劃的主要內容包括了公眾參與和教育、污染物違法排放的督查與控制、新建與改建工程中雨水徑流的管控、后期的維護管理、監測與評估等。
其中，依據區域排水口、管網、水系等相關資料，并結合現場踏勘繪制區域最新的雨水系統圖（MS4 Mapping），是雨水管理計劃中明確要求的重要內容。在雨水系統圖中，需要明確雨水系統排水口位置、對應排水分區范圍、區域內的管渠、泵站、調蓄池等主要雨水設施，以及主要用地類型等相關信息，且需要根據區域的建設情況對涉及的雨水系統信息進行定期更新。在此基礎上，分析各排水分區內是否存在管網混接等導致的污染物違法排放等問題，根據問題嚴重程度確定進行優先控制的排水分區（Priority Catchments），并制定相應控制策略。若排水分區末端受納水體被美國EPA認定為受損水體（Impaired Water），則需要以排水分區為基礎進一步制定雨水系統的污染物削減計劃（Storm Pollution Reduction Plan），對雨水系統的污染物排放進行管控，同時需要符合該受損水體的TMDL計劃中對污染物排放的總體要求。
2.2 排水總體規劃中基于排水分區的徑流峰值管控
針對城市排水防澇，美國基于流域管理理念在不同區域設置有城市排水與洪澇控制區（Urban Drainage and Flood Control District），旨在結合所在區域的特點，針對城市排水與洪澇問題進行統籌管理，制定相關政策與技術手冊，并安排相關工程項目。其中，編制區域的排水總體規劃（Urban Drainage Master Plan）是很多地區正在推廣實施的一項重要工作，例如，科羅拉多州城市排水與洪澇控制區根據其所轄范圍內主要水系劃分了43個主要流域，要求自2016年開始至2020年，在五年時間內完成全部流域的排水總體規劃。城市的開發建設需要依據所屬流域排水總體規劃要求的水系允許排入徑流流量，對上游對應的城市不同排水分區進行徑流峰值流量排放管控，并需要以此為依據在“地塊—排水分區—流域”不同尺度內設置相應的集中或分散調蓄設施。管控思路如圖2所示。
圖2 基于“地塊—排水分區—流域”的徑流峰值管控示意
3合理劃定排水分區是海綿城市建設與評價的基礎
海綿城市建設正在全國范圍內積極推進，排水分區的合理劃定對問題識別、規劃管控、建設方案編制及后續的監測與效果評價等均具有重要作用。
海綿城市專項規劃的編制是科學有序推進海綿城市建設重要的頂層設計工作，住建部聯合多位海綿城市建設領域專家共同發表了《淺析海綿城市建設的頂層設計》一文，對專項規劃的具體編制內容和要求做了闡述。其中，在規劃闡述中明確提出要科學劃定排水分區，明確豎向管控要求。并要求海綿城市管控分區的劃定要以排水分區為基礎，并結合城市控規編制單元等進行適當優化，以便于在規劃建設管理時使用。
海綿城市建設方案的制定，針對城市自然生態格局的構建，需要結合河流、濕地、低洼地、徑流路徑、排水分區、高程、坡度、植被分布、土地利用類型等進行綜合分析確定，排水分區是其中的重要因子之一；針對黑臭水體的整治，首先應綜合分析其污染源，需要掌握水體的主要排水口分布與對應的排水分區情況，以及分區內管道的排水特征等，進而分析各排水分區的點源、面源污染物排放情況，為后續水體治理方案的制定提供依據；針對城市內澇防治，需要首先調查積水區域對應的排水分區范圍，以及分區內的地形與空間條件、管渠運行情況等，分析積水成因，進而提出有針對性的排水防澇技術方案。
排水分區的合理劃分，有利于從流域的視角對城市洪澇與黑臭水體等諸多問題進行綜合分析，統籌流域上下游關系，避免僅針對某一項目或僅考慮海綿城市試點建設范圍，而造成對問題全面把握的缺失，甚至會忽略掉其他更為嚴重的問題，進而影響建設方案的系統性與科學性，影響海綿城市建設效果。
針對海綿城市的建設效果，需要對以排水分區為基本構成的城市區域內的水生態、水資源、水安全、水環境等相關指標進行綜合評價。涉及監測工作的開展，也應以排水分區為基礎，對分區內重點項目、末端排水口、受納水體等開展監測分析，構建涵蓋區域、排水分區、項目、設施的綜合監測體系。
4排水分區劃分方法分析
排水分區的劃分首先需要獲取地形地貌、管網等基礎數據，并對重點區域進行現場踏勘與數據復核。在此基礎上，依據區域的具體情況，對排水分區進行劃定，確定分區劃分精度與分區邊界，并對不同排水分區之間、排水口與受納水體之間的連接性進行分析。排水分區劃分的總體思路如圖3所示。
圖3 排水分區劃分的總體思路
4.1 基礎數據分析與現場踏勘
有效資料的獲取是合理劃分排水分區的第一步，所需資料主要包括：河湖水系與溝渠布局、地形與衛星測繪資料、現狀雨污水管渠系統普查數據與主要排水口分布、規劃雨污水管網、現狀與規劃城市用地情況等。
但實際情況，許多城市長期以來對管網、地形等基礎設施數據采集、管理等工作不到位，往往缺乏準確、全面的基礎數據資料，或缺少對近期建設及時的數據更新，再加上城市管網建設與維護管理不到位導致的管網錯接、混接、私接等現象普遍，導致實際獲取的圖紙資料會出現與實際建設情況不符的問題，進而影響排水分區劃分及后續方案設計的準確性與合理性。因此，涉及重要區域的現場踏勘和數據復核至關重要，必要時還需進行相關重點數據的補測。前文提到的美國雨水排放許可中也明確要求梳理區域雨水系統的過程要進行現場勘查工作，并要求針對重點區域的排水口制定現場勘查計劃（Outfall Screening Plan），并出具相應的踏勘報告。我國當前海綿城市建設過程中出現的排水分區劃分不合理、方案設計不當等諸多問題，多數是現場踏勘的不徹底及對現場條件掌握的不到位所致。
4.2 排水分區劃分的主要分類
排水分區的劃分主要依據受納水體的布局與雨水徑流的匯流路徑，雨水徑流的匯流又主要分為地表匯流與管渠匯流兩類，根據匯流的不同情況，對排水分區的劃分進行相應分類。
無排水管渠或管渠覆蓋度較低的區域，主要結合地形地貌，通過分析雨水徑流的地表匯流路徑來劃定分區；管渠覆蓋度較高的區域，降雨發生時，雨水徑流通過地表漫流、匯流至雨水管渠進行排放，此時，應通過地表匯流過程與管渠匯流的綜合分析來劃分排水分區。依據排水體制將管渠覆蓋區域分為分流制區域、分流制混接區域和合流制區域，依據排放方式的區別，又進一步分為自排區域和強排區域。針對分流制混接與合流制區域，需結合雨污水管網系統布局與污水系統分區，根據截污干管與上游管渠、強排泵站等設施的布局劃定分區；針對分流制區域，則主要根據末端排水口與上游對應雨水管渠、強排泵站的匯流范圍來劃定分區。
4.3 排水分區邊界的確定
結合地形地貌、管渠匯流范圍、城市用地布局等綜合確定分水線作為城市排水分區的邊界。山地（坡地）和丘陵城市的水文格局通常會呈現干流、支流、沖溝等級較為分明的樹枝狀結構，這種水文格局的地表匯流過程較為明確，分水線也較為明顯。平原城市水力比降小，水系的自然分級與分水界線不明顯，無明顯分水線時考慮以主要城市道路排水主干管網的匯水邊界作為分區邊界，無管網覆蓋或管網較少的城市區域，可以利用ArcGIS等工具，疊加建筑、道路等地物信息對平原城市的DEM數據進行細化處理，通過水文分析工具進行分水線的提取確定分區邊界，并結合實際地表匯流情況進行修正。同時，綜合考慮區域內黑臭水體、洪澇等主要問題的邊界條件與治理方案以及對應的項目安排，對排水分區的邊界進行相應的優化調整。
需要指出，在規劃層面，考慮項目完整性，避免分水線切割地塊，便于以分區為單位進行規劃管控，可以城市路網作為排水分區的邊界進行簡化分析。編制片區系統方案時，再進一步結合分區邊界周邊地塊的具體地形坡向與匯流路徑對排水分區的邊界進行細化調整。
實際工作中發現，針對不同重現期降雨，雨水管網的匯流范圍與地表徑流總體的匯流路徑可能會出現不一致的情況，因此，需要評估當發生暴雨事件，超過地下管網系統的排水能力而發生漫溢時，雨水徑流依地形形成地表徑流通道，導致相鄰排水分區之間可能會出現邊界的動態變化，需要分別針對排水管渠系統與超標雨水徑流控制系統各自對應的排水分區進行相應設計。例如，在安徽省池州市齊山大道海綿化改造的設計過程中，發現其市政雨水主干管約匯集共計73hm2區域的雨水徑流，但暴雨期間又將有約29.7hm2上游地塊的客水沿地表匯入齊山大道。類似情景在北京市多處下凹式立交橋的積水改造案例中也有體現，且往往是造成下凹式立交橋積水的重要原因。以北京蓮花橋為例，原設計橋區低水匯流面積為13.6hm2，由于周邊建筑小區、辦公區等區域地勢較高，暴雨時徑流沿地表匯入橋區，導致橋區匯流面積增加至60hm2以上。因此，需要分別針對不同的降雨設計目標，分析排水分區邊界變化，對不同系統對應的排水分區范圍進行相應的水力計算與方案設計。
4.4 排水分區劃分精度的探討
在實際工作中，根據項目和排水分區服務的尺度不同，可分為流域、城市、片區、項目、設施等不同層級對應的排水分區。例如，在劃分城市排水分區的基礎上，針對其中某一片區的細化分析，可結合片區問題及建設條件，依據區內地形與干管、次干管、支管的布局，進一步將片區內排水分區細分為若干子排水分區（Sub-catchment）。針對其中具體的地塊項目，在設計過程中可結合地塊的地形與管網等設施布局，進行地塊內排水分區的劃分。需要根據不同的項目尺度和項目要求進行相應的分析。
在城市尺度，城市排水分區劃分精度和分區規模的確定，一方面從合理化公式與模型計算適用性的角度考慮，另一方面從不同城市特點，面臨的問題與需求，以及建設方案系統性的角度考慮。其中，針對傳統推理公式法的適用范圍，不同國家有不同的要求，我國在現行《室外排水設計規范》（GB 50014—2006，2016年版）中提出推理公式適用于匯水面積不超過2km2的區域。而在2km2的區域范圍內，排水分區進一步細分的精度也會對推理公式與模型模擬計算結果的差別產生影響。例如，陳嫣等對上海市某區域排水系統采用推理公式法與數學模型法（InfoWorks模型）設計計算進行研究，區域總面積約2km2，研究結果顯示，在一年一遇降雨重現期下，當區域內排水分區面積小于0.4km2，兩種方法計算的管道流量結果差別不大，超過0.4km2后，隨著排水分區面積的增大，兩者差值變大，誤差在10%～20%。
美國科羅拉多州在其排水手冊中建議每個獨立排水分區的面積宜小于100英畝（約0.4平方公里），在此基礎上，科羅拉多州丹佛市又通過相關研究，發現在相同條件下，當排水分區面積小于90英畝（約0.36平方公里）時，利用傳統推理公式法與丹佛當地水文過程線模擬兩種方法計算得到的區域峰值流量在結果上趨于一致，而當排水分區面積大于150英畝（約0.6平方公里）時，兩種計算方法得到的結果相差將大于10%，且隨著分區面積增加誤差也逐漸增大。因此，考慮不同分區流量計算的一致性與準確性，丹佛提出排水分區宜小于90英畝，不宜大于150英畝。
排水分區劃分精度不同，對區域水量、水質模型的模擬結果也會產生一定的影響。趙冬泉等研究發現排水分區劃分的細致程度，對SWMM模擬結果中坡面徑流總量、坡面徑流量峰值以及峰值出現的時間均會產生影響；秦攀等以常州市為例，發現不同排水分區劃分精度在不同時間尺度的模擬下，對SWMM水質模擬結果的影響也有所區別。需要結合研究區域尺度、場地特點、模擬目標、以及建模工作量等綜合確定排水分區的劃分精度。
此外，排水分區劃分還應重點結合區域的建設條件，包括新城區、老城區、棚戶區的分布，海綿城市建設與改造的適宜性分析，以及對水生態、水環境、水資源、水安全重點問題邊界條件的識別和體現源頭減排、過程控制、系統治理技術路徑的系統方案等進行統籌考慮。此外，還應考慮我國南北方不同城市的特點，例如，北方很多平原城市水系較少，地勢平坦，主要依據管渠匯流路徑劃分排水分區，且分區規模通常較大，在初步劃定排水分區的基礎上，往往需要結合區域問題及海綿城市建設條件，依據干管與次干管布局，進一步細分子排水分區；河網城市水系發達，區域內雨水就近、分散排入城市河湖水系，依據其水系布局，單個雨水排水口對應的排水分區面積通常較小，為避免過度分散，可將面臨問題相同、建設條件類似的相鄰排水口對應的排水分區合并為一個排水分區，在規劃與方案設計中進行統籌考慮。
因此，排水分區的劃分精度和排水分區的規模并無絕對固定的限制，需要結合不同城市、不同項目的具體條件和需求，合理劃定排水分區，進行合理的進一步細分和合并等。
4.5 排水分區的連接性分析
對城市排水分區進行劃定后，應進一步針對排水分區的連接性進行分析，主要包括不同分區之間的連接性、排水分區末端排水口與受納水體之間的連接性兩類。這些都是目前我國在城市排水分區劃定中往往容易忽略的重要工作。
針對排水分區之間的連接性，首先應校核不同分區之間是否相對獨立，相鄰分區間有無重疊或未覆蓋區域，并分析分區之間的連接路徑。不同分區可連接至下游同一分區（如圖4左），但某一排水分區不能同時連接至下游兩個排水分區（如圖4右）。通過上述分析，初步校核城市排水分區劃定的準確性與合理性。其次，如前文4.3所述，不同重現期的降雨事件發生時，排水分區之間可能會發生邊界的動態變化，需要根據不同問題和設計降雨，針對對應的排水分區進行相應分析。
圖4 排水分區間連接性分析示意圖
排水分區末端排水口與受納水體之間的連接性分析，主要取決于排水口與受納水體之間的距離、豎向與空間條件，以及區域開發前后排水口的變化情況，反映了排水口對應的上游排水分區所產生的雨水徑流與污染物能夠進入到受納水體的排放量情況。美國相關設計手冊中對排水口與受納水體之間的連接性進行了量化規定，將其分為0、10%、25%、50%、75%、100%六個級別，其中0即表示排水口與受納水體之間空間較大，歷史數據顯示該排水口對應上游排水分區排放的雨水徑流全部在排水口與受納水體之間的區域進行了調蓄或滲透，未進入受納水體；100%即表示排水口直接或通過硬化溝渠與受納水體相連，排水分區產生的雨水徑流全部進入受納水體；其他四類即表示排水口與受納水體之間存在一定的調蓄空間，當降雨徑流峰值超過統計數據對應的百分位時，排水分區產生的雨水徑流即會排入受納水體內。并提出了相應經驗算法對不同級別進行計算評定。
通過排水口與受納水體之間的連接性分析，結合排水分區內具體條件，可以進一步有效評估排水分區對受納水體的水量及污染物排放貢獻，從而明確重點和優先控制區域。同時也為規劃與設計過程中針對排水口與受納水體之間空間、豎向等條件的合理保護與利用、以及為城市藍綠線的合理劃定、藍綠融合等提供重要基礎。
5結語
海綿城市建設通過綜合系統構建對城市雨水徑流進行系統管控，對排水分區的劃定提出了新的更高要求。針對不同城市與不同區域的具體條件，基于水系、管網、泵站、地形地貌等基礎數據的分析與現場踏勘，對城市排水分區進行合理劃分，需注意不同降雨條件下和不同系統對應的排水分區邊界的動態變化，并重視分區末端排水口與受納水體之間的連接性分析，為海綿城市建設中問題識別、方案制定、監測評估等工作奠定基礎。
本文刊登于《中國給水排水》2018年第22期：對海綿城市建設中排水分區相關問題的思考；作者：北京建筑大學城市雨水系統與水環境教育部重點實驗室楊正、李俊奇、王文亮、車伍
該文標準引用格式：
楊正，李俊奇，王文亮，等.對海綿城市建設中排水分區相關問題的思考［J］.中國給水排水，2018,34（22）：1-7.
Yang Zheng, Li Junqi， Wang Wenliang, et al. Critical issues study on catchment in sponge city construction［J］.China Water ＆ Wastewater,2018,34(22):1-7（in Chinese）.
編輯：丁彩娟
制作：文凱
