有則改之：城市排水系統的困局與重構
本文系科技部“十三五”重點研發計劃項目課題“城市低影響排水(雨水)系統與河湖聯控防洪抗澇安全保障關鍵技術”(2016YFC0802507)相關成果。刊載于《城市規劃》雜志2019年第8期。
1 引言
近年來，很多城市都相繼遭遇道路積水和內澇災害的影響，社會各界包括業內人士都把內澇的主要原因歸咎于現有城市排水系統，認為現狀雨水管網建設標準低是造成城市排水問題的罪魁禍首，并由此掀起城市排水工程設計標準修訂和雨水管網提標改造的序幕。
經過多次修訂和調整，雨水管網設計標準較以前有了明顯的提高。毫無疑問，標準提高在一定程度上提升了雨水管網的排水能力，但付出的代價是排水工程建設規模和投資顯著增加，同時，人們最關心的道路積水和內澇問題依然沒有得到解決。
筆者認為，這種困局出現的主要原因是排水系統不完善、超范圍應用現有雨量計算方法(即暴雨強度公式法)導致排水管網建設標準與排放能力不匹配，從而嚴重影響排水系統的整體排水能力。因此把當前城市排水問題完全歸咎于現有排水工程建設標準低是片面的，不客觀的。
通過對城市現有雨水管網實際建設水平的分析，結合近年來編制的城市排水防澇規劃特點和實施效果，為從根本上解決城市排水問題，同時提高排水工程的投資效率，首先要充分了解現有雨量計算方法的特點，從整個排水系統出發，銜接好上下游排水管網設計標準與排水能力之間的關系；其次調整確定排水工程建設標準的關鍵因素，合理配置系統內排水管網的建設標準，保證排水系統的整體排放能力能滿足設計標準的要求。
2 設計重現期的調整歷程
隨著城市人口和財富的高度集聚，城市功能的日趨完善，經濟實力的提升以及對排水安全要求的提高，城市排水工程的建設標準也在逐步提高。特別是最近幾年，修訂排水工程規范、不斷提高管網設計標準已成為應對城市排水問題的主要措施。
以《室外排水設計規范》(以下簡稱《規范》)為例，該《規范》進行了多次修改或局部修訂，頒布的版本主要有：《室外排水設計規范》(TJ14-74)，《室外排水設計規范》(GBJ14-87)以及1997年版的《室外排水設計規范》(GBJ14-87)。進入本世紀以來，又先后進行了4次修改或局部修訂，頒布了《室外排水設計規范》(GB50014-2006)以及2011年版、2014年版和2016年版《室外排水設計規范》(GB50014-2006)。伴隨著設計規范的多次修訂，雨水管網的設計標準也在不斷提高。
在1974年版《規范》中，排水管網重現期選用范圍一般為0.33-2.0年；在1987年版《規范》中，重現期的下限值和上限值較上版均有所提高，重現期選用范圍為0.5-3年；2006版《規范》基本維持1987版規定的設計重現期，即重現期一般采用0.5-3年。
2011年版《規范》對排水管網的設計標準調整較大，取消了0.5年的下限值，將一般地區的重現期調整為1-3年，同時對雨水管網的降雨歷時計算也給出了調整建議，提出在經濟條件較好、安全性要求較高的地區排水管網的折減系數取１。
2014年版《規范》對雨水管網設計重現期再次進行了調整，中等城市和小城市設計重現期調整為2-3年，大城市為2-5年，超大城市和特大城市為3-5年，并且要求降低降雨歷時計算公式中的折減系數全部取1，這相當于又變相提高了排水管網的設計標準。
通過對建設標準的多次調整，目前我國城市尤其是大城市雨水管網的建設標準已非常接近歐美城市的建設標準。
3 排水系統主要問題識別
3.1 排水工程規劃建設缺乏系統性
在排水工程領域存在重局部排水管網設計、輕系統排水規劃構建的現象。主要體現在雨水管網與其他排水設施之間、上游與下游之間缺乏有效銜接；其次城市排水工程規劃的編制往往只考慮本輪規劃期和規劃范圍的發展需求，沒有從長遠發展和流域協調的角度規劃建設城市的排水系統，從而影響到排水工程的系統性和整體性，在不同程度上影響到排水系統的整體排水功能。
鑒于現有排水管網無法有效解決城市的排水問題，一些學者提出在城市內部再新建一套應對內澇的排水系統，即把城市排水系統人為劃分為雨水管網和內澇防治兩個部分。這種把城市排水和內澇防治分而治之的做法，在實施過程中存在很大的風險和不確定性，有可能造成排水工程投資大幅度增加、而內澇問題依舊得不到解決的尷尬局面。
3.2 對雨量計算方法特征和使用范圍缺乏分析研究
當前，我國還沒有制定出適合我國國情的雨量計算方法，一直使用基于蘇聯時代的雨量計算方法(即暴雨強度公式法)來指導城市雨水工程的設計與建設，并且不重視對該雨量計算方法基本特征和使用范圍的分析研究。以排水系統匯水面積為例，該方法僅適用于匯水范圍較小雨水管道的工程設計。由于沒有更好的雨量計算方法加以替代，事實上暴雨強度公式法的使用范圍已經非常寬泛，幾乎沒有任何限定。不論是匯水面積為1hm2的小區，還是高達數平方公里的雨水系統都在采用相同的雨量計算方法，十分不妥。
超范圍應用暴雨強度公式法已經給我國城市現有排水系統造成很大的不利影響。按此方法構建的排水系統，上游雨水支管排放能力很強，而下游雨水干管排水能力相對不足，其中最具代表性的就是“大管接小管”現象。對于一些坡度較小且匯水面積較大的排水系統，應用暴雨強度公式法計算下游干管設計流量時，雨水管設計流量不是隨匯水面積的增加而增加，反而是隨匯水面積的增加而減小，其計算結果是上游雨水管段設計流量大于下游雨水管段設計流量，若按計算設計流量直接選取雨水管管徑，就會出現上游雨水管管徑大于下游雨水管管徑的情況。毫無疑問，這些管段將成為整個排水系統的瓶頸的情況，管段所在地區在汛期極易發生道路積水或內澇。筆者通過分析研究多個城市內澇點與排水系統的關系，也進一步證實了這一結論。
3.3 標準選取沒有體現排水系統的自然屬性
目前在確定排水工程建設標準時存在本末倒置的現象。標準選取忽視了排水系統的自然屬性，如匯水面積、設施規模、影響程度等因素，卻把排水設施所在區域的用地性質、建(構)筑物重要程度、道路等級等外部因素作為選取設計重現期的重要條件。在眾多版本《室外排水設計規范》中，只有1974年版《規范》在確定排水設施設計重現期時考慮了匯水面積這一因素，其他版本規范都沒有把“匯水面積”作為選取重現期大小的重要條件。按照現有規劃設計規范的規定，不管是匯水面積1hm2的雨水支管，還是匯水面積高達幾百公頃的雨水主干管，選取的設計標準可能是一樣的，甚至可能出現匯水面積小的雨水管卻選取了較高設計標準的現象。
按照現有雨量計算方法，雨水管對應的暴雨強度與其服務的匯水面積呈反比關系，即匯水面積越小，雨水管對應的暴雨強度越大；反之匯水面積越大，雨水管對應的暴雨強度越小。加上現有規范在選取雨水管網設計標準時又忽略了匯水面積這一關鍵因素，造成系統上下游雨水管網排水能力相差懸殊，具體表現在上游雨水支管管徑普遍偏大，排水能力很強，管網建設的高投入；而下游雨水干管管徑偏小，排水能力嚴重不足，成為制約整個排水系統的薄弱環節和瓶頸。
3.4 沒有充分考慮標準調整對工程投資的影響
設計標準選定對于排水工程規劃建設起著非常重要的作用，它決定著城市排水系統的安全，影響到排水工程的建設規模與投資。在確定新建雨水管網設計標準時，不但要滿足相關規范要求，更要考慮現狀排水管網的實際建設水平；不僅技術上可行，在經濟上也必須合理。
長期以來，我國很少考慮設計標準調整對排水工程投資的影響。一些學者經常拿發達國家城市的排水設計標準和我國進行對比，以強調提高我國城市排水工程建設標準的必要性。但令人擔憂的是，他們很少考慮我國的具體國情、降雨特征和當地政府的經濟承受能力。以倫敦、巴黎和北京為例，雖然這3個城市年降雨量比較接近，但城市間的氣候條件差異卻很大，降雨特點也明顯不同。倫敦和巴黎屬于溫帶海洋性氣候，城市年內降雨較為均勻，暴雨很少，即使采用較高的設計標準也不會明顯增加排水工程的規模。而北京屬于溫帶季風性氣候，年內降雨量極不均衡，85%的降雨集中在汛期6-9月份，如果北京采取和上述兩個城市同樣的設計標準，排水工程的建設規模和投資將遠遠高于這些城市。一旦我國所有城市都參照國外城市的設計標準，將造成雨水管網和其他排水設施在年內大部分時間處于閑置和低效狀態，并給城市發展帶來沉重的財政負擔。
通過對近年來編制的城市排水防澇規劃進行分析，也驗證出設計標準調整對工程投資的影響非常大。以北方某城市為例，根據對建成區現狀雨水管(D400～D3000)進行統計分析，小于和等于D1000的雨水管占到雨水管道總長度的73%，大于D1000雨水管道占27%，其中管徑大于D1500的雨水干管只占8%。
當使用修訂后的暴雨強度公式、采用規范確定的設計重現期計算規劃建成區雨水管網時，排水管管徑構成與現狀相比發生了顯著的變化。在規劃新建的雨水管中(不包括相當數量的箱涵)，管徑小于和等于D1000的雨水管占比僅為11.8%，管徑大于D1000的雨水管則占到88.2%，其中管徑大于D1500管道占比上升到38%(圖1～圖3)。
圖1 現狀雨水管和規劃雨水管管徑構成對比
圖2 現狀雨水管管徑構成
圖3 規劃雨水管管徑構成由此可見，整體提高排水系統設計標準將使得包括雨水支管、干管以及其他排水設施規模的普遍增加。和現狀管相比，規劃雨水管管徑平均增加了3～4個尺寸單位(每個尺寸單位為100mm)，經初步測算，規劃管網單位長度造價比現狀管網增加約67%。由于城市雨水管網和排水設施量大面廣，增加的投資規模十分可觀，如果擴展到全國層面，增加的投資額度可能是萬億元量級的。
然而，與增加巨額投資形成鮮明對比的是，按新的設計標準建設的城市排水系統其排水能力卻沒有得到明顯的提高。尤其是對于匯水范圍較大的排水系統，上下游雨水管排水能力相差依然很大，“大管接小管”現象還可能出現，在遭遇長歷時降雨時下游雨水干管所在地區仍然面臨較高的內澇風險。
3.5 缺乏清晰的內澇定義和適用范圍
目前我國還缺乏比較清晰的城市內澇定義和嚴謹的城市內澇防治標準。在2011年版《規范》中首次提出了反映排水系統排除地面積水能力的設計重現期，規定重現期一般采用3-5年，重要干道、重要地區或短時間積水即能引起嚴重后果的地區應采用5-10年，特別重要地區可采用50年或以上。而在2014年版《規范》中，則把反映排除地面積水能力的設計重現期改為內澇防治標準，同時模糊了內澇標準的適用范圍，把防澇范圍由局部重點地區擴展到整個城市，即不論是系統上游還是下游、一般地區還是重點地區全部執行同一個內澇設防標準。要求中小城市設計重現期要達到20-30年，大城市達到30-50年，超大城市和特大城市達到50-100年。由于內澇防治標準與傳統雨水管網設計標準相差很大且兩者之間缺乏關聯性，加上規范沒有提出滿足內澇防治要求的建設性措施和實施途徑，導致設計者在具體制定內澇防治對策時無所適從，不知道該采取什么手段才能使整個城市達到如此高的內澇設防標準。
4 城市排水系統重構
4.1 合理確定排水系統建設標準
為提高排水工程投資效益，提升排水系統整體排水能力，需要制定與城市排水要求相適應、并能系統指導排水工程建設的標準。若繼續使用現有雨量計算方法，在確定排水系統內雨水管網建設標準時，應把能體現排水系統自然特征的匯水面積作為確定設計重現期高低的主要因素。為此，排水系統內上下游設計重現期不是固定不變的，應隨匯水面積的增加呈有序增加的態勢。對于匯水面積很大的排水系統，上下游雨水管網設計重現期變化幅度也會很大，可能由1年或不到1年持續提高到5年、10年、20年甚至更高，最終與河湖水系等受納水體的設防標準相銜接。
為合理確定排水系統上下游雨水管道的設計標準，需要分析研究匯水面積變化對雨水管暴雨強度即排水能力的影響，并結合排水系統地形特點、系統形狀、主干管布置方式等因素，找到制定排水系統雨水管網設計重現期與匯水面積的對應關系。
4.2 合理界定暴雨強度公式適用范圍
為避免超范圍應用暴雨強度公式法給排水系統造成的不利影響，需要界定該方法的適用范圍(降雨歷時或匯水面積)。當設計重現期確定后，為使計算雨量相對合理，選取的管徑在能滿足設計標準前提下，又不造成工程投資的嚴重浪費，就需要根據排水系統的實際情況，界定出暴雨強度公式法的合理應用范圍。以匯水面積指標為例，為滿足上述要求，雨水管道匯水面積就不能太大，否則會出現雨水管道排水能力不能滿足設計標準的情況，甚至出現“大管接小管”現象。同時雨水管匯水面積又不能太小，否則會出現雨水管排水能力過強、管徑太大，造成工程投資浪費。當匯水面積超出暴雨強度公式法界定范圍時，就需要通過采取增減相應管道設計重現期、優化調整系統匯水面積等措施使管道排水能力與設計標準盡可能相匹配。
4.3 優化配置排水系統設計標準
城市排水系統標準并不是越高越好，高標準意味著建造和維護成本高，造成不必要的浪費。設計標準選取需要在排水安全、工程投資、運營維護之間尋找一個合適的平衡點。應在符合經濟合理，安全適用的條件下，合理確定排水系統中不同設施的設計標準。若排水設施標準配置合理、應對措施得當，有限的投資就可以很好解決城市排水問題。
結合排水系統特點，并結合匯水面積與暴雨強度之間的相互關系，為保障排水系統的整體排水能力，避免不必要的投資浪費，建議對排水系統設計標準進行適當的調整。
(1) 降低上游雨水支管的設計重現期。目前規范確定的設計重現期對于排水系統中的雨水支管來說明顯偏高，導致管道排水能力過強和工程投資的浪費。從經濟合理和排水安全角度考慮，建議把雨水支管的設計重現期降低到1年，對排水條件比較好的地區可降到0.5年。由于雨水支管數量在排水系統中占有很高的比例，標準降低可以節省大量的工程投資。
(2) 合理選擇中游排水設施的設計標準。隨著排水系統匯水面積的增加，有序提高中游排水設施的設計重現期，發揮其在排水系統承上啟下的作用，使排水管道的排水能力真正滿足實際的排水需求。
(3) 大幅提高下游排水干管和其他排水設施的設計標準。提高下游排水設施標準可緩解現有雨量計算方法對系統排水能力造成的不利影響，能明顯提升整個排水系統的排水能力，有利于從根本上解決城市面臨的排水問題。加上下游排水干管長度在整個排水系統中所占比例很小，設計標準的提升對整個排水系統的工程量和投資規模影響相對較小。
4.4 因地制宜，突出重點
對于現狀建成區，要避免對既有排水管網進行大規模的提標擴建。應根據現狀排水系統存在問題及其成因，制定相應的系統改善措施，改造的重點應放在排水系統的薄弱環節、重要節點和下游排水設施方面。對于匯水面積過大的排水系統，可通過擴建或新建排水主干管、調整排水分區、縮減排水系統匯水面積等分流措施，減輕原有雨水干管的排水壓力。通過對這些局部排水設施進行提標改造，并輔助增設強排和雨水調蓄設施等措施，可以用較少的資金、在較短的時間內提升既有排水系統的排水能力。
對于規劃建成區，除合理配置好上下游雨水管網設計標準外，排水工程建設要充分考慮系統性要求。由于城市排水工程建設是一個漫長的過程，工程量大、投資高、建設周期長，為構建完善的城市排水系統，除要銜接好排水系統內不同環節、不同排水設施、管道與河道、內河與外河之間的關系外，還必須妥善處理好排水現狀、近期建設、遠期規劃以及遠景發展的關系，合理安排好建設時序，以維持排水工程的連續性和系統性。
水是不可壓縮的，其形狀可以任意改變，但體積卻是恒定的。為保障城市排水安全，要協調好城市規劃建設與排水工程建設的關系，應結合規劃用地布局，水系分布、綠地系統、場地豎向等因素劃定排水分區，合理安排雨水管網和排放通道；同時加強對河道、湖泊、濕地、溝塘等受納水體的保護和利用，在城市內部為雨水預留足夠的排放和調蓄空間。
5 結論
雨量計算方法和規劃設計理念是否科學合理，不僅影響到城市排水安全，也影響到排水工程的建設規模和投資效益。應盡快制定出適合我國國情的雨量計算方法，以科學指導城市排水工程的規劃、設計與建設。
充分了解現有雨量計算方法的特點與局限性，界定出該方法的合理應用范圍，避免超范圍應用對城市排水系統造成不利影響。
全面提升排水系統設計標準并不能徹底解決城市面臨的排水問題，反而會大幅度增加排水工程的投資規模。應結合排水系統的基本特征和現有雨水計算方法的特點，合理配置排水系統不同設施的建設標準，通過降標與提標相結合，使排水系統整體排放能力真正能滿足設計標準要求。
慎重選擇現狀建成區雨水管網的改造措施，應根據現狀排水系統的實際情況、存在問題及其成因，制定出針對性的改造方案和對策。
（作者郝天文系中國城市規劃設計研究院西部分院總工程師，教授級高級工程師，中國城市規劃學會工程規劃學術委員會委員；孔彥鴻系中國城市規劃設計研究院副總工程師，教授級高級工程師）
