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對(duì)海綿城市建設(shè)中排水分區(qū)相關(guān)問題的思考
來源:www.hustime.com 發(fā)布時(shí)間:2018年12月04日
導(dǎo)語:合理劃分排水分區(qū)是海綿城市建設(shè)中一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作。進(jìn)一步梳理了排水分區(qū)的定義,簡(jiǎn)要分析、總結(jié)了排水分區(qū)在美國(guó)城市雨水管理與我國(guó)海綿城市建設(shè)中的重要作用,對(duì)排水分區(qū)的劃分方法進(jìn)行了闡述,包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場(chǎng)踏勘,排水分區(qū)劃分的主要分類,排水分區(qū)的邊界確定,排水分區(qū)劃分的精度探討,以及排水分區(qū)的連接性分析,并對(duì)其中不同情況涉及的相關(guān)問題進(jìn)行了分析。
以構(gòu)建現(xiàn)代城市雨洪管理體系為核心的海綿城市建設(shè)正在全國(guó)范圍內(nèi)積極推進(jìn),重點(diǎn)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(huán)境綜合問題,需要構(gòu)建包含源頭控制、排水管渠、超標(biāo)雨水徑流控制等綜合系統(tǒng),并協(xié)調(diào)銜接污水、水利防洪等系統(tǒng)。實(shí)踐中,區(qū)域洪澇、水體黑臭等問題邊界條件的識(shí)別、區(qū)域雨水徑流綜合管控系統(tǒng)方案的制定、海綿城市建設(shè)效果的評(píng)價(jià)等多方面工作,都需要以排水分區(qū)為基礎(chǔ)開展。因此,綜合考慮不同城市和區(qū)域的不同條件,合理劃定排水分區(qū),對(duì)海綿城市建設(shè)的有序推進(jìn)具有重要意義。
本文討論的排水分區(qū)主要針對(duì)海綿城市建設(shè)重點(diǎn)涉及的城市雨水排水系統(tǒng)與合流制排水系統(tǒng)。
1排水分區(qū)的定義
排水分區(qū)一詞常用于城市市政與小區(qū)排水管渠系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì),主要指雨水徑流沿地表與管渠相對(duì)獨(dú)立匯集排放的區(qū)域;而從突出地形地貌等對(duì)雨水匯流過程的影響,以及突出某設(shè)施匯流服務(wù)范圍的角度,如針對(duì)超標(biāo)雨水徑流控制系統(tǒng)、生物滯留等源頭減排設(shè)施的設(shè)計(jì)時(shí),也常稱之為匯水分區(qū)。因此,排水分區(qū)與匯水分區(qū)二者名稱不同源于其側(cè)重的角度不同,但在實(shí)際工作中,往往需要統(tǒng)籌考慮不同情況下雨水徑流的匯集與排放過程,排水分區(qū)與匯水分區(qū)并無嚴(yán)格的界限,本文以下統(tǒng)稱為排水分區(qū)。
在英語中,Watershed,Catchment,Basin皆可用來表示排水分區(qū)/匯水分區(qū),通常可以互用,沒有嚴(yán)格的區(qū)分,此外,部分設(shè)計(jì)手冊(cè)中以Sewershed表示有排水管網(wǎng)覆蓋的城市排水分區(qū)。
對(duì)于自然水文過程,從降雨發(fā)生至徑流的形成和匯集主要分為填挖入滲、產(chǎn)流與匯流、滲透與蒸發(fā)三個(gè)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(fā)區(qū)域和管渠較少區(qū)域排水分區(qū)劃分的主要依據(jù)。城市建設(shè)會(huì)一定程度改變?cè)械淖匀坏匦蔚孛埠退敌螒B(tài),城市中建筑、路網(wǎng)與排水管渠等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)都會(huì)改變自然的徑流匯流過程,如圖1所示。因此,針對(duì)城市建設(shè)區(qū)域,需要結(jié)合城市雨水徑流沿地表與管渠的實(shí)際匯流排放路徑劃分排水分區(qū),具體劃分方法詳見后文。
2美國(guó)城市雨水管理基于排水分區(qū)管控
2.1雨水系統(tǒng)排放許可制度中對(duì)排水分區(qū)的要求
美國(guó)的NPDES(NationalPollutantDisgeEliminationSystem)體系是基于清潔水法(CleanWaterAct)的要求,在國(guó)家層面制定的針對(duì)水污染管控的污染物排放許可制度。美國(guó)環(huán)保局EPA在2007年發(fā)布了NPDES基于流域視角的技術(shù)指南與實(shí)施指南,旨在以流域?yàn)榛A(chǔ)來分析點(diǎn)源與非點(diǎn)源污染物排放情況,并制定相應(yīng)的管控策略。
針對(duì)城市雨水系統(tǒng)的排放許可(MunicipalSeparateStormSewerSystem(MS4)Permits)是NPDES的重要組成部分,在該體系下對(duì)區(qū)域雨水徑流進(jìn)行綜合管理,要求申請(qǐng)人在許可申請(qǐng)前必須制定相應(yīng)的雨水管理計(jì)劃(StormwaterManagementProgramPlan),計(jì)劃的主要內(nèi)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(hù)管理、監(jiān)測(cè)與評(píng)估等。
其中,依據(jù)區(qū)域排水口、管網(wǎng)、水系等相關(guān)資料,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘繪制區(qū)域最新的雨水系統(tǒng)圖(MS4Mapping),是雨水管理計(jì)劃中明確要求的重要內(nèi)容。在雨水系統(tǒng)圖中,需要明確雨水系統(tǒng)排水口位置、對(duì)應(yīng)排水分區(qū)范圍、區(qū)域內(nèi)的管渠、泵站、調(diào)蓄池等主要雨水設(shè)施,以及主要用地類型等相關(guān)信息,且需要根據(jù)區(qū)域的建設(shè)情況對(duì)涉及的雨水系統(tǒng)信息進(jìn)行定期更新。在此基礎(chǔ)上,分析各排水分區(qū)內(nèi)是否存在管網(wǎng)混接等導(dǎo)致的污染物違法排放等問題,根據(jù)問題嚴(yán)重程度確定進(jìn)行優(yōu)先控制的排水分區(qū)(PriorityCatchments),并制定相應(yīng)控制策略。若排水分區(qū)末端受納水體被美國(guó)EPA認(rèn)定為受損水體(ImpairedWater),則需要以排水分區(qū)為基礎(chǔ)進(jìn)一步制定雨水系統(tǒng)的污染物削減計(jì)劃(StormPollutionReductionPlan),對(duì)雨水系統(tǒng)的污染物排放進(jìn)行管控,同時(shí)需要符合該受損水體的TMDL計(jì)劃中對(duì)污染物排放的總體要求。
2.2排水總體規(guī)劃中基于排水分區(qū)的徑流峰值管控
針對(duì)城市排水防澇,美國(guó)基于流域管理理念在不同區(qū)域設(shè)置有城市排水與洪澇控制區(qū)(UrbanDrainageandFloodControlDistrict),旨在結(jié)合所在區(qū)域的特點(diǎn),針對(duì)城市排水與洪澇問題進(jìn)行統(tǒng)籌管理,制定相關(guān)政策與技術(shù)手冊(cè),并安排相關(guān)工程項(xiàng)目。其中,編制區(qū)域的排水總體規(guī)劃(UrbanDrainageMasterPlan)是很多地區(qū)正在推廣實(shí)施的一項(xiàng)重要工作,例如,科羅拉多州城市排水與洪澇控制區(qū)根據(jù)其所轄范圍內(nèi)主要水系劃分了43個(gè)主要流域,要求自2016年開始至2020年,在五年時(shí)間內(nèi)完成全部流域的排水總體規(guī)劃。城市的開發(fā)建設(shè)需要依據(jù)所屬流域排水總體規(guī)劃要求的水系允許排入徑流流量,對(duì)上游對(duì)應(yīng)的城市不同排水分區(qū)進(jìn)行徑流峰值流量排放管控,并需要以此為依據(jù)在“地塊—排水分區(qū)—流域”不同尺度內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的集中或分散調(diào)蓄設(shè)施。管控思路如圖2所示。
3合理劃定排水分區(qū)是海綿城市建設(shè)與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)
海綿城市建設(shè)正在全國(guó)范圍內(nèi)積極推進(jìn),排水分區(qū)的合理劃定對(duì)問題識(shí)別、規(guī)劃管控、建設(shè)方案編制及后續(xù)的監(jiān)測(cè)與效果評(píng)價(jià)等均具有重要作用。
海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃的編制是科學(xué)有序推進(jìn)海綿城市建設(shè)重要的頂層設(shè)計(jì)工作,住建部聯(lián)合多位海綿城市建設(shè)領(lǐng)域?qū)<夜餐l(fā)表了《淺析海綿城市建設(shè)的頂層設(shè)計(jì)》一文,對(duì)專項(xiàng)規(guī)劃的具體編制內(nèi)容和要求做了闡述。其中,在規(guī)劃闡述中明確提出要科學(xué)劃定排水分區(qū),明確豎向管控要求。并要求海綿城市管控分區(qū)的劃定要以排水分區(qū)為基礎(chǔ),并結(jié)合城市控規(guī)編制單元等進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化,以便于在規(guī)劃建設(shè)管理時(shí)使用。
海綿城市建設(shè)方案的制定,針對(duì)城市自然生態(tài)格局的構(gòu)建,需要結(jié)合河流、濕地、低洼地、徑流路徑、排水分區(qū)、高程、坡度、植被分布、土地利用類型等進(jìn)行綜合分析確定,排水分區(qū)是其中的重要因子之一;針對(duì)黑臭水體的整治,首先應(yīng)綜合分析其污染源,需要掌握水體的主要排水口分布與對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)情況,以及分區(qū)內(nèi)管道的排水特征等,進(jìn)而分析各排水分區(qū)的點(diǎn)源、面源污染物排放情況,為后續(xù)水體治理方案的制定提供依據(jù);針對(duì)城市內(nèi)澇防治,需要首先調(diào)查積水區(qū)域?qū)?yīng)的排水分區(qū)范圍,以及分區(qū)內(nèi)的地形與空間條件、管渠運(yùn)行情況等,分析積水成因,進(jìn)而提出有針對(duì)性的排水防澇技術(shù)方案。
排水分區(qū)的合理劃分,有利于從流域的視角對(duì)城市洪澇與黑臭水體等諸多問題進(jìn)行綜合分析,統(tǒng)籌流域上下游關(guān)系,避免僅針對(duì)某一項(xiàng)目或僅考慮海綿城市試點(diǎn)建設(shè)范圍,而造成對(duì)問題全面把握的缺失,甚至?xí)雎缘羝渌鼮閲?yán)重的問題,進(jìn)而影響建設(shè)方案的系統(tǒng)性與科學(xué)性,影響海綿城市建設(shè)效果。
針對(duì)海綿城市的建設(shè)效果,需要對(duì)以排水分區(qū)為基本構(gòu)成的城市區(qū)域內(nèi)的水生態(tài)、水資源、水安全、水環(huán)境等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。涉及監(jiān)測(cè)工作的開展,也應(yīng)以排水分區(qū)為基礎(chǔ),對(duì)分區(qū)內(nèi)重點(diǎn)項(xiàng)目、末端排水口、受納水體等開展監(jiān)測(cè)分析,構(gòu)建涵蓋區(qū)域、排水分區(qū)、項(xiàng)目、設(shè)施的綜合監(jiān)測(cè)體系。
4排水分區(qū)劃分方法分析
排水分區(qū)的劃分首先需要獲取地形地貌、管網(wǎng)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘與數(shù)據(jù)復(fù)核。在此基礎(chǔ)上,依據(jù)區(qū)域的具體情況,對(duì)排水分區(qū)進(jìn)行劃定,確定分區(qū)劃分精度與分區(qū)邊界,并對(duì)不同排水分區(qū)之間、排水口與受納水體之間的連接性進(jìn)行分析。排水分區(qū)劃分的總體思路如圖3所示。
4.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場(chǎng)踏勘
有效資料的獲取是合理劃分排水分區(qū)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(wèi)星測(cè)繪資料、現(xiàn)狀雨污水管渠系統(tǒng)普查數(shù)據(jù)與主要排水口分布、規(guī)劃雨污水管網(wǎng)、現(xiàn)狀與規(guī)劃城市用地情況等。
但實(shí)際情況,許多城市長(zhǎng)期以來對(duì)管網(wǎng)、地形等基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)采集、管理等工作不到位,往往缺乏準(zhǔn)確、全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料,或缺少對(duì)近期建設(shè)及時(shí)的數(shù)據(jù)更新,再加上城市管網(wǎng)建設(shè)與維護(hù)管理不到位導(dǎo)致的管網(wǎng)錯(cuò)接、混接、私接等現(xiàn)象普遍,導(dǎo)致實(shí)際獲取的圖紙資料會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際建設(shè)情況不符的問題,進(jìn)而影響排水分區(qū)劃分及后續(xù)方案設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與合理性。因此,涉及重要區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)踏勘和數(shù)據(jù)復(fù)核至關(guān)重要,必要時(shí)還需進(jìn)行相關(guān)重點(diǎn)數(shù)據(jù)的補(bǔ)測(cè)。前文提到的美國(guó)雨水排放許可中也明確要求梳理區(qū)域雨水系統(tǒng)的過程要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查工作,并要求針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的排水口制定現(xiàn)場(chǎng)勘查計(jì)劃(OutfallScreeningPlan),并出具相應(yīng)的踏勘報(bào)告。我國(guó)當(dāng)前海綿城市建設(shè)過程中出現(xiàn)的排水分區(qū)劃分不合理、方案設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)戎T多問題,多數(shù)是現(xiàn)場(chǎng)踏勘的不徹底及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件掌握的不到位所致。
4.2排水分區(qū)劃分的主要分類
排水分區(qū)的劃分主要依據(jù)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(jù)匯流的不同情況,對(duì)排水分區(qū)的劃分進(jìn)行相應(yīng)分類。
無排水管渠或管渠覆蓋度較低的區(qū)域,主要結(jié)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(qū);管渠覆蓋度較高的區(qū)域,降雨發(fā)生時(shí),雨水徑流通過地表漫流、匯流至雨水管渠進(jìn)行排放,此時(shí),應(yīng)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(qū)。依據(jù)排水體制將管渠覆蓋區(qū)域分為分流制區(qū)域、分流制混接區(qū)域和合流制區(qū)域,依據(jù)排放方式的區(qū)別,又進(jìn)一步分為自排區(qū)域和強(qiáng)排區(qū)域。針對(duì)分流制混接與合流制區(qū)域,需結(jié)合雨污水管網(wǎng)系統(tǒng)布局與污水系統(tǒng)分區(qū),根據(jù)截污干管與上游管渠、強(qiáng)排泵站等設(shè)施的布局劃定分區(qū);針對(duì)分流制區(qū)域,則主要根據(jù)末端排水口與上游對(duì)應(yīng)雨水管渠、強(qiáng)排泵站的匯流范圍來劃定分區(qū)。
4.3排水分區(qū)邊界的確定
結(jié)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(qū)的邊界。山地(坡地)和丘陵城市的水文格局通常會(huì)呈現(xiàn)干流、支流、沖溝等級(jí)較為分明的樹枝狀結(jié)構(gòu),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(jí)與分水界線不明顯,無明顯分水線時(shí)考慮以主要城市道路排水主干管網(wǎng)的匯水邊界作為分區(qū)邊界,無管網(wǎng)覆蓋或管網(wǎng)較少的城市區(qū)域,可以利用ArcGIS等工具,疊加建筑、道路等地物信息對(duì)平原城市的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化處理,通過水文分析工具進(jìn)行分水線的提取確定分區(qū)邊界,并結(jié)合實(shí)際地表匯流情況進(jìn)行修正。同時(shí),綜合考慮區(qū)域內(nèi)黑臭水體、洪澇等主要問題的邊界條件與治理方案以及對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目安排,對(duì)排水分區(qū)的邊界進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整。
需要指出,在規(guī)劃層面,考慮項(xiàng)目完整性,避免分水線切割地塊,便于以分區(qū)為單位進(jìn)行規(guī)劃管控,可以城市路網(wǎng)作為排水分區(qū)的邊界進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。編制片區(qū)系統(tǒng)方案時(shí),再進(jìn)一步結(jié)合分區(qū)邊界周邊地塊的具體地形坡向與匯流路徑對(duì)排水分區(qū)的邊界進(jìn)行細(xì)化調(diào)整。
實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn),針對(duì)不同重現(xiàn)期降雨,雨水管網(wǎng)的匯流范圍與地表徑流總體的匯流路徑可能會(huì)出現(xiàn)不一致的情況,因此,需要評(píng)估當(dāng)發(fā)生暴雨事件,超過地下管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力而發(fā)生漫溢時(shí),雨水徑流依地形形成地表徑流通道,導(dǎo)致相鄰排水分區(qū)之間可能會(huì)出現(xiàn)邊界的動(dòng)態(tài)變化,需要分別針對(duì)排水管渠系統(tǒng)與超標(biāo)雨水徑流控制系統(tǒng)各自對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。例如,在安徽省池州市齊山大道海綿化改造的設(shè)計(jì)過程中,發(fā)現(xiàn)其市政雨水主干管約匯集共計(jì)73hm2區(qū)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(xiàn),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?yàn)槔O(shè)計(jì)橋區(qū)低水匯流面積為13.6hm2,由于周邊建筑小區(qū)、辦公區(qū)等區(qū)域地勢(shì)較高,暴雨時(shí)徑流沿地表匯入橋區(qū),導(dǎo)致橋區(qū)匯流面積增加至60hm2以上。因此,需要分別針對(duì)不同的降雨設(shè)計(jì)目標(biāo),分析排水分區(qū)邊界變化,對(duì)不同系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)范圍進(jìn)行相應(yīng)的水力計(jì)算與方案設(shè)計(jì)。
4.4排水分區(qū)劃分精度的探討
在實(shí)際工作中,根據(jù)項(xiàng)目和排水分區(qū)服務(wù)的尺度不同,可分為流域、城市、片區(qū)、項(xiàng)目、設(shè)施等不同層級(jí)對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)。例如,在劃分城市排水分區(qū)的基礎(chǔ)上,針對(duì)其中某一片區(qū)的細(xì)化分析,可結(jié)合片區(qū)問題及建設(shè)條件,依據(jù)區(qū)內(nèi)地形與干管、次干管、支管的布局,進(jìn)一步將片區(qū)內(nèi)排水分區(qū)細(xì)分為若干子排水分區(qū)(Sub-catchment)。針對(duì)其中具體的地塊項(xiàng)目,在設(shè)計(jì)過程中可結(jié)合地塊的地形與管網(wǎng)等設(shè)施布局,進(jìn)行地塊內(nèi)排水分區(qū)的劃分。需要根據(jù)不同的項(xiàng)目尺度和項(xiàng)目要求進(jìn)行相應(yīng)的分析。
在城市尺度,城市排水分區(qū)劃分精度和分區(qū)規(guī)模的確定,一方面從合理化公式與模型計(jì)算適用性的角度考慮,另一方面從不同城市特點(diǎn),面臨的問題與需求,以及建設(shè)方案系統(tǒng)性的角度考慮。其中,針對(duì)傳統(tǒng)推理公式法的適用范圍,不同國(guó)家有不同的要求,我國(guó)在現(xiàn)行《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014—2006,2016年版)中提出推理公式適用于匯水面積不超過2km2的區(qū)域。而在2km2的區(qū)域范圍內(nèi),排水分區(qū)進(jìn)一步細(xì)分的精度也會(huì)對(duì)推理公式與模型模擬計(jì)算結(jié)果的差別產(chǎn)生影響。例如,陳嫣等對(duì)上海市某區(qū)域排水系統(tǒng)采用推理公式法與數(shù)學(xué)模型法(InfoWorks模型)設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行研究,區(qū)域總面積約2km2,研究結(jié)果顯示,在一年一遇降雨重現(xiàn)期下,當(dāng)區(qū)域內(nèi)排水分區(qū)面積小于0.4km2,兩種方法計(jì)算的管道流量結(jié)果差別不大,超過0.4km2后,隨著排水分區(qū)面積的增大,兩者差值變大,誤差在10%~20%。
美國(guó)科羅拉多州在其排水手冊(cè)中建議每個(gè)獨(dú)立排水分區(qū)的面積宜小于100英畝(約0.4平方公里),在此基礎(chǔ)上,科羅拉多州丹佛市又通過相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)在相同條件下,當(dāng)排水分區(qū)面積小于90英畝(約0.36平方公里)時(shí),利用傳統(tǒng)推理公式法與丹佛當(dāng)?shù)厮倪^程線模擬兩種方法計(jì)算得到的區(qū)域峰值流量在結(jié)果上趨于一致,而當(dāng)排水分區(qū)面積大于150英畝(約0.6平方公里)時(shí),兩種計(jì)算方法得到的結(jié)果相差將大于10%,且隨著分區(qū)面積增加誤差也逐漸增大。因此,考慮不同分區(qū)流量計(jì)算的一致性與準(zhǔn)確性,丹佛提出排水分區(qū)宜小于90英畝,不宜大于150英畝。
排水分區(qū)劃分精度不同,對(duì)區(qū)域水量、水質(zhì)模型的模擬結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。趙冬泉等研究發(fā)現(xiàn)排水分區(qū)劃分的細(xì)致程度,對(duì)SWMM模擬結(jié)果中坡面徑流總量、坡面徑流量峰值以及峰值出現(xiàn)的時(shí)間均會(huì)產(chǎn)生影響;秦攀等以常州市為例,發(fā)現(xiàn)不同排水分區(qū)劃分精度在不同時(shí)間尺度的模擬下,對(duì)SWMM水質(zhì)模擬結(jié)果的影響也有所區(qū)別。需要結(jié)合研究區(qū)域尺度、場(chǎng)地特點(diǎn)、模擬目標(biāo)、以及建模工作量等綜合確定排水分區(qū)的劃分精度。
此外,排水分區(qū)劃分還應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合區(qū)域的建設(shè)條件,包括新城區(qū)、老城區(qū)、棚戶區(qū)的分布,海綿城市建設(shè)與改造的適宜性分析,以及對(duì)水生態(tài)、水環(huán)境、水資源、水安全重點(diǎn)問題邊界條件的識(shí)別和體現(xiàn)源頭減排、過程控制、系統(tǒng)治理技術(shù)路徑的系統(tǒng)方案等進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。此外,還應(yīng)考慮我國(guó)南北方不同城市的特點(diǎn),例如,北方很多平原城市水系較少,地勢(shì)平坦,主要依據(jù)管渠匯流路徑劃分排水分區(qū),且分區(qū)規(guī)模通常較大,在初步劃定排水分區(qū)的基礎(chǔ)上,往往需要結(jié)合區(qū)域問題及海綿城市建設(shè)條件,依據(jù)干管與次干管布局,進(jìn)一步細(xì)分子排水分區(qū);河網(wǎng)城市水系發(fā)達(dá),區(qū)域內(nèi)雨水就近、分散排入城市河湖水系,依據(jù)其水系布局,單個(gè)雨水排水口對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)面積通常較小,為避免過度分散,可將面臨問題相同、建設(shè)條件類似的相鄰排水口對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)合并為一個(gè)排水分區(qū),在規(guī)劃與方案設(shè)計(jì)中進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。
因此,排水分區(qū)的劃分精度和排水分區(qū)的規(guī)模并無絕對(duì)固定的限制,需要結(jié)合不同城市、不同項(xiàng)目的具體條件和需求,合理劃定排水分區(qū),進(jìn)行合理的進(jìn)一步細(xì)分和合并等。
4.5排水分區(qū)的連接性分析
對(duì)城市排水分區(qū)進(jìn)行劃定后,應(yīng)進(jìn)一步針對(duì)排水分區(qū)的連接性進(jìn)行分析,主要包括不同分區(qū)之間的連接性、排水分區(qū)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(guó)在城市排水分區(qū)劃定中往往容易忽略的重要工作。
針對(duì)排水分區(qū)之間的連接性,首先應(yīng)校核不同分區(qū)之間是否相對(duì)獨(dú)立,相鄰分區(qū)間有無重疊或未覆蓋區(qū)域,并分析分區(qū)之間的連接路徑。不同分區(qū)可連接至下游同一分區(qū)(如圖4左),但某一排水分區(qū)不能同時(shí)連接至下游兩個(gè)排水分區(qū)(如圖4右)。通過上述分析,初步校核城市排水分區(qū)劃定的準(zhǔn)確性與合理性。其次,如前文4.3所述,不同重現(xiàn)期的降雨事件發(fā)生時(shí),排水分區(qū)之間可能會(huì)發(fā)生邊界的動(dòng)態(tài)變化,需要根據(jù)不同問題和設(shè)計(jì)降雨,針對(duì)對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)進(jìn)行相應(yīng)分析。
排水分區(qū)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(qū)域開發(fā)前后排水口的變化情況,反映了排水口對(duì)應(yīng)的上游排水分區(qū)所產(chǎn)生的雨水徑流與污染物能夠進(jìn)入到受納水體的排放量情況。美國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)中對(duì)排水口與受納水體之間的連接性進(jìn)行了量化規(guī)定,將其分為0、10%、25%、50%、75%、100%六個(gè)級(jí)別,其中0即表示排水口與受納水體之間空間較大,歷史數(shù)據(jù)顯示該排水口對(duì)應(yīng)上游排水分區(qū)排放的雨水徑流全部在排水口與受納水體之間的區(qū)域進(jìn)行了調(diào)蓄或滲透,未進(jìn)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(qū)產(chǎn)生的雨水徑流全部進(jìn)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(diào)蓄空間,當(dāng)降雨徑流峰值超過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的百分位時(shí),排水分區(qū)產(chǎn)生的雨水徑流即會(huì)排入受納水體內(nèi)。并提出了相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)算法對(duì)不同級(jí)別進(jìn)行計(jì)算評(píng)定。
通過排水口與受納水體之間的連接性分析,結(jié)合排水分區(qū)內(nèi)具體條件,可以進(jìn)一步有效評(píng)估排水分區(qū)對(duì)受納水體的水量及污染物排放貢獻(xiàn),從而明確重點(diǎn)和優(yōu)先控制區(qū)域。同時(shí)也為規(guī)劃與設(shè)計(jì)過程中針對(duì)排水口與受納水體之間空間、豎向等條件的合理保護(hù)與利用、以及為城市藍(lán)綠線的合理劃定、藍(lán)綠融合等提供重要基礎(chǔ)。
5結(jié)語
海綿城市建設(shè)通過綜合系統(tǒng)構(gòu)建對(duì)城市雨水徑流進(jìn)行系統(tǒng)管控,對(duì)排水分區(qū)的劃定提出了新的更高要求。針對(duì)不同城市與不同區(qū)域的具體條件,基于水系、管網(wǎng)、泵站、地形地貌等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析與現(xiàn)場(chǎng)踏勘,對(duì)城市排水分區(qū)進(jìn)行合理劃分,需注意不同降雨條件下和不同系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)邊界的動(dòng)態(tài)變化,并重視分區(qū)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(shè)中問題識(shí)別、方案制定、監(jiān)測(cè)評(píng)估等工作奠定基礎(chǔ)
以構(gòu)建現(xiàn)代城市雨洪管理體系為核心的海綿城市建設(shè)正在全國(guó)范圍內(nèi)積極推進(jìn),重點(diǎn)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(huán)境綜合問題,需要構(gòu)建包含源頭控制、排水管渠、超標(biāo)雨水徑流控制等綜合系統(tǒng),并協(xié)調(diào)銜接污水、水利防洪等系統(tǒng)。實(shí)踐中,區(qū)域洪澇、水體黑臭等問題邊界條件的識(shí)別、區(qū)域雨水徑流綜合管控系統(tǒng)方案的制定、海綿城市建設(shè)效果的評(píng)價(jià)等多方面工作,都需要以排水分區(qū)為基礎(chǔ)開展。因此,綜合考慮不同城市和區(qū)域的不同條件,合理劃定排水分區(qū),對(duì)海綿城市建設(shè)的有序推進(jìn)具有重要意義。
本文討論的排水分區(qū)主要針對(duì)海綿城市建設(shè)重點(diǎn)涉及的城市雨水排水系統(tǒng)與合流制排水系統(tǒng)。
1排水分區(qū)的定義
排水分區(qū)一詞常用于城市市政與小區(qū)排水管渠系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì),主要指雨水徑流沿地表與管渠相對(duì)獨(dú)立匯集排放的區(qū)域;而從突出地形地貌等對(duì)雨水匯流過程的影響,以及突出某設(shè)施匯流服務(wù)范圍的角度,如針對(duì)超標(biāo)雨水徑流控制系統(tǒng)、生物滯留等源頭減排設(shè)施的設(shè)計(jì)時(shí),也常稱之為匯水分區(qū)。因此,排水分區(qū)與匯水分區(qū)二者名稱不同源于其側(cè)重的角度不同,但在實(shí)際工作中,往往需要統(tǒng)籌考慮不同情況下雨水徑流的匯集與排放過程,排水分區(qū)與匯水分區(qū)并無嚴(yán)格的界限,本文以下統(tǒng)稱為排水分區(qū)。
在英語中,Watershed,Catchment,Basin皆可用來表示排水分區(qū)/匯水分區(qū),通常可以互用,沒有嚴(yán)格的區(qū)分,此外,部分設(shè)計(jì)手冊(cè)中以Sewershed表示有排水管網(wǎng)覆蓋的城市排水分區(qū)。
對(duì)于自然水文過程,從降雨發(fā)生至徑流的形成和匯集主要分為填挖入滲、產(chǎn)流與匯流、滲透與蒸發(fā)三個(gè)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(fā)區(qū)域和管渠較少區(qū)域排水分區(qū)劃分的主要依據(jù)。城市建設(shè)會(huì)一定程度改變?cè)械淖匀坏匦蔚孛埠退敌螒B(tài),城市中建筑、路網(wǎng)與排水管渠等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)都會(huì)改變自然的徑流匯流過程,如圖1所示。因此,針對(duì)城市建設(shè)區(qū)域,需要結(jié)合城市雨水徑流沿地表與管渠的實(shí)際匯流排放路徑劃分排水分區(qū),具體劃分方法詳見后文。
2美國(guó)城市雨水管理基于排水分區(qū)管控
2.1雨水系統(tǒng)排放許可制度中對(duì)排水分區(qū)的要求
美國(guó)的NPDES(NationalPollutantDisgeEliminationSystem)體系是基于清潔水法(CleanWaterAct)的要求,在國(guó)家層面制定的針對(duì)水污染管控的污染物排放許可制度。美國(guó)環(huán)保局EPA在2007年發(fā)布了NPDES基于流域視角的技術(shù)指南與實(shí)施指南,旨在以流域?yàn)榛A(chǔ)來分析點(diǎn)源與非點(diǎn)源污染物排放情況,并制定相應(yīng)的管控策略。
針對(duì)城市雨水系統(tǒng)的排放許可(MunicipalSeparateStormSewerSystem(MS4)Permits)是NPDES的重要組成部分,在該體系下對(duì)區(qū)域雨水徑流進(jìn)行綜合管理,要求申請(qǐng)人在許可申請(qǐng)前必須制定相應(yīng)的雨水管理計(jì)劃(StormwaterManagementProgramPlan),計(jì)劃的主要內(nèi)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(hù)管理、監(jiān)測(cè)與評(píng)估等。
其中,依據(jù)區(qū)域排水口、管網(wǎng)、水系等相關(guān)資料,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘繪制區(qū)域最新的雨水系統(tǒng)圖(MS4Mapping),是雨水管理計(jì)劃中明確要求的重要內(nèi)容。在雨水系統(tǒng)圖中,需要明確雨水系統(tǒng)排水口位置、對(duì)應(yīng)排水分區(qū)范圍、區(qū)域內(nèi)的管渠、泵站、調(diào)蓄池等主要雨水設(shè)施,以及主要用地類型等相關(guān)信息,且需要根據(jù)區(qū)域的建設(shè)情況對(duì)涉及的雨水系統(tǒng)信息進(jìn)行定期更新。在此基礎(chǔ)上,分析各排水分區(qū)內(nèi)是否存在管網(wǎng)混接等導(dǎo)致的污染物違法排放等問題,根據(jù)問題嚴(yán)重程度確定進(jìn)行優(yōu)先控制的排水分區(qū)(PriorityCatchments),并制定相應(yīng)控制策略。若排水分區(qū)末端受納水體被美國(guó)EPA認(rèn)定為受損水體(ImpairedWater),則需要以排水分區(qū)為基礎(chǔ)進(jìn)一步制定雨水系統(tǒng)的污染物削減計(jì)劃(StormPollutionReductionPlan),對(duì)雨水系統(tǒng)的污染物排放進(jìn)行管控,同時(shí)需要符合該受損水體的TMDL計(jì)劃中對(duì)污染物排放的總體要求。
2.2排水總體規(guī)劃中基于排水分區(qū)的徑流峰值管控
針對(duì)城市排水防澇,美國(guó)基于流域管理理念在不同區(qū)域設(shè)置有城市排水與洪澇控制區(qū)(UrbanDrainageandFloodControlDistrict),旨在結(jié)合所在區(qū)域的特點(diǎn),針對(duì)城市排水與洪澇問題進(jìn)行統(tǒng)籌管理,制定相關(guān)政策與技術(shù)手冊(cè),并安排相關(guān)工程項(xiàng)目。其中,編制區(qū)域的排水總體規(guī)劃(UrbanDrainageMasterPlan)是很多地區(qū)正在推廣實(shí)施的一項(xiàng)重要工作,例如,科羅拉多州城市排水與洪澇控制區(qū)根據(jù)其所轄范圍內(nèi)主要水系劃分了43個(gè)主要流域,要求自2016年開始至2020年,在五年時(shí)間內(nèi)完成全部流域的排水總體規(guī)劃。城市的開發(fā)建設(shè)需要依據(jù)所屬流域排水總體規(guī)劃要求的水系允許排入徑流流量,對(duì)上游對(duì)應(yīng)的城市不同排水分區(qū)進(jìn)行徑流峰值流量排放管控,并需要以此為依據(jù)在“地塊—排水分區(qū)—流域”不同尺度內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的集中或分散調(diào)蓄設(shè)施。管控思路如圖2所示。
3合理劃定排水分區(qū)是海綿城市建設(shè)與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)
海綿城市建設(shè)正在全國(guó)范圍內(nèi)積極推進(jìn),排水分區(qū)的合理劃定對(duì)問題識(shí)別、規(guī)劃管控、建設(shè)方案編制及后續(xù)的監(jiān)測(cè)與效果評(píng)價(jià)等均具有重要作用。
海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃的編制是科學(xué)有序推進(jìn)海綿城市建設(shè)重要的頂層設(shè)計(jì)工作,住建部聯(lián)合多位海綿城市建設(shè)領(lǐng)域?qū)<夜餐l(fā)表了《淺析海綿城市建設(shè)的頂層設(shè)計(jì)》一文,對(duì)專項(xiàng)規(guī)劃的具體編制內(nèi)容和要求做了闡述。其中,在規(guī)劃闡述中明確提出要科學(xué)劃定排水分區(qū),明確豎向管控要求。并要求海綿城市管控分區(qū)的劃定要以排水分區(qū)為基礎(chǔ),并結(jié)合城市控規(guī)編制單元等進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化,以便于在規(guī)劃建設(shè)管理時(shí)使用。
海綿城市建設(shè)方案的制定,針對(duì)城市自然生態(tài)格局的構(gòu)建,需要結(jié)合河流、濕地、低洼地、徑流路徑、排水分區(qū)、高程、坡度、植被分布、土地利用類型等進(jìn)行綜合分析確定,排水分區(qū)是其中的重要因子之一;針對(duì)黑臭水體的整治,首先應(yīng)綜合分析其污染源,需要掌握水體的主要排水口分布與對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)情況,以及分區(qū)內(nèi)管道的排水特征等,進(jìn)而分析各排水分區(qū)的點(diǎn)源、面源污染物排放情況,為后續(xù)水體治理方案的制定提供依據(jù);針對(duì)城市內(nèi)澇防治,需要首先調(diào)查積水區(qū)域?qū)?yīng)的排水分區(qū)范圍,以及分區(qū)內(nèi)的地形與空間條件、管渠運(yùn)行情況等,分析積水成因,進(jìn)而提出有針對(duì)性的排水防澇技術(shù)方案。
排水分區(qū)的合理劃分,有利于從流域的視角對(duì)城市洪澇與黑臭水體等諸多問題進(jìn)行綜合分析,統(tǒng)籌流域上下游關(guān)系,避免僅針對(duì)某一項(xiàng)目或僅考慮海綿城市試點(diǎn)建設(shè)范圍,而造成對(duì)問題全面把握的缺失,甚至?xí)雎缘羝渌鼮閲?yán)重的問題,進(jìn)而影響建設(shè)方案的系統(tǒng)性與科學(xué)性,影響海綿城市建設(shè)效果。
針對(duì)海綿城市的建設(shè)效果,需要對(duì)以排水分區(qū)為基本構(gòu)成的城市區(qū)域內(nèi)的水生態(tài)、水資源、水安全、水環(huán)境等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。涉及監(jiān)測(cè)工作的開展,也應(yīng)以排水分區(qū)為基礎(chǔ),對(duì)分區(qū)內(nèi)重點(diǎn)項(xiàng)目、末端排水口、受納水體等開展監(jiān)測(cè)分析,構(gòu)建涵蓋區(qū)域、排水分區(qū)、項(xiàng)目、設(shè)施的綜合監(jiān)測(cè)體系。
4排水分區(qū)劃分方法分析
排水分區(qū)的劃分首先需要獲取地形地貌、管網(wǎng)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘與數(shù)據(jù)復(fù)核。在此基礎(chǔ)上,依據(jù)區(qū)域的具體情況,對(duì)排水分區(qū)進(jìn)行劃定,確定分區(qū)劃分精度與分區(qū)邊界,并對(duì)不同排水分區(qū)之間、排水口與受納水體之間的連接性進(jìn)行分析。排水分區(qū)劃分的總體思路如圖3所示。
4.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場(chǎng)踏勘
有效資料的獲取是合理劃分排水分區(qū)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(wèi)星測(cè)繪資料、現(xiàn)狀雨污水管渠系統(tǒng)普查數(shù)據(jù)與主要排水口分布、規(guī)劃雨污水管網(wǎng)、現(xiàn)狀與規(guī)劃城市用地情況等。
但實(shí)際情況,許多城市長(zhǎng)期以來對(duì)管網(wǎng)、地形等基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)采集、管理等工作不到位,往往缺乏準(zhǔn)確、全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料,或缺少對(duì)近期建設(shè)及時(shí)的數(shù)據(jù)更新,再加上城市管網(wǎng)建設(shè)與維護(hù)管理不到位導(dǎo)致的管網(wǎng)錯(cuò)接、混接、私接等現(xiàn)象普遍,導(dǎo)致實(shí)際獲取的圖紙資料會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際建設(shè)情況不符的問題,進(jìn)而影響排水分區(qū)劃分及后續(xù)方案設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與合理性。因此,涉及重要區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)踏勘和數(shù)據(jù)復(fù)核至關(guān)重要,必要時(shí)還需進(jìn)行相關(guān)重點(diǎn)數(shù)據(jù)的補(bǔ)測(cè)。前文提到的美國(guó)雨水排放許可中也明確要求梳理區(qū)域雨水系統(tǒng)的過程要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查工作,并要求針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的排水口制定現(xiàn)場(chǎng)勘查計(jì)劃(OutfallScreeningPlan),并出具相應(yīng)的踏勘報(bào)告。我國(guó)當(dāng)前海綿城市建設(shè)過程中出現(xiàn)的排水分區(qū)劃分不合理、方案設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)戎T多問題,多數(shù)是現(xiàn)場(chǎng)踏勘的不徹底及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件掌握的不到位所致。
4.2排水分區(qū)劃分的主要分類
排水分區(qū)的劃分主要依據(jù)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(jù)匯流的不同情況,對(duì)排水分區(qū)的劃分進(jìn)行相應(yīng)分類。
無排水管渠或管渠覆蓋度較低的區(qū)域,主要結(jié)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(qū);管渠覆蓋度較高的區(qū)域,降雨發(fā)生時(shí),雨水徑流通過地表漫流、匯流至雨水管渠進(jìn)行排放,此時(shí),應(yīng)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(qū)。依據(jù)排水體制將管渠覆蓋區(qū)域分為分流制區(qū)域、分流制混接區(qū)域和合流制區(qū)域,依據(jù)排放方式的區(qū)別,又進(jìn)一步分為自排區(qū)域和強(qiáng)排區(qū)域。針對(duì)分流制混接與合流制區(qū)域,需結(jié)合雨污水管網(wǎng)系統(tǒng)布局與污水系統(tǒng)分區(qū),根據(jù)截污干管與上游管渠、強(qiáng)排泵站等設(shè)施的布局劃定分區(qū);針對(duì)分流制區(qū)域,則主要根據(jù)末端排水口與上游對(duì)應(yīng)雨水管渠、強(qiáng)排泵站的匯流范圍來劃定分區(qū)。
4.3排水分區(qū)邊界的確定
結(jié)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(qū)的邊界。山地(坡地)和丘陵城市的水文格局通常會(huì)呈現(xiàn)干流、支流、沖溝等級(jí)較為分明的樹枝狀結(jié)構(gòu),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(jí)與分水界線不明顯,無明顯分水線時(shí)考慮以主要城市道路排水主干管網(wǎng)的匯水邊界作為分區(qū)邊界,無管網(wǎng)覆蓋或管網(wǎng)較少的城市區(qū)域,可以利用ArcGIS等工具,疊加建筑、道路等地物信息對(duì)平原城市的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化處理,通過水文分析工具進(jìn)行分水線的提取確定分區(qū)邊界,并結(jié)合實(shí)際地表匯流情況進(jìn)行修正。同時(shí),綜合考慮區(qū)域內(nèi)黑臭水體、洪澇等主要問題的邊界條件與治理方案以及對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目安排,對(duì)排水分區(qū)的邊界進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整。
需要指出,在規(guī)劃層面,考慮項(xiàng)目完整性,避免分水線切割地塊,便于以分區(qū)為單位進(jìn)行規(guī)劃管控,可以城市路網(wǎng)作為排水分區(qū)的邊界進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。編制片區(qū)系統(tǒng)方案時(shí),再進(jìn)一步結(jié)合分區(qū)邊界周邊地塊的具體地形坡向與匯流路徑對(duì)排水分區(qū)的邊界進(jìn)行細(xì)化調(diào)整。
實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn),針對(duì)不同重現(xiàn)期降雨,雨水管網(wǎng)的匯流范圍與地表徑流總體的匯流路徑可能會(huì)出現(xiàn)不一致的情況,因此,需要評(píng)估當(dāng)發(fā)生暴雨事件,超過地下管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力而發(fā)生漫溢時(shí),雨水徑流依地形形成地表徑流通道,導(dǎo)致相鄰排水分區(qū)之間可能會(huì)出現(xiàn)邊界的動(dòng)態(tài)變化,需要分別針對(duì)排水管渠系統(tǒng)與超標(biāo)雨水徑流控制系統(tǒng)各自對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。例如,在安徽省池州市齊山大道海綿化改造的設(shè)計(jì)過程中,發(fā)現(xiàn)其市政雨水主干管約匯集共計(jì)73hm2區(qū)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(xiàn),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?yàn)槔O(shè)計(jì)橋區(qū)低水匯流面積為13.6hm2,由于周邊建筑小區(qū)、辦公區(qū)等區(qū)域地勢(shì)較高,暴雨時(shí)徑流沿地表匯入橋區(qū),導(dǎo)致橋區(qū)匯流面積增加至60hm2以上。因此,需要分別針對(duì)不同的降雨設(shè)計(jì)目標(biāo),分析排水分區(qū)邊界變化,對(duì)不同系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)范圍進(jìn)行相應(yīng)的水力計(jì)算與方案設(shè)計(jì)。
4.4排水分區(qū)劃分精度的探討
在實(shí)際工作中,根據(jù)項(xiàng)目和排水分區(qū)服務(wù)的尺度不同,可分為流域、城市、片區(qū)、項(xiàng)目、設(shè)施等不同層級(jí)對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)。例如,在劃分城市排水分區(qū)的基礎(chǔ)上,針對(duì)其中某一片區(qū)的細(xì)化分析,可結(jié)合片區(qū)問題及建設(shè)條件,依據(jù)區(qū)內(nèi)地形與干管、次干管、支管的布局,進(jìn)一步將片區(qū)內(nèi)排水分區(qū)細(xì)分為若干子排水分區(qū)(Sub-catchment)。針對(duì)其中具體的地塊項(xiàng)目,在設(shè)計(jì)過程中可結(jié)合地塊的地形與管網(wǎng)等設(shè)施布局,進(jìn)行地塊內(nèi)排水分區(qū)的劃分。需要根據(jù)不同的項(xiàng)目尺度和項(xiàng)目要求進(jìn)行相應(yīng)的分析。
在城市尺度,城市排水分區(qū)劃分精度和分區(qū)規(guī)模的確定,一方面從合理化公式與模型計(jì)算適用性的角度考慮,另一方面從不同城市特點(diǎn),面臨的問題與需求,以及建設(shè)方案系統(tǒng)性的角度考慮。其中,針對(duì)傳統(tǒng)推理公式法的適用范圍,不同國(guó)家有不同的要求,我國(guó)在現(xiàn)行《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014—2006,2016年版)中提出推理公式適用于匯水面積不超過2km2的區(qū)域。而在2km2的區(qū)域范圍內(nèi),排水分區(qū)進(jìn)一步細(xì)分的精度也會(huì)對(duì)推理公式與模型模擬計(jì)算結(jié)果的差別產(chǎn)生影響。例如,陳嫣等對(duì)上海市某區(qū)域排水系統(tǒng)采用推理公式法與數(shù)學(xué)模型法(InfoWorks模型)設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行研究,區(qū)域總面積約2km2,研究結(jié)果顯示,在一年一遇降雨重現(xiàn)期下,當(dāng)區(qū)域內(nèi)排水分區(qū)面積小于0.4km2,兩種方法計(jì)算的管道流量結(jié)果差別不大,超過0.4km2后,隨著排水分區(qū)面積的增大,兩者差值變大,誤差在10%~20%。
美國(guó)科羅拉多州在其排水手冊(cè)中建議每個(gè)獨(dú)立排水分區(qū)的面積宜小于100英畝(約0.4平方公里),在此基礎(chǔ)上,科羅拉多州丹佛市又通過相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)在相同條件下,當(dāng)排水分區(qū)面積小于90英畝(約0.36平方公里)時(shí),利用傳統(tǒng)推理公式法與丹佛當(dāng)?shù)厮倪^程線模擬兩種方法計(jì)算得到的區(qū)域峰值流量在結(jié)果上趨于一致,而當(dāng)排水分區(qū)面積大于150英畝(約0.6平方公里)時(shí),兩種計(jì)算方法得到的結(jié)果相差將大于10%,且隨著分區(qū)面積增加誤差也逐漸增大。因此,考慮不同分區(qū)流量計(jì)算的一致性與準(zhǔn)確性,丹佛提出排水分區(qū)宜小于90英畝,不宜大于150英畝。
排水分區(qū)劃分精度不同,對(duì)區(qū)域水量、水質(zhì)模型的模擬結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。趙冬泉等研究發(fā)現(xiàn)排水分區(qū)劃分的細(xì)致程度,對(duì)SWMM模擬結(jié)果中坡面徑流總量、坡面徑流量峰值以及峰值出現(xiàn)的時(shí)間均會(huì)產(chǎn)生影響;秦攀等以常州市為例,發(fā)現(xiàn)不同排水分區(qū)劃分精度在不同時(shí)間尺度的模擬下,對(duì)SWMM水質(zhì)模擬結(jié)果的影響也有所區(qū)別。需要結(jié)合研究區(qū)域尺度、場(chǎng)地特點(diǎn)、模擬目標(biāo)、以及建模工作量等綜合確定排水分區(qū)的劃分精度。
此外,排水分區(qū)劃分還應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合區(qū)域的建設(shè)條件,包括新城區(qū)、老城區(qū)、棚戶區(qū)的分布,海綿城市建設(shè)與改造的適宜性分析,以及對(duì)水生態(tài)、水環(huán)境、水資源、水安全重點(diǎn)問題邊界條件的識(shí)別和體現(xiàn)源頭減排、過程控制、系統(tǒng)治理技術(shù)路徑的系統(tǒng)方案等進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。此外,還應(yīng)考慮我國(guó)南北方不同城市的特點(diǎn),例如,北方很多平原城市水系較少,地勢(shì)平坦,主要依據(jù)管渠匯流路徑劃分排水分區(qū),且分區(qū)規(guī)模通常較大,在初步劃定排水分區(qū)的基礎(chǔ)上,往往需要結(jié)合區(qū)域問題及海綿城市建設(shè)條件,依據(jù)干管與次干管布局,進(jìn)一步細(xì)分子排水分區(qū);河網(wǎng)城市水系發(fā)達(dá),區(qū)域內(nèi)雨水就近、分散排入城市河湖水系,依據(jù)其水系布局,單個(gè)雨水排水口對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)面積通常較小,為避免過度分散,可將面臨問題相同、建設(shè)條件類似的相鄰排水口對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)合并為一個(gè)排水分區(qū),在規(guī)劃與方案設(shè)計(jì)中進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。
因此,排水分區(qū)的劃分精度和排水分區(qū)的規(guī)模并無絕對(duì)固定的限制,需要結(jié)合不同城市、不同項(xiàng)目的具體條件和需求,合理劃定排水分區(qū),進(jìn)行合理的進(jìn)一步細(xì)分和合并等。
4.5排水分區(qū)的連接性分析
對(duì)城市排水分區(qū)進(jìn)行劃定后,應(yīng)進(jìn)一步針對(duì)排水分區(qū)的連接性進(jìn)行分析,主要包括不同分區(qū)之間的連接性、排水分區(qū)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(guó)在城市排水分區(qū)劃定中往往容易忽略的重要工作。
針對(duì)排水分區(qū)之間的連接性,首先應(yīng)校核不同分區(qū)之間是否相對(duì)獨(dú)立,相鄰分區(qū)間有無重疊或未覆蓋區(qū)域,并分析分區(qū)之間的連接路徑。不同分區(qū)可連接至下游同一分區(qū)(如圖4左),但某一排水分區(qū)不能同時(shí)連接至下游兩個(gè)排水分區(qū)(如圖4右)。通過上述分析,初步校核城市排水分區(qū)劃定的準(zhǔn)確性與合理性。其次,如前文4.3所述,不同重現(xiàn)期的降雨事件發(fā)生時(shí),排水分區(qū)之間可能會(huì)發(fā)生邊界的動(dòng)態(tài)變化,需要根據(jù)不同問題和設(shè)計(jì)降雨,針對(duì)對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)進(jìn)行相應(yīng)分析。
排水分區(qū)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(qū)域開發(fā)前后排水口的變化情況,反映了排水口對(duì)應(yīng)的上游排水分區(qū)所產(chǎn)生的雨水徑流與污染物能夠進(jìn)入到受納水體的排放量情況。美國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)中對(duì)排水口與受納水體之間的連接性進(jìn)行了量化規(guī)定,將其分為0、10%、25%、50%、75%、100%六個(gè)級(jí)別,其中0即表示排水口與受納水體之間空間較大,歷史數(shù)據(jù)顯示該排水口對(duì)應(yīng)上游排水分區(qū)排放的雨水徑流全部在排水口與受納水體之間的區(qū)域進(jìn)行了調(diào)蓄或滲透,未進(jìn)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(qū)產(chǎn)生的雨水徑流全部進(jìn)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(diào)蓄空間,當(dāng)降雨徑流峰值超過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的百分位時(shí),排水分區(qū)產(chǎn)生的雨水徑流即會(huì)排入受納水體內(nèi)。并提出了相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)算法對(duì)不同級(jí)別進(jìn)行計(jì)算評(píng)定。
通過排水口與受納水體之間的連接性分析,結(jié)合排水分區(qū)內(nèi)具體條件,可以進(jìn)一步有效評(píng)估排水分區(qū)對(duì)受納水體的水量及污染物排放貢獻(xiàn),從而明確重點(diǎn)和優(yōu)先控制區(qū)域。同時(shí)也為規(guī)劃與設(shè)計(jì)過程中針對(duì)排水口與受納水體之間空間、豎向等條件的合理保護(hù)與利用、以及為城市藍(lán)綠線的合理劃定、藍(lán)綠融合等提供重要基礎(chǔ)。
5結(jié)語
海綿城市建設(shè)通過綜合系統(tǒng)構(gòu)建對(duì)城市雨水徑流進(jìn)行系統(tǒng)管控,對(duì)排水分區(qū)的劃定提出了新的更高要求。針對(duì)不同城市與不同區(qū)域的具體條件,基于水系、管網(wǎng)、泵站、地形地貌等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析與現(xiàn)場(chǎng)踏勘,對(duì)城市排水分區(qū)進(jìn)行合理劃分,需注意不同降雨條件下和不同系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的排水分區(qū)邊界的動(dòng)態(tài)變化,并重視分區(qū)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(shè)中問題識(shí)別、方案制定、監(jiān)測(cè)評(píng)估等工作奠定基礎(chǔ)
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