【摘 要】随着全球温室效应的加剧以及我国城市化进程的加快，一方面极端暴雨天气频频出现，另一方面城市人口与规模也逐年扩大，城市排水系统屡遭考验，今年全国范围内更是出现多起城市严重内涝。本文采用经典的SWMM模型，从淹没出流雨水管道的设计层面讨论了城市如何应对暴雨导致的内涝，并给出了数理模型支撑。
【关键词】城市内涝；淹没出流；SWMM；设计要求
极端天气的频频出现导致近几年来特大暴雨屡见不鲜，而中国城市建设发展速度过快导致各项供电、排水等基础建设尚未跟上城市扩张的步伐，城市下垫面的改变以及以往排水管道标准的过低使来近几年城市内涝成为广大市民议论的热点。今年夏季南方特大暴雨再一次考验了城市地下管道的排水能力，同时也引发了学术界对于城市规划理念变革的深入思考。
在此背景下，如何合理设计城市淹没出流雨水管道成为解决城市内涝的关键问题之一。
以往管道设计不足之处
城市内涝频发地区往往有地势较低而河道水位较高的特点，以往管道设计过程中，由于忽视了暴雨时期城市管道内涝属压力流状态，而片面的强调设计重现期内的排水状况，因此往往因管道导致严重城市内涝溢出灾害[1]。设计重现期指的是自由出流时即使出现暴雨，管道内水位亦不超过管顶，而当水位超过管顶且尚未从检查井溢出时，我们称之为管道超载；一旦超出检查井则为内涝，如图1所示：
以往管道设计理论主要采用无压力流假设，在这种不合乎现实的理论假设下，管道设计对于应对特大暴雨等极端天气的能力也大为削弱，加之还有大量老城区仍然采用的是上世纪俄罗斯折减系数设计理念，虽然节省了成本，但安全性远逊于欧美最大径流量设计模式。
模型解释与构建
SWMM模型，即暴雨雨水管理模型，不仅能对强降雨或连续降雨导致的暴雨径流进行科学模拟，更可通过充分分析城市径流整个水文过程灵活模拟整个城市排水管网，因此成为当前分析城市排水系统设计的有力工具。其工作原理见图2。
而在整个SWMM模型中，城市下垫面透水区域的入渗评估将极大地影响径流，因此，需要综合考虑城市下垫面情况、土壤含水率、降雨强度等多种因素模拟渗入的各类情况。一般来说，SWMM主要有三类渗入模型——Horton模型、SCS-CN模型以及Green-Ampt模型。由于Horton模型适用于小流域且参数较小而SCS-CN模型主要针对大流域设计，因此本文拟采用SWMM下的Green-Ampt模型进行设计。
水力计算
阻力系数，可根据给排水相关理论和从业人员工作经验来确定其具体值，由于各城市情况略有差异，在此不做赘述。
管道内涝影响因素讨论
一般来说，水位、坡度、管径被认为是影响管道内涝的三大主要因素，但是，张兆祥（2016）通过模拟苏州暴雨强度和管道排水情况，指出改变管道坡度对于改善管道最大流量和服务面积并无显著影响，但是河道水位升高将降低管道排水能力，管道内径增大则会显著提高管道最大流量和服务面积[2]。
在本文上述模型的基础上，假设管道内径为标准的600mm，保持坡度不变（0.1%），只改变河道水位一个影响因素，则有如下结果：
而当我们只改变管道内径，保持坡度（0.1%）和河道水位（1.0m）不变时，在上述模型计算下，管道的最大流量和服务面积也发生了较大变化。见图4。
计算结果正如图中所示，河道水位和城市排水管道的排水能力两项指标呈负相关，当水位升至1.7m时排水管道丧失基本排水能力；而管道内径则同淹没出流雨水管道的排水能力呈显著正相关，因此城市排水体系设计时，为了在降低工程建设成本的基础上加大排水网络的排水抗涝能力，应当着重考察河道水位高度变化，同时，在工程成本允许的范围内尽量采用管道内径较大的雨水管道。而在设计淹没出流雨水管道时，不应在改变管道坡度上投入较大成本，因为此项因素的改变对于整个雨水管道的排水抗涝能力没有明显提升。
当然，提升城市整体没出流雨水管道的排水能力不能仅限于上述设计因素的改变，中国排水系统设计实践证明，要想加强城市整体防涝能力，合理进行城市规划也必不可少[3]。目前中国城市扩张速度过快导致整体排水系统的设计有东拼西凑之嫌，江城武汉为代表的广大城市新老城区混杂，即使当前市政建设中排水系统采用了较高的标准，但由于老城区改建没有跟上进度，仍然难免遭受暴雨冲击，形成严重的城市内涝。
鉴于此，一方面我们应当吸收国外较为先进的城市排水系统设计理念，普及欧美国家的最大径流设计代替原有的俄罗斯折减系数设计；另一方面还必须加强统筹规划，将原有的优秀排水系统功能充分发挥出来，设计时也必须具有前瞻性，采用较高的防洪标准，以争取城市排水系统能使用较长时间，节省社会资源。具体要求主要是：一方面对于防涝标准为10年一遇特大暴雨的老城区排水系统同步改建，并与新城区排水系统充分对接，在今后的设计施工过程中，在资金充足的情况下提高防洪标准至100年甚至200年一遇特大暴雨。同时加强施工成本管理和质量监控，以期同合理的淹没出流雨水管道设计相辅相成，充分发挥防涝能力。
参考文献：
[1]康丹. 城市排水防涝系统规划设计中存在问题及对策探讨[J]．中国给水排水，2014，30(20) : 51 -53.
[2]张兆祥，杨帆，王大春.淹没出流雨水管道应对内涝设计探讨[J].中国给水排水，2016，32(1):83-89.
[3]张春平.淹没式出流雨水管道的的设计研究[J].中国房地产业，2012，(9):154.
论文作者:胡建
论文发表刊物:《低碳地产》2016年10月第19期
论文发表时间:2016/11/18
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