蓄涝水面率选择对城市内涝治理效果的影响及分区研究

摘 要：

为了量化城市蓄涝水面率的适宜程度，着手城市蓄涝水面率选择对城市内涝治理效果的影响评价，针对当前“蓄涝水面率”缺乏清晰的概念和统一的核算与评价方法等问题，从“蓄”“滞”概念辨析入手，提出城市蓄涝水面率的核定方法。引入超短历时受淹指标、排涝流量效率指标和蓄涝水深弹性指标等，将蓄涝水面率划分为“紧张区、适宜区、宽松区”,并明确了分区阈值的确定方法。案例分析结果显示：蓄涝水面率分区方法能够综合考虑区域暴雨特征、允许调蓄水深、允许最大排涝时长等各种因素，从而得出较为合理的“适宜区”范围，并且能够评估不同因素变化带来的影响。沙井电排区的蓄涝水面率适宜区为[4,7],与规范建议值(8%～12%)相差较大。在其它条件不变的情况下，当允许最大排涝时长从72 h降到48 h,“适宜区”上边界亦由7%降到6%。同样，当允许调蓄水深从1.5 m降低到1 m,适宜区调整为[6,11],与规范建议值接近。结果表明：基于“等效蓄涝面积”的核算方法能够更加客观地量化城市“蓄涝水面率”;城市蓄涝水面率分区方法能够简明、合理地评价区域蓄涝能力。基于该方法，每个城市都可以确定符合本地条件的蓄涝水面率分区阈值，从而判定自己所在的分区，并有针对性地选择适宜的蓄涝参数。研究成果可为城市内涝防治系统的规划、设计与改造提供技术支持。

关键词：

蓄涝水面率;城市内涝治理;分区指标;分区阈值;雨洪数值模拟;海绵城市;降雨;暴雨灾害;

唐明(1972—),男，高级工程师，博士，主要从事水旱灾害风险管理、城市水利方向的研究。E-mail:frankt@nit.edu.cn;

基金：

2020年南昌市第二批科技计划项目(2020-NCGCZX-005);

南昌工程学院2019年引进高层次人才科研启动基金;

引用：

唐明，周涵杰，许文涛，等． 蓄涝水面率选择对城市内涝治理效果的影响及分区研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52 ( 12) : 12-24.

TANG Ming，ZHOU Hanjie，XU Wentao，et al． Study on influence from selection of water surface ratio for waterlogging on effect of urban waterlogging preventionand control and its zoning method［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 12) : 12-24.

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0 引 言

自2010年以来，我国洪灾总损失再次达到了1990年代的量级，而损失最重的几年恰恰也是受淹城市最多的年份。根据《中国水旱灾害统计公 》的统计数据，2006—2017年全国平均每年有157座县级以上城镇进水受淹或发生内涝。虽然大多城市结合已有的湖泊、洼地和沟塘，设置了城市蓄涝区，然而，侵占河湖洼地、拓展城市空间是很多城市城镇化快速发展的常见做法,因此，城市水面萎缩、区域不透水面积迅速增大、城市暴雨洪涝风险增大、灾害加重，都是这些城市的通病。

2013年12月12日，中央城镇化会议上提出“建设自然积存、自然渗透、自然净化的‘海绵城市’”,拉开了我国海绵城市建设的序幕；然而，近些年城市内涝愈来愈严重，海绵城市受到种种质疑；郑州“7·20”暴雨以后，对海绵城市的质疑声再起。实际上，从城市内涝防治的角度，“渗、滞、蓄、净、用、排”多管齐下的海绵城市建设理念本身并没有问题，但对于城市暴雨，关键措施还是“蓄”与“排”。排涝流量设计时，设计排涝流量受调蓄容积制约，而设计蓄涝容积取决于“蓄涝水面率”与“允许蓄涝水深”的共同作用。但是，大多数易涝城市都是濒海临江、依河傍湖，城市竖向空间紧凑，“允许蓄涝水深”有限；因此，“蓄涝水面率”成为制约排涝流量设计大小与治涝效果的关键因素。

目前，不论水利部牵头编制的《治涝标准》,还是住建部门牵头编制的《室外排水设计规范》、《城镇雨水调蓄工程技术规范》等，都对蓄涝有所规定;自然水体之外，能够调节雨洪的调蓄设施也在不断增加。但是，在不同规范当中，“蓄”、“滞”内涵不尽相同，造成纳入雨洪调蓄范畴的设施各异，“滞涝”与“蓄涝”、“城市水面率”与“蓄涝水面率”等概念容易混淆。那么，城市蓄涝水面率如何核算?水面率等蓄涝参数的选择又如何影响城市内涝防治效果?不同蓄涝参数对短历时强降雨、长历时连续暴雨的适应能力又如何?这些问题困扰着很多易涝城市。

关于水面率的概念，郭元裕等早在上个世纪就将其定义为“区域内河湖的水面面积与区域总面积之比”,并指出究竟留多大水面为宜是个尚待解决的问题；2004年，王超提出了适宜水面面积的概念；随后，何俊仕等在此基础上提出了城市合理水域率的概念，认为建设城市水域所获得的综合效益最大时的水域率即为合理的、适宜的，综合效益包括经济收益、生态和 会效益；贺新春等建立了函数模型，从边际效益和边际成本的角度分析了满足水资源条件的城市适宜水域面积；2019年，李春晖等提出，水域率不应该仅停留在水体表面面积之比的研究中，要结合其功能考虑水体垂向的深度，从三维的角度进行整体研究。

从水域的行洪排涝功能出发，张志飞等提出协调区域内水域的滞蓄能力和水利工程的排涝能力，从而确定出基于行洪排涝的合理水域率；张俊等提出在恢复水系格局的基础上恢复适宜水面率，应根据城市发展需求综合确定水面率，推出试点案例适宜的、可恢复的水面率为8.0%;史书华等探究了城市调蓄能力与水系结构之间的定量化关系，特别是与水面率之间的定量相关关系；赵璧奎等提出，以集雨区域为空间单元，以河湖水系水位涨幅为控制性指标，建立区域降雨与水系水位安全调蓄变幅的数学模型，推求满足径流控制要求的适宜水面率；盛子涵等针对圩垸地区的城市排涝问题，以城市圩区排蓄工程总费用现值最小为目标函数构建非线性数学模型，采用罚函数法求解泵站外排能力、水面率等决策变量。

可以看出，不同时期的专家为丰富城市水面(域)率的内涵作了很多研究，但随着城市内涝治理力度的加大，城市蓄涝设施类型更加丰富、调蓄深度差异更为明显，还需要进一步拓展城市蓄涝率的概念，明确城市蓄涝水面率的核定方法。另外，在满足城市行洪排涝需求的适宜水面率方面，现有成果主要集中在排涝、经济、 会等多个决策目标的适宜水面率优化方面，缺乏对城市“蓄涝水面率”通用评价的研究，而且缺少对现行规范越来越强调的设计“暴雨历时”的呼应，没有对不同设计“暴雨历时”下的“蓄涝水面率”需求展开研究。

1 研究方法

1.1 城市蓄涝水面率的概念辨析与核算方法

1.1.1 城市“蓄涝”与“滞涝”的差异

在《治涝标准》中，将“蓄涝水面率”定义为涝区内滞蓄涝水区域的水面面积占涝区总面积的百分比，并将涝区内可以滞蓄涝水的坑塘、洼地、河道、湖泊等纳入到滞涝区(蓄涝区)的范畴。可以看出，现行规范中并没有严格区分“蓄涝”与“滞涝”的概念。

蓄滞洪区是我国河流防洪体系的重要组成部分，但“蓄洪”与“滞洪”有明确的功能区分。“蓄洪”是指将进洪设施分泄的洪水直接或经分洪道进入湖泊或洼地围成的区域蓄存起来，在河流、湖泊水位回落后再将蓄洪区的水量泄放出去。“滞洪”则是为短期阻滞或延缓洪水行进速度而采取的措施，目的是与主河道洪峰错开。滞洪区具有“上吞下吐”的能力，其容量只能起到短期阻滞洪水的作用。

在城市排涝泵站流量设计时，通常考虑“在某个设定的排涝时间内，排除设计暴雨条件下的设计排涝量”。“设计排涝量”是指“在设计暴雨产生的净雨量中扣除被调蓄的涝水”;而且这一部分“被调蓄的涝水”要在设定的排涝时间之外排放。也就是说，纳入城市排涝系统，起到调蓄作用的“蓄涝”设施，应该类似河流防洪系统中的“蓄洪区”,能够根据雨洪调度需要控制涝水的蓄积与排放。

《海绵城市建设技术指南》规定：保护、恢复和改造城市建成区内河湖水域、湿地并加以利用，因地制宜建设雨水收集调蓄设施等为了降低径流峰值流量的措施定义为“蓄”。即便如此规定，也需要进一步对城市雨洪调蓄设施的涝水“可控”性作出要求。

1.1.2 城市蓄涝设施的类别拓展

21世纪以来，城市内涝加重问题得到高度关注，城市内涝防治系统建设力度不断加强，能够调节雨洪的调蓄设施也在不断增加，“调蓄”范畴超出了常规计算的“自然水体”范围。正如《城镇内涝防治技术规范》规定的那样，调蓄设施已经广泛布置在源头减排设施、排水管渠设施和排涝除险设施当中，包括城镇水体、城市绿地、广场、调蓄池等设施。

而且，并不是所有“蓄涝设施”的蓄水空间都能纳入“调蓄”范围。比如，下凹式绿地、植草沟、部分调蓄池等，是为了延缓径流峰现时间而修建的“滞涝”工程，一般情况下，难以根据雨洪调度需要控制涝水的蓄积与排放，降低设计排涝时间内排涝总量的效果不明显。同样，部分没有控制设施的坑塘、河道、湖泊，也只能看作具有“滞涝”的功能。

1.1.3 城市蓄涝水面率的定义与核定方法

预留“调蓄容积”的主要作用是削减雨洪峰值流量、降低设计排涝时间内排涝总量，平衡市政排水系统短历时“快速收集”与水利排涝系统长历时“平均排除”之间的矛盾。因此，城市排涝系统中的“调蓄容积”是指具备涝水蓄积与排放控制能力的自然水体、广场等各种调蓄设施在暴雨应对过程中，可以根据雨洪调度需要预留出来的“调蓄容积”总和。

一般来讲，无法调控的洼地、水面，以及用作污水调蓄用途的调蓄池，均不应纳入“调蓄容积”计算范围。另外，由于不同水体与调蓄设施的实际调蓄水深存在差异，还需要考虑水体垂向的影响，从三维的角度进行整体考量；按主要调蓄水体的“设计蓄涝水深”折算出区域“等效蓄涝面积”。

城市“蓄涝水面率”则是指“等效蓄涝面积”占排涝区域面积的比例。计算公式为

式中，α蓄为区域蓄涝水面率(%);S为排涝区域面积(km2);S等效蓄涝为等效蓄涝面积(hm2);V调蓄为城市排涝系统的调蓄容积(万m3);h设计调蓄为主要调蓄水体的设计调蓄水深(m);V可调水体为具有水量调节工程设施、能够人为控制水位的水体可调蓄容积(万m3);V可调设施为能够人为控制水位的雨洪调蓄设施的可调蓄容积(万m3)。

1.2 基于关键参数耦合效应的城市排涝设计方法

1.2.1 基于过程约束的“平均排除法”改进

针对常规“平均排除法”在部分工况下得出“小排蓄比”的设计结果，偏低的外排能力不能适应城市需求的弱点，基于时段累积雨量对其进行改进。参照水文部门3 h、6 h、12 h、24 h“双倍”步长的降雨资料统计规律，按照“倍增”的规则考虑设计暴雨的后续历时排涝效果；即在根据常规“平均排除法”得出某个设计时段排涝流量等参数之后，继续复核其是否具备排除后续时段内设计净雨量的能力；从而协调较短历时设计暴雨及其后续降水过程中的“排蓄关系”。计算过程如下

式中，Qaij为蓄涝水面率αj条件下，暴雨历时ti对应的排涝流量(常规“平均排除法”)(m3/s);V净i为暴雨历时ti对应的净雨量(万m3);V设调为设计调蓄水量(万m3);ti为暴雨历时(h);ψ为地区综合径流系数；f(ti)为设计暴雨历时ti对应的暴雨量(mm);αj为蓄涝水面率；h允为主要蓄涝水体的最大允许调蓄水深(m),由城市竖向空间规划给定。

过程约束条件之一为

式中，Qbij为排除ti后续等时段净雨量所需的排涝流量(m3/s);V净i+1为暴雨历时ti+1对应的净雨量(万m3);f(ti+1)为暴雨历时ti+1对应的暴雨量(mm)。

过程约束条件之二为

式中，tmax为城市的最大允许排涝时长(h),即从起排至“腾出所有调蓄库容”所需的时间；f(tmax)为与tmax对应的暴雨历时累计雨量(mm);Qmin为满足tmax所需的排涝流量(m3/s)。

基于“改进的平均排除法”的关键参数耦合下的排涝流量Qij计算流程如图 1所示。

图1 排涝流量计算流程

相应的调蓄水深hij的计算公式为

式中，hij为不同“暴雨历时”ti与“蓄涝水面率”αj耦合条件下的调蓄水深(m);Qij为不同“暴雨历时”ti与“蓄涝水面率”αj耦合条件下的排涝流量(m3/s)。

设计流量的双倍步长调整，容易借助相关计算软件实现编程计算，从而快速确定“蓄涝水面率”与“暴雨历时”耦合条件下的计算成果表(以下简称“计算成果”),全景展现“关键参数”与设计指标之间的关系。在此基础上，可以进一步确定具体蓄涝水面率αjd下的“设计暴雨历时”tid、设计排涝流量Qjd、设计调蓄水深hjd(以下简称“设计指标”)。

1.2.2 基于关键参数耦合的城市排涝系统设计指标的确定方法

在“改进的平均排除法”得出关键参数耦合条件下设计指标的基础上，可以在现行规范推荐的“3～24 h”设计暴雨历时的范围内，综合考虑城市小流域排涝片的现状水面率、水面率调整的客观条件与内生动力，以及“排蓄关系”调整所需投资等情况，合理确定“设计蓄涝水面率”。

在选定设计蓄涝水面率下αjd之后，利用该水面率下不同暴雨历时的排涝流量Qijd与调蓄水深hijd成果找出“设计暴雨历时”tid,其对应的设计值满足下面的极大值条件

式中，Qidjd为蓄涝水面率下αjd与设计暴雨历时tid耦合条件下的排涝流量(m3/s);hidjd为同一耦合条件下的调蓄水深(m);Qijd为蓄涝水面率下αjd与不同暴雨历时ti耦合条件下的排涝流量(m3/s),ti∈{3,6,12,24},为规范推荐的设计暴雨历时(h);hijd为同一耦合条件下的调蓄水深(m)。

“计算成果”表中的Qidjd、hidjd即为该城区在蓄涝水面率αjd条件下的设计排涝流量Qjd与设计调蓄水深hjd。

1.3 蓄涝水面率选择对城市治涝效果的影响分析

1.3.1 设计蓄涝水面率偏低对城市治涝效果的影响

水面被挤占是各地在城市化进程中暴露出来的通病。由于没有严格、合理的蓄涝水面率控制标准，各地往往寄希望于增加排涝流量来弥补蓄涝能力的不足；但是，由于没有理清城市排涝流量与暴雨历时、蓄涝水面率、蓄涝水深的关系，相应的增容方案应对强降雨的能力往往还是不足，“逢雨即涝”问题普遍存在。其中，最主要的原因是当蓄涝水面率偏小时，内涝防治系统适应短历时强降雨的能力偏弱。在降雨集中期，内涝防治系统间的“竖向约束”明显；在非降雨集中期，机组利用率低。

1.3.2 设计蓄涝水面率偏高对城市治涝效果的影响

在我国南方丰水型地区，部分城市河湖众多，蓄涝水面率较高，雨洪调蓄能力强，内涝防治系统适应短历时强降雨能力好，在非降雨集中期，机组利用率也很高。但是，如果设计蓄涝水面率偏高，导致“排蓄比”偏小，会出现泵站外排能力偏弱的缺陷；遇到长历时连续强降雨时，在蓄涝区聚集过多的城市雨洪，实际调蓄水深过高，同样对市政排水系统造成严重的“竖向约束”问题。

例如，“百湖之市”武汉，在2016年遭遇长历时的暴雨袭击，汤逊湖和南湖地区雨量站的周降雨量均突破历史极值，达到 565.7～719.1 mm; 湖水满溢，顶托周边，出现严重渍水，持续近一个月，引起 会的普遍关注和业界的热议。2016年以后，在着力恢复湖泊自然调蓄能力的同时，武汉市加强外排泵站建设，提升抽排能力，到2020年汛前，城区泵站抽排能力达到1 960 m3/s, 比2016年增加一倍。2020年汛期，城区没有发生大面积、长时间内涝积水，未出现“城市看海”现象。

1.3.3 城市蓄涝水面率合理区间的选择

蓄涝水面率适宜，则城市内涝防治系统适应短历时强降雨能力较好，“竖向约束”得到控制，非降雨集中期机组利用率也较高，进一步提升应对短历时强降雨能力、增加的排涝机组的代价适中，比较经济。《治涝标准》提出“涝区的蓄涝水面率不宜小于5%～10%,南方丰水涝区不宜小于8%～12%,水 圩区不宜小于10%～15%,现状蓄涝水面率已超过上述标准的应控制不减少”。

但是，我国幅员辽阔，各地暴雨特征差异较大；受地形地貌、土壤地质等因素的影响，区域涝水特性差异也较大；不同区域对涝水的耐受程度也不一样。因此，考虑存在的区域差异，不宜按照固定区间规范城市蓄涝率；应当考虑各地暴雨特征、涝水特性等因素，根据蓄涝水面率对城市排涝的影响大小，因地制宜地设定具有自身特点的阈值区间，将蓄涝水面率划分为紧张区、适宜区和宽松区。

1.4 城市蓄涝水面率的分区指标与分区阈值

1.4.1 城市蓄涝水面率分区计算的基础数据

在现行规范推荐的“3～24 h”设计暴雨历时范围内，按照“半步长”规则进一步细化设计暴雨历时，增加2个超短历时，形成6个计算时段(即：t1=45 min、t2=90 min、t3=3 h、t4=6 h、t5=12 h、t6=24 h);运用“新方法”快速计算出“蓄涝水面率”与“暴雨历时”耦合条件下的设计指标成果表；再据此确定具体蓄涝水面率下的“设计指标”。现基于上述“计算成果”(见表1),引入相应的分区指标，量化城市蓄涝水面率对区域排涝效果的影响；并结合分区指标的数值差异确定水面率的分区阈值。

1.4.2 城市蓄涝水面率的分区指标

(1)超短历时受淹指标的定义与计算。

一般来讲，相同蓄涝水面率条件下，城市设计暴雨历时越短，相应的设计排涝流量越大，应对短历时集中强降雨的能力也较强，区域受淹范围、时长或机率均较小。实践中，当蓄涝水面率较低且设计暴雨历时偏长时，“设计排涝流量”计算结果偏小，难以适应短历时集中强降雨。引入超短历时受淹指标ξ,量化排涝区受到“45 min、90 min”设计暴雨冲击下的受淹程度。公式如下

式中，ξjd为设计蓄涝水面率αjd条件下的超短历时受淹指数；Qijd为蓄涝水面率αjd与不同暴雨历时ti耦合条件下的排涝流量(m3/s);Qjd为蓄涝水面率αjd条件下的设计排涝流量(m3/s)。

ξ取值范围为ξ≥0。蓄涝水面率越低，超短历时的排涝流量需求与设计值之间的差异越大，ξ越大；区域应对集中强降雨的能力越弱。当ξ=0时，说明某些耦合条件下计算出的设计指标，能够应对超短历时强降雨，比如，蓄涝水面率越高，调蓄能力越强，适应短历时强降雨的能力就越强。

(2)排涝流量效率指标的定义与计算。

降低“设计暴雨历时”,可以有效增加设计排涝能力，提升调蓄能力弱的地区应对集中强降雨的能力；但是，在非集中降雨期，机组利用率会相应降低。不同蓄涝水面率条件下，通过降低“设计暴雨历时”提升的设计排涝流量幅度也不同，非集中降雨期的机组利用率就不同。为了量化“暴雨历时”变化对排涝机组利用率带来的影响，引入排涝流量效率指标η。公式如下

式中，ηjd为设计蓄涝水面率αjd条件下的排涝流量效率指数。

η取值范围为0<η≤1。蓄涝水面率越高，不同“暴雨历时”对应的设计排涝流量之间差异越小，η越小；单位排涝流量的提升对适应短历时强降雨的效率就越高；在非集中降雨期，机组利用率也较高。当η=1时，说明按照不同暴雨历时得出的设计排涝流量都相等；此时，蓄涝水面率较高，“规定时间内腾空调蓄库容”逐渐成为排涝流量的控制因素。

(3)蓄涝水深弹性指标的定义与计算。

为了保障场地与道路、排水管 三者竖向衔接关系，住建部门修订了《城乡建设用地竖向规划规范》,从用地竖向高程上对防洪排涝做了专门的规定;但是，实践当中往往存在“忽视竖向规划”问题，采用一些常规方法来布置管 与泵站，与其它系统的竖向衔接做得不够；排涝设计时，将允许调蓄水深用足，导致城市蓄涝区调蓄雨洪的弹性不足，排涝过程中的超蓄给市政排水与水利排涝系统带来严重的“竖向约束”。引入蓄涝水深弹性指标ζ,量化蓄涝区水位波动对其它城市系统的竖向影响。公式如下

式中，ζjd为设计蓄涝水面率αjd条件下的蓄涝水深弹性指数；hijd为蓄涝水面率αjd条件下的设计调蓄水深(m)。

ζ的取值范围为ζ≥0。蓄涝水面率越高，同一“设计暴雨历时”对应的设计调蓄水深就越小，距离允许调蓄水深就越远，ζ就越大，区域适应短时强降雨、连续暴雨冲击的能力就越强，对其它系统的“竖向约束”也越小。当ζ=0时，说明蓄涝水面率偏低，每一个暴雨历时下的设计调蓄水深都已用足，失去竖向弹性。

1.4.3 城市蓄涝水面率的分区阈值

根据式(7)、(8)、(9),计算出不同蓄涝水面率条件下的分区指标。可以根据3个分区指标的数值特征，将蓄涝区水面率划分为紧张区、适宜区和宽松区共3个等级。

不同等级蓄涝水面率的分区指标具有如下的特征组合：ξ>0,η<1,ζ=0,蓄涝水面率属于“紧张区”;ξ=0,η<1,ζ≥0,蓄涝水面率属于“适宜区”;ξ=0,η=1,ζ>0,蓄涝水面率属于“宽松区”。

在此基础上，将位于“适宜区”的蓄涝水面率上边界α蓄上、下边界α蓄下设置为该排水区的蓄涝水面率分区阈值。如果将上边界的δ邻域记作U(α蓄上,δ)={α蓄∣∣α蓄上?δ<αU(α蓄上,δ)={α蓄|α蓄上-δ<α蓄<α蓄上+δ},则上边界α蓄上左邻域具有“适宜区”分区指标的组合特征，右邻域具有“宽松区”的组合特征

同样，下边界α蓄下左邻域具有“紧张区”分区指标的组合特征，右邻域具有“适宜区”的组合特征

基于“适宜区”蓄涝水面率上边界、下边界的左、右邻域当中的分区指标的特征组合，确定蓄涝水面率分区阈值。

2 案例研究

2.1 研究区域概况

沙井电排区位于南昌市红谷滩区的中心地带，排水面积约为7.95 km2,地处中亚热带暖湿季风区，雨量充沛，4—6月为主雨季，致灾性暴雨多发。建设初期，除排涝泵站周边的蓄涝区外，区内没有保留一处河湖水系，最初规划的蓄涝区又被其它城市建设项目挤占，最终的蓄涝水面率极小，所有市政排水管 通过地下箱涵直接汇入泵站前池(调蓄区),是“低水面率”城区的典型代表。新区建设时，按24 h暴雨20 a一遇的防御标准，对丰和站进行了改造与扩建，保留老丰和站(总装机容量930 kW,排涝流量为7.36 m3/s);扩建新丰和站(总装机容量1 000 kW,排涝流量为9.58 m3/s);区域排涝流量达到16.94 m3/s, 总调蓄水面为6.67 hm2(蓄涝水面率为0.84%)。

由于蓄涝水面率过低，排涝系统对集中强降雨的适应性较差；大暴雨期间，区内受涝严重，泵站前池雍水过高，威胁到泵站的正常运行，区域排涝能力提升再次提上日程。新方案中，改建基本废弃的卫东电排站，以增加区域排涝流量，区域总排涝流量达到40.4 m3/s; 同时，新增调蓄水面8.66 hm2,总调蓄水面达到15.33 hm2(蓄涝水面率1.93%)。

2.2 基于关键参数耦合效应的沙井电排区主要设计指标

根据沙井电排区内的房屋屋顶、混凝土路面、沥青路面等不透水覆盖面所占面积比重，将该区域综合径流系数ψ设为0.90;以及根据现状管 布置及区域竖向空间规划等因素，将最大允许调蓄深度h允设置为1.5 m(影响市政排水的临界水位为18.0 m)。采用水文部门提供的代表站不同历时的20 a一遇暴雨统计成果f(ti),由于治涝区域面积较小，点面折算系数取“1”;设计排涝时长tmax为72 h, 即“3日暴雨3 d排净(腾出所有调蓄容积)”。按照“新方法”,计算出不同“关键参数”耦合条件下的所需的排涝流量(见表1)与调蓄水深(见表2);以及具体水面率下主要设计指标(见表3)。

2.3 沙井电排区蓄涝水面率分区计算

根据上述成果和式(7)—(9),计算出不同蓄涝水面率的蓄涝分区指标(见表4)。并根据式(10)、(11)的判定方法，得出沙井电排区的蓄涝水面率分区阈值：适宜区的下边界为4%、上边界为7%;从而将该排涝片的蓄涝水面率划分为“紧张区”“适宜区”和“宽松区”。

表4显示，沙井排涝片现有水面率过小，扩建计划中的蓄涝水面率依然偏低，仍旧处于紧张区。超短历时受淹指标均大于零，指数较高，应对超短历时强降雨的能力较差；排涝流量效率指标偏小，非集中降雨期，机组利用率不高；蓄涝水深弹性指标均等于0,集中强降雨期，竖向约束较大，制约市政排水系统能力的发挥；还需要继续完善内涝防治系统中调蓄功能。

2.4 基于沙井电排区的内涝防治效果模拟

2.4.1 模拟工况设置

复合雨型是在对水利行业“综合雨型”进行“同频”调算的基础上，将适应本地市政系统的“芝加哥雨型”嵌入到综合雨型的最大1 h降雨当中，构成一种用于城市雨洪模拟的24 h“复合雨型”(其余23 h按“小时内部均化”处理);可同步考核“大尺度”水利排涝系统及“小尺度”市政排水系统的可靠性。本案例采用南昌的暴雨强度公式构建芝加哥雨型；雨峰系数采用0.4,24 h“复合雨型”作为MIKE软件的输入雨型；另外，为了验证高水面率下的排涝进行，又在此雨型的基础上，对24 h复合雨型之后的48 h雨量进行均化处理，构造了一个72 h的雨型(见图2)。

图2 复合雨型时程分布

考虑到待扩建排涝系统将蓄涝水面率提升到1.93%,即以此水面率作为紧张区的代表；同时，为了验证不同蓄涝水面率分区的内涝防治效果，在对拟建方案(工况Ⅰ)进行雨洪模拟的基础上，增加了2个不同排涝流量的虚拟工况(工况Ⅱ、Ⅲ);另外，分别选择5%、9%作为“适宜区”“宽松区”的代表，再设置 4 个虚拟工况(见表5)。6个虚拟工况分别为“平均排除法”改进前后的排涝流量。

2.4.2 模拟工况的内涝防治效果分析

“紧张区”排涝进程(24 h)对比分析。图3(a) 所示的是处于水面率紧张区(1.93%)的排涝进程。工况Ⅱ的排涝流量过小，无法应对短历时强降雨，最高泵站前池水位达到19.37 m, 严重影响市政排水系统的运行效率。工况Ⅰ的排涝流量(拟定的扩建规模)能够有效削减站前峰值水位；但在应对雨量更为集中的复核雨型时，泵站前池出现较大的过程增高，最高水位达到18.41 m, 对市政排水系统运行的影响依然较大。排涝流量进一步增加后(工况Ⅲ),才能将泵站前池峰值水位削减至18.19 m, 从而减小承涝水体对市政管 的顶托作用。通过上述3个工况的模拟比较，可以看出当蓄涝水面率处于“紧张区”,区域应对超短历时强降雨的能力较差；非集中降雨期，机组利用率不高；集中降雨期，市政排水与水利排涝系统间的“竖向约束”明显。

图3 固定水面率下不同设计方案的排涝进程

“适宜区”排涝进程(24 h)对比分析。图3(b) 所示的是处于水面率适宜区(5%)的排涝进程。排涝流量较小的工况Ⅳ,最高泵站前池水位达到18.25 m, 对市政排水系统的运行效率有一定影响；排涝流量增加后(工况Ⅴ);能有效削减泵站前池峰值水位(18.03 m),对市政排水系统影响极小。通过两个工况的对比，可以看出当蓄涝水面率处于“适宜区”,增加设计排涝流量，能够有效提高其超短历时强降雨的应对能力；而且提升区域治涝效果，排涝机组的增加幅度不大，相对经济。

“宽松区”排涝进程(72 h)对比分析。图 3(c)所示的是处于水面率宽松区(9%)的排涝进程。高水面率条件下，依靠调蓄能力强的优势，(工况Ⅵ)可以将泵站前池最高水位控制在17.71 m, 避免对市政排水系统的影响；但是，由于设计排涝流量过小，到3日末，泵站前池水位还是17.16 m, 不能腾空调蓄库容，不利于下一场暴雨的应对。当排涝能力小幅提升后，工况Ⅶ即可将泵站前池最高水位控制到17.62 m; 至3日末，水位进一步降至16.66 m, 基本完成调蓄库容腾空任务，不会影响到后续标准内暴雨的应对。可以看出，当蓄涝水面率处于“宽松区”时，强大的调蓄能力，不仅应对短历时强降雨的能力强，而且可以让排涝机组在整场暴雨期间保持持续出力，机组利用率较高；但需要考虑腾空调蓄库容所需要的时间，调整“排蓄比”,克服泵站外排能力偏弱的缺陷，提升区域应对长历时连续强降雨冲击的能力。

3 结果讨论

3.1 蓄涝水面率分区的治涝特点

沙井电排区的蓄涝水面率分区计算与内涝防治效果模拟表明：

“紧张区”适应超短历时强降雨的能力较差，宜采用3 h的暴雨成果，按“3 h暴雨3 h排至设计最高调蓄水位”来计算排涝流量，以提升区域外排能力。但是，单纯靠提升外排能力来改善区域排涝水平的代价还是很高；而且不能完全应对超短历时的强降雨。还需要挖掘用地潜力，通过“渗、滞、蓄”的共同作用实现源头减排；同时，在终端扩大调蓄库容，设法提升蓄涝水面率，增加排涝系统工程应对短历时强降雨的弹性。

“宽松区”调蓄条件优越，设计排涝流量相对较小；只需要复核长历时持续暴雨的应对能力。可按照“长历时暴雨等时段内完全排除(不考虑过程中的调蓄)”的原则计算设计排涝流量；并根据当地的经济条件与内涝的耐受能力，选择合理的区域允许最大排涝时长tmax。超短历时受淹指标等于零，应对短历时强降雨的能力强；排涝流量效率指标均等于1,强大的调蓄能力，可以让排涝机组在整场暴雨期间保持持续出力；蓄涝水深弹性指标随着水面率提高而增大，“竖向空间”弹性越大，应对超标准或者连续暴雨冲击的能力更强。

“适宜区”介于两者之间，设计排涝流量随着蓄涝水面率和暴雨历时增大而减小。要结合不同暴雨历时下排涝流量需求的快速计算，确定合适的设计暴雨历时(6～12 h)。降低暴雨历时，可以增加设计排涝流量；但幅度不大，而且可以有效提高超短历时强降雨的应对能力，提升区域治涝水平的代价也相对经济。有条件的区域，可以适当开展源头减排，提升超标准暴雨的应对效果。

3.2 蓄涝水面率分区的影响因素

如前所述，我国幅员辽阔，各地暴雨特征、区域涝水特性差异较大，不同区域对涝水的耐受程度也不一样；应当综合考虑这些因素，设定适合本地禀赋的分区阈值。主要时段暴雨累积量、径流系数直接影响区域净雨量，其差异显然影响到分区结果；此外，“城市的最大允许排涝时长tmax”“允许调蓄水深h允”等参数发生变化时，区域蓄涝需求与分区阈值也会发生相应的变化。

3.2.1 最大排涝时长tmax对分区阈值的影响分析

当城市蓄涝水面率较高时，良好的调蓄能力容易造成设计排涝流量偏小的问题；区域允许的最大排涝时长tmax决定了设计排水流量的大小。假若区域对涝水的耐受程度降低，即tmax减小，设计排涝流量增加，对调蓄水面率的需求会相应降低，从而造成“适宜区”上边界的减小。

例如，前文案例中tmax为72 h, 得出的区域蓄涝水面率的适宜区为[4,7]。在其它条件不变的情况下，如果将tmax设为48 h, 即“2日暴雨2日排净”,得出区域蓄涝水面率的适宜区为[4,6](见表6)。

3.2.2 允许调蓄水深h允对分区阈值的影响分析

当城市竖向空间更加紧凑，能够提供给蓄涝水体的竖向波动空间减小，即允许调蓄水深h允减小，对调蓄水面的要求必然提高，从而造成“适宜区”上、下边界同时增加。

例如，前文案例中沙井电排区的h允为1.5 m, 得出区域蓄涝水面率的适宜区为[4,7]。如果在其它条件不变的情况下，将h允设为1 m, 得出区域蓄涝水面率的适宜区为[6,11](见表7)。

由此可见，允许调蓄水深h允对分区阈值的影响很大；沙井电排区属于南方丰水区，当h允为1 m时，蓄涝水面率的适宜区为[6,11],与《治涝标准》的建议“不宜小于8%～12%”较为接近；但是，当h允增加到1.5 m时，其适宜区下调为[4,7],则与标准的建议值相差较远。

3.2.3 设计暴雨雨型对分区阈值的影响分析

改进的“平均排除法”本质上还是基于“时段累积雨量”进行相关设计指标计算，排涝流量、调蓄水深等设计参数的计算结果只取决于当地的时段暴雨量统计分析成果，而与暴雨的时程分布无关；基于这些计算成果的蓄涝水面率分区指标与阈值的计算成果，亦只取决于“时段累积雨量”。

[23] 唐明，许文斌，周涵杰，等.基于关键参数耦合效应的城市排涝设计方法[J/OL].(2021-2-26) [2021-8-2].水资源保护，
https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1356.tv.20210226.1043.002.html.TANG Ming,XU Wenbin,ZHOU Hanjie,et al.Method of urban drainage design based on the coupling effect of key parameters[J/OL].(2021-2-26) [2021-8-2].Water Resources Protection,
https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1356.tv.20210226.1043.002.html.

3.3 蓄涝水面率分区的适用范围与研究展望

3.3.1 蓄涝水面率分区方法的适用范围

不论是基于关键参数耦合效应的城市排涝设计，还是蓄涝水面率分区指标计算，都依赖于当地完备的暴雨资料，需要水文气象部门提供较长系列的不同历时雨量监测数据或统计成果。因此，本方法并不适应于暴雨资料短缺地区。

3.3.2 蓄涝水面率分区方法的局限与研究展望

4 结 论

(1)城市雨洪调节设施不断增加，“调蓄”超出了“自然水体”范畴；不同自然水体与调蓄设施的实际调蓄水深差异较大；同时，由于部分水体与调蓄设施缺乏必要的控制工程，无法在暴雨期间根据排涝调度进行适时的雨洪蓄积与排放，从而影响城市治涝效果。基于“等效蓄涝面积”的核算方法能够更加客观地量化城市“蓄涝水面率”。

(2)蓄涝水面率分区方法，简明有效，便于评价区域蓄涝能力，选择内涝治理方案的优化方向。处在“紧张区”,要着力解决“短历时集中强降雨”的应对问题，尽可能解决排涝进程中超蓄带来的“竖向约束”问题。处在“宽松区”,要着力解决“长历时连续强降雨问题”,尽可能在设定的时间段内腾出所有的调蓄库容，以迎接后续可能的暴雨袭击。

(3)每个城市的暴雨特性、下垫面特点、区域内涝耐受能力都不相同；不同排涝区域对蓄涝水面率的需求不相同，其相应的分区阈值也不一样。每个城市都可以根据当地暴雨统计成果、地区综合径流系数、允许最大排涝时长、允许调蓄水深等因素，确定符合当地条件的蓄涝水面率分区阈值；从而判定现有蓄涝水面率适宜程度，有针对性地选择相应的城市内涝防治策略。

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水利水电技术（中英文）

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