1. 引言
就我国当前国情来说，我们正处于城市建设高速发展的时期，城市化的进程导致了不透水面层大幅增加，同时，由于排水管网系统老旧问题缺乏有效管理，我国大部分城市在内涝防治方面的设施及系统管理方面都存在一定程度的不足。近年来，受全球气候变化影响，我国南方城市在汛期经常遭遇暴雨和特大暴雨，由于无法应对这种极端天气带来的内涝事件，对社会经济和人民群众的生命财产造成了巨大的损失，根据《2020水旱灾害公报》相关数据显示，2020年，全国出现1998年以来最严重汛情，28省(自治区、直辖市)发生不同程度洪涝灾害，全国因洪涝共造成7861.5万人次受灾，造成直接经济损失2669.8亿元 [1]。
我国《城镇内涝防治技术规范》GB 51222-2017 [2] 规定，城镇内涝防治系统应包括源头减排、排水管渠和排涝除险等工程性设施，以及应急管理等非工程性措施，并与防洪设施相衔接。这里的描述比较笼统，特别是对于超出管渠设计容量的降雨事件不便管理。欧美发达国家将排水系统分为大小排水系统 [3]，小排水系统(minor drainage system)主要指传统的地下管渠系统，大排水系统(major drainage system)主要用于承担超出地下排水管渠系统承担能力的径流。谢映霞等 [4] 提出在我国探索大排水系统，推进内涝防治。车伍等 [5] 等借鉴国内外经验，提出在我国推行大小排水系统，并做好对相关设施及规范的衔接工作。2008年召开的第11届国际城市排水会议首次提出3PA法 [6]，即结合影响和重现期将降雨事件通过3个点分隔开，并把这三个点作为临界点，达到临界点时将分析内涝防治系统管理方法。在此之后，3PA法在多个国际会议上正式讨论，证实并完善该方法起到的作用。国外学者通过对丹麦、荷兰的深入调研，探讨3PA法在实际决策过程中的可行性 [7]。英国的CIRIA协会 [8] 也在探索3PA法进行跨学科、多功能管理城镇降雨的方式。国内部分学者利用InfoWorks ICM模型研究水力模拟。吴彦成 [9] 等基于InfoWorks ICM模型模拟了陕西省咸阳市排水系统能力，开展了内涝风险评估。叶陈雷 [10] 等基于InfoWorks ICM模型以福州市江北地区及东北部山区为例，对城市水系水文模块与水动力模块进行了耦合模拟，在城市尺度下建立水文水动力学耦合模型，给出一种综合的城市暴雨内涝模拟方法。因此，对国内外在暴雨内涝防治方面的相关经验进行总结，采用更系统的方法管理城镇内涝防治迫在眉睫，本文提出更为具体的“三点四域”法对城镇内涝防治系统展开论述，并通过计算实例进行证明。
2. “三点四域”的分析方法
依托对3PA法的研究，在本研究中，提出基于风险的“三点四域”的全过程雨水管理方法，该方法更为具
Figure 1. Three points four domains approach for exceedance in urban drainage
图1. “三点四域法”管理城市地区雨水示意
体、完善，并具有可视化动态管理的性质。“三点”由风险程度和降雨重现期联合确定的临界点基本范围，“四域”将降雨事件分为小型降雨、设计降雨、超标降雨、极端降雨四个区域，在四个区域中通过多功能设施、跨学科协作，达到全过程管理降雨事件及影响的目的。
“三点四域”法基于风险，根据重现期将降雨事件分为四个关键部分，通过更为具体的方法对城镇内涝防治系统进行展开论述，如图1。图中x轴为重现期即降雨量，y轴为降雨事件对安全、经济等方面产生的影响，同时，降雨量或影响不是完全固定在某一点的，因此通过四个区域来表示更能科学合理代表降雨事件的类型及可能产生的影响。
2.1. 小型降雨
“三点四域法”中的域1即小型降雨阶段，在这个过程中起到主要作用的是源头减排设施。
源头减排设施主要指低影响开发理念的设施，其主要模式是将原有城市硬化的下垫面条件改善，以解决只有少部分雨水渗入地面而大部分雨水形成地表径流的问题，同时，做到降雨初期的污染防治。有数据表明，在城市下垫面条件下，雨水有50%形成地表径流，只有10%渗入地下水；而在自然植被下，只有10%的雨水会形成地表径流，有50%的雨水都会渗入地面，由此可见源头减排设施对于雨水防治的意义。
源头减排的主要设施为有渗透设施、转输设施、调蓄设施。渗透设施包含透水路面、绿色屋顶、下凹式绿地、生物滞留设施等。透水路面是指采用透水水泥混凝土、透水沥青或透水砖等透水材料代替原有材料建造的路面，根据城市路面等级的不同需采用不同种类的透水材料。此外，路面下土基渗透系数的大小也会影响透水材料的选取，渗透系数大于1 × 10−6 m/s时应采用全透水材料，否则选取半透水材料。绿色屋顶是指由土壤层、过滤层、排水层、保护层、防水层和找平层自上而下组成的设施。绿色屋顶的设置应考虑建筑物的负荷、景观和当地内涝防治需求等条件，且屋顶坡度不大于15˚，除上述组成外，绿色屋顶还需另设排水管或排水沟等设施。下凹式绿地是指采用入渗率较高的土壤设置在低于周围路面50~250 mm的调蓄绿地。下凹式绿地的设置需考虑设计调蓄量、土壤渗透系数、植物抗淹性能和绿地面积等条件。生物滞留设施的设置应依据汇水面积和控制径流要求来确定。转输设施有植草沟、渗透管渠等，植草沟的设置应考虑汇水面积的分布、性质、径流量等条件，且须符合各向坡度的要求。一般来说植草沟应和下凹式绿地配合设置，以满足城市景观方面的要求。渗透管渠是指进行雨水转输和临时储存的设施。渗透管渠应采用穿孔塑料、无砂混凝土等透水性材料，并每隔一段距离设置检查井。在新建或改建一个地区的基础设施时应考虑设置源头调蓄设施，并优先考虑采用敞开式调蓄设施。调蓄设施的设计应依据当地内涝防治要求、其他源头减排设施的容量以及街道和收纳水体的调蓄能力等。
2.2. 设计降雨
“三点四域法”中的域2即设计降雨阶段，在这个过程中起到主要作用的是设计排水管渠系统。
城镇内涝防治系统中的排水管渠系统由管渠系统和管渠调蓄设施两部分组成。在设计排水管渠系统时不仅要满足排水管渠的设计重现期的标准，还需要与内涝防治系统中的其他部分相协调，满足当地的内涝防治要求。
根据我国《室外排水设计标准》GB50014-2021 [11] 中的要求，各类雨水管渠的设计重现期由表1确定。
Table 1. Recurrence interval for storm sewer design
表1. 雨水管渠设计重现期(年)
目前，我国的排水管渠设计还落后于发达国家和地区。在美国和日本在城镇内涝防治方面投入较大，城镇雨水管渠设计重现期一般采用5年~10年，新加坡则按照排水系统的重要性来进行分类，并计划按照排水系统服务范围的大小来进行分类设定设计标准。
管渠调蓄设施是指用于削减城镇雨水流量峰值的雨水调蓄池，在城镇雨水流量峰值较高时需要设置，其调蓄量应由需削减的峰值确定。管渠调蓄设施的设置应和城市水体、园林绿地、泵站等相关设施相协调，统筹规划，兼顾径流量控制和初期雨水的污染防治两方面。
2.3. 超标降雨
“三点四域法”中的域3即超标降雨阶段，在城市环境中，可以将超标降雨定义为：超过排水系统承载能力的降雨事件。
面对超标降雨，一般有以下几种选择：
一是在城市建设初期设计更大的排水系统或者改造现有的排水系统，使它们超过现有的设计标准，以应对超标降雨。这样会造成很大的经济压力，因为虽然超标降雨的发生频率相对以往有了增加，但在全年中所占比例依然不高，项目的设计施工费用也因此会大幅增长，而且有些时候降雨量仍然会超过设计排水能力。
二是忽略超标降雨，但这对于被内涝甚至洪水影响的人们来说，无论是健康还是物质财产，都会受到巨大的伤害和损失。
三是利用城市的环境特点进行相关城市的规划设计，英国的CIRIA协会对此发布了一系列理论及技术支撑材料。他们鼓励城市采用超标设计来应对超标雨水，即使偶尔可能会在局部区域产生不利影响。超标设计即利用城市道路和停车场等基础设施来引流，可以利用符合条件的道路作为行泄通道，并利用停车场、绿地等开放的空间来暂时储存水。
在以往的城镇排水设计中，我国更倾向于忽视超标降雨这类情况，日常降雨时可以通过设计排水系统排出，但随着土地不透水表面的持续增长，现有排水系统的堵塞增加，人口增长和气候变化等等情况，现有的排水系统将不能够面对超标降雨的情况。因此，结合工程经济和防洪排涝效果来看，在现有排水系统下加入合适的超标设计方案更加经济合理。
英国的CIRIA协会针对城市排水超标提出了系列参考指南 [8]，提倡充分利用开放、共享空间和多功能基础设施以辅助解决城市内涝。涉及措施最多的为行泄通道的设计：改变道路的坡度，使地表径流远离房屋；去除阻碍地表径流的路缘石，让积水能顺利沿着设定路径被引流；设立一个或多个新的草地拦挡，通过植草沟以引导水流远离房屋；增设雨水口，引导地表径流流至草地暂时储存；通过操场临时储水，保护下游的其他建筑免受内涝危害。
如果将道路设置为行泄通道，某些情况下会对道路交通产生一定的不利影响，为了尽可能减少这种不利影响，可以采取以下措施：根据道路情况采取合适的限速，以安全为优先；保证道路在发生超标降雨时才存在水流，设置合适的道路坡度和引流措施确保公路上没有积水，最大程度地降低结冰的风险；在道路旁用提示牌清楚地标明水流位置；在道路水流冲刷处设立植被区，以此保护道路边缘免受侵蚀和冲刷。
总的来说，行泄通道的作用就是将一部分风险不高的路段作为引流路段，将地表水流从高危险区域转移到下凹式绿地、下沉式广场或停车场暂存，延迟径流进入地下管渠的时间，待地下管渠具有排放能力时，再通过雨水口等将地表径流排入地下管渠，及时缓解高风险区域的排水压力，充分利用现有地表及地下管网的排水能力。
我国城市一般只有一套排水系统，面对超标降雨，现有的排水系统在某些区域无法做到及时排水。近年来，不断有城市和地区对超标设计进行探索和实践，国内的超标设计一般采用行泄通道或滞留池的方式，国内相关人员对此已有一定的研究。梁小光等 [12] 探究了道路坡度对路面排水的影响，通过改变道路坡度，将符合改造条件的道路转化为兼具收集和输送路面雨水功能的路面行泄通道，此研究发现通过适当地调整道路纵坡和横坡，即可满足常规降雨时的路面雨水收集需求，又可应对超标降雨时的超标雨水输送需求，并且道路的输水能力远大于管道。许小兰 [13] 等人以延安市新区北区为例，采用InfoWorks ICM模型对延安市排水系统建模，来研究设置行泄通道的可行性和有效性，并对行泄通道周边用地属性给出建议。他们通过多个方案比较发现，设置行泄通道后，无论是在淹没水深、淹没面积还是在直接经济损失的统计上，均有一定程度的改善。
此外，由于超标设计等工程措施主要的问题在于实施难度大，需在城区建设时纳入考虑，仅在城区改造时考虑并改造则花费时间相对较长，超短期内迅速改善城市排水能力十分困难。因此，对于超标降雨的非工程措施的完善十分重要，建立健全水文自动测报系统，科学地调度洪水，加强城市暴雨内涝的预警水平，重点发展暴雨应急响应能力显得尤为迫切。目前主要的非工程措施有排水管网管控平台、城市暴雨防洪预警预报系统、对排水设施定期维护、对市民防洪排涝的宣传教育、完善城市内涝应急处置体系等。
2.4. 极端降雨
“三点四域法”中的域4即极端降雨阶段，一般来说，我们将一段时间的年降雨量进行升序排序，将95%的降雨量数值作为极端降雨事件的阈值，当某站降雨大于该阈值时，就称发生了极端降雨事件。
极端降雨可通过城镇水体、调蓄设施和行泄通道等设施统筹规划，合理确定建设规模，共同发挥作用。城镇水体包括河道、湖泊、池塘和湿地等自然或人工水体，应利用现有城镇水体发挥作用，并根据地理位置、调蓄需求等确定调蓄容量，其中，城镇内河的设计超高应大于0.5 m。受洪、潮水位顶托，自排困难的地区，应设挡洪、潮排涝水闸，并应设泵站排放。调蓄设施中，可设置城镇绿地和广场、隧道调蓄工程等，调蓄设施要结合城镇道路、广场、停车场和滨河空间等周边绿地空间建设，调蓄量的通过比较雨水调蓄工程上下游的流量过程线计算。若设置下沉式广场，要考虑广场构造和功能、安全防护要求等，对于隧道调蓄工程，根据《城镇雨水调蓄工程技术规范》GB 51174 [14] 中有关规定，要综合考虑综合措施、主隧道、出水放空系统、通风设施、控制系统和检修设施等。
面对极端降雨，更多要通过紧急响应和空间规划来减轻影响。
1) 提高对极端降雨的预报能力，扩展消息发布渠道
加大城市气象观测网点密度，结合物联网、云计算等大数据科技手段储存以往降雨数据并从中搜寻规律，以此进一步提高极端天气预报的及时性和准确性。充分利用电视、报纸、广播、短信、大型电子屏等传统媒体和微信、QQ、微博等新媒体手段，保证人们尤其是极端降水高风险区域的居民及时得知灾害预警的内容、级别以及疏散避难信息等。
2) 推广相关应急保护培训，提高民众应急避险能力
政府相关部门要开展极端天气灾害宣传普及活动，各大社区、乡村、学校、企事业单位应积极协助开展灾害应急演练和灾害防御知识宣传普及工作。尤其对于极端天气灾害高发区、人口密集区以及预警信息无法及时传达的农村等地区，要加强极端天气灾害应急演练，提高公众面对极端天气灾害的应急处置与自救互救能力。
3) 加强相关部门应急救援储备力量
政府相关部门要合理分配相关经费，及时充实应急救援储备物资和装备，做到时刻准备。确保救援人员的储备并且要频繁对救援人员进行相关技能培训，避免在救援过程中出现不必要的伤亡。完善城市周边应急救援防护网络，组建互助小组，利用应急救援防护网络及时抽调周边城市进行支援，尽最大可能保证救援力量的充足。
4) 加强城市建设规划的标准，合理规划和布局城市发展结合城市自身特点，修订城市的规划方案，尤其是城市排水系统建设标准的修改。加强城市中低洼路段的排水能力，完善城市径流源头控制系统，修建雨洪拦蓄设施。城市规划要突出防洪排涝的重要性，合理布局城市交通和地区环境，在高价值区域和重点景区修建临时避险场所等。
3. 设计案例
3.1. 设计概况
研究区域为上海某区，区域占地66公顷，地面整体高程水平在4 m左右。简化后的区域雨水管网分布如图2所示，管线总长5.2 km。
Figure 2. Layout of stormwater sewer system
图2. 雨水管网平面概化示意
在InfoWorks ICM模型构建中，首先，构建道路明渠流和管道压力流耦合的水力排涝模型，找出内涝风险区域。接着，基于“三点四域法”针对内涝风险区域，结合区块地势、道路排布、排放口、受纳水体位置，设计行泄通道、绿地、下沉式广场等协同作用的排涝除险设施，建立水力模型。最后，测算内涝风险是否符合规范要求。
当重现期为20年时，研究区域最大积水情况如图3所示，可见积水主要分布在研究区域的南部，积水深度主要处于0~0.5 m之间，当雨量较大时南部的三条主干道的交通将受到较大的影响。
Figure 3. Distribution map of overflow
图3. 研究区域最大积水情况示意
3.2. 设计原理
给研究区域南部的主干道进行编号，如图4所示。通过InfoWorks ICM模型观察区域管网，发现积水主干道B、C、D下的管道排水压力较大，而主干道A下的管道水流较小、排水压力较小，由此基于“三点四域法”对城市雨水控制技术分析的主要思路是：利用路上行泄通道分担主干道B、C、D下管道的排水量；将水流引流至主干道A下的管道；在积水较深的区域(主干道C附近)设置绿地暂时存放道路积水。
Figure 4. Number of main roads and exceedance roads
图4. 区域主干道及行泄通道编号示意
1) 主干道D的西侧设置一条道路1作为行泄通道，分担主干道D下管道的排水任务，将其西侧的水通过地上道路引流至主干道E下的管网；
2) 主干道D的东侧设置一条道路2作为行泄通道，分担主干道D下管道的排水任务，将其东侧的水通过地上道路引流至主干道A末端下的管网；
3) 最南部设置一条贯穿东西的道路3作为行泄通道，将主干道B、C南部的水引流至主干道A下的管网；
4) 设置主干道C北部的绿地下沉储水，将主干道C的积水引流至绿地暂时储存，清除路面积水。
3.3. 效果分析
根据“三点四域”法设计后，20年一遇的重现期下的最大积水深度如图5所示。由图可知，区域的积水情况有了较为明显的改善。三条原本积水较多的主干道的积水范围缩小了，大部分区域的积水深度控制在0.15 m以下。
Figure 5. Distribution map of overflow after planning
图5. 设计后最大积水情况
基于“三点四域法”对研究区域进行城市地区雨水控制技术设计，得出结论：城市道路是城市重要的超标雨水行泄通道，对径流行泄以及路面调蓄均发挥着重要作用，可有效降低城市内涝风险，使超标降雨期间城市地区的洪涝灾害和交通障碍最小化，联合模拟地下排水管网与地表行泄通道协同排水，兼顾绿地、广场等用于调蓄的排涝除险设施及各种海绵设施，可以控制超标雨水，优化完善了排水系统设计，拓展了其内涵。
4. 结语
本文围绕“三点四域”法，围绕城市地区雨水控制技术做了总结，并通过实际案例进行论证。值得一提的是无论是用“大、小排水系统”还是“三点四域”法来综合描述城市的内涝防治系统，在面对降雨时，各个阶段的每项措施都不可能是独立于系统之外单独作用的，而是统筹规划、协同作用的。我国在超标降雨控制技术的探索仍处于基础阶段，随着近几年暴雨内涝发生频率愈加频繁，国家对于城市排水体系的完整愈发重视，相关城市需大胆引进国内外城市管理超标雨水的先进经验，结合自身城市特点，积极探索新措施，好措施。
参考文献