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> 北极星水处理网消息:简介:合理划分排水区域是海绵城市建设的一项重要基础工作。进一步梳理了排水分区的定义，简要分析和总结了排水分区在美国城市雨水管理和中国海绵城市建设中的重要作用。阐述了流域分区的划分方法，包括基础数据分析和现场调查、流域分区的主要分类、流域分区边界的确定、流域分区精度的讨论、流域分区的连通性分析。分析了不同情况下涉及的相关问题。
以建设现代城市暴雨洪水管理系统为核心的海绵城市建设正在全国范围内积极推进。重点解决城市洪水、径流污染、混合溢流污染等城市雨水和水环境的综合问题。必须建立包括源头控制、排水管、超标雨水径流控制等在内的综合系统。协调污水和水利防洪系统的连接。在实践中，区域洪涝、黑臭水体边界条件的确定、区域雨水径流综合管理控制系统方案的制定以及海绵城市建设效果的评价都需要在排水分区的基础上进行。因此，考虑到不同城市和地区的不同情况，合理划定排水区域对海绵城市建设的有序进行具有重要意义。
本文讨论的排水分区主要针对海绵城市建设的重点城市雨水排水系统和合流制排水系统。
1排水区的定义
“排水分区”一词常用于城市市政和住宅排水系统的规划和设计。主要指雨水径流沿地表和排水管相对独立地收集和排放的区域。然而，从突出地形和地貌对雨水集蓄过程的影响和突出某一设施的服务范围的角度来看，如为超标的雨水径流控制系统和生物滞留等源头设计减排设施，这通常被称为集蓄分区。因此，排水区和集水区的名称之间的差异是由于它们的强调角度不同。然而，在实际工作中，往往需要考虑不同条件下雨水径流的收集和排放过程。排水区和集水区之间没有严格的界限。在本文中，它们统称为排水区。
在英语中，流域、集水区和盆地都可以用来表示排水/集水区，它们通常可以互操作，没有严格的区别。此外，下水道在一些设计手册中被用来表示由排水网络覆盖的城市排水区域。
对于自然水文过程，从降雨的发生到径流的形成和收集，主要分为三个阶段:填挖、入渗、产汇流、入渗和蒸发。地形和水系格局是影响自然水文过程的主要因素，也是自然不发达地区和少管少渠地区划分流域的主要依据。城市建设将在一定程度上改变原有的自然地形和水系，城市基础设施如建筑物、道路网和排水管网的建设将改变天然径流汇流过程，如图1所示。因此，根据城市建筑面积，有必要根据城市雨水径流沿地表和管沟的实际排水路径划分排水区域。具体划分方法见下文。
图1城市发展前后地表水流过程示意图
2基于排水分区控制的美国城市雨水管理
2.1雨水系统排水许可系统排水分区要求
美国的NPDES(国家波兰消除系统)系统基于《清洁水法》的要求，是在国家一级制定的水污染控制污染物排放许可系统。2007年，美国环保局发布了基于流域视角的NPDES技术指南和实施指南，旨在分析流域点源和非点源污染物的排放，并制定相应的控制策略。
城市雨水系统独立雨水管系统(MS4)城市雨水系统许可证是NPDES雨水系统的重要组成部分，在此基础上对区域雨水径流进行综合管理。申请人必须在申请许可前制定相应的雨水管理计划。该计划的主要内容包括公众参与和教育、非法污染物排放的监督和控制、新建和改建项目中的雨水径流控制、后期维护管理、监测和评估等。
其中，根据区域排水口、管网、水系等相关数据绘制最新区域雨水系统图(MS4地图)。结合现场踏勘是雨水管理计划中明确要求的一项重要内容。在雨水系统图中，需要明确雨水系统排水口的位置、相应的排水分区范围、区域内主要的雨水设施，如管道、泵站、蓄水池等相关信息，以及主要的用地类型，并根据区域的建设情况定期更新相关的雨水系统信息。在此基础上，分析各排水区域是否存在管网混联造成的污染物非法排放等问题。根据问题的严重性，确定优先级控制的优先级类别，并制定相应的控制策略。如果排水分区末端的受纳水体被美国环保局认定为受损水体，则有必要在排水分区的基础上进一步制定雨水系统减少暴雨污染计划，以控制雨水系统的污染物排放，满足TMDL计划中受损水体污染物排放的总体要求。
2.2基于排水总体规划中排水分区的径流峰值控制
为了防止城市排水和内涝，美国根据流域管理的理念，在不同地区设立了城市排水和防洪区，旨在对城市排水和洪水问题进行全面管理，制定相关政策和技术手册，并根据地区特点安排相关工程项目。其中，编制区域排水总体规划是一项重要工作，正在许多地区推广和实施。例如，科罗拉多州的城市排水和防洪区根据其管辖范围内的主要水系分为43个主要流域，要求在2016年至2020年的五年内完成所有流域的城市排水总体规划。一个城市的开发建设需要根据其所属流域排水总体规划要求的水系允许径流量，控制上游城市不同流域的最大径流量，并需要在“小区-流域-流域”的不同尺度上建立相应的集中或分散的蓄水设施。控制思想如图2所示。
图2基于“小区-排水分区-流域”的径流峰值控制示意图
3.合理划分排水区域是海绵城市建设和评价的基础
海绵城市建设正在全国积极推进。合理划定排水区域在问题识别、规划控制、施工方案编制、后续监测和效果评价等方面发挥着重要作用。
海绵城市专项规划的编制是科学有序推进海绵城市建设的重要顶层设计工作。住房和建设部与海绵城市建设领域的多位专家共同发表了题为《海绵城市建设顶层设计分析》的论文，阐述了专项规划的具体编制内容和要求。其中，规划说明中明确提出科学划定排水区域，明确垂直控制要求。海绵城市控制区的划定应以排水区为基础，并结合城市控制规划单元进行适当优化，以方便其在规划、建设和管理中的使用。
海绵城市建设规划的制定，旨在构建城市的自然生态格局，需要结合河流、湿地、低洼地、径流路径、排水带、高程、坡度、植被分布、土地利用类型等进行综合分析和确定。排水区是重要因素之一。对于黑臭水体的修复，首先要综合分析污染源。需要掌握水体主要排污口的分布和相应的排水分区，以及分区内管道的排水特性，然后分析各排水分区的点源和非点源污染物排放情况，为后续水体修复方案的制定提供依据。为了防治城市内涝，首先要调查与内涝区相对应的排水区域，以及该区域内的地形和空之间的条件以及管道和运河的运行情况等。，分析积水的原因，进而提出有针对性的排水和防涝技术方案。
合理划分排水分区有利于从流域角度综合分析城市洪涝、黑臭水体等诸多问题，统筹规划流域上下游关系，避免因单一项目或只考虑海绵城市试点建设范围而导致对问题缺乏全面把握，甚至忽视其他更为严重的问题，从而影响建设方案的系统性、科学性和海绵城市的建设效果。
根据海绵城市的建设效果，有必要以排水分区为基本构成，对城市区域的水生态、水资源、水安全、水环境等相关指标进行综合评价。当涉及监测工作时，还应针对重点工程的排水分区、末端排水沟和分区内的受纳水体进行监测和分析，建立覆盖区域、排水分区、工程和设施的综合监测系统。
4排水分区方法分析
排水分区的划分首先需要获得地形、管网等基础数据。，并对关键区域进行现场勘测和数据审查。在此基础上，根据区域具体情况，划分排水分区，确定分区精度和分区边界，分析不同排水分区之间以及排水口与受纳水体之间的连通性。排水分区的总体思路如图3所示。
图3排水分区的总体思路
4.1基础数据分析和现场调查
获得有效数据是合理划分流域的第一步。所需数据主要包括:河湖系统和沟渠的布局、地形和卫星测绘数据、现有雨污水管道系统和主要排污口分布的调查数据、雨污水管网规划、城市土地利用现状和规划等。
然而，实际情况是，许多城市在管网和地形等基础设施的数据收集和管理方面已经很长时间没有到位。他们往往缺乏准确和全面的基础数据，或缺乏近期建设的及时数据更新。再加上城市管网建设和维护管理不到位，导致管网错接、混接、私接现象普遍存在，实际获取的图纸数据与实际施工情况不符，影响排水分区和后续方案设计的准确性和合理性。因此，涉及重要区域的现场调查和数据审查至关重要，必要时还需要对相关关键数据进行补充测量。上述美国雨水排放许可证也明确要求在区域雨水系统梳理过程中进行现场调查，并要求对重点区域的排水出口制定一个出口筛选方案，并出具相应的勘察报告。当前我国海绵城市建设中出现的排水分区不合理、方案设计不当等问题，大多是由于现场踏勘不到位、对场地条件认识不足造成的。
4.2排水分区的主要分类
排水分区的划分主要依据受纳水体的布局和雨水径流的汇流路径。雨水径流的汇流主要分为地表汇流和运河汇流。排水分区的划分根据汇流的不同情况进行相应的分类。
对于无排水管或排水管覆盖率低的区域，分区主要通过结合地形分析雨水径流的地表汇流路径来确定。在管道和运河覆盖面积较大的地区，当降雨时，雨水径流通过地表流入雨水管道和运河进行排放。此时，应通过综合分析地表汇流过程和管渠汇流来划分排水区。根据排水系统，渠道覆盖区域分为分流区、分流混合区和合流区，并根据排水方式的不同进一步分为自排区和强排区。根据配水系统、混合连接和组合系统区域，有必要将雨污水管网系统的布局与污水系统分区相结合，并根据污水截流干管、上游管沟、强制排水泵站等设施的布局划定分区。导流区的划分主要根据末端排污口与上游相应雨水管和强排水泵站的汇流范围来确定。
4.3排水分区边界的确定
结合地形、管道和运河的汇流范围以及城市土地的布局，将分水岭线确定为城市排水分区的边界。山地(斜坡)和丘陵城市的水文模式通常呈现树枝状结构，具有清晰的主流、支流和沟壑等级。这种水文格局的地表汇流过程比较清晰，引水线路也比较明显。平原城市水力坡度小，水系自然分类和分水线不明显。当没有明显的分水线时，考虑以城市主要道路排水主管网的汇水边界为分水线。对于没有管网覆盖或管网较少的城市区域，可以使用ArcGIS和其他工具叠加建筑物、道路和其他地物信息，以详细处理平原城市的DEM数据。通过水文分析工具提取分水线即可确定分水边界，并可根据实际地表汇流情况进行修正。同时，考虑到该区域主要问题的边界条件，如黑臭水体、洪水等主要问题、治理方案及相应的工程布置，对排水分区的边界进行了相应的优化和调整。
应该指出的是，在规划层面，考虑到项目的完整性，避免通过分水来分割地块，便于分区规划和控制，并简化了作为排水区边界的城市道路网的分析。在编制区域系统规划时，根据区域边界周围地块的具体地形和汇流路径，进一步细化和调整排水区域的边界。
在实际工作中，发现不同重现期的降雨，雨水管网的收敛范围和地表径流的收敛路径可能不一致。因此，有必要评估当暴雨事件发生并溢出地下管网系统的排水能力时，雨水径流根据地形形成地表径流通道，导致相邻排水分区之间边界的动态变化。有必要设计相应的排水分区，分别对应排水管道系统和过量雨水径流控制系统。例如，在安徽省池州市岐山大道海绵改造的设计过程中，发现市政雨水主管道共收集了约73hm2的雨水径流，但在暴雨期间，约29.7hm2的客水从上游地块沿地表流入岐山大道。类似的情况也反映在北京许多下沉式立交桥的积水改造案例中，往往是下沉式立交桥积水的重要原因。以北京莲花大桥为例，桥区枯水汇流区原设计为13.6hm2，由于周边施工区和办公区地势较高，暴雨时径流沿地表流入桥区，导致桥区汇流区增加到60hm2以上。因此，有必要根据不同的降雨设计目标分析排水带的边界变化，并对不同系统对应的排水带进行相应的水力计算和方案设计。
4.4排水分区精度的讨论
在实际工作中，根据工程规模和排水分区服务的不同，可分为流域、城市、小区、工程和设施等不同层次的排水分区。例如，在划分城市排水区域的基础上，根据对其中一个区域的详细分析，根据区域内的地形以及干管、支干管和支管的布局，结合区域内的问题和施工条件，可以将该区域的排水区域进一步划分为若干个子排水区域(子排水区域)。对于具体的地块项目，在设计过程中可根据地块的地形和管网等设施的布局划分地块的排水分区。根据不同的项目规模和项目要求，需要进行相应的分析。
在城市规模方面，一方面从合理化公式和模型计算的适用性角度，另一方面从不同城市特征、问题和需求以及建设方案的系统性角度考虑城市排水分区的准确性和分区规模的确定。其中，根据传统推理公式法的适用范围，不同国家有不同的要求。中国在现行《室外排水设计规范》(GB 50014—2006，2016版)中提出该推理公式适用于集水面积不超过2km2的区域。然而，在面积为2km2的区域内，流域进一步细分的精度也会影响模型的推理公式与仿真结果之间的差异。例如，陈艳等人利用推理公式法和数学模型法(InfoWorks model)研究了上海某地区排水系统的设计计算。该地区总面积约为2平方公里。研究结果表明，当流域面积小于0.4km2时，两种方法的差异不显著。当排水面积超过0.4km2时，随着排水面积的增加，差值变大，误差在10%到20%之间。
美国科罗拉多州在其排水手册中建议，每个独立排水分区的面积应小于100英亩(约0.4平方公里)。在此基础上，科罗拉多州丹佛市通过相关研究，发现在同等条件下，当流域分区面积小于90亩(约0.36平方公里)时，传统推理公式法和丹佛当地水文过程线模拟法计算的区域峰值流量结果是一致的。然而，当排水面积超过150英亩(约0.6平方公里)时，两种计算方法的差异将超过10%，并且误差将随着面积的增加而逐渐增大。因此，考虑到不同区域流量计算的一致性和准确性，Denver建议排水区域应小于90英亩且不超过150英亩。
不同的流域划分精度也会对区域水量水质模型的模拟结果产生一定的影响。赵东泉等人发现，在SWMM模拟结果中，排水分区的详细划分会影响坡面径流总量、坡面径流峰值以及峰值出现的时间。潘琴等人以常州市为例，发现在不同的时间尺度下，不同的流域划分精度对水质模拟结果有不同的影响。有必要结合研究区规模、场地特征、模拟目标、建模工作量等综合确定排水分区的划分精度。
此外，流域分区还应关注区域建设条件，包括新城区、旧城区和棚户区的分布，海绵城市建设和改造的适宜性分析，水生态、水环境、水资源和水安全等关键问题的边界条件识别，以及反映源头减排、过程控制和系统治理技术路径的系统方案的整体考虑。此外，中国南方和北方不同城市的特点也应加以考虑。例如，北方许多平原城市几乎没有水系，地势平坦。排水区主要根据管道和渠道的汇流路径划分，区域规模通常较大。在初步划分排水分区的基础上，往往需要根据干管和次干管的布置，结合区域问题和海绵城市建设条件，进一步细分次排水分区。开发了河网城市排水系统。该区域的雨水分散排入附近的城市河湖系统。根据水系布局，单个雨水排水口对应的排水面积通常较小。为避免过度分散，可将问题相同、施工条件相似的相邻排水口对应的排水区域合并为一个排水区域，在规划和方案设计时可作为一个整体考虑。
因此，排水分区的精度和规模没有绝对的固定限制。有必要对排水分区进行合理划分，进一步细分和合并等。结合不同城市和不同项目的具体条件和需求。
4.5排水区的连通性分析
划定城市排水区域后，应进一步分析排水区域的连通性，主要包括不同区域之间的连通性以及排水区域末端排水口与受纳水体之间的连通性。这些都是中国城市排水分区中经常被忽视的重要任务。
对于排水分区之间的连通性，首先检查不同分区是否相对独立，相邻分区之间是否存在重叠或未覆盖区域，并分析分区之间的连接路径。不同的区域可以连接到相同的下游区域(如图4所示的左侧)，但是某个排水区域不能连接到两个下游排水区域(如图4所示的右侧)。通过以上分析，初步验证了城市排水分区的准确性和合理性。其次，如上文4.3所述，当降雨事件发生在不同重现期时，排水带之间的边界可能会发生动态变化，应根据不同的问题和设计降雨量对相应的排水带进行相应的分析。
图4排水区域间连通性分析示意图
排水分区末端排水口与受纳水体的连通性分析主要取决于排水口与受纳水体的距离、垂直和空条件以及区域开发前后排水口的变化，反映了与排水口相对应的上游排水分区向受纳水体排放雨水径流和污染物的量。美国相关设计手册对排污口与受纳水体之间的连通性进行了量化，并将其分为6个等级:0、10%、25%、50%、75%和100%，其中0表示排污口与受纳水体之间的距离大于0+，历史数据表明，从对应排污口的上游排水分区排出的雨水径流在排污口与受纳水体之间的区域受到调节或渗透，未进入受纳水体；100%是指排水口直接与受纳水体相连或通过硬化沟渠相连，排水分区产生的雨水径流全部进入受纳水体；另外四类是指排水口和受纳水体之间有一定的调节关系空。当降雨径流峰值超过统计数据对应的百分位数时，排水分区产生的雨水径流将排入受纳水体。同时，提出了相应的经验算法来计算和评价不同的等级。
通过排水口与受纳水体的连通性分析，结合排水分区的具体情况，可以进一步有效地评价排水分区对受纳水体水量和污染物排放的贡献，从而确定重点和优先控制区域。同时，也为规划设计过程中合理保护和利用排污口与受纳水体之间空和垂直的条件，以及城市蓝绿线的合理划定和蓝绿融合提供了重要依据。
结论
海绵城市建设通过综合系统建设系统控制城市雨水径流，对排水分区的划定提出了新的更高的要求。根据不同城市、不同地区的具体情况，在分析水系、管网、泵站、地形、实地勘测等基础数据的基础上，合理划分城市排水分区。应注意不同降雨条件下不同系统对应的排水分区边界的动态变化，应注意分区末端排水口与受纳水体的连通性分析，为海绵城市建设中的问题识别、方案制定、监测和评价奠定基础。
对海绵城市建设中排水分区相关问题的思考
