极端降雨对城市内涝风险的影响及排水系统优化设计研究

前言

随着城市化进程的不断推进，大量人口向城市涌进，城市建筑物更加密集。城市排水系统作为城市基础设施中重要的组成部分之一，在极端降雨气候背景下面临着极为严峻的挑战。由于城市用地扩张，加之出现强降水天气的频次和雨量不断增加，若城市排水系统规划不合理，则会导致城市发生内涝，给市民生活和财产带来安全隐患。因此，有必要对城市排水系统的优化设计进行深度研究。

一、极端降雨对城市内涝风险的影响

极端降雨显著加剧城市内涝风险，主要表现在以下三方面：其一，极端降雨高强度与短历时的特征导致地表产流过程失控。骤增的雨强峰值远超土壤入渗能力，引发地表径流量急剧上升，汇流时间的压缩进一步促使洪峰提前形成且流量倍增，直接造成城市排水管网系统瞬时超负荷运行，检查井溢流现象普遍发生；其二，显著的空间分布导致淹没范围持续扩张。当降雨核心区与城市低洼地带或地下设施空间重叠时，局部区域积水深度快速抬升，同时排水系统跨区域协同能力的缺失使得受淹范围向非核心区蔓延，关键基础设施功能瘫痪风险显著放大；其三，极端降雨重现期压缩特征从根本上削弱了排水系统恢复能力。远超既有工程设计标准的降雨强度导致管网持续处于满流状态，退水过程大幅延长，使得内涝淹没持续时间从短时性向长期性演变，次生灾害触发概率系统性上升，城市整体韧性面临崩溃风险[1]。

二、城市排水系统现状

（一）设计标准滞后

目前的城市分流制排水系统的设计大多依照历史气候条件下的静态标准，通常是按照以往 30-50 年的降雨量数据来确定指标。由于气候变化使得极端降雨频频发生，这种传统设计显现出严重的滞后性。一方面，多数城市管道仍然沿用 1-5 年一遇强降雨的低标准进行设计，无法满足应对高频次极端降雨需求[2]。另一方面，设计暴雨公式使没有考虑气候变化的因素，且缺乏模拟短历时高强度降雨的能力。由于设计标准的滞后性，使得原本局限于小范围的洪涝灾害逐渐蔓延到大范围区域。

（二）过渡依赖灰色基础排水设施

城市排水系统过于依赖管网和泵站等灰色基础设施设备，主要表现在：第一，无法从源头削减径流量。由于城市硬化地面率过高，使地面原有的渗透能力极大降低，这就意味着几乎全量雨水需通过管网排出，大大增加了排水管网的峰值压力；第二，调蓄池容积和覆盖面积明显不足，无法实现削减洪峰、减缓流量的时空调控；第三，在城市建设中将河道渠化硬化，破坏了自然沟渠生态调节功能和蓄水功能。城市排水仅靠单一的基础设施路径，造成整个排水系统缺乏弹性，加大城市内涝风险。

（三）智能管控缺失

现有的城市排水系统的智能管控体系缺失，主要体现在感知层、分析和操作三个层次。其中感知层中感知设备如雨量计、液位仪分布过于稀疏，缺少对关键节点水流量的监测，无法捕捉实时降雨情形；分析层中水文模型更新迭代较慢，无法获取实时雨情数据，导致预测结果偏离于实际；在操作层，泵站闸门操作环节均以人工控制为主，反应滞后问题凸显。城市排水系统智能管控的缺失，导致城市应对极端降雨危机时处于被动防御状态[3]。

三、城市排水系统的优化路径

（一）构建气候适应型动态设计标准体系

传统排水管道设计标准源于对历史降水数据的静态假设，不能应对新常态下强降雨频发所带来的严峻考验。候适应型动态设计标准的核心创新之处在于将不稳定性气候预测深置到工程设计体系之中。首先是基于全球气候模型以及区域降尺度分析，调整暴雨强度公式中强降雨概率参数，使其能预测未来30\~50 年后的气候变化。其次是构建分级防御体系，在中心城区的地下空间和交通枢纽等敏感易损区域采用“基准重现期 + 气候增量 ∝ ”的双重保障标准，从而大大提升对敏感区域的保障水平 [4]。最后是将绿色基础设施纳入排水系统的容量核算，对低影响设施削弱径流峰值的能力加以量化。气候适应型动态设计标准体系的构建有利于消除因设计标准滞后所带来的内涝风险问题，有效提升城市防范气候不确定性的能力。

（二）推行灰绿蓝多圈层设施协同模式

推行灰绿蓝多圈层设施协同模式能够有效规避城市排水对灰色基础设施单向依赖的弊端。在绿色圈层，通过透水地面覆盖、设置生物滞留池等方式增强地面的渗水与蓄水能力，降低径流峰值。蓝色圈层则主要是对河道生态进行复原，恢复其对水流的天然调蓄功能，减缓洪峰传播并改善水质。灰色圈层需要对基础排水设施进行技术升级，以实现排水管道的智能扩容和分流，扩充积水排放通道。灰绿蓝三层设施的功能联动产生叠加效应，促进城市排水系统发生从防御到响应的转变。

（三）建立数字化智能排水系统管控平台

建设数字化智能城市排水系统监控平台是改善城市排水的重要手段。该平台利用全流程物联监测网络采集管道运行、泵站运行、气候变化等各种信息，构建城市动态数字排水系统。同时，依托大数据中心，平台将地理信息系统（GIS）、建筑信息模型（BIM）以及水动力学模型相结合，实现对排水设施的全方位监控和智能化故障诊断 [5]。建立数字化智能管控平台，利用 AI 算法深度挖掘研判数据，精准预估洪涝灾害和溢流污染发生可能性，并自动生成最优调度方案，如泵站启停、开关闸阀等。

结语

极端降雨易于引发城市内涝风险，在应对风险过程中传统排水系统不可避免的暴露出弊端。该文以极端降雨对城市内涝风险的影响为出发点，指出传统分流制排水系统的现存问题，提出了基于海绵城市的排水系统优化路径，期望通过跨学科的技术融合手段以及全过程管控理念，显著提升城市排水防涝系统韧性，助力构建稳定、可持续的水循环系统。

参考文献：

[1] 李正兆. 应对内涝灾害的城市韧性评估模型及应用[J]. 清华大学学报( 自然科学版 ),2022(02):12-14.

[2] 乔治强 , 邹翠华 , 黄玉林 . 城市排水系统建设存在的问题及措施分析 [J].城市建设理论研究 ( 电子版 ),2024(05):108-110.

[3] 吴传杰 . 提升城市排水系统韧性— 智慧水务与隧道排水改造研究 [J].城市道桥与防洪 ,2025(03):37-39.

[4] 赵宇翔 . 浅谈城市排水设施建设管理存在的问题及对策 [J]. 建筑知识 ,2023,21(09): 29-31.

[5] 陈帅 , 舒启瑞 , 陈小龙 . 城市排水系统智能控制与调度研究 [J]. 给水排水 ,2024(07):81-83.