应对极端降雨的城市排水系统溢流控制策略研究

城市内涝和排水系统溢流问题，近年来已成为城市管理中的突出挑战。随着气候变化趋势加剧，极端降雨事件频发，短时强降雨带来的排水系统负荷大幅增加，使原有排水设施不堪重负。同时，城市化快速发展导致不透水地表面积扩大，天然雨水下渗能力减弱，加剧了雨水汇集速度与体量。溢流现象不仅使城市道路、交通设施受损，还可能造成污水未经处理直接排入河道，对水体生态和公共健康构成威胁。面对这一复杂局面，单一的工程技术手段已难以满足需求，亟需通过基础设施改造、绿色基础设施建设与智慧化管理等多元化手段协同推进，构建更加科学、系统的排水系统溢流控制策略体系。这既是提升城市安全韧性的重要保障，也是实现城市可持续发展的必然要求。

一、城市排水系统溢流现状分析

（一）城市排水系统的构成与功能

现代城市排水系统主要由雨水管网、污水管网、泵站、调蓄设施以及排水出口等组成，形成集收集、输送、储存与排放于一体的综合性基础设施网络。根据排水体制不同，可分为合流制与分流制两类：合流制指雨水与污水混合进入同一管道系统排放，多见于历史较久的城区；分流制则将雨水和污水分别收集与排放，减少污染负荷，是当前新建城区的主流选择。排水系统的核心功能在于将降雨径流迅速收集并有效输送至自然水体或污水处理设施，以保障道路通行、生活秩序与公共安全。然而，传统排水系统的设计普遍依据历史气象资料，设计标准多为重现期 1 至 3 年、降雨强度20 ～ 30 L/s·ha，远低于近年来常见的百年一遇极端降雨强度。加之城市硬化面积比例增加，原有系统的排放能力已难以满足现阶段实际需求。

（二）极端降雨对排水系统的影响

极端降雨主要从以下四个方面对城市排水系统构成明显挑战：首先，短时强降雨强度常远超管网原设计标准，使管道长期处于水力充盈状态，出现倒灌、井盖溢流及雨污混合水外溢等问题[1]。其次，大量雨水夹带污染物迅速进入污水处理系统，极大增加其水量与水质负荷，可能导致处理能力超限，进而发生未经充分处理的污水直接排入河道的情况，影响水环境安全。第三，部分区域因地势低洼或排水系统末端管径不足，积水无法及时排除，易形成内涝，威胁交通安全和居民生活。第四，传统排水系统普遍依赖单一管网输送方式，缺乏雨水调蓄池、截流井等调蓄与分流设施，使得在降雨峰值期间，瞬时径流流量增加 40% 以上时，整体排放效率急剧下降，系统运行稳定性受限。

二、城市排水系统溢流控制策略

（一）排水系统基础设施改造

首先，雨水管网扩容是应对极端降雨的首要措施。传统城市主干排水管径普遍为 DN1200mm ，但实际极端降雨情况下，建议主干管径升级至 DN1800mm 及以上，分流制支管也需根据流域面积及降雨强度重新核算，局部地区可考虑采用箱涵结构以进一步提升流量输送能力。例如某地中心城区，通过主干管由 DN1500mm 扩容至 DN2200mm ，使单位时间排放能力提升约 45% 。同时，应增设雨水调蓄池，推荐单体容量不少于 5000m³ ，根据区域条件选择钢筋混凝土结构或 HDPE 模块组合池体，其中 HDPE 模块具备施工周期短、结构灵活等优势。调蓄池应配置液位监控与自动排放、清淤系统，以实现长期有效运行 [2]。其次，建设截流井与溢流堰，宜设置在合流制系统与分流制系统交汇处或主干管末端，利用高水位自动分流原理有效控制雨污混合水外排。某内陆城市在合流制改造中，通过设置自动溢流堰减少了年均溢流事件 60% 以上。此外，泵站改造同样关键，建议采用双泵并联或多泵变频调速配置，单站设计排涝能力 ⩾0.5m³ ³/s，并结合雷达水位计、水位传感器与 SCADA系统，实现智能启停与远程调度。

（二）绿色基础设施建设

绿色基础设施建设是城市排水系统溢流控制的重要组成部分，其核心理念是通过自然与人工手段协同作用，降低地表径流量，缓解传统管网系统压力。海绵城市理念倡导的关键措施包括透水铺装、绿色屋顶、雨水花园、下沉式绿地等。透水铺装方面，推荐采用树脂混凝土砖或透水沥青铺设，技术要求为透水系数不小于1×10 ⁻ ³ cm/s ，基础结构分为面层、透水层、基层三层，底部配合设置集水槽与过滤系统。在某大型住宅区的人行道改造实践中，采用树脂混凝土透水砖铺设后，实测降雨径流削减率达到 35% 至50% 不等，有效缓解短时降雨带来的排水压力。绿色屋顶方面，推广以草本植物和灌木类植物为主的广泛根系植被系统，并配置厚度 80-150mm 的蓄水层、排水板与无机基质材料。研究表明，该类屋顶可有效吸收 20-30mm 降雨量，尤其适合商业楼宇和工业厂房屋面改造。例如某新区写字楼集群项目中，绿色屋顶覆盖率达到65%，对屋顶径流总量削减效果明显。雨水花园作为另一项重要措施，通常设置为下凹式绿地，种植耐涝耐旱植物，并采用厚度不低于 600mm 的沙质壤土和碎石层作为过滤介质，其降雨截留率可达75% 至 85% 。实际应用中，某城市新区通过大规模布局雨水花园及下凹式绿地，最终实现年径流总量控制率达 85% ，有效减少小流量溢流现象，为区域排水系统减负的同时改善城市生态景观。

（三）智慧排水系统建设

智慧排水系统通过引入物联网、大数据与人工智能技术，实现对城市排水系统的动态监测、预警和调度管理 [3]。系统建设首要步骤是布设监测传感网络，包括水位、流量、雨量等多类传感器，重点布控位置为主要干管、调蓄池进出口、合流溢流点及城市低洼易涝区。传感器数据采集周期不应超过5 分钟，必要区域甚至要求30秒至 1 分钟的高频监测，以确保信息实时性与准确性。例如某城市核心区排水信息平台就布设了超过 3000 个监测节点，基本实现主要排水干线与重点区域的雨水动态全覆盖。其次，系统应具备智能控制功能，通过实时数据分析自动调节泵站启停、闸门开度以及调蓄池排放时序。推荐采用支持向量机（SVM）或长短期记忆神经网络（LSTM）等模型构建溢流预测系统，实测结果显示预测准确率可达到 85% 以上，可提前30 至90 分钟预警。平台还需集成GIS（地理信息系统）功能，将监测与控制信息可视化呈现，便于管理人员直观掌握系统运行状态与风险分布。某沿海城市基于该类系统部署后，能在极端降雨发生前 90 分钟预测主要区域溢流风险，显著缩短应急响应时间，提高应急调度效率。整体来看，智慧排水系统实现了由静态设施管理向动态智能管理的转变，是现代城市排水系统升级的关键趋势之一。

（四）政策与管理措施

在城市排水系统溢流控制中，政策与管理措施与工程建设同样关键。首先，需要根据实际气候变化趋势和城市发展规模，重新审定和完善城市排水系统规划标准。建议将排水设计重现期由原本常用的1～3 年提高至10 年，同时提出明确的年径流总量控制率指标，一般控制在 70% 至 85% 区间。部分城市已在地方性法规中明确提出相关标准，并强制执行。其次，需制定全面的应急预案，包括极端降雨情况下的泵站启用计划、交通管制方案、应急物资储备与调配机制。有效的应急预案还应覆盖公众疏散、停电供水应急切换等方面。与此同时，应鼓励社区与居民积极参与排水系统管理。例如推广家庭雨水收集装置，如雨水桶、简易雨水利用池等设施，既能减轻公共排水系统负荷，又有利于水资源循环利用。部分地区已通过立法要求新建住宅配备雨水收集系统。再次，为保障排水系统建设与运维资金来源，应建立多元化融资机制。一方面，政府应设立专项建设基金，专用于管网改造、调蓄池建设及绿色基础设施推广；另一方面，推广排水服务费制度，将城市排水系统服务费用纳入物业或用水账单。更进一步，可采用政府与社会资本合作模式，吸引社会资本投资。例如某城市已实行双轨制，企业参与建设与管理并获得服务收益分成，有效缓解财政压力，提高项目建设效率与运维水平。以上措施有助于构建更加完善与高效的城市排水管理体系。

三、城市排水系统溢流控制策略的实施效果与展望

（一）实施效果评估方法

排水系统溢流控制效果的评估需结合模拟分析与实测数据双重手段，以确保评估结果全面客观。模拟方面，普遍采用SWMM（Storm Water Management Model）或 MIKE URBAN 等专业模型，进行降雨—径流—溢流全过程仿真。模型参数设置需充分考虑城市管网结构、地面材料类型及土地利用情况，重点校准包括曼宁糙率系数、初期降雨损失量、土地不透水率等关键因子，并通过历史暴雨事件数据进行反推验证 [4]。实测方面，应在主要排水节点、溢流口、调蓄池出入口布设流量计、水位计与水质监测设备，重点监测 COD、SS、氨氮等主要污染指标，分析降雨前后溢流量与污染物浓度变化情况。建议采用 5 分钟或更高频率采样，确保监测数据完整性与时效性。此外，应建立涵盖防涝能力、环境效益、经济投入与社会满意度等维度的综合效益评价体系。例如，防涝能力可通过降雨应对能力和积水时长统计量化，环境效益则通过水体污染物减排量衡量，经济投入需要结合项目建设与维护全周期成本进行核算，而社会满意度可采用问卷调查或用户评价系统进行反馈收集。

近年来，多个城市通过实施综合性排水系统溢流控制措施取得明显成效。典型做法包括：结合大型雨水调蓄池、绿色基础设施与智慧管理平台，形成多层次溢流控制体系。例如某沿海城市新建的大型调蓄池单体容量达 100 万 m³ ³ 以上，结合下游排水泵站实现调蓄 - 排放联动控制，整体溢流削减率达到 98% 以上，同时有效降低了污水处理厂进水污染负荷 15% 左右。调蓄池内部普遍采用分仓式结构与全自动闸门调度系统，提升运行灵活性和维护便利性。此外，部分新建城市新区将绿色与智慧排水系统全面纳入基础设施建设体系，普遍实现雨水利用率超过 40% ，包括绿地灌溉、市政清洁、道路喷洒以及部分工业冷却水回用等多种再利用方式。与传统单一管网排水模式相比，上述措施不仅显著提升了排涝安全水平，也带动了城市水环境质量改善与能源资源综合利用效率提升，展现出明显的综合社会效益与环境效益，同时促进了绿色建筑、低影响开发理念的普及与推广，有助于城市整体可持续发展目标的实现。

（三）未来发展趋势

未来城市排水系统将呈现多功能、复合型发展趋势，逐步由单一排水功能向集雨水利用、生态修复与城市景观功能融合方向转变。一方面，绿色基础设施将更加广泛应用，形成屋顶绿化、道路透水、地下调蓄池、雨水湿地系统一体化布局；另一方面，智慧排水管理将深入融入智慧城市总体架构，排水系统与交通、能源、电力及通讯等其他城市基础设施实现实时数据共享与联动控制[5]。例如，当检测到暴雨来临时，交通信号系统可同步调整，保障排水设施抢修车辆优先通行。此外，考虑气候变暖导致极端降雨事件趋于频繁和强烈，未来排水系统应提前布局更大规模和更高性能的设施储备，如超大容量调蓄系统、区域性滞洪区以及自动化应急响应系统。这些系统将采用全自动水位监测与调度算法，结合人工智能优化控制逻辑，以提升城市整体排水韧性和应急管理水平，最终实现更安全、更绿色、更高效的城市水环境管理目标。

总结：应对极端降雨带来的城市排水系统溢流问题，已成为城市基础设施建设和管理中的重要课题。通过系统分析城市排水系统的构成与运行特点，明确极端降雨带来的具体挑战，本研究提出了包括基础设施改造、绿色基础设施建设、智慧排水系统建设以及政策管理措施在内的多层次综合控制策略。实践证明，单一技术手段难以满足现代城市需求，需结合工程性措施与生态性措施，推进排水系统多功能化、智能化发展。同时，建立科学的评估体系与完善的政策支持机制，对于保障排水系统长期有效运行同样不可或缺。未来，城市排水系统需持续向复合型、韧性型方向升级，以更好适应气候变化趋势，保障城市安全与生态环境质量。

参考文献

[1] 匡发国 ， 巫坚 ， 敖良根 ， 等 . 城镇排水系统溢流监测技术难点及策略研究 [J]. 绿色科技 ，2024，26（08）：134-137+179.

[2] 张文 . 基于动态控制的城市复杂排水系统调度策略优化模拟研究 [D]. 广州大学 ，2022.000654.

[3] 王一茗 ， 马振华 ， 杨萌祺 ， 等 . 机理和数据混合驱动的排 水 系 统 控 制 模 型 构 建 方 法 [J]. 环 境 工 程 ，2022，40（06）：204-211+225.

[4] 张文远 . 基于城市综合流域排水模型的城市排水系统雨水管网改造研究 [J]. 水利规划与设计 ，2024，（12）：21-24+125.

[5] 吴瑜灵 ， 曹雁 ， 张万辉 ， 等 . 智慧排水监管平台构建与监测大数据应用 [J]. 广东土木与建筑 ，2023，30（10）：12-16+55.