城市排水系统规划与设计研究

一、引言

城市排水系统承担着收集、输送、处理雨污水的重要功能，其规划设计合理性直接影响城市运行安全（内涝造成的年经济损失占 GDP 的 0.3%-0.5% ）与生态环境质量（合流制溢流污染占水体污染负荷的 40%-60%) 。科学的规划设计可使城市内涝防治标准提升至 50 年一遇（当前多数城市为 10-20 年一遇），污水处理率提高至 95% 以上，雨水资源利用率提升 30% 。传统排水系统以 “快速排除” 为核心，忽视生态循环与系统韧性，在极端天气频发背景下，内涝积水深度超 50cm 的路段占比达 25% 。随着海绵城市建设推进，排水系统规划设计向 “源头减排、过程控制、末端治理” 协同模式转型，对提升城市宜居性、应对气候变化具有重要意义。

二、城市排水系统规划与设计的现状与挑战

2.1 现状特征

规划体系完善： 80% 的城市完成排水专项规划，覆盖管网布局、污水处理厂选址等内容，规划期限与城市总体规划衔接率达 90% 。

技术应用深化： 60% 的新建城区采用雨污分流制（分流率 ⩾85% ）， 40% 的项目引入 SWMM 等模型进行水力模拟（模拟精度 ±10% ），排水能力预测科学性提升。

设施逐步升级：污水处理厂排放标准提升至一级 A（覆盖率 ⩾70% ），雨水管网设计重现期提高至 3-5 年一遇，较十年前提升 50% 。

2.2 主要挑战

系统韧性不足：应对 50 年一遇暴雨时， 70% 的老城区管网超载（流速超设计值 20% ），内涝积水消退时间超 2 小时，恢复能力薄弱。

雨污混流普遍：建成区合流制管网占比超 40% ，雨季溢流频次每月 3-5 次，污染负荷超出水体纳污能力 20%-30% 。

规划衔接不畅：排水规划与道路、绿地等专项规划衔接率仅 60% ，导致海绵设施（如植草沟）建设空间不足，源头减排效果打折扣。

维护管理滞后：管网淤积率超 30% （过流能力下降 20%-30% ），智慧监测覆盖率不足 20% ，故障定位时间超 12 小时，影响系统效能。

三、城市排水系统规划与设计的核心原则

3.1 生态优先原则

源头减排：规划中预留 30% 以上的透水地面（渗透系数 ⩾1×10^-4m/s ），雨水花园、下凹式绿地等设施覆盖率 ⩾20% ，削减洪峰流量 40% 。

循环利用：设计雨水收集回用系统（回用率 ⩾15% ），处理后水质满足绿化、冲厕等杂用水标准（ COD⩽50mg/L ），减少自来水消耗。

3.2 韧性保障原则

标准分级：按区域重要性差异化设计（核心区 50 年一遇、一般区 30 年一遇），管网预留 20% 的过流能力冗余，应对极端天气。

系统联动：构建 “源头 - 管网 - 泵站 - 受纳水体” 协同体系，泵站抽排能力与管网输送能力匹配度 ⩾90% ，避免瓶颈效应。

3.3 协同融合原则

多规合一：排水规划与城市更新、防洪规划等衔接（衔接率 ⩾80% ），道路红线内同步预留管网与海绵设施空间（宽度 ⩾1.5m ）。

全周期考量：设计寿命按 50 年标准（管网材质选用球墨铸铁或 HDPE），预留智慧监测接口（覆盖率 100% ），降低后期改造成本。

四、城市排水系统规划的关键要点

4.1 布局规划

管网系统：新建城区严格实行雨污分流（分流率 100% ），老城区改造分流率 ⩾70% ，管网密度按人口密度 1.5-2.0km/km² 配置。

设施选址：污水处理厂选址位于城市下风向（距离居民区 ⩾500m ），泵站服务半径控制在 1-2km （扬程匹配管网坡度），减少能耗。

4.2 标准确定

设计重现期：商业区、交通枢纽采用 5-10 年一遇（暴雨强度公式重现期），普通居住区 3-5 年一遇，特殊区域（如地铁出入口）提升至 10-20 年一遇。

排放标准：污水处理厂出水 COD⩽50mg/L 、 NH3-N⩽5mg/L ，雨水排放口 SS⩽30mg/L ，满足受纳水体功能要求。

4.3 海绵设施融入

源头设施：建筑与小区内设置透水铺装（面积占比 ⩾50% ）、雨水桶（收集效率 ⩾80% ），削减地块雨水径流系数至 0.5 以下。

过程控制：道路两侧设置植草沟（深度 0.3-0.5m ）、渗井（渗透速率 ⩾5m/ d），对管网收集的雨水进行预处理（SS 去除率 ⩾40% ）。

五、城市排水系统设计的关键技术

5.1 管网水力设计

管径计算：采用曼宁公式（粗糙系数 n=0.013-0.014 ），充满度控制在 0.7-0.8（重力流），流速维持在 0.6-3.0m/s （避免淤积与冲刷）。

节点优化：检查井采用流槽式（水力损失减少 30% ），管道转弯角度⩾90^∘ °，跌水井落差控制在 1-2m （减少冲击）。

5.2 污水处理工艺设计

生化处理：采用 A²/O 、MBR 等工艺（COD 去除率 ⩾90% ），脱氮除磷效率分别达 85% 、 90% ，适应水质波动（进水 COD 波动 ±30% ）。

污泥处置：污泥含水率降至 60% 以下（采用板框压滤），优先进行资源化利用（如制有机肥，重金属含量 ⩽100mg/kg ）。

5.3 智慧系统设计

监测感知：在管网关键节点布设流量计（精度 ±5% ）、液位计（误差⩽2cm ），数据采集频率≥1 次 / 5 分钟，异常情况实时报警。

调度平台：构建水力模型与 GIS 结合的管控系统，暴雨时可动态调整泵站运行（响应时间 ⩽10 分钟），优化排水路径。

六、结论

城市排水系统规划与设计通过生态优先、韧性保障的原则与技术创新，可使内涝发生率降低 60% 、水体污染负荷削减 50% ，显著提升城市水安全水平。当前存在的系统韧性不足、协同不畅等问题，可通过数字化规划（BIM+GIS）与智慧监测技术解决。未来，随着海绵城市全域推广（2030 年覆盖率 ⩾80% ）与数字孪生技术（模拟误差 <5% ）的应用，排水系统将向 “源头减排主导、管网高效输送、智慧精准调度” 的韧性系统演进，为应对气候变化、建设宜居城市提供核心支撑。

参考文献

[1] 李胜 . 绿色环保城市建设中的给水排水系统规划与设计研究 [C]//2025工程技术与材料应用学术交流会论文集. 2025:1-3.

[2] 李红瑛 . 城市雨水排水系统规划与设计研究 [J]. 城市建设理论研究（电子版）,2013(14).

[3] 陈宏韬 . 城市排水系统规划与排水管网设计研究 [J]. 城市建设理论研究（电子版）,2011(25).