城市排水系统设计中的洪水防治与水质管理优化

近年来，全球气候变化与城市化进程相互叠加，使城市面临越来越频繁和剧烈的极端降水事件。在城市建设密度不断提高、不透水地表面积迅速扩张的背景下，原有排水系统的承载能力逐渐失衡，洪涝问题呈现出范围扩大、频次上升、影响加剧等趋势。同时，雨水作为城市非点源污染的重要载体，在降雨过程中夹带大量污染物，未经处理直接排入水体，成为水质退化的重要因素之一。传统排水系统多以“快排”为主导，忽视了雨水调蓄、水质净化和生态保护的复合功能，亟需从设计理念到技术手段的全面更新。在这样的背景下，构建集防洪减灾与水质改善于一体的城市排水系统，已成为实现城市可持续发展与生态安全的重要议题。

一、城市排水系统中的洪水防治策略

（一）城市洪涝问题的成因分析

当前城市洪涝频发的根本原因在于城市化发展对自然水文过程的扰动。从空间结构来看，大量天然下垫面被混凝土、沥青等不透水材料替代，导致雨水下渗能力显著降低，地表径流系数由自然状态下的0.2～0.3 提升至0.7 甚至更高，造成地表径流量显著增加。此外，老旧城市排水管网普遍存在容量不足、布设不合理等问题，极端强降雨时无法及时排出积水。气候变化进一步加剧了短历时、高强度降雨事件的发生概率，使城市排涝系统面临更大挑战，出现“逢雨必涝”的被动局面。

（二）传统排水设计的局限性

传统排水设计主要以重力流和“快排快导”为原则，目标是迅速将地表径流通过管道排入附近水体，基本不考虑蓄水调节、渗透补给等生态功能 [1]。这种“工程硬质化”手段短期内虽然可以缓解局部内涝，但从长远看加剧了下游排水压力与水体污染问题。同时，由于缺乏分区控制与动态调度，系统整体调蓄能力较差，极端天气下容易出现系统性溃败。传统设计还忽视了系统的弹性与可持续性，难以适应未来不断变化的降雨模式与城市发展需求。

（三）洪水防治的系统性设计理念

现代城市排水系统设计更加强调全过程、多层次的综合防控。所谓“源头—过程—末端”三级调控体系，要求在雨水产生初期即实施源头控制，如透水铺装、雨水花园、生物滞留带等减少径流生成量；过程控制主要依赖调蓄池、下沉绿地等设施实现雨水的临时储存与缓释排放；末端控制则依靠河道整治、泵站提排、闸门调度等工程保障排水通畅。此外，“低影响开发”（LID）与“海绵城市”理念的融合，将生态系统作为排水基础设施的重要组成部分，使排水系统在具备防洪能力的同时，也具备生态修复、景观提升等多元功能。

（四）关键工程措施与技术路径

1、雨水调蓄与滞洪设施建设：设置地下调蓄池（如箱涵式雨水调蓄池）、雨水蓄水槽、生态调蓄塘等，是应对峰值流量的重要手段。调蓄池设计需考虑年径流总量控制率（如 85% ），并结合重现期5～10 年的暴雨强度进行校核。

2、透水铺装与绿色屋顶系统：透水混凝土、透水砖、嵌草砖等材料可显著降低地表径流系数。绿色屋顶可截留约 30～70% 的降水量，利用人工基质与耐旱植物进行雨水调节，对高密度建成区的源头控制效果显著。

3、下沉式绿地与生物滞留带：利用地形设置微地形洼地，配置植物根系发达的乡土植被，实现雨水暂存、过滤和渗透。典型生物滞留系统包括预处理区（砾石层）、滞留区（土壤 + 植物）、排水管道系统三部分，设计需满足 ¹ 小时降雨量下不溢流。

4、智能排水调度系统：通过布设在线水位计、流量计、气象雷达等感知节点，结合 SCADA 系统与雨洪调度模型，实现对排水管网实时运行状态的监控与调度优化。在荷兰、丹麦等国家已广泛应用“动态排水控制”（DDC）模式，有效提升排水系统弹性。

（五）典型案例分析

以某高密度片区改造工程为例，项目采用 LID 措施与地下调蓄设施结合模式，在总面积 2.1km² 区域内布设了 12 个地下调蓄池、23 处透水广场与约 5，000 m² 的绿色屋顶。降雨期间，通过实时调度系统对不同子系统流量进行引导与控制，系统总体径流削减率达62%，最大流量削峰比达到 45% ，实现了百年一遇暴雨条件下的“雨水不外排”，有效缓解了片区内涝问题，工程经验具有较强的可复

制性。

二、城市排水过程中的水质管理优化

（一）排水系统与水质污染的关系

城市排水系统不仅是防洪设施，也是水质传输的重要介质。在混合排水制中，初期雨水会夹带大量污染物，包括街面沉积物、汽车尾气残留、油污、有机垃圾等，形成高浓度、短历时的污染波峰，常在降雨前30～60 分钟达到污染物浓度峰值（“First Flush”效应）。若未进行初期截流处理，直接排入河道将造成严重的水质突变，尤其在水体自净能力较低的城市内河中更为突出。

（二）排水过程中的主要污染物种类

雨水径流中常见污染物包括 COD（化学需氧量）、SS（悬浮物）、TN（总氮）、TP（总磷）及重金属（如Zn、Pb、Cu）。其中，COD 浓度在初期可达 100300mg/L ，远超地表水 V 类标准；SS 含量可达 200400mg/L ，对河道造成严重泥沙淤积；重金属来自交通与工业活动沉积物，对水生生物具有蓄积毒性。因雨水污染物分布具有显著的时间与空间非均匀性，管理难度大。

（三）现有水质管理模式问题

目前多数城市尚未实现雨污分流或雨水净化设施配套建设，部分初期污染雨水甚至与污水混排。此外，水质监测多依赖人工采样，缺乏连续性与预警能力，致使污染事件响应滞后。在规划层面，缺乏对雨水污染源的系统识别与治理体系，导致控制措施碎片化，污染物削减效率低，无法支撑水环境质量改善目标。

（四）优化水质管理的系统策略

1、初期雨水截流与预处理

城市初期降雨中汇集了大量地表污染物，包括道路积尘、机动车油渍、生活垃圾残留等。由于初期降雨径流中污染物浓度极高，通常在前 5 毫米降雨中就可携带超过 70% 的污染负荷，因此对其进行就地收集与预处理至关重要。在实际工程中，常通过设置雨水截流井或侧向截流管，在管网入河口处提前截留首波污染雨水[2]。随后，通过沉砂池沉降大颗粒悬浮物，利用三相分离原理的油水分离器处理含油径流，有效去除颗粒物与轻质有机物。以某快速路排水口改造工程为例，通过设置一体化初期雨水处理设备，处理能力达每小时 30 立方米，COD 和 5S 平均去除率分别达 60% 和 75% ，显著改善了流入河道的水质。

2、生态过滤与净化系统建设

与传统的管网排放方式相比，生态过滤系统不仅具有良好的污染物去除能力，还具备较强的景观与生态附加值。常见的设施包括生物滞留池、人工湿地与植被沟等。这些设施结构上一般包括集水区、过滤层（如砂砾混合层）、植被层以及底部排水管。净化机制综合利用物理沉降（去除SS）、生物吸附（吸附重金属与有机物）、以及微生物代谢（降解有机污染）等多种路径。以某公园雨水利用项目为例，建设了面积为 3200 m² 的表流人工湿地，设置多级植物过滤区段，运行后 TP 平均削减率达 65% ，COD 削减率为 55% ，不仅提高了雨水利用率，还大大改善了公园水景区的水质环境。

3、智能水质监控与调度

传统的水质监测方式多依赖人工定点取样，效率低且滞后性强，难以应对城市雨水污染的突发性与动态变化。现代智能监控系统则基于物联网（IoT）技术，集成传感器、数据采集、无线传输与数据处理系统，实现全天候、实时动态监控。关键监测设备包括紫外光在线 COD 分析仪、电导率 / 浊度复合传感器、在线 pH 与氨氮分析仪等，辅以流速雷达、雨量监测仪形成完整的预警链。以某市中心城区雨水监测网络为例，该系统在 10 余处雨水出水口布设多参数在线水质监测终端，配套数据分析平台与自动控制闸门，一旦监测到雨水污染物浓度超过阈值，即启动应急调度，有效避免污染物直接排入河网。

三、城市排水系统设计的综合优化路径

（一）设计理念的系统转型

当前城市排水设计已逐步摆脱“单一快排”的思路，转而向具备渗透性、生态性和弹性调节能力的系统型设计过渡。这一理念转型强调以雨水为资源，通过自然过程的模拟和利用，实现“源头减排—中段调蓄—末端净化”的闭环控制体系[3]。具体体现为“渗、滞、蓄、净、用、排”六字策略，即在城市硬质铺装减少径流的同时增加透水设施（渗），通过绿地、水体延缓径流速度（滞）、设置调蓄池等调控总量（蓄）、利用植物和滤层净化污染物（净）、回用于绿化和冲厕等非饮用途（用），最终合理外排至河道或下游系统（排）。某新兴中等城市在新区开发中将此理念贯穿至规划前期，设定区域年径流总量控制率达到 85% 以上，全面应用透水铺装、人行道绿带下沉系统和屋顶雨水收集系统，实现了自然水文循环的有效恢复。

（二）多目标协同的排水系统规划

城市排水系统的设计已不再是孤立的“市政工程”，而是应服务于城市安全、生态保护和水资源利用的复合目标。其规划过程需要与城市土地使用、水系分布、地形坡度、生态保护区等要素协同配合。流域单元的划分成为设计控制的重要依据，在此基础上引入“灰绿结合”理念：灰色基础设施提供管控能力，如压力管道、排水泵站和溢流调节池；绿色基础设施如雨水花园、生态护坡和草沟等承担自然过滤与缓释功能。在某沿河生态带改造项目中，设计团队在城市主干排水通道沿线布置线性生物滞留带，将地表径流导入草沟系统后再行排放，有效降低了流速，缓解了末端泵站压力，同时河道水质改善显著，达到Ⅳ类水质目标。

（三）数字化与智能化技术集成

随着信息技术的发展，城市排水系统的设计与运营进入“数字化 + 智能化”时代。数字孪生平台能够创建排水系统的虚拟模型，通过实时数据反馈同步更新系统运行状态，实现系统行为的动态仿真与预测；城市信息模型（CIM）提供三维空间整合平台，精确展示地下管网、地表构筑物、绿化设施与水文边界的互动关系；大数据平台则通过收集气象、降雨强度、管道流速、雨水水质等多维数据，借助 SWMM、MIKE URBAN 等模型实现雨洪过程模拟、调蓄容量计算及污染物负荷预测，为科学调度和应急响应提供技术支撑[4]。某南部城市在旧城区雨污改造中部署了 GIS- 模型一体化平台，结合高密度雨量监测数据和流速传感器网络，实现了对15 个排水分区的流量动态监控与阀门联动调度，相较传统调度模式，使积涝点响应时间缩短了 70% 以上，同时提升了整体系统的运行安全性与敏捷性。

（四）制度保障与政策引导

技术进步需要制度引导才能在城市治理中落地生效。城市在优化排水系统时，应建立科学的标准体系，如城市雨水控制率指标、雨水污染削减系数、LID 措施选型与布设规范等，并结合不同城市气候带、降雨类型加以调整。在融资模式方面，可引导社会资本参与，通过公私合营、EPC+O 等模式将设计、建设、运营与维护打包交由具备资质的第三方公司完成，提高系统长期运行质量。社区和公众的参与也不可忽视，通过公众教育、雨水设施志愿维护、信息公开平台建设等手段，提高基层参与度 [5]。在某城市新建工业园区的雨水基础设施建设中，政府提供政策补贴与技术指导，引导企业在园区内自主建设雨水调蓄及净化设施，并签订第三方运行协议。三年内园区年外排径流量减少了 40% ，水体污染事件基本消除，形成了良性互动机制。

总结：城市排水系统在应对极端气候、地表硬化加剧和雨水污染等多重挑战下，其功能定位与设计理念正经历深刻转变。通过构建以“源头减排—过程调蓄—末端控制”为核心的防洪体系，并引入绿色基础设施、生物滞留系统与智能化调度平台，城市在雨洪管理与水质控制方面的整体效能显著提升。本文系统梳理了城市排水系统中洪水防治与水质管理的关键问题，分析了技术路径与工程措施，强调规划、设计、运行、政策多维协同对于系统优化的重要性。通过实际案例的支撑，表明复合型排水系统设计不仅能有效降低积涝风险，还可显著改善水环境质量，增强城市基础设施的安全性与稳定性，为提升城市运行效率与人居环境质量提供有力保障。

参考文献

[1] 麻芳 . 城市老旧排水系统改造与升级策略——以沈阳市区为例 [J]. 建设科技 ，2024，（21）：59-61.

[2] 彭德倩 . 雨水管理城市新学问 [N]. 解放日报 ，2024-11-11（014）.

[3] 邹灿锋 . 城市排水系统规划和设计的优化策略 [J]. 城市建设理论研究 （ 电子版 ），2024，（31）：28-30.

[4] 张文远 . 市政工程排水系统的健康状态评估与维修建议研究 [J]. 地下水 ，2024，46（05）：299-301.

[5] 刘成 ， 尹志超 ， 王君 ， 等 . 老城区排水系统雨污分流改造设计及施工思路探讨——以地势平坦的某县城为例 [J]. 未来城市设计与运营 ，2024，（09）：59-62.