台风影响下内陆地区道路泄流构筑物的优选与管控建议 —以徐州为例

张孝忠¹，张舒¹，韦学玉²

（1.徐州市水利建筑设计研究院，江苏徐州，221000；2.安徽工程大学 建筑工程学院，安徽芜湖，241000）

摘  要：台风及其强降雨造成内陆地区道路水患严重。本文以徐州为例对五种泄流构筑物进行优选，结果发现平行式雨水口对台风引发的强降雨水量控制能力最好，泄流能力最强，是实际工况的最佳选择；透水混凝土随着表面泥膜的生成，泄水能力直线下降；建议平行式雨水口内置可拆卸的一体化截污装置，当降雨结束后，堰上水头低于20cm后人工装回截污挂篮；建议实际工况中在平行式雨水口设置30cm的沉泥槽，且加装流量仪以便动态监控并清理淤堵位置。

关键词：台风；平行式雨水口；水量控制；水质净化

1. 背景

中国是最易受台风影响的国家之一。据统计，全球每年会产生24-30次台风，其中约40%的台风会影响到我国。台风往往伴随着强风和强降雨，其在国内行走路径一般是先在沿海地区登陆后北上内陆。台风影响下，内陆地区内涝频发，“城市看海”对内陆地区现有排水系统和设施带来严峻挑战[1, 2]。

台风影响下道路快速泄流是解决积水问题的唯一路径，而以“渗、蓄、滞、净、用、排”为排水理念的海绵城市在应对台风引发的骤时强降雨问题上效果甚微[3, 4]。

台风影响下城市雨量倍增，排除水患是第一要务。雨水口作为城市排水系统的起点，对水量控制至关重要[5]。笔者认为，考虑到降雨的时空不均匀性和堰上水头的高低，在合理控制水情的前提下，不能忽视恶化水质对终端河流的污染[6]（雨水一般排河）。前人的研究大多针对台风对地表水及水厂水处理的影响[7-9],鲜有笔者站在内陆的角度去分析台风降雨与泄流构筑物之间的联系。

徐州作为内陆地区的代表城市，每年7月至11月平均会受到1-2次台风间接的侵袭，台风过境期间，道路水患频发。因此，有必要研究现状道路泄流构筑物应对台风季节存在问题和针对性地提出解决方案，在缓解水情和控制水质污染的基础上，开展台风影响下雨水口的优选试验并提出管控建议，以期为以徐州为代表且频受台风影响的内陆地提供技术支撑和理论指导。

2.近年来徐州台风情况

表12018-2020年徐州台风情况

从表1可以看出，徐州每年都会间接受到台风侵袭，强风往往伴随着强降雨。风力一般在7-8级，最大降雨强度在90mm/h以上，降雨时长分布在3.5-6h左右，雨水口最大堰上水头最大可达442mm。

3. 泄流构筑物优选试验

3.1模拟试验装置设计和方法

3.1.1模拟试验装置及雨水收集

降雨模拟装置采用泵送模式，利用计量泵控制降雨强度，模拟雨水通过喷水喇叭口送出；下垫面采用混凝土道路，单箅雨水口设计尺寸150mm×90mm，汇水面积控制在60m²（按孔口溢流公式计算所得）；在收到降雨信息以后，根据以往历次台风过境期间出现的降雨强度和降雨时间，推算出模拟降雨所需用水量，富裕水量按1.2倍收集水量计，雨水水质见表2。为确保试验结果的客观性，雨水收集完成后12h内进行试验，并设3组平行试验。

表2收集雨水水质指标

3.1.2试验方法

实际工况中，台风引发的降雨复杂多变。为了减弱降雨强度和降雨时间对试验结果的影响，降雨强度控制在120mm/h；试验模拟降雨持续时间设计为5h，考虑到构筑物泄流能力的强弱，试验持续时间设计为12h，且每隔一定时间取样测量一次堰上水头及出水水质。为了对比不同泄流构筑物排水能力，本试验选用篦面平行式雨水口（篦条平行于水流方向，记作平行式）、篦面垂直式雨水口（篦条垂直于水流方向，记作垂直式）、篦面交叉式雨水口（进水流向与篦条交叉，记作交叉式）、环保雨水口（内置可自行拆卸的一体化截污装置）、透水混凝土等五种泄流构筑物进行降雨模拟试验。

3.2 试验结果

3.2.1泄流构筑物堰上水头（mm）随时间的变化规律

由图1可知，平行式雨水口对堰上水头的综合控制能力最佳，在试验的第7h即降雨结束后2h内将地面雨水排干；透水混凝土构筑物在降雨的前2h堰上水头最低，随后堰上水头直线上升，原因是地面径流携带大量颗粒物附着在透水混凝土表面，阻碍其空隙的进一步泄水；平行式、垂直式、交叉式及环保雨水口在降雨的前3h排水能力相当，堰上水头未出现明显的差异性，3h以后平行式雨水口堰上水头开始逐渐降低，而其它三种雨水口堰上水头仍存在升高的趋势。

3.2.2泄流构筑物泄流量（L/s）随时间的变化规律

图2泄流构筑物泄流量（L/s）随时间的变化规律

由图2可知，平行式和交叉式雨水口分别在7h和9h时泄流量为0mg/L，其余三种构筑物在12h内均未排干地面积水。透水混凝土在降雨开始的3h内泄流量最大，在4h及以后泄流量断崖式下降，原因在于径流雨水含有较多杂质，杂质下沉堵塞透水孔隙致使水量外排能力下降；环保雨水口在截污装置正常工作情况下，泄流能力影响不大，后期颗粒物富集量超过其受纳能力时，泄流量逐渐降低，但其泄流能力依旧是透水混凝土的3倍。

3.2.3泄流构筑物淤泥深度（cm）随时间的变化规律

图3泄流构筑物淤泥深度（cm）随时间的变化规律

由图3可知，五种不同的构筑物淤泥深度在降雨的5h内随时间的增加，深度增加速度较降雨结束后的地面径流携带的泥质导致淤泥升高的速度快，但总体深度都在25cm以下。排水结束后，构筑物内淤泥深度不再增加；5h后透水混凝土淤泥厚度最高且峰值达到24cm。

3.2.4泄流构筑物出水浊度（NTU）随时间的变化规律

图4泄流构筑物出水浊度（NTU）随时间的变化规律

由图4可知，环保雨水口在降雨前三小时内出水浊度可以控制3NTU以下，在4-7h浊度

突变是由于径流雨水携带大量颗粒物将内侧截污挂篮堵塞，致使其截污能力变差；7h以后净流量减小，截污挂篮又部分恢复其截污能力；其次透水混凝土对浊度也具有一定的控制能力；平行式、交叉式、垂直式雨水口对浊度几乎无控制能力。

3.2.5泄流构筑物出水悬浮固体SS（mg/L）随时间的变化规律

图5泄流构筑物出水悬浮固体SS（mg/L）随时间的变化规律

由图5可知，对出水SS控制最好的是环保雨水口其次是透水混凝土，其他三种雨水口不具有去除能力。在环保雨水口截污能力不受影响时，出水值SS在52-73mg/L，约是其他三种雨水口出水SS的1/2；但环保雨水口出水水质易受泄流能力的影响，一旦内部截污装置表层出现泥膜，出水水质会立刻变差。

3.2.6泄流构筑物出水悬浮固体COD（mg/L）随时间的变化规律

由图6可知，在降雨的前3h内，环保雨水口对出水COD具有较高去除率,透水混凝土具有一定的过滤能力，其他三种雨水口对COD无去除效果，出水COD浓度相差不大。环保雨水口截污能力受影响颗粒物富集影响严重，6h出水COD浓度是3h出水COD浓度的8倍。

4. 管控建议

1）台风过境之前: 严密监控台风动态，在预测台风路径大概率登陆徐州，且收到强降雨信息之后，提前将雨水口内截污挂篮移出，并保持雨水口周围畅通。

2）台风过境时：台风带来的降雨特点是短时急促，大量雨水呼啸而至，首先要解决的就是水量的问题。强降雨冲刷周围下垫面，携带大量颗粒物及杂质在雨水口周围堆积，影响雨水口的泄流能力。台风过境时，堰上水头高于100mm时，雨水中携带的颗粒物沉降时间较长，可不清理雨水口；当堰上水头低于100mm时需每隔12h时间疏通井口周围淤泥。建议后续雨水口改造，务必设置沉泥槽，且加装流量仪以便动态监控雨水口流量大小，一旦发现雨水口失去泄流能力，及时清淤排泥恢复其泄洪能力。

3）台风离开后：降雨逐渐较小，堰上水头也逐渐降低。当堰上水头低于20cm后，人工装回截污挂篮，对径流雨水水质进行净化处理。

5. 工程实例

徐州云龙区某道路宽度14-16m, 雨水口间距55-70m，双侧布置,篦条垂直于水流方向，篦面尺寸250mm×450mm，小雨积水大雨内涝；将现状雨水口废弃新建，每隔40m新建一座设计箅面尺寸750mm×450mm平行式雨水口，并设置30cm沉泥槽。2021年7月台风烟花过境，收到降雨信息后取出截污装置降雨持续时间6h，期间雨水口最大堰上水头307mm，槽內沉泥17cm，堰上水头低于20cm以后加装一体化截污装置，出水浊度36NTU，，COD浓度8.2mg/L，SS浓度45.3mg/L，道路在降雨结束后1.5h内泄空地面雨水。

6.结论与建议

1）平行式雨水口在7h内排干地面径流，对台风引发的强降雨水量控制能力最好，泄流能力最强，是实际工况的最佳选择,透水混凝土随着表面泥膜的生成，泄水能力直线下降；

2）环保雨水口对COD、SS去除效果较好，可以净化径流水质；平行式、垂直式及交叉式雨水口对其无处理效果；

3）建议雨水口加装一体化截污挂篮，平时降雨时用来净化水质；极端降雨时，前期可以摘除利于泄流；后期降雨结束当堰上水头低于20cm后，人工装回截污挂篮，对径流雨水水质进行净化处理；

4）五种构筑物淤泥深度均在25cm以下，建议在实际工况中雨水口设置30cm的沉泥槽；且连接管内加装流量仪以便第一时间找到淤堵位置。

参考文献

 [1]宋培青, 提升浙江瑞安市水旱灾害防御能力的思考. 中国防汛抗旱, 2021. 31(05): 第59-62页.

[2]王科, 1521号台风“杜鹃”生成阶段中尺度对流系统和降水演变特征. 大气科学, 2021. 45(01): 第73-87页.

[3]楼诚, 城市道路海绵城市设计的建设效果评价及设计优化. 中国给水排水, 2021. 37(02): 第49-55页.

[4]李俊奇, 海绵城市径流雨水水质监测研究. 给水排水, 2021. 57(06): 第68-74页.

[5]王盈盈, 现状道路下空间集约型排水系统设计. 给水排水, 2021. 57(07): 第108-111页.

[6]黄国如, 赵晓莺, 低影响开发措施对雨水径流的控制效应. 水资源保护, 2021. 37(04): 第29-36页.

[7]张孝忠, 台风引发的底泥扰动对水源水质的影响及保护建议. 中国给水排水, 2019. 35(03): 第50-60页.

[8]周正协, 台风导致的水库原水水质突变及其应对措施. 中国给水排水, 2018. 34(15): 第35-38页.

[9]杨青青, 基于降雨情景模拟的城市社区尺度暴雨内涝研究, 2020, 安徽师范大学. 第 81-85页.

作者简介：张孝忠（1992-），男，江苏徐州，硕士，助理工程师，城市给排水及水处理领域。联系电话：15205196605，邮箱：1403691909@qq.com，通讯地址：徐州铜山区千禧城