城市化急剧增大降雨径流
河流两岸天然的、覆盖着植被或裸露的、渗水性能良好的土地由于建设城市而被不渗水的砖石、混凝土结构的房屋、沥青路面等各种透水性能很差甚至根本不透水的地面所覆盖，使得原本可以被植物吸收，被洼地存贮或直接渗入地下的雨水，被不透水地面所阻隔并集聚成地面径流流入城市的下水道、排水渠继而进入流经城市的河道，增加了河流的降雨径流量。由于城市的急剧发展，当达到所谓城市化的成熟期（按城市人口达到国民总数的70%计算），这时原来城市的下水道已不足以解决城市的排内涝问题，城市产生的雨洪径流也远远超出了原来设计的河道防洪工程承受的能力。这种情形见图1.1所示。
为解决这个问题，借助近代基础数学，水文水力学，计算机的发展，西方资本主义发达国家普遍开发了城市雨水工程和管理工作。所开发的雨水入渗，雨水渗透和雨水贮留工程已成为今天暴雨管理的基本部分之一。以瑞典为例，在水源区普遍采用修建雨水入渗和雨水渗透设施来减缓暴雨径流，80年代初，仅居民户就修建渗透设施14000余个。
1969年美国科罗拉多州首创城市排水和洪水控制街区。70年代后受丹佛出版的“城市暴雨排水手册”的启发，西方许多工业化国家迅速发展了在平房顶上，停车场，储料场等径流发源处或接近发源处的径流贮留，即进行进口控制。并使雨水贮留变为最普遍的一件事，在有条件的地方采用沟，干或湿的池子，混凝土水池或管网贮留。以及下游的管网内和管网外贮留，污水处理厂内的贮留设施和一些特殊的贮留设施等。管网内贮留是用下水管网内的富余容积贮留雨水，管网外贮留指用与管网相连的一些混凝土水池，凹槽，岩洞，地下隧道等设施贮留雨水。并对贮留雨水的水质有了进一步的要求，出现了一些新技术使城市的这些贮留设施能多年保持其功能。
1972年芝加哥城市卫生街区开始在没有下水道和设置分流式下水道的新土地开发区强制性的实施雨水贮留设施，以应付城市化增大的雨水径流。其贮留设施的蓄水方式是各式各样的，有蓄水湖，湿或干的池子，停车场，屋顶或地下（管子，水箱等）蓄水设施。并为解决集水面积971km2的合流式下水道地区的水质和洪水问题，在上游建造了三个大型雨水贮留池（总贮留量1.57亿m3和街区下的一条大型地下河似的雨水贮留管。其管径3-10 m，总长210 m，埋深61-107 m，贮留量1089万m3。整个卫生街区的全部贮留设施的贮留高（贮留水量与流域面积的比，相当于降雨形成的径流深度）是172 mm的，可见其贮留量是相当大的。其中地下贮留管道（也称地下河）的贮留高是11 mm的，介于密沃尔基的地下隧道（贮留高20 mm）与圣弗兰西斯克的地下隧道（贮留高5 mm）之间。
加拿大将雨洪治理规划列入区域规划之中，要求最终的雨洪治理设计须满足经济，环境，美学等多方面的需要。并要求不得改变下游地区的水质，水量平衡。其规划的两个重要部分是采用新型的减缓暴雨洪水及保护水资源环境的控制措施，原则上是利用洼地贮留雨水减缓流量和对新建筑物区域实行零排放增量控制。
日本1965年以后针对因城市化急剧发展围绕河流引起的问题开展了新的河流治理。特别是70年代以来，由于连续遭受三次大的水灾，1974年在多摩川，1975年在石狩川，1976年在长良川，故于1977年6月开始推行“城市综合治水对策”实施了与传统河流治理方法同时开展的雨水贮留，雨水渗透事业并普及警戒避难体制。1987年为避免资产及重要业务机能集中的城市地区因超标准洪水决堤而导致毁灭性损害，又提出超级堤防的措施。日本的综合治水对策为解决城市化增加的雨水径流，既采用传统的工程措施也实施了许多现地贮留，渗透，多目的治水绿地，地下大型贮留池，地下河等新型治水措施。在河道治理方面采用的新设施为增设雨水调节池，多目的游水地，治水绿地等，可使流域恢复在其开发过程中丧失了的保水，游水机能。并减少发生泛滥时的受害损失。采用奖励的办法在诸大河流中大力推进。较有名的雾的丘调节池是利用网球场做的。东京地区的妙正寺调节池是开发较早的，见图2.1。鹤见河治水绿地见图2.2。
图2.1 妙正寺调节池 图2.2 鹤见河治水绿地
1966年千叶市利用楼房之间的间隔空地设计低床花坛并兼雨水贮留池，是一个突破，开始了利用现有建筑物兼做雨水贮留设施的所谓“现地贮留”的发展，并将集中贮留变为分散贮留的组合。1977年开始的“综合治理”是把河流和流域作为一个整体来进行治水，流域的雨水出流抑制设施包括：
1）“流域雨水渗透”设施：所谓“流域渗透”设施是在雨水降落当地利用土壤自身的渗透能力使雨水直接渗入地下减少地面径流的一些设施，包括入渗和渗透设施，如渗透桩，渗透地下厢，渗透池，渗透U字型侧沟，透水性铺装等。这些渗透设施的构造和它们联合作用的示意见图2.3图2.3 渗透设施的构造和作用示意
2）“流域贮留” 设施：是指流域现地贮留，属于一种进口控制设施，即利用流域内已有的建筑物建造的小型的截流并贮存雨水的设施。流域贮留设施，也称雨水贮留设施又根据所设置建筑物的类型分为公共公益设施的雨水贮留设施（公园贮留，运动场贮留，校园贮留，广场贮留，停车场贮留等；和居民各户贮留（房屋外墙角地面贮留箱或地下贮留池，院内贮留等），低床花坛贮留的示意见图2.4，运动场贮留见图2.5，停车场贮留见图2.6。
图 2.4 低床花坛贮留示意 图2.5 运动场贮留示意
3）地下调节池和地下河的建设：城市化后，河流扩宽困难，开挖新河没有土地，在经济条件许可的情况下可以利用道路下面的地下空间建设贮水设施。欧美和日本等发达国家已建了许多地下调节池，如名古屋的若宫大通调节池，建在街道的下面（与地面仅有一层混凝土板相隔），长约316 m，宽度47-50 m，深约10m，最大贮留量10万m3，图2.7为其示意图。
图2.6 停车场贮留示意 图2.7 若宫大通调节池示意
日本东京在城市化进展急剧的情况下，为提供住宅建筑用地向慢性涝灾地区的中河中游区域发展，在推行以往实施的自下游顺次修改河道的防洪对策的同时，为早期根本解决这些地区的涝灾问题而规划了“首都圈外围溢洪道”（环7和环8）。环7，环8采用“地下河流方式”。规模由埋入地下约50m，内径10.0-12.5m的管道及5个竖井构成。地下部分总长度39km（环7溢洪道长30km，环8长km），最大出流量200 m3/s。全部采用泥水式盾构施工，外径13.7m是目前世界上规模最大的盾构隧道工程。图2.8 是其示意图。
图2.8 东京环8地下河工程示意
我国城市防洪涝工程措施发展概况
改革开放以来，城市防洪工作受到国家的重视，国家防总，水利部1987年指定了25座重点防洪城市，要求按新的防洪标准制定并实施相应的防洪规划，1993-94年又要求全国各城市作出补充防洪规划。在这种形势下，许多城市都需要为提高防洪标准而采取各种工程措施。主要是加高加固堤防，大城市重点地段建造超级堤，这也是由日本引进的一种城市河道防洪新措施，其示意图见图3.1；内河出口建闸，用泵提水排涝，.图3.2是上海苏州河出口挡潮闸；有条件的地方开挖新分水渠，如南京秦淮河的治理就采用的增设泄量800 m3/s的分洪道。
图3.1 超级堤示意图 图3.2苏州河出口挡潮闸
沿长江两岸的重点防洪城市，武汉，芜湖，南京，上海等在市区多数结合城市建设将原来的土堤改为钢筋混凝土防洪墙，这样既提高了挡水位又展宽了几十米沿江道路，为城市交通也为防洪抢险提供了方便。图3.3是武汉防洪墙外观图。一些城市还建造了空箱式多功能防洪墙，箱体可租借出去供人经营商店，停车场等各种服务设施，同时也为水利部门解决了一部分管理经费。上海外滩已建成的高标准桩基空箱式防洪堤，上面有十几米宽的人行步道，内部是停车场，银行，商店等营业场所，成为人们游览的好去处，其外表景观见图3.4。
图3.3 武汉防洪墙后视图 图3.4 上海外滩高标准防洪墙
沈阳市在浑河岸边也结合防洪建造了顶宽30余米的超级堤，并在部分堤段建造了游乐场，给人们提供一个休息娱乐，亲水近水的场所。武汉市青山区建设了高标准土堤，是国家示范堤段，顶宽8 m，边坡1：3，上面建有绿化带，游乐场，堤顶道路及堤坡植被也很美观。堤顶照片见图3.5。
我国台湾省由于经济发达已建有许多雨水入渗设施，图3.6 是台湾某地海岸附近的停车场采用透水混凝土块铺面的照片。上海浦东新高桥防洪闸管理所院内也采用了类似的透水块铺面，珠海市圆明园公园前的停车场也采用了类似的铺面，可见透水性铺装在我国也开始发展。
图 3.5 武汉青山区堤顶照片 图3.6 台湾某地停车场的透水性铺装
4 减轻城市洪涝灾害的技术手段
目前各国已经采用的减轻城市洪涝灾害的技术手段可分类为：泄水设施的整治，设置流域渗透和流域贮留设施，避灾设施以及建立警戒避难系统等部分，可以总结为如下图所示的各项内容：
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河道治理：扩宽河槽，疏浚河床，加高加宽改造堤防；
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泄水设施 调节 设施：设游水地，治水绿地，设置雨水调节池；
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泄流 设施：设溢水道，隧道式长分水渠，增设扩大排水泵站；
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下水道设施：现有下水道改造，增设新下水道，实施管内贮留；
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雨水渗透设施：渗透桩，渗透箱，渗透池，透水性铺装等；
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雨水贮留设施：公园及校园贮留，地下贮留池；
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保水设施 奖励各居民户贮留：屋顶，院内，地下贮留池；
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禁止填土：保留地域的原状（凹地贮留），指定残土放置地；
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流域设施 给定城市规划治水用地：蓄水池，森林用地；
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土地利用考虑水灾风险；
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避灾设施 奖励建筑耐水建筑物；高基础式（桩基）；二层式房屋；
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（低地） 地下河工程
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公布洪水演进路线和地区风险图；
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警戒措施 指定适当的避难地，避难路线；
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及时发布防洪预警报，定时公布水情，组织抢险行动；
图2.1 减轻城市洪涝灾害的技术手段
下面解释一些新工程设施：
1）治水绿地：利用河旁的洼地（在城市外或城市内）四周筑堤内部植树种草建成的，平时可用于人们游玩，水大时可用来蓄水。
2）多目的游水地：将邻河的大片荒地用堤防围起来。设溢水道与河流相通，洪水时临时贮存一部分溢过来的洪水以减轻河道的负担，平时就是公园供人们休息娱乐。
3）雨水调节池：为了暂时贮留雨水而专门建造的蓄水池，以抑制城市化在河流中增大的径流量。其设在地面的作为河流管理设施的称为河道雨水调节池；调节下水道，泵站来流，作为下水道管理设施的称为下水道雨水调节池（规模较小）等。
4）雨水渗透设施：指为增加入渗在降雨地区就地截留雨水并渗透雨水的流域入渗，渗透设施。目前欧美和日本等多采用类似的入渗池，渗透井，渗透桩，渗透箱，渗透U字沟，透水性铺装等。条件合适的集合住宅区和居民户均可利用房前屋后的空地建造成排的渗透桩，再用地下渗透管与渗透箱连接起来把渗透进来的水送入下水道。在道路旁侧设置渗透U字沟也和下水管道连接起来。使屋顶和路面的雨水尽量渗入地下，渗透池和岩石填充的管沟或箱体既贮留又渗透，渗透设施既减少了地面径流又保护了水资源，同时也维护了环境的平衡，是一举多得的好事。但适合与否作为雨水入渗，渗透设施的场地受地下水深度，岩床深度，地面与下层土壤类型的限制，需要经过实验来测定。
5）雨水贮留设施：利用公共设施，公园，校园，体育场，各种球场，停车场等合适的场地兼建的较多，不同的公共设施其可利用来作成雨水贮留池的面积也不相同，需要根据实地调查来确定。近年来为节省宝贵的土地面积这种雨水贮留池多数建在地下。甚至在住宅楼的地下建造雨水贮留设施，特别是新建筑物一般要求设置各自的雨水贮留设施，因为不希望增加现有排水设备的运行负担。由于城市化的程度日益加高，需要的雨水贮留量也越来越大，伴随尔来的雨水贮留池的容积也越来越大。因此逐渐有了建在道路下方的大型地下贮留池及下面的地下河工程。
6）地下河工程：是为增大贮留量也为了节省土地，在经济和施工技术条件许可的情况下，在几十米深的地下开挖的直径十几米的大型隧洞式的，连通多条河流的地下排水通道。有多个竖井与地面相通，竖井上开有排水渠道的进口，竖井里面设有消能设施，地下河的出口多与湖泊或海洋相通。为了把雨水夹带的泥沙等杂物分离出去，许多进口采用了特殊的进口装置。
5 城市雨水调控设施的规划设计总则
可以用如下框图表示所需要的各项工作：
2.确定城市的防洪标准
在流域贮留设施的实际规划，设计，施工各阶段均应由流域管理部门或其它有关机构制订的相应的技术规范。根据规划对象城市流域的规模，社会经济的重要性，受灾后损失值等方面的估算判断应采取的防洪除涝标准。一般大城市采用50-100年一遇降雨作为规划标准。当一次达到此标准有困难时可以先用5-10年一遇降雨（50mm/h）作暂时的规划。日本大城市的防洪标准目前是75 mm/h，下一世纪采用100 mm/h，美国的重要城市甚至采用最大可能降雨。
2）推算规划降雨的出流量
防洪涝标准确定以后要按流域特性去选定相应该标准的规划降雨量，雨型及降雨过程线。这可采用两种方法，一是用实际降雨类型按雨强放大而成，二是按降雨强度曲线推算成中央集中型或其它认为合适的单位线。出流量的推算一般可采用已有的各种方法（单位线法，贮留函数法，水箱模型，特性曲线法，TRRL修正法等），但最好采用网格法，因为它最能反映出流抑制设施的效果。当采用下水道贮留形式时可采用“板仓”的雨水滞留公式[1]，单独的雨水贮留池可用简易计算法，整个流域的降雨径流可用计算机数学模拟，近年来这些模型开发的很多也容易为工程技术人员掌握。
确定各种泄水设施的流量分配
根据城市流域规划的出流断面，按规划标准推算出出流量以后，要按流域现状过水能力和流域的开发情况分配各自的流量。以日本新岸河为例，其分配情况如下：
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调节池域外排水（530）
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河流分配量（730）
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流域设计出流量 河道处理流量（200）
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（990） 游水设施贮留（130） 低地A地区（80）
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流域分配量（260） 游水地区（50）
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单位：m3/s 保水设施贮留（130） 低地A地区（20）
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保水地区（110）
图2.1 新岸河流量分配规划
4） 选出可采用的抑制措施
选择流出抑制措施按如下顺续进行：
a. 游水地和调节池抑制雨水的效果好，首先要选择可以建造这些大型贮留设施的侯选地，并估计其可能的规模。
b. 从流域规划的各网格中选出各公共、公益设施如学校、公园、运动场等，按照需要和可能确定其可用做雨水贮留设施的面积，并按集水域分别整理出来备用。
c. 选定对住宅小区，独立住宅和事业单位等最合适的抑制措施，及与住宅区开发配套建造的调节池，并检查城市规划的合理性。
d. 收集b.c. 所选出地点的地形、土质、植被及土地利用情况，选择采用贮留型或是渗透型抑制措施，也可能是两者并用。最后进行具体的型式、尺寸的设计。
e. 已有池沼的利用及选定备用河流的雨水贮留规划。
预测以选出的抑制措施的出流抑制效果
各种设施的出流抑制效果预测和必须贮留调节容量计算的要求精度和计算方法是不同的。一般游水地多采用不恒定流计算法；调节池多采用贮留跟踪计算法；而小规划的贮留设施可采用简易计算法；整个流域的计算可划分网格用计算机做数值模拟。
选定最适宜的抑制措施
对所提出的多个方案要按照如下几个方面的优劣进行筛选：a. 能否满足预期的抑制量；b. 是否可分阶段发挥抑制效果； c. 需要多少投资；d. 需要多长的施工期；e. 是否能得到人们的认可；f. 对环境有无损害；g. 设施的维修管理是否方便。
7）制定维持管理计划
在制定流域雨水抑制设施规划的同时就要制定这些设施的维修管理计划。因为流域贮留设施的增加将导致周边地区的噪音、臭气、水质变坏等环境问题，所以其维护管理工作是很重要的必须及时跟上。