今年5月7日，廣州全市普降特大暴雨。由于短時(shí)內(nèi)降雨強(qiáng)度大，城市排水設(shè)施的排水能力有限，導(dǎo)致市內(nèi)路面共有44處嚴(yán)重水浸，交通嚴(yán)重受阻，廣州慘變“水城”。

廣州的這次水浸街并不是孤例。近年來(lái)，我國(guó)大城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，如2004年7月10日16時(shí)開(kāi)始，北京市兩小時(shí)平均降雨50毫米，蓮花橋下最大積水深達(dá)2米；2007年“8·01”、“8·06”兩場(chǎng)暴雨，又造成安華橋積水6小時(shí)，最大積水深度達(dá)1.6米。2007年濟(jì)南“7·18”洪災(zāi)，短短三小時(shí)降雨中就奪走34條生命……

城市型水災(zāi)

洪水災(zāi)害是人類(lèi)面臨的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。根據(jù)洪水產(chǎn)生的原因，可以將洪水災(zāi)害分為三種類(lèi)型：一是由于臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮引起的沿海地區(qū)洪澇災(zāi)害，二是由于大量或長(zhǎng)期降水引起的江河水系流域洪水災(zāi)害，三是城市內(nèi)部地區(qū)遭遇高強(qiáng)度短時(shí)暴雨產(chǎn)生的積水洪澇災(zāi)害，即所謂的城市型水災(zāi)。城市型水災(zāi)是指由于城市化建設(shè)產(chǎn)生的、發(fā)生在城市區(qū)域的水災(zāi)。在我國(guó)大部分城市發(fā)生的水災(zāi)都屬于第三種。

前兩類(lèi)洪水災(zāi)害一直是人們研究的重點(diǎn)，如今已形成了較為完整的防災(zāi)體系；城市內(nèi)部積水災(zāi)害則是城市化進(jìn)程下引發(fā)的新問(wèn)題。城市型水災(zāi)日益嚴(yán)重是多種因素綜合作用的結(jié)果。城市熱島效應(yīng)、阻礙效應(yīng)和凝聚核效應(yīng)，都使得城市地區(qū)降雨多于同期非城市地區(qū)降雨。城市地區(qū)空氣層溫度高于非城市地區(qū)，形成城市熱島，并且城市地區(qū)空氣層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，有利于產(chǎn)生熱力對(duì)流，當(dāng)城市中水汽充足時(shí)，容易形成對(duì)流性降雨。城市中有高低不一的建筑物，其空氣粗糙度比附近郊區(qū)大，這將引起氣流發(fā)生湍流，并且對(duì)穩(wěn)動(dòng)滯緩的降雨系統(tǒng)(靜止鋒、靜止切變、緩進(jìn)冷鋒等)有阻礙效應(yīng)，使其移動(dòng)速度減慢，在城區(qū)滯留時(shí)間加長(zhǎng)，從而導(dǎo)致降雨強(qiáng)度增大，降雨時(shí)間延長(zhǎng)。城市空氣中灰塵等凝結(jié)核多于郊區(qū)，這對(duì)降雨也有促進(jìn)作用。此外，我國(guó)城市雨水排水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)和運(yùn)行管理方式比較落后所造成的影響也不容忽視。

成長(zhǎng)的煩惱

我國(guó)大城市正在經(jīng)歷前所未有的發(fā)展建設(shè)時(shí)期，表現(xiàn)在城市規(guī)劃面積不斷擴(kuò)張、地面建筑和鋪砌地表面積比例不斷擴(kuò)大、城市的社會(huì)財(cái)富不斷增加、城市運(yùn)轉(zhuǎn)速度及效率不斷加快、城市居民生活方式在逐漸改變和對(duì)高生活質(zhì)量的不斷追求等方面。城市化過(guò)程對(duì)當(dāng)?shù)厮臓顩r造成了較大的影響，每年總會(huì)有地方出現(xiàn)不同程度的暴雨災(zāi)害，特別是全球氣候變化的影響日益顯著，使得城市地區(qū)局部極端天氣爆發(fā)頻繁。

在城市化過(guò)程中，城市型水災(zāi)顯現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)，如城市面積擴(kuò)張，防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)較低，因而洪澇風(fēng)險(xiǎn)加大；城市不透水面積增加，排水系統(tǒng)不佳，徑流系數(shù)加大，使河道洪峰流量成倍增加，洪峰出現(xiàn)時(shí)間提前，已有堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)降低；大規(guī)模城市擴(kuò)張階段，往往造成水土流失加劇，局部水系紊亂，河道與排水管網(wǎng)淤塞，人為導(dǎo)致城市防洪排澇能力下降等等。

而作為支撐現(xiàn)代化城市正常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一的城市排水系統(tǒng)，一直沿用前蘇聯(lián)時(shí)期的設(shè)計(jì)理論，采用比較低的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和基于經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行管理技術(shù)，該系統(tǒng)只能被動(dòng)地應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)降雨事件，而不是主動(dòng)地規(guī)劃管理超標(biāo)準(zhǔn)降水的出路?，F(xiàn)在包括北京在內(nèi)的大多數(shù)城市的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，還是用的100多年前的理論來(lái)計(jì)算的，也就是“推理公式法”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種方法就是通過(guò)計(jì)算降水量得出城市所需要的排水量。但天氣是捉摸不定的，尤其是城市發(fā)展之后產(chǎn)生的熱島效應(yīng)，以及大氣環(huán)流變化引發(fā)的降水量都很難有一個(gè)穩(wěn)定值，所以這種方法已經(jīng)跟不上現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展了。所有這些必然造成城市暴雨積水災(zāi)害的頻繁產(chǎn)生，并且，隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，災(zāi)害的損失會(huì)越來(lái)越大。

城市雨水排水系統(tǒng)是一個(gè)龐大的地下工程設(shè)施，一般建在城市道路下面，有時(shí)道路下面可能鋪設(shè)兩條平行的管道，所以城市雨水管道的長(zhǎng)度通常都大于道路的長(zhǎng)度。城市雨水排水系統(tǒng)建成后往往可以使用幾十年到幾百年。我國(guó)城市雨水排水設(shè)施通過(guò)幾十年建設(shè)，已經(jīng)形成了比較完整的系統(tǒng)。通常所說(shuō)的百年一遇的大暴雨，就是重現(xiàn)期100年的降雨。但是，由于我國(guó)改革開(kāi)放以前建設(shè)的雨水排水工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)很低，僅為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期0.33年到0.5年的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在多數(shù)大城市的主要干道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也僅是重現(xiàn)期1年，可見(jiàn)發(fā)生超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)降雨事件的可能性極大。

我國(guó)現(xiàn)行室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，應(yīng)根據(jù)匯水地區(qū)性質(zhì)、地形特點(diǎn)和氣候特征等因素確定。同一排水系統(tǒng)可采用同一重現(xiàn)期或不同重現(xiàn)期。重現(xiàn)期一般采用0.5～3年，重要干道、重要地區(qū)或短期積水即能引起較嚴(yán)重后果的地區(qū)，一般采用3～5年，并應(yīng)與道路設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)。特別重要地區(qū)和次要地區(qū)可酌情增減。

不過(guò)，由于城市化建設(shè)使不透水地表比例擴(kuò)大，這樣會(huì)增大地表徑流水量，造成設(shè)計(jì)工況條件下選用的設(shè)計(jì)徑流系數(shù)與現(xiàn)在實(shí)際的徑流系數(shù)偏差加大，使地表積水概率增加。

新技術(shù)讓一切盡在掌握

隨著城市的發(fā)展，城市型水災(zāi)日益引起各國(guó)政府的重視和相關(guān)研究學(xué)者的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外都對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和各類(lèi)模型軟件的開(kāi)發(fā)，將地理信息技術(shù)和排水系統(tǒng)模型作為城市洪災(zāi)評(píng)價(jià)與防治的技術(shù)手段，已經(jīng)成為防洪、防災(zāi)的重要技術(shù)途徑。

地理信息系統(tǒng)(GIS)是將地圖類(lèi)圖形數(shù)據(jù)和表達(dá)圖形的屬性數(shù)據(jù)集成在一個(gè)平臺(tái)下的軟件系統(tǒng)。人們將能用于城市雨水排水系統(tǒng)科學(xué)化管理的地理信息系統(tǒng)稱(chēng)為專(zhuān)業(yè)地理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了包含傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)的基本功能以外，還包括能表達(dá)排水設(shè)施的專(zhuān)業(yè)功能。通俗地講，這種技術(shù)是在計(jì)算機(jī)的支持下，對(duì)地球表層空間中的有關(guān)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述。專(zhuān)家再通過(guò)這些數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)制作出一個(gè)虛擬城市排水系統(tǒng)模型，計(jì)算出不同路段所擔(dān)負(fù)的排水量，以及發(fā)生大雨后，城市路段的坡度高低將如何引導(dǎo)排水方向等等，在“一切盡在掌握”之時(shí)，便可以根據(jù)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和工程改造的可行性，采用提高工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、建立調(diào)節(jié)洪峰流量的調(diào)節(jié)池、采用雨洪利用技術(shù)和其他減少地表徑流量的技術(shù)措施，構(gòu)建綜合防災(zāi)工程體系。

城市雨水排水系統(tǒng)模擬模型包括降雨模型、地表產(chǎn)流和徑流模型、管網(wǎng)匯流模型和水質(zhì)演算模型。將城市匯水流域的信息輸入計(jì)算機(jī)模型以后，可以計(jì)算出雨水在管網(wǎng)中的流動(dòng)過(guò)程，用圖示的形式表達(dá)是否超負(fù)荷，是否已經(jīng)造成路面積水等情況。通過(guò)計(jì)算機(jī)模型，可以讓管理者比較全面地了解雨水排水系統(tǒng)的排水能力和可能造成的積水災(zāi)害的位置以及影響范圍，從而可以使管理者真正了解系統(tǒng)的排水能力和存在的風(fēng)險(xiǎn)，幫他們有效應(yīng)對(duì)城市暴雨造成的積水災(zāi)害，提前做出科學(xué)合理的防災(zāi)預(yù)案。城市雨水排水系統(tǒng)模擬模型就相當(dāng)于醫(yī)院的CT，可以給城市排水系統(tǒng)診斷疾病，發(fā)現(xiàn)造成積水災(zāi)害的原因并給出解決問(wèn)題的建議。

2008年，北京奧運(yùn)會(huì)舉辦期間正逢北京的主汛期。為保證比賽順利進(jìn)行，在那之前，筆者及其研究室的工作人員和北京市規(guī)劃院參與了奧運(yùn)中心區(qū)的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，并在該區(qū)域內(nèi)利用國(guó)際最先進(jìn)的模型軟件做了一個(gè)評(píng)估。通過(guò)模擬成像等技術(shù)，我們計(jì)算出在降水量不同時(shí)段，區(qū)域內(nèi)某地點(diǎn)積水多深、積水時(shí)間多長(zhǎng)并對(duì)此進(jìn)行了監(jiān)控。有了實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析結(jié)果，應(yīng)對(duì)措施就有了預(yù)見(jiàn)性，也就是說(shuō)可以對(duì)積水區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)并發(fā)布預(yù)報(bào)，甚至可以具體到在什么時(shí)間、在哪個(gè)地點(diǎn)有可能要積水。這樣一來(lái)，便可以扭轉(zhuǎn)被動(dòng)的應(yīng)對(duì)局面，不等地面積水問(wèn)題產(chǎn)生就可以采取主動(dòng)的應(yīng)對(duì)措施。

其實(shí)，奧運(yùn)會(huì)時(shí)我們所用的這項(xiàng)技術(shù)，在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)沿用了多年，是目前為止最為高效的方法。美國(guó)、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)60年代，就開(kāi)始研制城市排水管網(wǎng)模型，以滿(mǎn)足城市排水、防洪、環(huán)境治理、交通運(yùn)輸、工程管理等各方面的要求，他們?cè)谶@方面取得了較大進(jìn)展，許多模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雨水管道系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理。發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)70年代初提出了幾種通用的排水模型，并在其后的實(shí)際應(yīng)用與深入研究中得到完善。

對(duì)于城市型水災(zāi)，我國(guó)目前面臨的實(shí)際問(wèn)題是對(duì)整個(gè)排水系統(tǒng)的系統(tǒng)性和實(shí)際排水能力了解不清；遇到問(wèn)題后，又沒(méi)有科學(xué)的應(yīng)對(duì)措施，頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳。

我國(guó)對(duì)城市排水管網(wǎng)模型的研究起步較晚，目前已有一些結(jié)合我國(guó)實(shí)際的研究成果問(wèn)世。近年來(lái)，隨著城市排水模型在水利、環(huán)保和城建等領(lǐng)域中的應(yīng)用，許多城市正在開(kāi)發(fā)基于當(dāng)?shù)貤l件的城市排水管理系統(tǒng)，如北京市的實(shí)時(shí)雨洪調(diào)度模型，針對(duì)城市內(nèi)澇所開(kāi)發(fā)的城市暴雨積水預(yù)報(bào)系統(tǒng)等。這些研究對(duì)推動(dòng)我國(guó)城市雨水徑流研究起了很大的作用，但與國(guó)外相比仍存在差距，并且在實(shí)際的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理工作中應(yīng)用較少，還需要進(jìn)行更深入研究。

從總體看，我國(guó)城市排水管網(wǎng)管理正向科學(xué)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，構(gòu)建開(kāi)發(fā)基于數(shù)字化、智能化技術(shù)的城市排水管網(wǎng)防災(zāi)系統(tǒng)是該領(lǐng)域的技術(shù)前沿。國(guó)外眾多城市排水商業(yè)模型軟件已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

在歐盟第七框架資助下，筆者與歐洲和亞洲其他國(guó)家的專(zhuān)家正在從事關(guān)于城水洪災(zāi)彈性的合作研究，該項(xiàng)目從城市發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力、排水模擬技術(shù)、災(zāi)害損失分析和減災(zāi)策略等幾方面進(jìn)行研究，以提高城市在氣候變化條件下應(yīng)對(duì)暴雨積水災(zāi)害的綜合能力。(文章代碼：101509)

[責(zé)任編輯]趙菲

他們?nèi)绾闻潘?/p>

城市排水能力不足，使得雨水四溢、泛濫成災(zāi)并不是中國(guó)城市所獨(dú)有的問(wèn)題。不少?lài)?guó)家的城市在發(fā)展過(guò)程中都曾面臨相似的問(wèn)題。比如日本，自20世紀(jì)50年代起，隨著城市化的急劇發(fā)展，保水功能極高的森林和農(nóng)田被不透水性的瀝青所覆蓋、或用混凝土砌成的水渠集水，導(dǎo)致不少地區(qū)的“保水功能”下降，城市排水功能不暢，暴雨常常引起城市功能癱瘓或地下街浸水等，即發(fā)生所謂的城市型水災(zāi)。其他國(guó)家也都有過(guò)類(lèi)似的發(fā)展過(guò)程。

鑒于上述問(wèn)題，他們根據(jù)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和當(dāng)?shù)氐倪h(yuǎn)期城市規(guī)劃，首先建立功能完善的城市排水體系和防災(zāi)體系，在受到條件限制無(wú)法建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)排水系統(tǒng)的地區(qū)，再采取多種措施實(shí)施綜合性防洪對(duì)策，盡可能增加城市雨洪的調(diào)蓄能力。這些措施包括：

一是攔蓄各自管理范圍內(nèi)的降雨。每一個(gè)庭院、每一個(gè)單位、每一個(gè)小區(qū)都建設(shè)相應(yīng)的蓄水池，攔蓄雨水。除減少地表匯流外，還可以將蓄水作為綠化和清潔用水。日本規(guī)定，每開(kāi)發(fā)1公頃土地，需要建設(shè)500立方米的雨水調(diào)蓄池。

二是利用屋頂集雨。對(duì)于大型建筑物，利用屋頂集雨，還可以防曬，降低夏季室內(nèi)溫度。還有的大型建筑物收集屋頂雨水，經(jīng)過(guò)處理后作為室內(nèi)空調(diào)用水。日本一些地區(qū)鼓勵(lì)并扶助居民使用能將房頂?shù)扔晁腿爰鄣臐B透式構(gòu)造、或設(shè)置貯留設(shè)施，或向住宅地內(nèi)的集水槽附加貯留滲透功能，以減少雨水的流出量，減輕洪澇災(zāi)害。

三是開(kāi)辟城區(qū)大型滯洪場(chǎng)地，如運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、野生綠地公園等，暴雨達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)作為蓄滯洪區(qū)啟用。在西方國(guó)家，由于人口密度較小，在整個(gè)城市規(guī)劃過(guò)程中，規(guī)劃設(shè)計(jì)者會(huì)將人們居住的地點(diǎn)設(shè)置在地勢(shì)較高的位置，而將球場(chǎng)等空曠的地點(diǎn)設(shè)置在低洼處。當(dāng)暴雨襲擊城市時(shí)，只要關(guān)閉球場(chǎng)等較空曠的場(chǎng)所就可以應(yīng)對(duì)，對(duì)居民日常生活并不會(huì)造成困擾。為了保證蓄水時(shí)的安全，水深不超過(guò)半米。荷蘭的“水廣場(chǎng)”就是其中的最大亮點(diǎn)。

在荷蘭史料里，起碼記載著40次以上的“水禍”。1953年2月的一次颶風(fēng)，甚至讓這個(gè)美麗的國(guó)家遭受了著名災(zāi)難片《水嘯霧都》那樣的滅頂之災(zāi)：颶風(fēng)導(dǎo)致萊茵河、馬斯河、斯海爾德河三角洲海潮倒灌，1835人喪生。經(jīng)歷過(guò)這次災(zāi)難，1953年，荷蘭成立了專(zhuān)門(mén)防洪治水的水務(wù)委員會(huì)，經(jīng)過(guò)多年的專(zhuān)家討論和驗(yàn)證，陸續(xù)提出水廣場(chǎng)、浮動(dòng)住宅等富有創(chuàng)意的方案，積累了豐富的應(yīng)對(duì)洪澇經(jīng)驗(yàn)。在鹿特丹市區(qū)，不少地面都建有相互連通的溝槽，這些溝槽大得足以當(dāng)作城市下沉廣場(chǎng)。下沉廣場(chǎng)平時(shí)是市民的休閑之處。廣場(chǎng)本身有比較淺的溝槽作為排水溝，下小雨時(shí)，這些溝槽會(huì)形成天然的水景。下大雨時(shí)，整個(gè)廣場(chǎng)充滿(mǎn)了水，形成一個(gè)大蓄水池，但水不會(huì)漫到城市街道上，大蓄水池本身會(huì)成為城市水景和水上游樂(lè)場(chǎng)。這就是鹿特丹的“水廣場(chǎng)”。

四是建設(shè)地下水庫(kù)。在廣場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)下面建設(shè)地下水庫(kù)，利用高層建筑的地下室作為水庫(kù)調(diào)蓄雨水，雨水也可以再利用。

五是建設(shè)大型地下河。東京、大阪等大都市，已經(jīng)建設(shè)了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十千米、直徑10余米的大型地下河，用于攔蓄城市雨洪。所蓄雨水可以排至下游，也可以再生利用。

六是增加地面的滲透能力，降低地表的產(chǎn)流量，同時(shí)增加地下水的補(bǔ)給。采用的措施有：對(duì)道路、人行道、停車(chē)場(chǎng)、廣場(chǎng)等鋪設(shè)可以透水的路面，降雨落到路面后很快滲入地下，減少地面徑流。對(duì)大型排水管道采用可以透水的多孔管，在排水的同時(shí)，部分雨水滲入地下。在建筑密集的區(qū)域，建設(shè)包括滲水槽、滲水井在內(nèi)的地下滲水系統(tǒng)，使地表積水盡快滲入地下。

此外，西方國(guó)家出于對(duì)生態(tài)環(huán)境的考慮，還會(huì)利用自然環(huán)境來(lái)預(yù)防災(zāi)害。不少發(fā)達(dá)國(guó)家的城市規(guī)劃中，設(shè)計(jì)者會(huì)還原綠地面積，發(fā)揮綠地的滲水功能，進(jìn)行雨水量平衡，實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)的作用。