張九香 ，王選倉 ，侯仰慕 ，蔡 力

(1.福建工程學院，福建 福州 350118；2.長安大學， 陜西 西安 710064；3.呼倫貝爾市交通運輸局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008)

城市化進展對福州內(nèi)澇的影響研究*

張九香1，王選倉2，侯仰慕3，蔡 力3

(1.福建工程學院，福建 福州 350118；2.長安大學， 陜西 西安 710064；3.呼倫貝爾市交通運輸局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008)

從福州治澇的三個階段入手，分析快速城市化條件下內(nèi)澇的形成機理、治理措施和效果，提出新形勢下治澇理念，應該是采取排、滲、蓄相結合的長效措施解決問題，擴大城市透水表面比例，維持水文循環(huán)平衡，達到海綿城市新模式。

內(nèi)澇；城市化；不透水面；水文循環(huán)；長效機制；福州

近年來，我國許多城市內(nèi)澇頻發(fā)，帶來重大損失[1-2]，城市內(nèi)澇問題已成為繼人口擁擠、交通擁堵、環(huán)境污染等問題之后的又一大城市頑疾[3]。如何科學分析這一災害產(chǎn)生的根源，從被動的堵水、抽排應急處理方式過度到長效機制，適應城市降水，合理引導利用降水資源，優(yōu)化城市生態(tài)環(huán)境達到城市與自然協(xié)調(diào)發(fā)展的海綿城市建設新模式，是我國目前高速城市化進程中必須密切關注和解決的重要議題。

隨著經(jīng)濟建設的發(fā)展，我國城市化水平從1978年的18%提高到2002年的39%，2011年突破50%，2013年達到53.73%[4]，城市人口與資源快速擴張條件下內(nèi)澇造成的損失和危害也急劇增大[5]。2013年3月國務院正式發(fā)布了《關于做好城市排水及暴雨內(nèi)澇防治設施建設工作的通知》，從國家層面對城市防澇工作提出了明確的要求,各地對內(nèi)澇問題的處理力度有了較大提高；但內(nèi)澇的成因復雜多樣，極端天氣和強降雨是引起內(nèi)澇的自然誘因[6]，多數(shù)城市排水設施、應急系統(tǒng)建設方面滯后或不完善是內(nèi)澇的客觀原因，城市化過快帶來的大面積地表不透水硬化改變了區(qū)域內(nèi)水文循環(huán)，使水分蒸發(fā)、下滲以及滯留減少地表徑流增大，是內(nèi)澇頻發(fā)卻久治不愈的根源[7]；沿海城市因地理位置、地形地勢及氣候條件以及暴雨和高潮位的疊加是這類城市洪澇災害損失嚴重的重要致災因子[8]，應有針對性分析致澇機理，因地制宜采取防治措施。

1 福州內(nèi)澇的概況

福州地處東南沿海，屬海洋性亞熱帶季風氣候，閩江穿城而過，年平均降水量為900～2 100 mm，每年影響福州的臺風平均4次。江北主城三面依山，南臨閩江北港，整體地勢由西北向東南傾斜，城區(qū)內(nèi)河密布，集水面積165.6 km2。依地形以八一七路為界將城區(qū)治澇分為東、西兩片，東片集水面積136.7 km2，主干內(nèi)河有晉安河、光明河；西片集水面積28.9 km2，主干內(nèi)河有白馬河和新西河；兩片水系之間有東西河和安泰河連通[9]。西片集水面積小，泄洪通道中有蓄洪能力較強的西湖，所以內(nèi)澇問題突出的主要是東片區(qū)域。內(nèi)河與閩江北港感潮河道相連，受半日潮潮汐規(guī)律作用，河段水位受上游來水量和潮位共同影響。由于城區(qū)北面外圍山坡坡度陡，地勢高，遇臺風強降雨天氣時暴雨匯集迅速，大部分山洪以天然匯流的方式進入城市內(nèi)河主通道再排入閩江[10]，如果遇到閩江流域發(fā)生洪水或大潮，則內(nèi)河水體受頂托無法外排，導致沿河兩岸及城內(nèi)低洼處常常遭受水患[11-13]。

1.1 洪澇簡況

1026-1996年的900多年間福州城至少有300余次遭受水淹[13]， 1953年修建防洪堤壩后閩江水未侵入福州城，但由于早期城內(nèi)地面大部分低于5 m(羅零,以羅星塔零點為海拔原點)，而內(nèi)河洪水位經(jīng)常高于5 m而使市區(qū)發(fā)生內(nèi)澇，防洪排澇一直是福州城市水系的一大重要任務。隨著閩江北岸防洪堤的逐次加固，閩江兩岸抗洪能力達到200年一遇，之后福州內(nèi)澇的壓力主要來源于中心城區(qū)低洼處。福州部分較大內(nèi)澇情況見表1[12-15]所示。

表1 福州部分較大內(nèi)澇情況

1.2 澇水排除通道分析

內(nèi)澇水的源頭除了沿途降水產(chǎn)生地表徑流外主要還有北面北峰山脈匯集下來的山洪。山洪入城主要路徑見圖1。在從源頭到終端的每一個匯流或分流途中，如果不能滿足通道容量的出入平衡都會帶來局部或整個區(qū)域的積澇漫溢。

圖1 東片澇水排出主要路徑示意圖

閩江北港是福州城區(qū)內(nèi)澇洪水的承泄區(qū)，隨著城市建設的推進，建成后的地面相比之前有提高，但整體的地勢相對高低變化不大?，F(xiàn)狀地勢湖東路以北、溫泉公園(只有5.3m)附近，以及五四路、華林路、溫泉路、新店新區(qū)等傳統(tǒng)的易澇區(qū)，主要都是集中在晉安河水系中上游流域。根據(jù)地勢走向，城區(qū)外北面山坡的洪水除了少量流入城區(qū)上游的八一水庫、登云水庫外，大部分通過溪流匯入五四北城市內(nèi)河，再由水閘或排澇站排入閩江北港承泄區(qū)。外圍山地坡度陡、遇暴雨山洪迅速匯集流入內(nèi)河，如果閩江流域發(fā)生洪水或遇上高水位(外江水年高位均值6.35 m)時，則內(nèi)河排水受江水頂托，排澇閘無法自排，必須啟動排澇站機排除澇，若機排動力不足則河水漫溢低洼地段內(nèi)澇生成。

1960年代起到現(xiàn)在的50多年時間，內(nèi)澇一直在發(fā)生——治理的循環(huán)中，早期洪澇災害不多但時有發(fā)生，平均每年都有內(nèi)河整治和排澇設施完善，排澇能力得到逐步提高[16]。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展和城市的迅速擴張，內(nèi)澇發(fā)生帶來的損失和治澇投入也快速增加。

典型內(nèi)澇是2005年10月2日，強臺風帶來集中強降水又逢天文大潮，這些不利因素組合作用給福州帶了前所未有的災害損失。20:00-21:00降雨111 mm，兩潮疊加，潮水上溯，下泄河水受其頂托產(chǎn)生雍水，加上上游水庫開閘泄洪，引發(fā)數(shù)十年一遇的內(nèi)澇災情，市區(qū)內(nèi)澇范圍約13.69 km2，水位在6.44 m(羅零)以上的淹沒區(qū)達4.47 km2，淹沒最深處達3.00 m，淹沒平均水深在1.00 m以上[17]，澇水排除途中②～⑦排水通道都是漫溢或超負荷運行狀態(tài)。

2 內(nèi)澇的原因及治理效果分析

2.1 原因分析

特殊地形地貌和臺風暴雨是福州內(nèi)澇發(fā)生的自然因素，外圍山坡陡，山洪匯入內(nèi)河，城市化帶來水文環(huán)境不利變化是內(nèi)澇發(fā)生的根本原因；此外內(nèi)河防澇標準沒有依據(jù)城市發(fā)展變化相應提升，對降水采取匯集快排的傳統(tǒng)觀念，洪潮水位頂托、內(nèi)河道過流能力不足、蓄洪、滯洪構筑物匱乏等也是導致福州主城內(nèi)澇災害頻發(fā)屢治不止的重要原因。

圖2 福州內(nèi)澇災害影響關聯(lián)圖

2.2 不同時期內(nèi)澇治理措施及效果分析

福州內(nèi)澇的治理可以依據(jù)城市發(fā)展的進度分為以下三個階段。

(1)1995年之前，福州城市建設平緩時期

從1952年修建了閩江沿岸防洪堤之后的30～40年中，福州洪澇災害雖然不多但時有發(fā)生。資料表明[14]， 1961-2006年間18次較大內(nèi)澇中，10次發(fā)生在1961-1995年的34年間，平均3.4年/次，8次發(fā)生在1996-2006年的十年間，平均1.25年/次，可見災害發(fā)生有增加的趨勢。早期福州城市面積小，內(nèi)河水系發(fā)達暢通，城市周邊大片天然地表有很好的滲水儲水和承洪功能，除了特別的災害外一般臺風暴雨帶來的洪澇水往往有比較大的入滲量和蒸發(fā)量，流域內(nèi)水文循環(huán)基本穩(wěn)定氣候變化較小，偶有臺風暴雨帶來山洪澇水基本采用應急抽排方式處理就能度過雨季；由于閩江河水屬半日潮，一天兩次漲落，漲潮和暴雨山洪經(jīng)過時攜帶的泥沙，以及人為丟棄垃圾、內(nèi)河排污等造成內(nèi)河需要周期性清淤。20世紀50、60、70年代管理部門分別對已有內(nèi)河進行疏浚清淤整治，開挖新西河和五四河，修建八一、過溪等上游水庫；1986年后陸續(xù)對河道進行治理，閩江下游防洪堤投資1.75億分期加固，使閩江防洪標準達百年一遇。整治后的內(nèi)河的排澇能力也得到一定提高。這階段主要是針對圖1中通道③、④、⑤治理。

(2)城市建設快速增長期

1995年福州城市化水平達到43%，城市建設按照“東進南擴”策略進入迅速擴展時期。由于早期福州城市排污體系未形成，隨著城市人口的激增及工業(yè)化進程加劇，大量生活垃圾和工業(yè)廢水被排入內(nèi)河，造成極大污染和於塞。1996年政府先后投資5億多元實施內(nèi)河引水沖污工程，建設文山里、西河、洪塘三個引水工程，引閩江水回灌內(nèi)河，使晉安河、湖前河、樹兜河等16條河道水質(zhì)得到改善[18],但沖污對河底淤積改善效果不大。

福州經(jīng)濟的高速發(fā)展和城市人口驟增，使得原有的魚塘、水池、濕地甚至部分河道等被填埋加高后轉化為工業(yè)區(qū)、生活區(qū)、道路等建設用地，這大大削減了蓄水滯澇區(qū)范圍；同時新建地面抬高后，原有密集生活區(qū)變成了低洼地帶，遇到短歷時暴雨，舊片區(qū)低洼地面和路面就會積水內(nèi)澇，澇災頻率從原來的幾年一澇發(fā)展到現(xiàn)在的縫大雨必澇。氣象記載2005年以來12年間，登陸或影響福州的23個強臺風或超強臺風，每次都帶來大量降水，以2005年10月2日的百年一遇“龍王”臺風暴雨造成的內(nèi)澇損失最為嚴重。

這一階段內(nèi)澇治理主要還是傳統(tǒng)快排、強排模式，通過整治河道、提升泵站的能力緩解城區(qū)暴雨積水的問題，新建閩江沿線魁崎、東風、彬德、西河排澇站，對75條內(nèi)河拆遷清障、污染源截污、疏浚、駁岸河床修葺等，通過加強城市水利工程與排水工程建設增強對洪澇災害的控制。然而面對城市的迅猛擴張以及排澇形勢發(fā)生的巨大變化，這些措施在并沒有達到預計的效果。徐奎通過行洪排澇模擬模型計算，發(fā)現(xiàn)環(huán)境變化后極端降雨與極端潮位組合的風險概率有增加趨勢，并且下游排澇泵站在降雨小于20年一遇時可以有效的減輕洪澇災損程度，而當降雨大于20年一遇時泵站的作用效率較低，對百年一遇的降雨下游泵站基本不起作用[19]。這與福州近年的內(nèi)澇實情相吻合。龍王臺風之后增加了蓄洪滯洪設施的建設，主要是對八一、登云、過溪等現(xiàn)有小水庫防洪蓄洪功能改造及新建琴亭人工湖滯洪蓄洪區(qū)，湖面面積18 hm2，新增蓄洪量70萬m3。

(3)第三階段：海綿城市目標下治澇方案

1990年代之后，城市化進度加快，城區(qū)范圍逐步擴大，城市向周邊擴展，首先占用郊區(qū)及低洼地帶，原有的自然地表、池塘和河溝及部分湖泊被各類不透水墊面覆蓋，根據(jù)徐涵秋計算分析[20]，福州主城區(qū)不透水面面積從1976年的20.45 km2增加到2006年的87.89 km2,增加了3.3倍， 1986-2006年的20年間福州城鄉(xiāng)建筑面積共增長了1.53倍而耕地面積則減少了14.8%,當土地性質(zhì)從耕地變成高密度的建筑用地時，這部分地面的不透水率從14.7%提高到85.2%[21]，而且相同降雨情況下徑流系數(shù)隨不透水率的增加而增加，徑流系數(shù)與不透水率存在良好的線性關系，意味著同樣的降雨量下地表徑流量增加4.79倍，這也是主城區(qū)在30 mm的降雨下山洪形成之前，便有路面過水，低洼處積水受災的原因[22]。據(jù)2013年的調(diào)查統(tǒng)計，福州市中心城區(qū)易澇點共88個，其中40個點遇10～20 mm的降雨2 h就產(chǎn)生積水，42個點遇20～50 mm的降雨2 h就會產(chǎn)生積水，6個點遇大于50 mm的降雨2 h就會發(fā)生積水[23]。這些低洼處易澇點是每次臺風暴雨排澇的重點區(qū)域。

在2015經(jīng)歷了強臺風“蘇迪羅”后，福州針對內(nèi)澇問題治理開始轉向實施防澇治本措施。歷經(jīng)十幾年的快速城市化后，現(xiàn)有城市規(guī)模和格局有了巨大變化，很難再單純采用傳統(tǒng)防洪澇措施，因為城市區(qū)域河道兩岸的土地已高度利用很難再有擴展空間，已有道路下的排水管網(wǎng)也不易改建，即使局部改建也起不到應有的排水作用。只能從調(diào)整排洪通道流量的角度出發(fā)，通過各種途徑分擔致澇流量，達到治澇效果。

根據(jù)這些變化福州市計劃采取“上截”(上游截留)、“中疏”(中間疏散分流)、“下排”(地下管網(wǎng)抽排)的組合措施，提升城區(qū)綜合排水防澇能力?！吧辖亍敝饕墙鉀Q山洪入城問題，在城區(qū)北部山地開建導水隧道把山洪直接從北峰坡面引入閩江開啟排洪通道⑨，預計引洪隧道能消減排洪通道①的水源入城流量的60%，這將大大降低內(nèi)河水系的排洪壓力。 “中疏”主要是對下泄水體分流，一方面加快內(nèi)河綜合整治工程建設，提升內(nèi)河排水能力；同時結合海綿城市建設要求，通過增加環(huán)城湖體、園林綠化、透水地面及建設地下蓄水空間等城市儲水海綿體結構，提升對雨水的吸納和蓄滯能力?！跋屡拧笔呛侠聿季峙潘芫W(wǎng)，有計劃地改造城區(qū)市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)，使城區(qū)進入排水管網(wǎng)的水能夠快速排入終端水體。

2015年已經(jīng)啟動引洪隧道工程和晉安河沿線阻水節(jié)點改造、新建晉安河沿線調(diào)水泵站建設，江北城區(qū)還將分期開啟建設“海綿城市”項目，包括新建雨洪公園、增加湖體及構建下沉式綠地等建設項目，以增強新店片區(qū)蓄、滯洪能力；其中雨洪公園在新店斗頂水庫及楊廷水庫下方，大雨來臨時用于蓄水；構建八一水庫下游下沉式綠地，推進琴亭湖剩余湖體開挖到位，可新增庫容約5萬m3。這些措施實施到位后，江北城區(qū)蓄洪能力可新增加約130萬m3，容量相當于兩個琴亭湖，大大提高城區(qū)的防洪標準。

3 福州的城市化發(fā)展對內(nèi)澇的影響

城市化對內(nèi)澇的影響主要是不透水面增加引起徑流量變大和河道面積減少引起排水通道不暢這兩方面。

隨著城市化水平的提高，城市建成區(qū)面積快速擴大，使得透水性較好的土地向透水性差的城市化用地轉變，特別是綠地、濕地和水體面積減少，導致地表水文循環(huán)中降雨～徑流過程發(fā)生了質(zhì)的變化,蒸發(fā)和土壤下滲量減少，地面徑流增加，匯流速度加快，所形成的洪峰時間集中，強度加大，對低洼地帶排水造成很大壓力。

3.1 不透水面增加帶來的影響

城市化的快速發(fā)展，改變了自然地形地貌,以不透水地面鋪砌代替原有透水地表和植被，地表徑流系數(shù)增大，造成同強度暴雨下滲與蒸發(fā)的比例顯著城少，地表徑流量增大，洪峰流量增加；同時不透水地表大面積出現(xiàn)導致地表粗糙度下降，使匯流速度大大加快，暴雨徑流產(chǎn)生的能量集中加大了水流的沖刷侵蝕能力，增加了沿途流經(jīng)通道的水土流失，造成下游城市排洪設施泥沙淤積，降低了這些設施的排洪泄洪能力，縮短了地面徑流的匯流時間，地下排水管網(wǎng)排水能力與需求不匹配等都增加了防洪排水壓力。根據(jù)林彬對不同性質(zhì)地表徑流系數(shù)范圍研究[24]，城市化造成不同比例地表覆蓋帶來的雨水徑流變化如圖3所示。

圖3 不同比例地表覆蓋下的降水去向分配比例

從圖3中看出當透水自然地表被高密度建筑物或構筑物覆蓋時不透水率增加達到達到75%，地表徑流系數(shù)可以從10%增大到55%。根據(jù)葉琳等[25]對福州及周邊區(qū)域城鄉(xiāng)建筑用地面積的遙感動態(tài)監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)1986-1996年及1996-2006年研究區(qū)的城鄉(xiāng)建筑用地面積的增長率分別為57.3%、61%，后10年的增長速度大于前10年，表明福州的城市化還在繼續(xù)加快，且建筑用地的增加主要來自耕地、林地和草地,其中福州東部和西南部的大片耕地轉為了建筑用地。周存林等[26]對福州2000年的遙感影像用光譜混合分析識別，發(fā)現(xiàn)總面積為204.76 km2研究區(qū)中不透水:面積為99.85 km2，得出研究區(qū)域不透水率為48.8%，而福州市2000年市中心建成區(qū)中不透水面面積所占的比例為54.15%，參照邵威[21]對福州新店流域的不透水面與徑流關系計算公式，得出在1年一遇暴雨重現(xiàn)期(降雨量為38.449 mm/h)下研究區(qū)和中心區(qū)的徑流系數(shù)最小值分別為為0.808 6和0.913 3，5年一遇暴雨重現(xiàn)期(降雨量57.260 mm/h)研究區(qū)和中心區(qū)的最小徑流系數(shù)分別為0.903 4和0.937 8，即研究區(qū)域和中心城區(qū)降水轉化為地面徑流的最小比例分別為80%和90%以上。因此地表徑流增大正是導致福州內(nèi)澇頻繁發(fā)生的重要原因。

3.2 天然水面變化帶來的影響

城市建設的發(fā)展造成地表不透水層迅速增加，降雨時原本可下滲的雨水受地表不透水層隔絕而很快形成地表徑流，因此相同的降水量形成的地表徑流明顯增多，相應地就要求有更多的內(nèi)河和蓄洪設施來排除和容納提高的洪峰流量；但現(xiàn)有城市建設模式強調(diào)土地利用率，不但未增加新河道，而且原有河溝、池塘有相當部分被占用填埋，特別是在城市交通的建設中對小河道基本上采用填埋方式，促使排洪面減少、斷頭河增加；河道上修建涵洞、橋梁和河閘、建設便道等縮小了過水斷面，使實際蓄洪行洪面積大為縮小。根據(jù)潘孝榮等人[27]應用遙感技術對福州內(nèi)河的分析結論發(fā)現(xiàn)，與1984年相比2000年內(nèi)河長度總體減少了3.01 km，約占原河長的20%，面積減少了0.56 km2，占原面積的19%。其中面積減少最多的是光明港為1.78 km2，其原因主要是晉安區(qū)居民地擴建使河寬由原來100～220 m減少到50～100 m，城市水面率的大幅度減少，大大削弱了排洪通道容納澇水的體積，完全或部分被填埋的池塘、河溝截斷了原有的排水通道的分洪支流，使整個內(nèi)河體系調(diào)水排澇的能力降低，加大了主城區(qū)洪澇災害發(fā)生的面積和程度。

4 結論

我國傳統(tǒng)的城市暴雨防洪理念是快速匯集快速排除，這種快排應急方式在一定時期發(fā)揮了積極有效的除澇作用。但隨著城市建設的發(fā)展，城市規(guī)模和排澇條件發(fā)生了巨大變化，必須適時轉變治澇理念，把防洪排澇任務提升到生態(tài)環(huán)保高度與城區(qū)建設統(tǒng)籌規(guī)劃，最大限度減少對城市原有水文生態(tài)環(huán)境的破壞，恢復城市透水地面比例，降低地表徑流量，同時增加城市具有保水、持水功能的海綿體結構，維護城市水文循環(huán)平衡，依靠排、滲、蓄相結合的長效機制從根本上解決內(nèi)澇問題，保持城市持續(xù)協(xié)調(diào)有序發(fā)展。

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Study on the Impact of Urbanization on Waterlogging in Fuzhou

ZHANG Jiuxiang1, WANG Xuancang2, HOU Yangmu3and CAI Li3

(1.FujianUniversityofTechnology,Fuzhou350118,China; 2.Chang’anUniversity,Xi’an710064,China;3.HulunBuirDepartmentofTransportation,HulunBuir021008,China)

In China, the traditional concept of urban storm flood control is fast collection and fast discharge.This kind of rapid response mode is effective in a certain period.But now with the development of urban construction, the urban precipitation and drainage conditions have changed greatly.In recent years, the standard of flood control and drainage of Fuzhou city has been improved, meanwhile, investment in drainage facilities also increased year by year, but the waterlogging problems have not been solved.Frequent waterlogging greatly affected the normal order of production and life of the city.Based on the three stages of flood control in Fuzhou, this paper analyzes the formation mechanism, control measures and effects of waterlogging under the condition of rapid urbanization, and puts forward the concept of flood control under the new situation.It is shown that long-acting measures should be taken to solve the problems, such as the combination of drainage, infiltration and water storage, increasing the proportion of permeable surface, maintaining the balance of hydrological cycle and so on, than to sponge city construction mode.

waterlogging; urbanization; impervious surface; Hydrological cycle; long-acting

張九香 ，王選倉 ，侯仰慕，等.城市化進展對福州內(nèi)澇的影響研究[J].災害學，2018，33(1)：146-151.[ZHANG Jiuxiang，WANG Xuancang,HOU Yangmu, et al.Study on the Impact of Urbanization on Waterlogging in Fuzhou[J].Journal of Catastrophology，2018，33(1)：146-151.

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.026.]

2017-05-01

2017-07-18

內(nèi)蒙古交通科技項目(NJ-2013-38)

張九香(1972-)，女，湖北荊門人，碩士，副教授，主要從事道路工程、道路生態(tài)環(huán)境影響研究.

E-mail:zjx200058@163.com

F291；X43

A

1000-811X(2018)01-0146-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.026