林 耿,徐以希,宋利祥

(1.汕頭市河道堤防建設(shè)管理中心,廣東 汕頭 515041;2.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院,廣東 廣州 510611)

隨著中國(guó)快速城鎮(zhèn)化發(fā)展,“城市看海”現(xiàn)象頻發(fā),給居民生活、區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展等帶來(lái)了諸多困擾[1]。盡管經(jīng)過(guò)多年建設(shè),中國(guó)大部分城市防洪(潮)排澇體系已基本成形,但面臨的洪澇災(zāi)害形勢(shì)依然嚴(yán)峻[2]。例如2020年廣州“5·22”暴雨和2021年鄭州“7·20”暴雨期間城市內(nèi)地鐵、小區(qū)等遭受?chē)?yán)重內(nèi)澇,多條河道發(fā)生漫溢,造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[3]。據(jù)國(guó)家應(yīng)急管理部統(tǒng)計(jì),洪澇災(zāi)害2022年共造成3 385.3萬(wàn)人受災(zāi),直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到1 289億元,是中國(guó)引發(fā)后果最為嚴(yán)重、影響范圍最為廣泛的自然災(zāi)害之一[4]。

城市內(nèi)澇災(zāi)害影響廣泛、成因復(fù)雜[5],為有效防治城市內(nèi)澇災(zāi)害,需深入理解其形成機(jī)理、認(rèn)識(shí)相關(guān)因素的影響作用規(guī)律。目前已有一些學(xué)者在此方面進(jìn)行了探究:何珮婷等[6]采用最大熵模型對(duì)深圳市內(nèi)澇影響因素進(jìn)行了研究,結(jié)果表明影響內(nèi)澇的主導(dǎo)環(huán)境因素有不透水面比例、暴雨峰值雨量等;佟金萍等[7]構(gòu)建了基于極端梯度提升(XGBoost)的城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,研究結(jié)果表明高程、道路分布和強(qiáng)降雨等是影響長(zhǎng)三角核心城市區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的主要因素;王淺寧等[8]采用排水管網(wǎng)與二維城區(qū)地表耦合模型對(duì)地表徑流速度影響城市內(nèi)澇的規(guī)律進(jìn)行了探究,結(jié)果表明地表徑流流速對(duì)檢查井溢流量影響顯著,流速越低檢查井溢流量峰值越小且峰現(xiàn)時(shí)間越滯后。

綜合已有相關(guān)研究,城市內(nèi)澇的影響因素主要包含致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體3個(gè)方面[9-11],其中降雨是致災(zāi)因子中最重要的因素,除降雨強(qiáng)度外,雨峰系數(shù)、雨型等的差異也會(huì)引起不同的內(nèi)澇后果;同時(shí)中國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速,但城市防洪排澇設(shè)施的建設(shè)進(jìn)度往往與城市更新速度不匹配,使得城區(qū)容易遭受外江洪水頂托和倒灌的影響,因此外江水位條件是重要的孕災(zāi)環(huán)境因素。綜上,探究降雨雨峰系數(shù)及外江水位對(duì)城市內(nèi)澇的作用規(guī)律對(duì)于認(rèn)識(shí)和防治城市內(nèi)澇具有重要意義。目前已有一些學(xué)者對(duì)外江水位、雨峰系數(shù)與內(nèi)澇之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。劉國(guó)珍等[12]對(duì)深圳河右岸市區(qū)內(nèi)澇成因進(jìn)行了探究,認(rèn)為外江高水位是導(dǎo)致內(nèi)澇的重要成因;陳文杰等[13]以海南省海甸島為研究區(qū)域探究了不同雨峰系數(shù)情況下城市內(nèi)澇規(guī)律。然而,已有研究具有以下不足:①多數(shù)影響規(guī)律研究為定性分析,缺少數(shù)據(jù)支撐,或在開(kāi)展內(nèi)澇數(shù)值模擬時(shí)忽略河道的頂托影響[14];②基本將外江水位或雨峰系數(shù)作為獨(dú)立因素對(duì)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)規(guī)律進(jìn)行探究,未考慮2種因素組合作用下的內(nèi)澇影響規(guī)律;③缺乏針對(duì)性的內(nèi)澇治理策略思考,或內(nèi)澇治理策略局限在源頭減排系統(tǒng)和管網(wǎng)排水系統(tǒng)[13]。

鑒于此,本研究構(gòu)建了管網(wǎng)、河道和地表相耦合的典型城區(qū)內(nèi)澇模型,并選取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上計(jì)算6種外江水位和雨峰系數(shù)組合工況下的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn),定量分析2種因素對(duì)內(nèi)澇淹沒(méi)的影響規(guī)律,最后從流域整體角度出發(fā)提出針對(duì)性的內(nèi)澇防治策略。

1 研究區(qū)域及模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)域概況

本研究選取韶關(guān)市芙蓉新城作為研究對(duì)象。芙蓉新城位于武江區(qū)建成區(qū)的西南面,緊鄰高鐵站和京港澳高速公路出入口,交通條件優(yōu)越。芙蓉新城現(xiàn)狀面積為16.71 km2,城鎮(zhèn)化程度較高;其三面環(huán)山,南臨北江,整體地勢(shì)北高南低,兼受上游山洪、城區(qū)內(nèi)澇和外江洪水影響,基本涵蓋了粵港澳大灣區(qū)城市片區(qū)的主要洪澇類(lèi)型,具有一定的典型性。

芙蓉新城屬于亞熱帶氣候?yàn)橹鞯臐駶?rùn)性季風(fēng)氣候,具有陽(yáng)光充足、雨量充沛、夏季炎熱、間有雷暴、冬季寒冷等氣候特點(diǎn),主要地貌類(lèi)型為沖積小平原,地勢(shì)平坦。目前,芙蓉新城片區(qū)管網(wǎng)覆蓋率不足,排水通道有限,雨水主要通過(guò)沐溪河、東沖河兩條水系排放,且兩河道河口處均無(wú)水閘和泵站,受北江水位頂托作用明顯。研究區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害較為嚴(yán)重,2022年6月18—21日,受持續(xù)強(qiáng)降水影響,北江韶關(guān)段發(fā)生約50年一遇洪水,同時(shí)城區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雨,雨峰和洪峰相遇造成芙蓉新區(qū)多處出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇。

1.2 模型構(gòu)建

基于芙蓉新城特點(diǎn),本次內(nèi)澇模型考慮區(qū)域管網(wǎng)排水、河道排澇和地表洪水演進(jìn)3個(gè)方面,耦合一維管網(wǎng)模型、一維河道模型和二維地表模型對(duì)城市內(nèi)澇進(jìn)行精確數(shù)值模擬,見(jiàn)圖1。模型情況分述如下。

圖1 研究區(qū)模型示意

a)一維管網(wǎng)模型。芙蓉新城排水體制以分流制為主,現(xiàn)狀無(wú)排水泵站。本次管網(wǎng)數(shù)據(jù)為更新至2022年的管道勘察數(shù)據(jù),涵蓋研究區(qū)DN300及以上排水管渠。經(jīng)拓?fù)潢P(guān)系修正和模型概化,一維管網(wǎng)模型包含雨水管渠總長(zhǎng)度81.35 km,節(jié)點(diǎn)(雨水井、排水口等)2 746個(gè),子匯水區(qū)2 623個(gè)。子匯水區(qū)邊界結(jié)合管網(wǎng)走向、道路、河道、建筑物等因素,采用泰森多邊形法和人工經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行劃定;徑流系數(shù)指標(biāo)根據(jù)遙感解譯后的不同下墊面類(lèi)型占比計(jì)算得到。

b)一維河道模型。一維河道模型主要針對(duì)東沖河和沐溪河2條河道,建?？傞L(zhǎng)19.09 km,河道斷面按照不超過(guò)300 m控制,在跨河橋梁、河道轉(zhuǎn)彎、斷面變化劇烈等位置進(jìn)行斷面加密,最終布置82個(gè)斷面,平均間距約230 m。在模型中添加建筑物以概化橋梁、涵洞等阻水工程。一維河道模型上游邊界考慮沐溪水庫(kù)的調(diào)洪作用,河道糙率根據(jù)調(diào)研的實(shí)際情況分別對(duì)主槽和邊坡進(jìn)行賦值,范圍為0.015～0.045。

c)二維地表模型。本次二維模型范圍為芙蓉新城內(nèi)的建成區(qū)及部分非建成區(qū),建?？偯娣e為15.82 km2,采用不規(guī)則三角網(wǎng)對(duì)建模區(qū)域進(jìn)行概化,共剖分了43 848個(gè)網(wǎng)格,節(jié)點(diǎn)數(shù)量為29 753個(gè)。為體現(xiàn)道路的行洪作用,對(duì)道路進(jìn)行適當(dāng)加密,并將其高程降低0.15 m。

d)模型耦合。一維管網(wǎng)模型、一維河道模型和二維地表模型通過(guò)以下過(guò)程進(jìn)行耦合:一維河道-二維地表模型通過(guò)堤岸進(jìn)行耦合,本次僅考慮二維地表積水進(jìn)入河道以模擬澇水歸槽過(guò)程,不考慮河道洪水漫壩/潰壩淹沒(méi);一維河道-排水管網(wǎng)通過(guò)排水口進(jìn)行耦合,以反映河道水位對(duì)管網(wǎng)的頂托或倒灌作用;二維地表-排水管網(wǎng)通過(guò)雨水口/地表單元進(jìn)行耦合,以反映管網(wǎng)漫溢淹沒(méi)及收水過(guò)程。

1.3 模型率定與驗(yàn)證

a)模型率定。采用2022年7月27日實(shí)測(cè)水位和流量數(shù)據(jù)對(duì)河道模型參數(shù)進(jìn)行率定,上游邊界條件取各斷面實(shí)測(cè)流量,下游邊界東沖河河口處取實(shí)測(cè)水位46.14 m(國(guó)家85高程,下同),沐溪河河口處取實(shí)測(cè)水位45.37 m。經(jīng)參數(shù)率定將河道典型斷面實(shí)測(cè)和模擬水位誤差控制在0.06 m以內(nèi)。

b)模型驗(yàn)證。采用研究區(qū)2022年6月8—21日實(shí)測(cè)降雨過(guò)程線及積水深度數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定。選取西聯(lián)雨量站為代表站,其降雨過(guò)程見(jiàn)圖2。經(jīng)模型計(jì)算研究區(qū)內(nèi)典型內(nèi)澇點(diǎn)模擬淹沒(méi)深度和實(shí)測(cè)淹沒(méi)深度對(duì)比見(jiàn)表1,結(jié)果表明淹沒(méi)深度誤差基本在20 cm以內(nèi),因此模型參數(shù)基本合理,能較好地反映實(shí)際內(nèi)澇情況。

表1 模型率定結(jié)果 單位:cm

圖2 西聯(lián)雨量站實(shí)測(cè)暴雨過(guò)程

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 計(jì)算工況及模型邊界

本次研究區(qū)內(nèi)澇計(jì)算主要考慮2種外江水位和3種雨峰系數(shù)工況,共組合成6種計(jì)算工況。

外江水位主要考慮2種工況:常水位和高水位。高水位參考《韶關(guān)市區(qū)防洪規(guī)劃報(bào)告》(1997)的排澇工況,按東沖河和沐溪河各頻率洪水遭遇北江10年一遇洪水水位考慮。根據(jù)《韶關(guān)市城市內(nèi)澇治理系統(tǒng)化實(shí)施方案》(2021—2025)及《北江干流(韶關(guān)—河口)河道采砂控制規(guī)劃報(bào)告(2011—2015年)》可得東沖河出口處北江10年一遇水位為53.72 m,沐溪河出口處北江10年一遇水位為53.61 m。

由于芙蓉新城規(guī)劃內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇,因此本次選取30年一遇降雨作為模型邊界條件,采用“長(zhǎng)包短、大包小”的方法,將長(zhǎng)、短歷時(shí)暴雨的設(shè)計(jì)結(jié)合,雨峰系數(shù)(r)主要考慮0.2、0.5、0.8三種情況,設(shè)計(jì)暴雨成果見(jiàn)圖3。

圖3 不同雨峰系數(shù)下30年一遇設(shè)計(jì)降雨過(guò)程線

2.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)模型計(jì)算,各工況下芙蓉新城內(nèi)澇淹沒(méi)情況見(jiàn)圖4。本次參考SL 483—2017《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》中的內(nèi)澇淹沒(méi)深度區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)將內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分為低風(fēng)險(xiǎn)(0.15 m1.0 m)4個(gè)等級(jí),統(tǒng)計(jì)各工況下內(nèi)澇淹沒(méi)面積見(jiàn)表2。由結(jié)果可知在6種工況下芙蓉新城淹沒(méi)面積均達(dá)到130 hm2以上,表明研究區(qū)現(xiàn)狀排水能力較差。

表2 淹沒(méi)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位:hm2

圖4 各工況內(nèi)澇淹沒(méi)水深

2.3 外江水位對(duì)城市內(nèi)澇的影響

由圖4a、4c、4e可知在外江常水位條件下,芙蓉新城排水能力不足段主要集中在流域上游。芙蓉新城三面環(huán)山,但沐溪河支流和東沖河上游截洪設(shè)施未完善,片區(qū)遭遇暴雨后山水傾瀉至城區(qū)排水管渠,超過(guò)排水管渠的排水能力,因此在地勢(shì)低洼處形成持續(xù)性內(nèi)澇。

由圖4b、4d、4f可知在外江10年一遇水位工況下,各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)淹沒(méi)面積相比常水位工況增加幅度明顯,淹沒(méi)總面積增長(zhǎng)均在1倍以上。在r=0.2、0.5和0.8情況下,外江高水位下淹沒(méi)總面積比常水位下淹沒(méi)總面積分別增加170.72、170.59、176.89 hm2。由圖4可知在外江高水位條件下研究區(qū)中下游內(nèi)澇淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)增加顯著,而上游內(nèi)澇淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)則與常水位工況下大致相同。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)中下游區(qū)域場(chǎng)坪高程大多在57 m以下,與外江水位高程相差不足3.5 m,因此在缺乏泵站情況下排水管渠受河道頂托作用明顯,自排能力受限,導(dǎo)致內(nèi)澇淹沒(méi)較為嚴(yán)重;研究區(qū)上游場(chǎng)坪高程大多在58 m以上,主要受城區(qū)周邊山洪影響,外江水位對(duì)附近河段頂托作用并不明顯,因此內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)增長(zhǎng)較少。

以外江常水位工況為基準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)外江高水位條件下研究區(qū)內(nèi)澇面積增長(zhǎng)率見(jiàn)表3。對(duì)比各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)淹沒(méi)面積增長(zhǎng)率可知風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高,淹沒(méi)面積增長(zhǎng)率越高。以r=0.5為例,在外江高水位條件下低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別增長(zhǎng)26.39、71.44、43.47、29.29 hm2,增長(zhǎng)率分別達(dá)到32%、224%、268%和459%。

表3 淹沒(méi)面積增長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果(以外江常水位為基準(zhǔn)) %

2.4 雨峰系數(shù)對(duì)城市內(nèi)澇的影響

對(duì)比圖4中相同外江水位條件、不同雨峰系數(shù)工況下的淹沒(méi)圖可知:在相同降雨頻率下,隨著降雨系數(shù)增大內(nèi)澇淹沒(méi)面積有一定增長(zhǎng),但增長(zhǎng)幅度并不明顯。由表2可知在常水位條件下,r=0.5和r=0.8工況下內(nèi)澇淹沒(méi)總面積分別比r=0.2工況下淹沒(méi)總面積增長(zhǎng)2.78、4.62 hm2;在外江高水位條件下,淹沒(méi)總面積分別增長(zhǎng)2.66、11.79 hm2。此結(jié)果表明雨峰系數(shù)在一定程度上會(huì)影響內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn),且雨峰越靠后內(nèi)澇淹沒(méi)情況越嚴(yán)重。研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀蓄滯條件有限,遭遇雨峰系數(shù)較大的降雨時(shí)在雨峰來(lái)臨前洼地已基本被填充,且管渠、河道內(nèi)水量較多,因此雨峰來(lái)臨時(shí)研究區(qū)蓄滯條件對(duì)形成內(nèi)澇災(zāi)害更為有利;此外雨峰系數(shù)較大時(shí)河道洪峰形成更快,容易對(duì)排水管渠造成頂托[15],以上原因?qū)е码S著雨峰系數(shù)增大研究區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)上升。

與外江水位相比,雨峰系數(shù)對(duì)內(nèi)澇的影響較小,這可能與設(shè)計(jì)降雨較長(zhǎng)且雨峰前期雨量較小有關(guān)。以r=0.2為基準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)r=0.5及r=0.8工況下各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的淹沒(méi)面積增長(zhǎng)率見(jiàn)表4,由結(jié)果可知隨著雨峰系數(shù)增大,雖然總淹沒(méi)面積增大,但各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的淹沒(méi)面積并不是絕對(duì)增大。例如外江常水位情況下r=0.5相比r=0.2情景淹沒(méi)面積減少1.89%。另外通過(guò)r=0.8工況的增長(zhǎng)率結(jié)果可知在雨峰靠后工況下中等風(fēng)險(xiǎn)面積增加率最高。

表4 淹沒(méi)面積增長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果(以r=0.2為基準(zhǔn)) %

3 內(nèi)澇應(yīng)對(duì)策略思考

由內(nèi)澇淹沒(méi)計(jì)算與分析結(jié)果可知在外江高水位情況下,研究區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)增加較為顯著,因此完善研究區(qū)防洪體系、減少外江頂托影響是研究區(qū)內(nèi)澇整治的重點(diǎn)。芙蓉新城為半山半城區(qū)域,其上游截洪溝體系還未完善,建議在河道按照20年一遇標(biāo)準(zhǔn)整治的基礎(chǔ)上完善相關(guān)截洪設(shè)施,減少城區(qū)管渠匯水范圍以減輕內(nèi)澇;研究區(qū)中下游片在開(kāi)發(fā)建設(shè)前原規(guī)劃場(chǎng)坪高程抬高3 m,后來(lái)因?yàn)榉N種原因未能實(shí)施,造成外江高水位情況下內(nèi)澇淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)較高。為削減外江高水位帶來(lái)的頂托影響,建議從流域角度出發(fā)完善中下游防洪排澇體系[16]。①目前芙蓉新城北江沿線堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)不足50年一遇,且以自然岸坡為主,建議對(duì)堤防進(jìn)行達(dá)標(biāo)加固,使區(qū)域免受大洪水威脅。②目前芙蓉新城主要排水通道沐溪河、東沖河河口均無(wú)擋洪和排澇設(shè)施,當(dāng)區(qū)內(nèi)暴雨遭遇北江洪水時(shí),內(nèi)河澇水受到外江頂托,難以自排。建議完善沐溪河和東沖河河口位置水閘、泵站等排澇設(shè)施,形成自排為主、抽排為輔的排澇體系。③經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)芙蓉新城有數(shù)個(gè)雨水口直通外江,建議在雨水口處設(shè)置拍門(mén)以形成封閉的防洪體系。

由不同雨峰系數(shù)工況下的計(jì)算結(jié)果及分析可知雨峰偏后會(huì)加重內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn),需加強(qiáng)研究區(qū)蓄滯能力。芙蓉新城為新開(kāi)發(fā)城區(qū),其水系在城市高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)過(guò)程中被擠占、覆蓋,且規(guī)劃水系基本未實(shí)施。基于芙蓉新城特點(diǎn),筆者建議在完善研究區(qū)閘泵體系之后發(fā)揮其調(diào)度作用,當(dāng)預(yù)測(cè)有強(qiáng)降雨降臨時(shí)預(yù)泄水庫(kù)和河道內(nèi)水量,以保證主干通道的行泄空間[17];另一方面,需按照上位規(guī)劃完善研究區(qū)內(nèi)水系,并加強(qiáng)海綿城市建設(shè)以蓄滯雨水,減輕排水系統(tǒng)的壓力。

4 結(jié)論

本研究以典型城區(qū)——韶關(guān)市芙蓉新城為例,建立了排水管網(wǎng)-一維河道-二維地表相耦合的城市內(nèi)澇模型,在完成模型率定驗(yàn)證后選取6種典型工況研究了外江水位和雨峰系數(shù)對(duì)城市內(nèi)澇的影響,結(jié)論如下。

a)研究區(qū)受外江洪水影響較為顯著。在外江10年一遇水位頂托情景下,芙蓉新城內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)總面積相比常水位情景增長(zhǎng)均在1倍以上,且內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高淹沒(méi)面積增長(zhǎng)率越大。

b)雨峰系數(shù)在一定程度上會(huì)影響內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn),且在相同降雨強(qiáng)度下雨峰越靠后內(nèi)澇淹沒(méi)情況越嚴(yán)重,這與研究區(qū)前期蓄滯能力有關(guān)。

c)為減輕研究區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害,需從流域整體出發(fā)完善上游截洪溝設(shè)施、加強(qiáng)區(qū)內(nèi)海綿蓄滯作用并構(gòu)建下游閘泵堤岸聯(lián)防體系。