摘 要：洪澇風(fēng)險是城市公共風(fēng)險管理的重要依據(jù)之一，以廣州市南沙區(qū)桂閣大道為例，在排水系統(tǒng)、海綿城市LID措施、降雨、徑流和地形等條件下，構(gòu)建城市洪澇風(fēng)險模型，在不同降雨頻率條件下，模擬城市遭遇設(shè)計暴雨時的洪澇風(fēng)險，以模擬結(jié)果和等級閾值劃分結(jié)果進行洪澇風(fēng)險評估。該文在傳統(tǒng)城市洪澇風(fēng)險基礎(chǔ)上，進一步分析城市道路洪澇安全的因素，綜合考慮城市道路洪澇風(fēng)險的暴露性、危險性、補救措施等因素，進行城市道路洪澇風(fēng)險分析研究，評估結(jié)果可為城市相關(guān)部門的防洪排澇決策提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城市道路；跨河路橋；防洪排澇；風(fēng)險模型；情景模擬；洪澇彈性

中圖分類號：TU992 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0159-04

Abstract： Flood risk is one of the important bases for urban public risk management. Taking Guige Avenue， Nansha District， Guangzhou City as an example， under the conditions of drainage system， sponge city LID measures， rainfall， runoff and topography， an urban flood risk model is constructed. Under the conditions of different rainfall frequencies， the flood risk of the city when encountering design rainstorm is simulated， and the flood risk assessment is conducted based on the simulation results and the classification results of grade thresholds. On the basis of traditional urban flood risk， this study further analyzes the factors of urban road flood safety， comprehensively considers the exposure， danger， and remedial measures of urban road flood risk， and conducts urban road flood risk analysis and research. The evaluation results can provide reference basis for flood control and drainage decisions of relevant departments in the city.

Keywords： urban road; river crossing road and bridge; flood control and drainage; risk model; scenario simulation; flood resilience

近年來，極端天氣頻發(fā)，城市道路洪澇災(zāi)害對人民的生命和財產(chǎn)帶來嚴重威脅，給人民生產(chǎn)生活帶來極大的阻礙。根據(jù)《Nature Climate Change》，到2050年，廣州是全球136個沿海城市中洪災(zāi)風(fēng)險評估最高的城市。造成珠三角地區(qū)內(nèi)澇的原因除了極端天氣，還有急劇的城市化擴張，導(dǎo)致地面的下墊面地類改變。南沙區(qū)作為粵港澳大灣區(qū)的幾何中心、廣州市的副中心，通勤范圍涉及相鄰的黃埔區(qū)、天河區(qū)、番禺區(qū)等以及深圳市、東莞市、中山市和佛山市等區(qū)域，通暢的市政交通對于生產(chǎn)生活十分重要。

由于南沙區(qū)地勢低平、河涌橫縱交錯，城市化建設(shè)速度快，原有的農(nóng)林地、小微水體等被建筑、道路所替代，導(dǎo)致下墊面地類發(fā)生了較大的變化，進而使得區(qū)域內(nèi)的徑流系數(shù)增大、產(chǎn)匯流時間、調(diào)蓄能力減小，使得區(qū)域更易發(fā)生洪澇災(zāi)害。通過城市洪澇風(fēng)險評估，緩解現(xiàn)狀內(nèi)澇情況、預(yù)防城市內(nèi)澇問題是城市建設(shè)中的重要內(nèi)容。一般以淹沒水深、淹水時長、淹沒范圍等參數(shù)指標進行城市洪澇風(fēng)險評估，以為常用一維方法結(jié)合歷史資料模擬推算洪水，其結(jié)果的時效準確度不足，導(dǎo)致在對城市洪澇災(zāi)害情況的評估不夠準確。本文以廣州市南沙區(qū)為例，基于一維管網(wǎng)+二維地形耦合的城市洪澇風(fēng)險評估模型，綜合利用InfoWorks ICM、ArcGIS和AutoCAD等軟件模擬分析，進行風(fēng)險評估。

1 項目概況

南沙區(qū)總面積786.06 km2，位于廣州市最南端，是西江、北江、東江三江匯集之處，北臨沙灣水道，南瀕珠江出海口伶仃洋。桂閣大道從南沙區(qū)北部橫穿而過，總長15.6 km，跨蕉門水道、西樵水道、騮崗水道等外江水系，穿大崗瀝、細瀝涌、西涌和烏洲涌等內(nèi)河涌。涉河工程設(shè)計參數(shù)表見表1。

基本資料包括工程設(shè)計資料、主要水系的基本水文數(shù)據(jù)、河道地形測量圖、政排水管網(wǎng)圖、陸域航測資料、土地利用規(guī)劃以及當?shù)厮臏y站的雨量、水位等數(shù)據(jù)。研究區(qū)域的各項數(shù)據(jù)來自實地測量或者政府部門提供。

2 研究方法及模型構(gòu)建

2.1 研究方法

近年來，國內(nèi)外洪澇風(fēng)險研究不斷深入，城市洪澇風(fēng)險的理論成果也趨于穩(wěn)定，其中華霖富公司開發(fā)的InfoWorks ICM軟件，是一款基于Wallingford基礎(chǔ)模型的集規(guī)劃和管理防洪、雨水和下水道系統(tǒng)的城市洪澇模擬軟件，可以快速準確地對復(fù)雜的水力和水文網(wǎng)絡(luò)圖元進行建模，系統(tǒng)的建模數(shù)據(jù)可無損識別ArcGIS、Auto CAD源數(shù)據(jù)，InfoWorks ICM軟件能夠為具體項目設(shè)計創(chuàng)建可靠的數(shù)字孿生模型，在市場上具有較高的認可度和接受度。

本次模擬采用InfoWorks ICM作為排水模型洪澇風(fēng)險模擬軟件，洪澇風(fēng)險分析主要通過構(gòu)建城市洪澇模型進行計算，城市洪澇模型由產(chǎn)匯流模型、雨水管網(wǎng)、二維地表模型、一維河道水動力模型耦合而成。二維地表模型、地下管網(wǎng)排水模型和河道水位數(shù)據(jù)通過以下過程進行耦合：①二維地表-排水管網(wǎng)通過雨水口/地表單元進行耦合，以反映管網(wǎng)排水作用及漫溢淹沒過程。②河道-排水管網(wǎng)通過河道概化成明渠與管網(wǎng)排水口進行耦合，以反映河道水位對管網(wǎng)的頂托或倒灌作用。③河道-排水管網(wǎng)-二維地表通過河道概化成明渠、雨水管網(wǎng)排口、雨水口及地表單元進行耦合，模擬設(shè)計工況下區(qū)域淹沒情景。

由項目實際情況及規(guī)劃條件而建立的洪澇風(fēng)險評估模型，充分考慮區(qū)域?qū)嶋H條件，可以更詳細、更快、更準確地模擬城市洪水來襲的情況，根據(jù)洪澇淹沒的范圍、時長、深度等數(shù)據(jù)，其結(jié)果可為區(qū)域現(xiàn)狀排水系統(tǒng)評估提供參考，并進一步預(yù)測城市易澇點、提高城市洪澇風(fēng)險管理的效率。

2.2 研究數(shù)據(jù)

本次分析的數(shù)據(jù)有區(qū)域地形數(shù)據(jù)、河道內(nèi)的水文邊界條件、市政路網(wǎng)數(shù)據(jù)及配套的服務(wù)設(shè)施的資料等。地形數(shù)據(jù)包括路線河道水下地形數(shù)據(jù)、陸域的航測數(shù)據(jù)等，通過ArcGIS軟件處理，將地形測量數(shù)據(jù)與河道堤防、攔河壩等工程結(jié)合起來，生成dem數(shù)據(jù)。洪（潮）澇邊界條件數(shù)據(jù)來自政府門戶網(wǎng)站發(fā)布的南沙區(qū)外江堤防防洪標高論證專題研究資料，以及南沙區(qū)現(xiàn)狀水文測站的實測降雨、水位等資料。工程設(shè)計資料由設(shè)計單位提供，市政路網(wǎng)及配套設(shè)施的資料由評估單位向政府部門申請?zhí)峁?/p>

2.3 模型構(gòu)建

2.3.1 排水管網(wǎng)模型構(gòu)建

將矢量數(shù)據(jù)表達的排水管網(wǎng)系統(tǒng)概化為帶有名稱、底部高程、井深和所在位置等屬性的要素，并對其進行拓撲關(guān)系檢查，對管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行合理性、有效性檢驗。并結(jié)合管網(wǎng)將研究區(qū)域劃分為多個匯水分區(qū)。基于一維圣維南方程對地下管網(wǎng)系統(tǒng)進行求解，從而得到地表一維的溢流數(shù)據(jù)。

2.3.2 二維地表模型構(gòu)建

借助ArcGIS Desktop的數(shù)據(jù)處理及空間分析兩大功能，結(jié)合區(qū)域高程數(shù)據(jù)和土地利用方案，將研究區(qū)域劃分為若干個帶有高程、土地利用屬性的網(wǎng)格。二維地表模型在一維地表的基礎(chǔ)上擴展地上水流模擬功能，將地表空間簡化為一系列洼陷區(qū)和匯水通路，通過一維元件簡化模擬二維的地表流動。

2.3.3 河道概化成明渠

將矢量數(shù)據(jù)表達的河道概化為帶有名稱、底部高程、井深和所在位置等屬性的明渠，在概化明渠上邊界輸入河道對應(yīng)排澇標準斷面位置處的洪峰流量作為初始流量，在概化明渠下邊界輸入河道對應(yīng)防洪標準斷面位置處的設(shè)計洪水位作為明渠排出口常水位。

2.3.4 模型耦合

模型耦合是將排水管網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)筑物的特征信息如管點、管段、泵站和出水口等排水設(shè)施，與地表產(chǎn)匯流計算相關(guān)的基本地理特征信息如地形、土地利用、土壤類型、降雨數(shù)據(jù)以及河道水位數(shù)據(jù)等耦合，實時反映排水或者倒灌等管網(wǎng)與河道在排水口處發(fā)生水量交換，匯入或者滿管反灌等地表和管網(wǎng)檢查井之間的水量交換。建成區(qū)的模型耦合應(yīng)在一個時間步長內(nèi)進行完全耦合。

2.3.5 設(shè)計暴雨模擬計算

南沙新區(qū)內(nèi)澇防治重現(xiàn)期標準為20～100年，采用市政計算標準，根據(jù)廣州暴雨強度公式生成短歷時180 min 20年、50年、100年一遇重現(xiàn)期降雨過程，降雨雨型選用芝加哥雨型，其中雨峰系數(shù)R=0.48。根據(jù)內(nèi)河涌常水位，外江5年一遇24 h動態(tài)水位作為內(nèi)澇評估計算模型的水文邊界條件。

廣州市暴雨強度公式采用

q=，

式中：q為設(shè)計暴雨強度（L·（s·hm2）-1），P為重現(xiàn)期（年），取值范圍為2～100年；t為降雨歷時（min）。

2.3.6 模型率定與驗證

利用南沙區(qū)實測降雨、水位資料及歷時洪澇記錄資料對建立的洪澇模型進行針對性的率定和驗證，模型調(diào)參直至模擬結(jié)果和歷史記錄較為接近，可認為該耦合模型的模擬精度和可靠性較好。20年、50年、100年一遇短歷時降雨重現(xiàn)期降雨過程如圖1—圖3所示。

3 風(fēng)險評估

3.1 模擬分析

在本次模擬分析中，充分考慮河道堤防、公路、擋墻等建筑的阻水功能、市政干道的阻水兼導(dǎo)水功能，以及河涌與泵站、水閘在感潮水文條件下調(diào)度蓄水、排水功能。

在不同頻率設(shè)計暴雨強度下，將桂閣大道洪澇模擬分析的積水深度按照小于0.15 m、0.15～0.30 m、0.3～0.5 m、大于0.5 m，劃分為基本不積水、輕微積水、中度積水和嚴重積水，再按照積水深度繪制淹沒范圍，桂閣大道省道S111隧道100年一遇降雨條件的模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

3.2 小結(jié)

本次以InfoWorks ICM軟件采用情景模擬分析法，研究了南沙區(qū)桂閣大道及周圍區(qū)域在不同頻率設(shè)計暴雨條件下內(nèi)澇的時空變化情況，主要結(jié)論如下。

1）在20～100年一遇暴雨條件下，道路基本不積水。隧道的積水深度、積水范圍均隨著降雨頻率的減小而增大。原桂閣大道省道S111隧道、桂閣大道下穿南沙港快速路隧道、南沙大道桂閣大道隧道、桂閣大道市南大道隧道、連溪大道桂閣大道隧道的排水系統(tǒng)在100年一遇暴雨條件下，最大積水深度及積水時長情況分別為Hmax=0.15 m，T積水=2.0 h；Hmax=0.27 m，T積水=0.75 h；Hmax=0.27 m，T積水=2.83 h；Hmax=0.27 m，T積水=1.5 h；Hmax=0.15 m，T積水=2.8 h。

2）原桂閣大道的各個隧道的排水方式為直排入河，經(jīng)模擬分析，桂閣大道隧道排水系統(tǒng)在遭遇五年一遇的外江防洪（潮）設(shè)計水位時，外江水位隧道雨水排放影響較??；桂閣大道隧道排水系統(tǒng)在遭遇20年一遇以上的外江洪（潮）標準時，隧道排水系統(tǒng)在漲潮時段會受外江水位頂托影響。

3）為保證桂閣大道各隧道積水深度小于0.15 m，積水時間不超過1 h，通過設(shè)計優(yōu)化：①針對隧道產(chǎn)匯流時間短、隧道底部易聚水的特征，在隧道進出口增加截水溝，將路面雨水截流至排水管，避免外部路面雨水流入隧道，同時擴大隧道泵站的泵排流量。②桂閣大道各隧道排水系統(tǒng)采用雙出路排水設(shè)計，一條排水路徑為直排河涌，并在出水口設(shè)置防倒灌拍門，同時設(shè)計一條備用排水路徑，接入市政排水管網(wǎng)，避免潮水頂托導(dǎo)致隧道排水不暢而發(fā)展為內(nèi)澇。③加裝內(nèi)澇預(yù)警設(shè)施，針對雨季中隧道排水系統(tǒng)的運行，實行24 h監(jiān)控和實時預(yù)警預(yù)報。

4 討論

南沙區(qū)在國內(nèi)大中行城市中，近些年來南沙區(qū)沒有發(fā)生造成重大損失的洪澇災(zāi)害，得益于南沙區(qū)在水行政規(guī)章制度、城市防汛管理辦法、洪澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)和公共應(yīng)急搶險能力等方面的綜合管理。城市洪澇風(fēng)險模擬分析采用情景模擬方法，一方面可基于區(qū)域現(xiàn)狀狀況遭遇極端天氣條件下分析和發(fā)現(xiàn)城市洪澇風(fēng)險的易澇點和洪澇災(zāi)害程度，有利于城市洪澇風(fēng)險管理，方便相關(guān)管理部門有組織、有計劃地制訂并實施相應(yīng)的管理和應(yīng)急措施；另一方面對于規(guī)劃項目，可就洪澇風(fēng)險評估結(jié)果開展規(guī)劃項目的洪澇彈性進行評價，評估排水系統(tǒng)對洪澇風(fēng)險的抵抗能力、整體規(guī)劃方案對環(huán)境的恢復(fù)能力。

另外，過去標準化的洪澇風(fēng)險管理是從防災(zāi)、減災(zāi)、備災(zāi)、響應(yīng)和災(zāi)后重建等來考慮，而現(xiàn)在，在洪水風(fēng)險評估與可持續(xù)發(fā)展之間探索出降低洪澇風(fēng)險，增強彈性的發(fā)展模式，即海綿城市。城市洪澇風(fēng)險模型作為海綿城市建設(shè)效果評價的一種技術(shù)手段，可為海綿城市設(shè)計提供依據(jù)和參考。

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