摘要：深圳極易遭遇以“臺風(fēng)、暴雨、海潮”三碰頭為代表的極端天氣事件，有必要分析其在極端天氣下內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展和消退全過程。以深圳市羅湖中心區(qū)為例，基于分布式水文水動力耦合模型，采用暴雨移置方法，重演了鄭州“7·20”特大暴雨造成的內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險，分析了羅湖中心區(qū)現(xiàn)狀工程體系對極端暴雨的響應(yīng)。結(jié)果表明：深圳市羅湖中心區(qū)內(nèi)澇積水深度大于0.3 m的區(qū)域面積占比高達(dá)13.58%，積水范圍與小于2 a一遇設(shè)計重現(xiàn)期的雨水管渠分布范圍高度重合。現(xiàn)狀內(nèi)澇成因主要為管渠輸水能力不足，澇水不能迅速通過管網(wǎng)輸送至泵站前池，從而造成遠(yuǎn)端積澇。研究成果有助于提高深圳市極端暴雨災(zāi)害認(rèn)識和應(yīng)對能力，可為超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急預(yù)案編制和汛前演練等提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：極端暴雨； 城市內(nèi)澇； 分布式水文水動力耦合模型； 鄭州“7·20”特大暴雨； 深圳市

中圖法分類號：TV122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.11.001

文章編號：1006-0081（2024）11-0010-07

0 引 言

根據(jù)國家統(tǒng)計局2022年末統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國城鎮(zhèn)化率已經(jīng)達(dá)到65.22%。在經(jīng)歷數(shù)十年的高速發(fā)展與城鎮(zhèn)化建設(shè)后，中國城市內(nèi)澇成因及致災(zāi)機理正在發(fā)生一系列深刻改變，加之全球氣候變化和人類活動的加劇，極端暴雨導(dǎo)致洪澇發(fā)生的可能性與不確定性增大［1-2］。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2010年對351個城市的內(nèi)澇調(diào)研顯示，213個城市發(fā)生過不同程度的積水內(nèi)澇，內(nèi)澇災(zāi)害一年超過3次的城市就有137個，其中甚至囊括了干旱少雨的西安、沈陽等北部城市［3］。城鎮(zhèn)水安全問題正處于漸進(jìn)累積到突變激增的狀態(tài)，內(nèi)澇問題正在成為中國城市水安全保障的重大隱患。

2021年7月17～23日，在西太平洋副熱帶高壓、中國西部的青藏高壓、東?！盁熁ā迸_風(fēng)和南海“查帕卡”臺風(fēng)共同作用下［4-5］，河南省遭遇歷史罕見特大暴雨。從過程累計面雨量來看，鶴壁最大（589 mm）、鄭州次之（534 mm）、新鄉(xiāng)第三（512 mm）。從小時最強點雨量來看，鄭州最大，發(fā)生在7月20日16∶00～17∶00（鄭州國家氣象站201.9 mm）。據(jù)核查評估，河南省共有150個縣（市、區(qū)）1 478.6萬人受災(zāi)，因災(zāi)死亡398人，直接經(jīng)濟損失1 200.6億元［6］。

鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害為研究特大城市洪澇風(fēng)險演變特征與趨向提供了實例驗證。王帆等［7］以山東日照市傅疃河流域為研究對象，基于分布式水文模型和二維水動力模型分析了其在鄭州“7·20”特大暴雨情景下的洪水形勢；陳升［8］分別以上海市徐匯區(qū)、黃浦區(qū)和浦東新區(qū)世紀(jì)大道為暴雨中心，重演了鄭州“7·20”特大暴雨在上海城區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險分布；李敏等［9］基于鄭州“7·20”特大暴雨，對武漢市中心城區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)域進(jìn)行了定量分析，并提出了應(yīng)對極端暴雨內(nèi)澇的策略；張孝奎等［10］以福州濱海核心區(qū)遭遇鄭州“7·20”暴雨為例，分析了濱海新城核心區(qū)可能面臨的內(nèi)澇風(fēng)險；張鴻等［11］將鄭州“7·20”特大暴雨移置到洪汝河流域，分析小洪河流域在“7·20”特大暴雨下的洪水過程。

深圳市羅湖區(qū)是深圳市的中心城區(qū)之一，地處低緯度濱海臺風(fēng)頻繁登陸地區(qū)，受鋒面雨、臺風(fēng)雨影響，暴雨頻發(fā)，洪、潮災(zāi)害常常發(fā)生，且在氣候變化條件下，近年來“臺風(fēng)、暴雨、海潮”三碰頭概率增大。為分析羅湖中心區(qū)遭遇極端降雨的受災(zāi)情況，本文以鄭州“7·20”特大暴雨作為輸入條件，構(gòu)建了深圳市羅湖中心區(qū)城市分布式水文水動力耦合模型，分析了其在現(xiàn)狀治澇工程體系、閘站調(diào)度方案條件下的內(nèi)澇災(zāi)害。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域基本情況

深圳市羅湖中心區(qū)（圖1）為羅湖區(qū)的核心地帶，南臨深圳河，與香港新界隔河相望，西至紅嶺路，東抵深圳水庫排洪河，北以泥崗路—布心路—沿河北路為界，分布有深圳火車站、羅湖口岸、文錦渡口岸、東門老商業(yè)步行街、國貿(mào)商業(yè)中心等，是深圳市最大的人流集散地、最早的商業(yè)中心和重要的區(qū)域性交通樞紐。羅湖中心區(qū)地勢總體呈北高南低趨勢，一旦遭遇強降雨，北部澇水部分就近排入布吉河和深圳水庫排洪河，部分迅速向區(qū)域南部地勢低洼區(qū)域集中。

1.2 治澇現(xiàn)狀

為解決深圳市羅湖中心區(qū)和平路、嘉賓路和建設(shè)路一帶低洼地段每遇暴雨便內(nèi)澇成災(zāi)的現(xiàn)象，深圳市政府于1996年投資建成羅湖中心區(qū)防洪治澇工程，將南起深圳河、北至解放路、東起春風(fēng)路口、西至布吉河6.29 km2范圍的降雨“圍起來、抽出去”，以解決該片區(qū)的內(nèi)澇問題。

羅湖中心區(qū)現(xiàn)狀內(nèi)澇防治工程體系主要包括雨水管渠系統(tǒng)、雨水泵站和水閘。其中，雨水管渠總長90.92 km，集水口447處，外江自排口9處。目前片區(qū)基本實現(xiàn)了雨污分流，90%以上的污水管段已與雨水管網(wǎng)分離。雨水管渠中，暗涵總長20.8 km，所占比例高達(dá)22.8%。片區(qū)共有雨水泵站9座，分別為羅雨、船步街、建設(shè)路、蔡屋圍、文錦渡、東廣場、羅湖橋、火車站1號及火車站2號泵站，總設(shè)計流量63.7 m3/s，其中羅雨泵站設(shè)計流量48 m3/s。片區(qū)共有水閘3座，分別為羅雨、文錦渡、布吉河河口水閘，其中羅雨水閘和文錦渡水閘分別為羅雨泵站和文錦渡泵站的配套水閘。

羅湖中心區(qū)為雨污合流制，為防止污水直排深圳河、布吉河等，在東門渠、春風(fēng)渠、嘉賓路箱涵、羅雨干渠等主干雨水管渠內(nèi)設(shè)置了5處截污堰，用于攔截污水下河，分布位置詳見圖2。5處截污堰中堰高最高達(dá)0.6 m，占雨水管渠截面積比例最大達(dá)42.86%，在一定程度上造成雨水管渠排水能力的下降。

目前羅湖中心區(qū)現(xiàn)狀排澇標(biāo)準(zhǔn)整體偏低，內(nèi)澇防治重現(xiàn)期僅10～20 a。管渠、泵站外排能力嚴(yán)重不足，加之受天文大潮和臺風(fēng)增水疊加影響，深圳河、布吉河水位較高，泵站外排能力不能有效發(fā)揮，澇水難以排出；同時，區(qū)域澇水僅能通過唯一的羅雨干渠及其附屬管渠進(jìn)行抽排，外排通道極為單一。

2 模型構(gòu)建

一個完整的城市排水系統(tǒng)通常包括雨水管渠、內(nèi)河排水溝渠、排澇泵站等組成的市政排水系統(tǒng)，以及城市內(nèi)湖、外江等組成的河湖承泄區(qū)。單獨將上述某一環(huán)節(jié)剝離出來建模分析不能準(zhǔn)確模擬城市雨洪的發(fā)生、發(fā)展和消退全過程。本文構(gòu)建一種降雨產(chǎn)流-地表徑流-管網(wǎng)匯流-泵站外排-河道下泄的城市雨洪耦合模型，包括降雨產(chǎn)匯流模擬、一維河道洪水演進(jìn)模擬、二維地表漫流模擬和一維管網(wǎng)匯流模擬等模塊。

2.1 降雨產(chǎn)匯流模擬

城市下墊面具有匯水面積較小、地表覆蓋情況復(fù)雜、匯流區(qū)域邊界不明顯等特點，采用時間-面積曲線法描述城市下墊面的匯流過程，假定匯水區(qū)內(nèi)各點的雨水匯流速度相同，區(qū)域出水口流量由每個子匯水流面積上的徑流按匯流至出水口的時間依次線性疊加而成，其計算公式為

Q（ti）=αFtk∑tkj=1Iti-jΔt（1）

式中：Q（ti）為ti時刻雨水口的入?yún)R流量；F為雨水口的集雨面積；Iti-j為ti-j時刻的降雨強度；α為單位換算系數(shù)；Δt為時間間隔。為計算匯水區(qū)的匯流過程，還需提供匯水區(qū)的匯水時間-匯水面積關(guān)系。對于任意形狀的匯水區(qū)，其匯水時間-匯水面積曲線可由矩形、發(fā)散型、匯集型等3種基本的曲線類型通過比例參數(shù)組合確定，具體見參考文獻(xiàn)［12］。

2.2 一維河道洪水演進(jìn)模擬

在假定河道底坡較緩、斷面壓力沿垂線按靜水壓力分布、斷面流速均勻分布等條件下，一維河道水流可由圣維南方程組描述：

BZt+Qx=q（2）

Qt+xQ2A+gAZx+gAn2QQA2R4/3=0（3）

式中：Z和Q分別為明渠水位和流量；A和B分別為明渠斷面過水面積和寬度；q為旁側(cè)入流或出流的單寬流量；n為明渠河床糙率系數(shù)；R為水力半徑；g為重力加速度；x為沿明渠水流方向的河道里程；t為時間。

一維圣維南方程的數(shù)值解法已較成熟，本文采用四點Pressimann隱格式離散方法，詳見參考文獻(xiàn)［13］。

2.3 二維地表漫流模擬

雨水在城市地表的漫流過程可采用二維淺水方程組描述：

ht+huixi=0（4）

huit+huiujxj+xig2h2+ghZbxi=xjhυuixj-τbiρ（5）

式中：xi為沿i方向（x方向或y方向）的平面坐標(biāo)；h為水深；ui為沿i方向的流速；Zb為河床高程；ρ，υ分別為水的密度和運動黏度；τbi為沿i方向的摩阻，可表示為τbi=ρCbuiujuj，其中Cb為阻力系數(shù)，重復(fù)下標(biāo)滿足求和約定。

采用格子Boltzmann方法求解二維淺水方程組，其中離散速度模型采用D2Q9模型，推導(dǎo)及求解步驟詳見參考文獻(xiàn)［14-16］。

2.4 雨水管渠匯流模擬

一維管網(wǎng)水動力學(xué)模型控制方程如下：

Qx+At=0（6）

Qt+xαQ2A+gAyx=gAI0-If（7）

式中：Q為管道流量；A為管道過水面積；y為管道中的液面高度；I0為管道底坡；If為阻力坡度；g為重力加速度。一維圣維南方程組僅能模擬重力流，對于城市雨水管網(wǎng)，當(dāng)降雨超過管道過水能力時（管道超載），其流態(tài)將由重力流轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫α?。為了讓圣維南方程組仍然適用于壓力流，可采用Pressimann窄縫假設(shè)，在管道頂端引入一段假想的無限高狹槽，狹槽的寬度取決于管道橫斷面面積和波速，具體處理方法詳見參考文獻(xiàn)［17］。

2.5 管渠匯流模型與地表漫流模型的耦合

將一維管渠匯流模型與二維地表匯流模型進(jìn)行耦合，模擬地表雨水通過雨水口進(jìn)入管渠和管渠超載后雨水溢出地表的雙向過程，兩者間的水量交換采用孔口流量方程定量計算：

Qex=signHP-HGCDAin 2gHP-HG（8）

式中：Qex為管渠和地表的交換流量；HP為管渠水位；HG為地表水位；Ain為雨水口的過水面積；CD為流量系數(shù)。sign（x）為符號函數(shù)，當(dāng)xgt;0時，sign（x）=1；當(dāng)x=0時，sign（x）=0；當(dāng)xlt;0時，sign（x）=-1。

3 模型參數(shù)率定

考慮到上述模型中參數(shù)眾多，逐一對其取值進(jìn)行率定既無必要也不現(xiàn)實。為驗證采用本模型進(jìn)行后續(xù)情景模擬的合理性，各參數(shù)取值除參考相關(guān)行業(yè)規(guī)范和以往研究成果外，本節(jié)采用2018年8月29日暴雨期間，深圳市羅湖中心區(qū)實測內(nèi)澇積水情況進(jìn)行率定，率定結(jié)果詳見表1?？梢钥闯?，2018年實測積澇點位置、范圍、水深、歷時等參數(shù)與模型計算結(jié)果大致吻合。需要說明的是，因為文錦渡口岸關(guān)卡限制勘測人員進(jìn)入，因此未收集到沿河南路與深圳河干流右岸之間的管網(wǎng)資料，所以片區(qū)南部靠近深圳河干流的兩處實測積澇點在模擬結(jié)果中未能得到反映。

4 重演情景設(shè)定

4.1 降雨邊界條件設(shè)定

本次采用2021年鄭州“7·20”特大暴雨鄭州國家氣象站最大日降雨過程線，詳見圖3，其中最大小時降雨量高達(dá)201.9 mm。羅湖中心區(qū)所在深圳河流域200 a一遇1 h設(shè)計雨量為152 mm，24 h設(shè)計雨量為610 mm，可見鄭州“7·20”特大暴雨實際降雨過程在深圳市均超過了200 a一遇標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 外海潮汐邊界條件設(shè)定

除雨水泵站外，羅湖中心區(qū)有大量雨水排口直排深圳河和布吉河，其外排流量受管渠上游來水和外江水位雙重影響，計算時需要通過一維洪水演進(jìn)模型提供深圳河和布吉河水位作為其邊界條件。深圳河下游直排南海，屬感潮河流，采用《深圳市防洪（潮）排澇規(guī)劃（2021～2035）》擬定的洪潮組合，對于以雨為主的洪潮遭遇，推薦采用設(shè)計頻率降雨遭遇5 a一遇的高潮位過程，詳見圖4。

5 情景模擬結(jié)果分析

5.1 內(nèi)澇積水發(fā)展過程

遭遇鄭州“7·20”特大暴雨最大24 h降雨情況下，深圳市羅湖中心區(qū)不同時刻積水分布詳見圖5。現(xiàn)狀條件下，羅湖中心區(qū)內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)為10～20 a一遇，最大可抵御約90 mm的小時降雨量。在7月19日16∶00之前，本場降雨過程最大小時降雨量未超過61 mm，區(qū)域未出現(xiàn)內(nèi)澇災(zāi)害。7月19日16∶00的小時降雨量達(dá)201.9 mm，開始大面積出現(xiàn)內(nèi)澇災(zāi)害，災(zāi)害范圍與小于2 a一遇設(shè)計重現(xiàn)期的雨水管渠分布范圍高度重合。鄭州“7·20”特大暴雨衰減較快，加之片區(qū)面積較小、地表不透水率較高，退水時間較快，7月20日23∶00全域積水深度基本退至50 cm以下。深圳羅湖區(qū)東門老商業(yè)街和區(qū)政府大樓等典型位置積水過程線見圖6，東門老商業(yè)街最大積水深度達(dá)0.64 m，積水時間53 min；區(qū)政府大樓最大積水深度達(dá)1.96 m，積水時間長達(dá)90 min。

本場降雨過程中，積水深度大于1.5 m的區(qū)域面積為0.243 km2，占羅湖中心區(qū)總面積的3.86%；積水深度1.0～1.5 m的區(qū)域面積為0.341 km2，占羅湖中心區(qū)總面積的5.42%；積水深度0.5～1.0 m的區(qū)域面積為0.252 km2，占羅湖中心區(qū)總面積的4.01%。內(nèi)澇積水深度大于0.3 m的區(qū)域面積占比高達(dá)13.58%，積水范圍與小于2 a一遇設(shè)計重現(xiàn)期的雨水管渠分布范圍高度重合。

5.2 治澇工程運行情況

作為羅湖中心區(qū)治澇的關(guān)鍵性工程，羅雨閘站承擔(dān)了片區(qū)80%以上的雨水外排任務(wù)，其中泵站共配備了6臺軸流泵，總設(shè)計流量48 m3/s；水閘共3孔，單孔尺寸6 m（寬）×3 m（高），設(shè)計流量150 m3/s。深圳火車站下沉廣場因地勢較低，是片區(qū)易澇點之一，其排澇任務(wù)由東廣場排澇泵站承擔(dān)，配備2臺潛水泵，總設(shè)計流量0.72 m3/s。本次降雨過程中，羅雨閘站與東廣場泵站外排過程詳見圖7。羅雨泵站最多僅開啟2臺機組，因羅雨泵站服務(wù)面積較大，雨水匯流時間較長，泵站開啟時間相對于雨峰位置有所滯后，首臺機組于雨峰后25 min開啟，開啟后未能將泵站前池水位維持在1.8 m的控制水位以下，第二臺機組于雨峰后31 min開啟。羅雨水閘最大泄流量為71.47 m3/s。因服務(wù)面積較小，東廣場泵站于雨峰后9 min開啟，并持續(xù)開啟了105 min。

即便遭遇鄭州“7·20”特大暴雨，區(qū)域最大的羅雨泵站僅開啟6臺泵站中的2臺即可將泵站前池水位降至控制水位以下，而區(qū)域依然嚴(yán)重積澇?？梢娖瑓^(qū)形成內(nèi)澇的重要原因是遠(yuǎn)端管渠輸水能力不足，澇水不能迅速通過管渠輸送至泵站前池，進(jìn)而造成遠(yuǎn)端積澇。同時，鄭州“7·20”特大暴雨降雨強度遠(yuǎn)超現(xiàn)狀排水管渠排水能力，也是片區(qū)形成內(nèi)澇的原因之一。

為分析截污堰對片區(qū)排澇的影響，以東門渠1號截污堰為例，分析阻水截污堰對管渠排水能力的影響。東門渠1號截污堰位于東門中路西側(cè)雨水箱涵，該處雨水管渠現(xiàn)狀為1.6 m（寬）×1.6 m（高）矩形箱涵，截污堰尺寸為1.6 m（寬）×0.3 m（高），占雨水管渠過水面積的18.75%。鄭州“7·20”特大暴雨條件下，東門渠1號截污堰上、下游管段最高水頭線如圖8所示?？梢姡匚垩呱?、下水頭差約為0.76 m；在羅雨干渠接納東門渠位置，羅雨干渠處于超載狀態(tài)（水頭線高于管渠頂部高程），內(nèi)部水流狀態(tài)為壓力流。在羅雨干渠高水頂托和截污堰阻水的雙重影響下，本段東門渠整體處于超載狀態(tài)。圖9為鄭州“7·20”特大暴雨情況下，東門渠1號截污堰上、下游水頭過程對比情況。拆除門渠1號截污堰后，堰上水頭最大降低約0.73 m，可顯著改善截污堰上游管渠排水條件?？梢姡匚垩唠m然可攔截部分污水，對承泄區(qū)水質(zhì)改善起到一定積極作用，但其占用了部分雨水管渠過水?dāng)嗝?，較大程度上降低了雨水管渠的排水能力，導(dǎo)致澇水不能及時通過排水管渠輸送至末端泵站。

6 結(jié) 論

本文在構(gòu)建城市分布式水文水動力耦合模型基礎(chǔ)上，計算分析了深圳市羅湖中心區(qū)重演鄭州“7·20”特大暴雨的內(nèi)澇災(zāi)害，主要結(jié)論如下。

（1） 鄭州“7·20”特大暴雨條件下，深圳市羅湖中心區(qū)積水深度大于1.5 m的區(qū)域占總面積的3.86%；積水深度1.0～1.5 m的區(qū)域占總面積的5.42%。深圳市羅湖中心區(qū)內(nèi)澇積水深度大于0.3 m的區(qū)域面積占比高達(dá)13.58%，積水范圍與小于2 a一遇設(shè)計重現(xiàn)期的雨水管渠分布范圍高度重合。

（2） 羅雨閘站作為片區(qū)治澇的骨干工程，該場降雨僅開啟6臺泵站中的2臺，說明形成內(nèi)澇的主要原因為現(xiàn)狀管渠排水標(biāo)準(zhǔn)偏低，難以將雨水及時輸送至末端泵站。

（3） 片區(qū)現(xiàn)狀5處截污堰部分占用了雨水管渠斷面，降低了雨水管渠的排水能力。以東門渠1號截污堰為例，其占雨水管渠過水面積的18.75%，拆除后堰上水頭最大降低約0.73 m，可顯著改善截污堰上游管渠排水條件。

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（編輯：江 文）

Simulation analysis of Zhengzhou \"7·20\" extreme rainstorm scenario in Shenzhen City

WU Jiayang 1，LIU Jiaming1，LIU Xiaoxia2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.Water Resources Bureau of Shenzhen Municipality，Shenzhen 518035，China）

Abstract：

Shenzhen City is extremely vulnerable to extreme weather events such as typhoon，rainstorm and sea tide.It is necessary to analyze the entire process of the occurrence，development，and disappearance of city waterlogging disasters under extreme weather conditions.Based on urban distributed hydrological-hydrodynamic coupling model and rainstorm transplantation method，the waterlogging disaster caused by the Zhengzhou \"7·20\" extreme rainstorm in Shenzhen Luohu central area was simulated，and the response of waterlogging control system was analyzed.The results indicated that the proportion of area with waterlogging depth greater than 0.3 meter was 13.58%，and the disaster area was highly coincide with those of rainstorm pipes with return period of less than 2 years.The main cause of waterlogging is the insufficient pipe′s conveyance capacity，resulting in the inability to efficiently transport waterlogged water to the pump station′s front pool and remote flooding.This research results can help to improve the understanding and coping ability of extreme rainstorm disasters in Shenzhen City，and provide a reference for the preparation of over-standard flood emergency plans and pre-flood drills.

Key words：

extreme rainstorm； urban waterlogging； distributed hydrological-hydrodynamic coupling model； Zhengzhou \"7·20\" extreme rainstorm； Shenzhen City