城市化进展对福州内涝的影响研究*

张九香 ，王选仓 ，侯仰慕 ，蔡 力

(1.福建工程学院，福建 福州 350118；2.长安大学， 陕西 西安 710064；3.呼伦贝尔市交通运输局，内蒙古 呼伦贝尔 021008)

城市化进展对福州内涝的影响研究*

张九香1，王选仓2，侯仰慕3，蔡 力3

(1.福建工程学院，福建 福州 350118；2.长安大学， 陕西 西安 710064；3.呼伦贝尔市交通运输局，内蒙古 呼伦贝尔 021008)

从福州治涝的三个阶段入手，分析快速城市化条件下内涝的形成机理、治理措施和效果，提出新形势下治涝理念，应该是采取排、渗、蓄相结合的长效措施解决问题，扩大城市透水表面比例，维持水文循环平衡，达到海绵城市新模式。

内涝；城市化；不透水面；水文循环；长效机制；福州

近年来，我国许多城市内涝频发，带来重大损失[1-2]，城市内涝问题已成为继人口拥挤、交通拥堵、环境污染等问题之后的又一大城市顽疾[3]。如何科学分析这一灾害产生的根源，从被动的堵水、抽排应急处理方式过度到长效机制，适应城市降水，合理引导利用降水资源，优化城市生态环境达到城市与自然协调发展的海绵城市建设新模式，是我国目前高速城市化进程中必须密切关注和解决的重要议题。

随着经济建设的发展，我国城市化水平从1978年的18%提高到2002年的39%，2011年突破50%，2013年达到53.73%[4]，城市人口与资源快速扩张条件下内涝造成的损失和危害也急剧增大[5]。2013年3月国务院正式发布了《关于做好城市排水及暴雨内涝防治设施建设工作的通知》，从国家层面对城市防涝工作提出了明确的要求,各地对内涝问题的处理力度有了较大提高；但内涝的成因复杂多样，极端天气和强降雨是引起内涝的自然诱因[6]，多数城市排水设施、应急系统建设方面滞后或不完善是内涝的客观原因，城市化过快带来的大面积地表不透水硬化改变了区域内水文循环，使水分蒸发、下渗以及滞留减少地表径流增大，是内涝频发却久治不愈的根源[7]；沿海城市因地理位置、地形地势及气候条件以及暴雨和高潮位的叠加是这类城市洪涝灾害损失严重的重要致灾因子[8]，应有针对性分析致涝机理，因地制宜采取防治措施。

1 福州内涝的概况

福州地处东南沿海，属海洋性亚热带季风气候，闽江穿城而过，年平均降水量为900～2 100 mm，每年影响福州的台风平均4次。江北主城三面依山，南临闽江北港，整体地势由西北向东南倾斜，城区内河密布，集水面积165.6 km2。依地形以八一七路为界将城区治涝分为东、西两片，东片集水面积136.7 km2，主干内河有晋安河、光明河；西片集水面积28.9 km2，主干内河有白马河和新西河；两片水系之间有东西河和安泰河连通[9]。西片集水面积小，泄洪通道中有蓄洪能力较强的西湖，所以内涝问题突出的主要是东片区域。内河与闽江北港感潮河道相连，受半日潮潮汐规律作用，河段水位受上游来水量和潮位共同影响。由于城区北面外围山坡坡度陡，地势高，遇台风强降雨天气时暴雨汇集迅速，大部分山洪以天然汇流的方式进入城市内河主通道再排入闽江[10]，如果遇到闽江流域发生洪水或大潮，则内河水体受顶托无法外排，导致沿河两岸及城内低洼处常常遭受水患[11-13]。

1.1 洪涝简况

1026-1996年的900多年间福州城至少有300余次遭受水淹[13]， 1953年修建防洪堤坝后闽江水未侵入福州城，但由于早期城内地面大部分低于5 m(罗零,以罗星塔零点为海拔原点)，而内河洪水位经常高于5 m而使市区发生内涝，防洪排涝一直是福州城市水系的一大重要任务。随着闽江北岸防洪堤的逐次加固，闽江两岸抗洪能力达到200年一遇，之后福州内涝的压力主要来源于中心城区低洼处。福州部分较大内涝情况见表1[12-15]所示。

表1 福州部分较大内涝情况

1.2 涝水排除通道分析

内涝水的源头除了沿途降水产生地表径流外主要还有北面北峰山脉汇集下来的山洪。山洪入城主要路径见图1。在从源头到终端的每一个汇流或分流途中，如果不能满足通道容量的出入平衡都会带来局部或整个区域的积涝漫溢。

图1 东片涝水排出主要路径示意图

闽江北港是福州城区内涝洪水的承泄区，随着城市建设的推进，建成后的地面相比之前有提高，但整体的地势相对高低变化不大。现状地势湖东路以北、温泉公园(只有5.3m)附近，以及五四路、华林路、温泉路、新店新区等传统的易涝区，主要都是集中在晋安河水系中上游流域。根据地势走向，城区外北面山坡的洪水除了少量流入城区上游的八一水库、登云水库外，大部分通过溪流汇入五四北城市内河，再由水闸或排涝站排入闽江北港承泄区。外围山地坡度陡、遇暴雨山洪迅速汇集流入内河，如果闽江流域发生洪水或遇上高水位(外江水年高位均值6.35 m)时，则内河排水受江水顶托，排涝闸无法自排，必须启动排涝站机排除涝，若机排动力不足则河水漫溢低洼地段内涝生成。

1960年代起到现在的50多年时间，内涝一直在发生——治理的循环中，早期洪涝灾害不多但时有发生，平均每年都有内河整治和排涝设施完善，排涝能力得到逐步提高[16]。随着经济快速发展和城市的迅速扩张，内涝发生带来的损失和治涝投入也快速增加。

典型内涝是2005年10月2日，强台风带来集中强降水又逢天文大潮，这些不利因素组合作用给福州带了前所未有的灾害损失。20:00-21:00降雨111 mm，两潮叠加，潮水上溯，下泄河水受其顶托产生雍水，加上上游水库开闸泄洪，引发数十年一遇的内涝灾情，市区内涝范围约13.69 km2，水位在6.44 m(罗零)以上的淹没区达4.47 km2，淹没最深处达3.00 m，淹没平均水深在1.00 m以上[17]，涝水排除途中②～⑦排水通道都是漫溢或超负荷运行状态。

2 内涝的原因及治理效果分析

2.1 原因分析

特殊地形地貌和台风暴雨是福州内涝发生的自然因素，外围山坡陡，山洪汇入内河，城市化带来水文环境不利变化是内涝发生的根本原因；此外内河防涝标准没有依据城市发展变化相应提升，对降水采取汇集快排的传统观念，洪潮水位顶托、内河道过流能力不足、蓄洪、滞洪构筑物匮乏等也是导致福州主城内涝灾害频发屡治不止的重要原因。

图2 福州内涝灾害影响关联图

2.2 不同时期内涝治理措施及效果分析

福州内涝的治理可以依据城市发展的进度分为以下三个阶段。

(1)1995年之前，福州城市建设平缓时期

从1952年修建了闽江沿岸防洪堤之后的30～40年中，福州洪涝灾害虽然不多但时有发生。资料表明[14]， 1961-2006年间18次较大内涝中，10次发生在1961-1995年的34年间，平均3.4年/次，8次发生在1996-2006年的十年间，平均1.25年/次，可见灾害发生有增加的趋势。早期福州城市面积小，内河水系发达畅通，城市周边大片天然地表有很好的渗水储水和承洪功能，除了特别的灾害外一般台风暴雨带来的洪涝水往往有比较大的入渗量和蒸发量，流域内水文循环基本稳定气候变化较小，偶有台风暴雨带来山洪涝水基本采用应急抽排方式处理就能度过雨季；由于闽江河水属半日潮，一天两次涨落，涨潮和暴雨山洪经过时携带的泥沙，以及人为丢弃垃圾、内河排污等造成内河需要周期性清淤。20世纪50、60、70年代管理部门分别对已有内河进行疏浚清淤整治，开挖新西河和五四河，修建八一、过溪等上游水库；1986年后陆续对河道进行治理，闽江下游防洪堤投资1.75亿分期加固，使闽江防洪标准达百年一遇。整治后的内河的排涝能力也得到一定提高。这阶段主要是针对图1中通道③、④、⑤治理。

(2)城市建设快速增长期

1995年福州城市化水平达到43%，城市建设按照“东进南扩”策略进入迅速扩展时期。由于早期福州城市排污体系未形成，随着城市人口的激增及工业化进程加剧，大量生活垃圾和工业废水被排入内河，造成极大污染和於塞。1996年政府先后投资5亿多元实施内河引水冲污工程，建设文山里、西河、洪塘三个引水工程，引闽江水回灌内河，使晋安河、湖前河、树兜河等16条河道水质得到改善[18],但冲污对河底淤积改善效果不大。

福州经济的高速发展和城市人口骤增，使得原有的鱼塘、水池、湿地甚至部分河道等被填埋加高后转化为工业区、生活区、道路等建设用地，这大大削减了蓄水滞涝区范围；同时新建地面抬高后，原有密集生活区变成了低洼地带，遇到短历时暴雨，旧片区低洼地面和路面就会积水内涝，涝灾频率从原来的几年一涝发展到现在的缝大雨必涝。气象记载2005年以来12年间，登陆或影响福州的23个强台风或超强台风，每次都带来大量降水，以2005年10月2日的百年一遇“龙王”台风暴雨造成的内涝损失最为严重。

这一阶段内涝治理主要还是传统快排、强排模式，通过整治河道、提升泵站的能力缓解城区暴雨积水的问题，新建闽江沿线魁崎、东风、彬德、西河排涝站，对75条内河拆迁清障、污染源截污、疏浚、驳岸河床修葺等，通过加强城市水利工程与排水工程建设增强对洪涝灾害的控制。然而面对城市的迅猛扩张以及排涝形势发生的巨大变化，这些措施在并没有达到预计的效果。徐奎通过行洪排涝模拟模型计算，发现环境变化后极端降雨与极端潮位组合的风险概率有增加趋势，并且下游排涝泵站在降雨小于20年一遇时可以有效的减轻洪涝灾损程度，而当降雨大于20年一遇时泵站的作用效率较低，对百年一遇的降雨下游泵站基本不起作用[19]。这与福州近年的内涝实情相吻合。龙王台风之后增加了蓄洪滞洪设施的建设，主要是对八一、登云、过溪等现有小水库防洪蓄洪功能改造及新建琴亭人工湖滞洪蓄洪区，湖面面积18 hm2，新增蓄洪量70万m3。

(3)第三阶段：海绵城市目标下治涝方案

1990年代之后，城市化进度加快，城区范围逐步扩大，城市向周边扩展，首先占用郊区及低洼地带，原有的自然地表、池塘和河沟及部分湖泊被各类不透水垫面覆盖，根据徐涵秋计算分析[20]，福州主城区不透水面面积从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年间福州城乡建筑面积共增长了1.53倍而耕地面积则减少了14.8%,当土地性质从耕地变成高密度的建筑用地时，这部分地面的不透水率从14.7%提高到85.2%[21]，而且相同降雨情况下径流系数随不透水率的增加而增加，径流系数与不透水率存在良好的线性关系，意味着同样的降雨量下地表径流量增加4.79倍，这也是主城区在30 mm的降雨下山洪形成之前，便有路面过水，低洼处积水受灾的原因[22]。据2013年的调查统计，福州市中心城区易涝点共88个，其中40个点遇10～20 mm的降雨2 h就产生积水，42个点遇20～50 mm的降雨2 h就会产生积水，6个点遇大于50 mm的降雨2 h就会发生积水[23]。这些低洼处易涝点是每次台风暴雨排涝的重点区域。

在2015经历了强台风“苏迪罗”后，福州针对内涝问题治理开始转向实施防涝治本措施。历经十几年的快速城市化后，现有城市规模和格局有了巨大变化，很难再单纯采用传统防洪涝措施，因为城市区域河道两岸的土地已高度利用很难再有扩展空间，已有道路下的排水管网也不易改建，即使局部改建也起不到应有的排水作用。只能从调整排洪通道流量的角度出发，通过各种途径分担致涝流量，达到治涝效果。

根据这些变化福州市计划采取“上截”(上游截留)、“中疏”(中间疏散分流)、“下排”(地下管网抽排)的组合措施，提升城区综合排水防涝能力。“上截”主要是解决山洪入城问题，在城区北部山地开建导水隧道把山洪直接从北峰坡面引入闽江开启排洪通道⑨，预计引洪隧道能消减排洪通道①的水源入城流量的60%，这将大大降低内河水系的排洪压力。 “中疏”主要是对下泄水体分流，一方面加快内河综合整治工程建设，提升内河排水能力；同时结合海绵城市建设要求，通过增加环城湖体、园林绿化、透水地面及建设地下蓄水空间等城市储水海绵体结构，提升对雨水的吸纳和蓄滞能力。“下排”是合理布局排水管网，有计划地改造城区市政排水管网系统，使城区进入排水管网的水能够快速排入终端水体。

2015年已经启动引洪隧道工程和晋安河沿线阻水节点改造、新建晋安河沿线调水泵站建设，江北城区还将分期开启建设“海绵城市”项目，包括新建雨洪公园、增加湖体及构建下沉式绿地等建设项目，以增强新店片区蓄、滞洪能力；其中雨洪公园在新店斗顶水库及杨廷水库下方，大雨来临时用于蓄水；构建八一水库下游下沉式绿地，推进琴亭湖剩余湖体开挖到位，可新增库容约5万m3。这些措施实施到位后，江北城区蓄洪能力可新增加约130万m3，容量相当于两个琴亭湖，大大提高城区的防洪标准。

3 福州的城市化发展对内涝的影响

城市化对内涝的影响主要是不透水面增加引起径流量变大和河道面积减少引起排水通道不畅这两方面。

随着城市化水平的提高，城市建成区面积快速扩大，使得透水性较好的土地向透水性差的城市化用地转变，特别是绿地、湿地和水体面积减少，导致地表水文循环中降雨～径流过程发生了质的变化,蒸发和土壤下渗量减少，地面径流增加，汇流速度加快，所形成的洪峰时间集中，强度加大，对低洼地带排水造成很大压力。

3.1 不透水面增加带来的影响

城市化的快速发展，改变了自然地形地貌,以不透水地面铺砌代替原有透水地表和植被，地表径流系数增大，造成同强度暴雨下渗与蒸发的比例显著城少，地表径流量增大，洪峰流量增加；同时不透水地表大面积出现导致地表粗糙度下降，使汇流速度大大加快，暴雨径流产生的能量集中加大了水流的冲刷侵蚀能力，增加了沿途流经通道的水土流失，造成下游城市排洪设施泥沙淤积，降低了这些设施的排洪泄洪能力，缩短了地面径流的汇流时间，地下排水管网排水能力与需求不匹配等都增加了防洪排水压力。根据林彬对不同性质地表径流系数范围研究[24]，城市化造成不同比例地表覆盖带来的雨水径流变化如图3所示。

图3 不同比例地表覆盖下的降水去向分配比例

从图3中看出当透水自然地表被高密度建筑物或构筑物覆盖时不透水率增加达到达到75%，地表径流系数可以从10%增大到55%。根据叶琳等[25]对福州及周边区域城乡建筑用地面积的遥感动态监测分析，发现1986-1996年及1996-2006年研究区的城乡建筑用地面积的增长率分别为57.3%、61%，后10年的增长速度大于前10年，表明福州的城市化还在继续加快，且建筑用地的增加主要来自耕地、林地和草地,其中福州东部和西南部的大片耕地转为了建筑用地。周存林等[26]对福州2000年的遥感影像用光谱混合分析识别，发现总面积为204.76 km2研究区中不透水:面积为99.85 km2，得出研究区域不透水率为48.8%，而福州市2000年市中心建成区中不透水面面积所占的比例为54.15%，参照邵威[21]对福州新店流域的不透水面与径流关系计算公式，得出在1年一遇暴雨重现期(降雨量为38.449 mm/h)下研究区和中心区的径流系数最小值分别为为0.808 6和0.913 3，5年一遇暴雨重现期(降雨量57.260 mm/h)研究区和中心区的最小径流系数分别为0.903 4和0.937 8，即研究区域和中心城区降水转化为地面径流的最小比例分别为80%和90%以上。因此地表径流增大正是导致福州内涝频繁发生的重要原因。

3.2 天然水面变化带来的影响

城市建设的发展造成地表不透水层迅速增加，降雨时原本可下渗的雨水受地表不透水层隔绝而很快形成地表径流，因此相同的降水量形成的地表径流明显增多，相应地就要求有更多的内河和蓄洪设施来排除和容纳提高的洪峰流量；但现有城市建设模式强调土地利用率，不但未增加新河道，而且原有河沟、池塘有相当部分被占用填埋，特别是在城市交通的建设中对小河道基本上采用填埋方式，促使排洪面减少、断头河增加；河道上修建涵洞、桥梁和河闸、建设便道等缩小了过水断面，使实际蓄洪行洪面积大为缩小。根据潘孝荣等人[27]应用遥感技术对福州内河的分析结论发现，与1984年相比2000年内河长度总体减少了3.01 km，约占原河长的20%，面积减少了0.56 km2，占原面积的19%。其中面积减少最多的是光明港为1.78 km2，其原因主要是晋安区居民地扩建使河宽由原来100～220 m减少到50～100 m，城市水面率的大幅度减少，大大削弱了排洪通道容纳涝水的体积，完全或部分被填埋的池塘、河沟截断了原有的排水通道的分洪支流，使整个内河体系调水排涝的能力降低，加大了主城区洪涝灾害发生的面积和程度。

4 结论

我国传统的城市暴雨防洪理念是快速汇集快速排除，这种快排应急方式在一定时期发挥了积极有效的除涝作用。但随着城市建设的发展，城市规模和排涝条件发生了巨大变化，必须适时转变治涝理念，把防洪排涝任务提升到生态环保高度与城区建设统筹规划，最大限度减少对城市原有水文生态环境的破坏，恢复城市透水地面比例，降低地表径流量，同时增加城市具有保水、持水功能的海绵体结构，维护城市水文循环平衡，依靠排、渗、蓄相结合的长效机制从根本上解决内涝问题，保持城市持续协调有序发展。

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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

张九香 ，王选仓 ，侯仰慕，等.城市化进展对福州内涝的影响研究[J].灾害学，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

内蒙古交通科技项目(NJ-2013-38)

张九香(1972-)，女，湖北荆门人，硕士，副教授，主要从事道路工程、道路生态环境影响研究.

E-mail:zjx200058@163.com

F291；X43

A

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

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