深圳市“4·11”暴雨洪水分析
2022-05-18程遥纪彭
程遥 纪彭
摘要：随着中国城市化进程加快，城市区域下垫面的变化引起降水产汇流变化，给城市防洪带来了新的挑战。研究了2019年4月11日深圳市罗湖区和福田区出现的短时强降雨引发的洪水，分析了城市化下垫面硬化和汇流管网化对洪峰出现时间的影响。结果表明：与天然径流过程相比，此次暴雨引发洪水的涨水历时、峰现时间均缩短了40 min，退水历时缩短了45 min。研究成果可供城市防洪工程参考。
关键词：暴雨洪水; 汇流特性; 峰现时间; 城市化; 下垫面; 深圳市
中图法分类号：TV122.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.001
文章编号：1006 - 0081（2022）05 - 0008 - 04
0 引 言
中国城市化进程的加快，形成了城市“热岛效应”和城市高楼“雨岛效应”，造成城市短时极端性灾害天气频发，主要表现为强降雨来得急、强度大。而城市区域下垫面的变化，如地面硬化和大量管网布设又引起了产汇流的变化[1-2]。在相同降雨条件下，产流量变大，汇流速度加快。因此，造成城市排洪管网和河道漫溢，易引发城市内涝和其他次生灾害。本文以深圳市2019年4月11日的短时极端强降雨（简称“4·11”暴雨）为例，对在城市化下垫面条件下的汇流特性进行分析，為城市防洪的“预报、预警、预演、预案”四预工作提供技术支撑。
1 “4·11”暴雨情况
2019年4月11 日21：30～22：00，受强对流天气影响，深圳市出现了暴雨、局地大暴雨。全市最大10 min雨量39.7 mm，最大0.5 h雨量73.4 mm，最大1 h累积雨量80.6 mm。瞬时强降雨导致部分街道积水成河，并引发了罗湖区笔架山河和福田区凤塘河局地洪水，造成11名河道施工人员被突发的洪水冲走溺亡。事故的主要原因是突发短时强降雨和城市化下垫面硬化及管网汇流形成极快的河道洪水，造成预警时间短，人员转移不及时。
2 技术路线
“4·11”暴雨洪灾造成人员伤亡的笔架山河和凤塘河，均未设置水文测站。笔架山河和凤塘河以及位于二者之间的新洲河均发源于塘朗山南坡，同位于城市核心区，流域内城市化水平较高，流域下垫面特性比较一致。因此，为了便于分析此次暴雨并使结果更具可比性，选择新洲河作为分析对象（图1）。在此次暴雨中，新洲河流域也位于暴雨中心区域。从流域特性和此次暴雨特性来看，具有较高的相似性。新洲河中游设有景田水位站，收集有完整的降雨和水位资料，上游的梅林水库站收集有完整的降水资料，具备分析的基本条件。
本次分析以景田水位站作为分析断面。上述3个流域中，虽然新洲河流域面积最大，但景田站的控制流域面积与笔架山河和凤塘河面积相近（见表1），分析结果更具可比性。降雨数据采用梅林水库站与景田站的实测降雨数据（面雨量采用两站平均值），实测水位采用景田站实测水位数据。
以《广东省暴雨径流查算手册（1996年）》中的洪水计算方法为基础，计算城市化以前新洲河流域的降雨及产汇流过程。通过与实测水位变化过程进行对比分析，估算流域洪峰出现时间的变化情况[3]。
3 新洲河流域及景田站特性
新洲河集水面积21.51 km2，流域河长9.66 km，流域平均比降约为7.99‰。新洲河景田水位站为新洲河中游段的控制站，该站位于深圳市北京大学医学院附属医院门诊部西侧500 m（景田小区左侧），控制面积11.10 km2。测验断面低水水面宽9 m，河道为梯形明渠硬化河床，河道底坡平缓，断面稳定。景田水位站设立于2006年，有水位、流量、悬移质含沙量、降水等测验项目，已经连续收集了10余年的资料。通过多年的流量测验证实，该断面的水位流量关系为单一线关系，即最高水位与最大流量出现时间同步。建站以来最高水位9.39 m和最大流量56.2 m3/s均发生在2007年6月10日。
“4·11”暴雨期间，上游梅林水库正在进行大坝加固工程，水库没有蓄水，本次分析不考虑上游梅林水库影响。
4 雨型分析
根据梅林水库站与景田站实测降雨数据分析，两站降雨过程基本一致，降雨起始时间均为4月11日21：30，最大降雨量出现在21：50，22：00后降雨趋于结束（表2）。各时段降雨量和最大10 min降雨量见表2，3和图2。
5 实测水位过程情况
根据景田水位站实测水位过程线分析，降雨初期水位为6.38 m，于21：44开始涨水，22：00达到最高水位8.80 m，涨水历时共15 min，涨幅2.42 m。通过该站水位流量关系曲线推算，洪峰水位对应的洪峰流量为49.2 m3/s，于23：50回落至暴雨初期时水位，退水历时共1 h 50 min（图3）。从开始降雨到开始涨水，时间间隔为14 min，从最大降雨到最高水位出现时间间隔为10 min。
6 天然条件下洪水还原计算
本次计算基于新洲河景田站控制流域实测降雨，采用《广东省暴雨径流查算手册（1996年）》综合单位线法推求流域天然洪水。
以各时段净雨量乘以计算单位线，得出该时段净雨产生的地表径流过程，最后将同一时刻t对应的各时段净雨产生的地表径流量累加，可得时刻t的径流量。
经分析计算可得：洪峰流量为49.15 m3/s，洪峰出现时间约为22：30，涨水历时55 min，退水历时2 h 35 min，总洪水历时约3.5 h。从开始降雨到开始涨水时间间隔为15 min，从最大降雨到最高水位出现时间间隔为50 min（见图4）。
7 对比分析
根据以上分析，假设综合单位线法推算成果代表2003年以前流域下垫面水平，则成果基本可代表天然流域产汇流情况。由对比可推算出：由于城市建设，下垫面硬化及坡面汇流管网化，涨水历时从55 min缩短至15 min，峰现时间缩短了40 min，退水历时从2 h 35 min缩短至1 h 50 min，缩短了45 min（见图5和表3）。通过对景田站的分析可知，虽然这次暴雨洪水量级不大，但具有突发性强和短历时强度大等特点，这是造成人员伤亡和重大财产损失的主要原因之一。
8 结 语
在城市化进程中，大面积的地面硬化和密集的排水管网，显著改变了流域下垫面的特性，使产汇流时间缩短，径流量更加集中，洪峰峰型更加尖削，增大了洪峰流量。加之城市热岛效应引起的短时极端性暴雨频发，使城市河流的洪水发生频率增大，洪水对城市的危害更严重，城市防洪压力更大。因此，需要从汇流源头采取水源含蓄措施，如增加渗水林（草）地建设和城市湿地公园建设、在小区开展生物滞留系统建设等，使雨水径流迟滞，延长汇流时间，降低洪峰水位和洪峰流量。
本文分析主要针对洪峰出现时间的变化，后续研究需要结合前期土壤含水量等因素，得到更为精确的计算成果。
参考文献：
[1] 武晟，汪志荣，张建丰，等.不同下垫面径流系数与雨强及历时关系的实验研究[J].中国农业大学学报，2006，11（5）：55-59.
[2] 贺宝根，陈春根，周乃晟.城市化地区径流系数及其应用[J].上海环境科学，2003，22（7）：472-475，516.
[3] SL 278-2020 水利水电工程水文计算规范[S].
（编辑：李 慧）
Analysis of "4·11" storm flood in Shenzhen City
CHENG Yao，JI Peng
（Middle Changjiang River Bureau of Hydrology and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources
Commission， Wuhan 430010， China）
Abstract： With the acceleration of China's urbanization， the changes in the underlying surface in urban areas have led to confluence variation， which have resulted in problems of urban flood control. Based on a case study of storm flood caused by a short-period heavy rainfall in Luohu and Futian districts， Shenzhen City， on April 11th， 2019， the influence of underlying surface induration due to urbanization and convergence pipe network on flood peak time was analyzed. The results showed that compared with the natural runoff process， the flood duration and the peak time were both shortened by 40 minutes， and the flood receding time was shortened by 45 minutes， which could be used as a reference for urban flood control projects.
Key words： storm flood; confluence characteristics; flood peak time; urbanization; underlying surface; Shenzhen City
收稿日期：2021-07-08
作者簡介：程 遥，男，工程师，主要从事水文勘测及水文计算方面的工作。E-mail：470225835@qq.com
