高密度城市暴雨洪涝治理理论框架及其应用研究

2022-08-11陈文龙徐宗学宋利祥

水利学报 2022年7期

陈文龙，徐宗学，张印，宋利祥，杨芳，4

(1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州 510611；2.北京师范大学水科学研究院，北京 100875；3.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875；4.清华大学土木水利学院，北京 100084)

1 引言

随着我国城市化进程不断推进，在城市开发建设用地高度紧张的制约下，高强度、高密度开发已成为城市化发展的必然趋势，城市热岛及雨岛效应凸显[1-3]，短历时强降雨频发，加之城市中天然雨洪调蓄场所锐减，地面硬化显著改变地表产汇流特性[4-5]，导致了严重的城市暴雨洪涝灾害[6-7]。在城市人口、建筑物以及各类设施高度密集区域，“淹不起、涝不得”，洪涝须高标准设防；同时，城市用地高度紧张，泄洪通道变窄甚至消失，大幅提标难度大。以粤港澳大湾区为例，根据已批复的《粤港澳大湾区水安全保障规划》(2021年)，广州、深圳规划城市内涝防治标准将提高到100年一遇，珠海、佛山、东莞、惠州、中山、江门、肇庆等城市为50年一遇。而目前大湾区城市普遍仅能抵御10～20年一遇设计暴雨，与规划目标存在明显差距。另一方面，大湾区城市高强度高密度开发，用地高度紧张，又严重制约城市着暴雨洪涝治理。同时，大湾区高度城镇化过程中，由于当时城市规划缺乏前瞻性，城市高强度、高密度开发没有为城市未来内涝防治标准提升预留足够空间[8]。城市内河临河建筑物密集，河道横向拓展空间受限；地下管线复杂密布，挤占排水管网升级改造空间。在用地高度紧张背景下，大幅度地系统提升城市内涝防治能力是高密度城市暴雨洪涝治理的重大难题与挑战[9-10]。

纵观国内外洪涝治理策略，大致分为两个阶段：一是以传统的“灰色基础设施”建设为主，快排的治理思路；二是灰色与绿色基础设施结合的工程措施体系，在快排措施基础上增加源头减排和滞蓄措施。传统的城市洪涝防治体系由排水系统和排涝系统构成，海绵城市概念的提出为我国城市洪涝治理提供了新思路[11-13]，由此形成了由城市海绵、市政排水和水利排涝三个子系统组成的城市防洪防涝系统[14]。然而，在实际应用中，受制于不同行业、不同规范限制，当前城市洪涝治理策略仍以快排为主，治理模式多为洪涝分治，如何统筹城市海绵-排水系统-排涝系统是当前我国城市洪涝治理的主要方向。

针对上述问题，我国学者开展了一系列相关研究。王浩[15]指出城市洪涝防治需建设与城市洪涝防治标准相适应的排水、排涝系统。夏军[16]认为新形势的城市洪涝防治，应在坚持城市绿色发展新理念的基础上，实施综合治理和系统管控。张建云等[17]指出我国现阶段的防洪、除涝与管网排水标准均不一致，城市洪涝防治中各标准应当协调和衔接。陈文龙等[14，18]基于粤港澳大湾区城市“洪涝同源”的流域系统整体观，开展了城市洪涝治理工程优化布局研究，为我国城市洪涝治理提供了新思路。总体而言，我国在城市暴雨洪涝治理理论方面已取得了一些研究成果，但针对高密度城市的暴雨洪涝治理理论体系尚不完善。

本文通过分析传统洪涝治理模式及其在高密度城市的适应性，从目标、内涵、方法等三个层次，提出高密度城市暴雨洪涝治理理论框架，并结合实际案例，阐述该理论在洪涝治理工程规划设计中的应用模式，旨在为我国高密度城市洪涝灾害防治提供科学理论支撑。

2 传统洪涝治理模式及其适应性分析

2.1 传统城市暴雨洪涝治理模式特征解析城市防洪防涝系统主要包括城区市政排水系统和城市内河水系水利排涝系统，以及城市外江洪水防御系统。其中，市政排水系统和水利排涝系统分属市政和水利两个独立的行政部门，导致长期以来两个排水系统规划设计相对独立，彼此之间衔接不紧密，主要表现在：(1)两者采用的设计标准不同，市政排水标准以《室外排水设计标准》为依据，针对城区内较小汇水面积上低重现期、短历时设计暴雨形成的地表产流进行快速排除；水利排涝以《治涝标准》为依据，针对解决较大汇流面积上高重现期、长历时设计暴雨产生的承泄区(城市内河水系)涝水排放问题；(2)两者的治理对象不同，市政排水侧重于管网建设，以将地表产流快速排至城市内河为目的；水利排涝侧重于城市内河水系建设，以将城市排水管网排至城市内河的水量排泄至城市外江为目的；(3)未充分考虑市政排水和水利排涝互为边界条件，忽略了两者的整体性，存在洪涝风险相互转移的风险。例如，随着建成区的扩张，一些城市外江变成了城市内河，单纯加高堤防、扩大保护范围与提升城区外排能力，就会导致同雨量下河道洪峰水位大幅抬升，峰现时间提早，洪峰沿河演进，相当于把风险从上游转嫁给下游，这是因涝致洪；城市河湖水系高水位运行，反过来又对排水管网产生顶托甚至倒灌的影响，这是因洪致涝。显然，单纯按传统模式，各自为政治理洪涝，城市洪涝防御能力并未实质提升，系统之间、区域之间围绕洪涝治理的矛盾还会日趋尖锐。

2.2 传统洪涝治理模式适应性分析我国防洪治涝标准与受保护区域社会经济地位重要性和人口数量有关，随着高密度城区的形成，提高防洪治涝标准是普遍的需求。然而，以传统模式提升高密度城区的防洪治涝标准，面临的制约因素更为复杂，制约条件日趋严苛。以粤港澳大湾区为例，高速城镇化过程中，河道两岸建筑物密集，未预留河道拓宽提标空间。当城市内涝防治标准从现状10～20年一遇提至50～100年一遇，意味着地下排水管网和城市内河设计流量将增加约20%～40%。按传统洪涝分治模式进行规划设计，对水利而言，为提高行洪能力，在河道横向扩宽受限制时，需要加高堤防以应对河道高水位。然而，河道高水位行洪会降低管网排水系统的排水能力，且加高堤防会影响城市景观风貌。对市政而言，提高标准需要大规模对排水管网进行扩容提标，但城市地下管线复杂密布，提标难度大且影响城市正常运转；此外，受城市内河高水位顶托，只能采用大范围增设雨水泵站等措施，但雨水泵站建设同样面临用地紧张的制约。因此，传统洪涝分治模式受“用地、经济、景观”等因素严重制约，市政排水系统和水利排涝系统工程规模不协调，难以实现系统达标和高密度城市内涝防治标准大幅提升。

3 高密度城市暴雨洪涝治理理论框架

针对传统洪涝治理模式的局限性，从目标、内涵、方法等三个层次，构建高密度城市暴雨洪涝治理理论框架，主要包括①目标层：树立“防御体系有韧性，基础设施有韧性，极端暴雨少损失”的洪涝治理新目标；②内涵层：以“流域树”、洪涝同源和洪涝共治为核心概念的城市洪涝小流域系统整体观；③方法层：“统一目标、统一规划、多维共治、系统优化”的高密度城市暴雨洪涝治理规划设计新方法。

3.1 目标层传统洪涝治理模式以对抗性防御为主，防御压力主要集中在管道和河网，排涝体系缺乏韧性，一旦发生超标准降雨，将造成严重的损失。不同于传统对抗性防御模式，洪涝韧性防治是指城市系统能够规避、缓解及应对洪涝灾害的冲击，并保持其主要功能不受明显影响。

任何防洪排涝体系都有设计标准，极端超标准暴雨产生的灾害不可避免，洪涝灾害难以根治，城市暴雨洪涝防治需采用新的治理理念，实现“防御体系有韧性、基础设施有韧性、极端暴雨少损失”三大目标，推动城市洪涝治理从对抗性防御向韧性治理转变。

城市洪涝韧性防御主要体现在两个方面：一是提高城市防洪排涝工程体系防御韧性，避免超标准暴雨洪水唯一依靠堤防的对抗性脆性防御。二是提高城市重大基础设施洪涝防御能力和韧性，从城市规划阶段落实“源头”洪涝安全管控，建议重要基础设施的设防标准不低于城市洪涝设防标准，并制定独立的应急预案。防御体系有韧性、基础设施有韧性，就是要构建高标准、有韧性的高质量防御体系，极端暴雨少损失是城市洪涝防御的终究目标。

3.2 内涵层

3.2.1 “流域树”结构城市防洪防涝系统中由城市海绵(包括透水铺装、绿色屋顶、下凹式绿地等)、市政排水系统(包括雨水管道、管渠、雨水泵站等)与水利排涝系统(包括河道、湖泊、水库、水闸等)组成的三部分，可概化为由“地-管-河”组成的“流域树”结构(图1)，其中，城市河网构成树干和枝杈，排水分区为树叶(地面、城市海绵、地下排水管网)[14]。

3.2.2 洪涝同源 “流域树”是一个有机的整体，城市洪涝过程实质是降到地面的雨水按“水往低处流”的特性在“流域树”运动的过程。从纵向看，城市河网上、中、下游、干支流相互联系，上游流量大，则下游水位高，下游水位高又会顶托上游来水。从横向看，“地-管-河”相互耦合，地面排水快，管网流量大；管网水流慢，地面就会积水；管网排水快，则河道下游水位高；河道水位高，又会顶托管网排水，甚至漫过堤顶造成水淹。“流域树”的纵向来水和横向来水相互交汇、相互影响、相互转移、相生相伴，洪涝同源。例如，粤港澳大湾区环山面海，地势北高南低，山洪容易进城，洪涝交织问题突出。

3.2.3 洪涝共治城市洪涝过程的流域整体性决定了城市暴雨洪涝治理必须以流域为单元，而不是刻板地按行政区划界定洪涝边界；城市洪涝过程的系统性决定了城市排水和水利排涝规划设计必须充分考虑两个系统的衔接，保证工程规模的协调。城市内涝防御能力是指在相应频率设计暴雨下，城市海绵、市政排水系统和水利排涝系统整体设防、综合协调作用下的合力。城市暴雨洪涝防御必须树立整体设防、系统达标的理念。以广州猎德涌流域洪涝治理为例，猎德涌流域城市内涝防治标准要从现状20年一遇提升到100年一遇，意味着河口断面设计流量将从181 m3/s增加到234 m3/s，在河道拓宽、堤防加高受限的条件下，如何消减增加的53 m3/s峰量就是治理关键。假如通过水库、蓄滞洪区的极限挖潜能力(如降低水库溢洪道高程、加设闸门进行控泄)只能削减30 m3/s，剩余23 m3/s峰量缺口，则要求市政建设若干分布式调蓄设施，通过精细控制错峰解决。因此，城市暴雨洪涝治理要树立流域治理和洪涝共治的系统整体观，即统筹城市海绵、市政排水系统和水利排涝系统三大要素，从流域尺度加强“流域树”建设。

3.3 方法层在高度城镇化地区大幅提升城市洪涝防治标准需要从流域性、全局性和系统性等综合考虑。受“用地、经济、景观”等因素严重制约，高密度城市洪涝防御能力大幅提升不可能依靠单一、局部的工程实现。针对传统城市洪涝分治模式的短板，基于“洪涝同源”的流域系统整体观，本文提出了“统一目标、统一规划、多维共治、系统优化”的高密度城市暴雨洪涝治理规划设计方法。

3.3.1 统一目标城市暴雨洪涝防治规划要以设计暴雨条件下市政排水和水利排涝系统达标为目的，即暴雨洪涝过程中城市内河堤防保安全、地面积水不成灾。统一水利和市政设计雨型是统一目标的前提。由于样本选取方法及统计采用的雨量站不同，两者设计成果存在差异，导致市政排水与水利排涝衔接不匹配。基于洪涝治理的流域系统整体观，为更好统筹市政排水与水利排涝，必须统一设计雨型。从偏安全角度考虑，采用的设计雨型须兼顾水利长历时降雨的量和市政短历时降雨的峰。

3.3.2 统一规划统一规划是重要原则。与城市洪涝治理相关的规划主要有海绵城市规划、城市雨水与排水规划、城市防洪排涝规划，分别对应城市海绵、市政排水系统和水利排涝系统。以往这三个规划各自按照城建、市政、水利部门的相关规范要求独立编制，缺少对三大子系统的统筹协调。要实现系统达标的目标，须打破传统“洪涝分治”模式，对城市洪涝治理各个系统进行一体化规划，同步一体化编制城市排水防涝规划，确保其工程布局和工程规模的无缝衔接和充分协调。

3.3.3 多维共治 (1)多维共治体系。在城市洪涝治理空间严重受限的条件下，难以通过单一的工程实现城市内涝的整体达标，必须在整个内河流域尺度充分挖潜治理空间和蓄排潜力。构建“上-中-下、地-管-河、表-浅-深”的流域多维共治体系，在纵向上通过对流域开展上蓄、中疏、下泄综合措施，挖潜城市内河水位管控潜力；在横向上，蓄滞排结合，重点挖潜地面蓄滞潜力，控制排水管网流量；在竖向上，立体防控，在表、浅层充分挖潜仍不满足要求时开发深层蓄排能力。多维共治体系的关键是在有限的空间分散布局、充分挖潜、积少成多、形成合力，共同消纳流域内的暴雨产流，实现系统达标，与传统防御体系相比，在面对超标准暴雨时，具有更强的韧性。

图2 流域区间划分示意图

(2)工程布局方法。

1)流域区间划分：在城市洪涝规划治理设计中，依据内河流域水系、管网汇流、地形等特征，将流域从上游到下游划分为M个区段，依次编号为1，2，…，N，N+1，…，M，每个区段包括所在河段及若干个排水分区(图2)。

2)对于整个流域，按“从上游到下游”的顺序逐区段规划；对于区段，按“先河道后地面，先表层后深层”的顺序进行工程布局。

3)区段内常用规划措施：减小区段上游来流措施，包括水库调蓄能力提升、蓄滞洪区分洪、分洪通道分洪等；增加河道过流能力措施，包括河道扩宽开卡、清淤疏浚、堤防加高、增设排涝泵站等；提升管网排水能力措施，包括管网提标改造、增设雨水泵站；提升地面蓄滞能力、减小区段汇流措施，包括坑塘、湿地、湖泊、调蓄池、绿地花园等分散调蓄设施利用和改造。每个区段可因地制宜采用上述措施进行模块化组合。

4)区段N工程布局

①先河道后地面。当上游区段N-1达标后，开始规划区段N。假定规划重现期河段N的设计洪峰流量为QN设，现状河段N过流能力为QN，河段采取清淤、扩卡后的过流能力为Q′N，则区间N允许的入河流量QN允=Q′N-QN设。

②蓄排结合的地面工程布局。假定区段N规划条件下区间产流为qN，现状管网排水能力为qN管现，现状滞蓄能力qN蓄现，规划条件下管网排水能力q′N管，规划滞蓄能力q′N蓄。

若QN允≥qN，则河道可消纳区间全部汇流，此时地面蓄排工程布局重点解决地面积水问题，使q′N蓄+q′N管≥qN，即可实现地面不内涝；

若QN允

5)采取上述方法对流域规划工程措施进行初步布局，在此基础上通过城市洪涝耦合数学模型对流域工程布局及规模进行精细化优化与效果评估。

在工程布局及规模精细化优化后，仍达不到规划目标时，则需考虑建设深层隧道、地下水库，配合大型泵站，对河道、地表无法消减量进行存蓄和错峰排放。

图3 工程布局流程图

3.3.4 系统优化高度城镇化地区城市土地空间有限、寸土寸金，河道整治和排水管网升级改造空间明显不足，在有限的土地空间大幅度提升内涝防治能力，精细化布局是关键，流域洪涝数值模拟是实现精细化布局的有效手段[19]。通过构建全流域的城市洪涝水文水动力模型，充分考虑城市海绵、市政排水、水利排涝之间以及流域上下游、干支流之间的相互联系，通过河道流量、河道水位、地面淹没情况，整体评估工程布局的洪涝防御效果，科学指导工程布局优化，确保各维度分散工程的联动累加效应最优化。

4 实例研究：以深圳市深圳河流域为例

4.1 流域概况深圳河位于深圳市南部，属于深圳河湾水系。发源于梧桐山牛尾岭，向西南流经深圳市区后注入深圳湾，全长37 km，河道平均比降1.1‰，流域面积约319 km2。

深圳河流域受山地丘陵地貌及海洋气流影响，汛期易发生暴雨或特大暴雨，通过多年的防洪工程建设，目前流域已基本形成以水库、滞洪区、河道组成的“上蓄、中滞、下排”防洪防涝体系。流域内干流已按200年一遇、部分支流按20年一遇标准进行整治，但局部仍存在不达标段，现状内涝防治能力为20年一遇。

根据《城镇内涝防治技术规范》(GB 51222—2017)，深圳市内涝防治设计重现期要提高到100年，且须考虑经济合理性原则和约束性原则。本文运用城市洪涝水文水动力模型，基于本文提出的城市暴雨洪涝防御工程体系规划设计新方法，整体评估工程布局的洪涝防御效果，科学指导工程布局优化。

4.2 流域洪涝数学模型构建

图4 深圳河流域100年一遇设计雨型

(1)基础数据概况。基础数据包括实测断面及最新整治设计断面资料、现状管网数据、1 m精度DEM数据，基于2020年遥感影像提取的土地利用类型数据。

(2)耦合模型构建。构建“城市海绵-市政排水-水利排涝”耦合水文水动力模型，包括50个河段、22万个网格、300个汇水分区、6500条管道、6000个管井。

4.3 设计雨型采用统一市政排水和水利排涝设计雨型的“大包小、长包短”方法，推求深圳河流域100年一遇设计暴雨雨型，见图4。

4.4 洪涝风险现状评估利用城市洪涝水文水动力模型进行计算，在100年一遇暴雨条件下，沙湾河口至皇岗河口之间约9.3 km堤段发生漫溢，堤岸最大欠高0.7 m。受排水口处河道水位顶托，流域内满管长度占比为63%，主要集中在下游干管和标准较低的管段。流域共有淹没水深大于0.15 m的易涝区面积约为5.58 km2，淹没风险区域与河道漫溢、管道溢流位置基本一致，其余部分集中在地势低洼区域。可见，流域现状与100年一遇内涝防治标准差距较大，流域100年一遇暴雨下现状洪涝风险如图5所示。

图5 深圳河流域治理前100年一遇洪涝风险分布图

4.5 洪涝治理工程布局优化思路基于统一规划，开展多维共治，进行系统优化，从全流域出发，统筹上下游、干支流，统筹城市海绵、市政排水、水利排涝，确定深圳河流域洪涝治理工程布局。首先，根据流域洪涝风险现状评估结果，诊断流域洪涝成因。其次，结合城市用地规划、更新改造、周边环境因素及工程经验，河道基本无条件加高、扩宽，无法直接提升河道防洪标准，通过上游水库挖潜、结合城市旧改增加雨水调蓄池、利用现有坑塘和蓄滞洪区进行滞洪削峰、新建鸡公山分洪隧洞，间接提高城市内涝防治标准；管道直接扩容难度大，通过流域上游滞蓄洪水降低河道水位，间接减小管网来水量和增加管道水力坡降，系统提升管道应对暴雨能力；依据流域现状洪涝体系防御能力，结合工程经验初步拟定工程措施规模。最后，采用城市洪涝模型分析流域洪水过程、水位变化、管道充满度、淹没水深及范围，对规划工程效果进行评估，如不满足规划目标，则对工程布局及规模进行优化，直至满足规划目标。

流域洪水由城市海绵(坑塘、雨水调蓄池)、市政排水、水利排涝(河道、湿地公园、水库、泵站、深层隧道)等进行控制，具体措施如下：

(1)河道整治：对深圳河干流进行河道整治，涉及长度7.7 km，对河道景观影响相对较小；对笔架山河进行暗渠复明拓宽，涉及长度4.86 km；对皇岗河进行暗涵清淤，涉及长度1.78 km。

(2)水库挖潜：动态控制深圳水库起调水位，在确保香港供水最低取水位24.8 m的基础上，以25.0 m为起调水位，根据QPF降雨预报动态，精准控制起调水位，增大防洪库容，可将洪峰时段泄流量270 m3/s削减至140 m3/s。

(3)蓄滞洪区：对笋岗滞洪区开展清淤改造工程，充分发挥其调蓄能力。

(4)深层隧道：建设长13 km的鸡公山分洪隧洞，将布吉河洪水从莲花水汇入口下游，分流至大沙河的留仙大道断面，结合笋岗滞洪区，控制布吉河河口流量小于530 m3/s；新建罗雨干渠深隧，共设置1条主隧，3条支隧，其中主隧长约4.46 km，支隧总长约2.99 km，深隧调蓄容积30.32万m3。

(5)高水截排工程：规划新建沙湾截排隧洞，长度约6.5 km，当发生超深圳水库校核标准洪水时，截排隧洞可作为非常溢洪道，将超标洪水直接导入下游深圳河。

(6)滞蓄设施：沙湾河区域新建3座调蓄湖，总调蓄容积135万m3，新建爱国路、文化公园、友谊路调蓄设施，总调蓄容积3.74万m3；新建雨水调蓄设施，共计91.7万m3。

(7)雨水泵站：扩建福田排涝泵站、桂园路排涝泵站、罗雨排涝泵站，新建滨河雨水泵站、罗芳雨水泵站。

4.6 洪涝防治能力复核经模型复核，通过上述控泄措施，可将罗湖桥、上步码头两个关键断面的100年一遇水位降低至现状50年一遇，深圳河干流现状及规划后设计水面线见图6。配合局部少量堤防抬高，即可保障深圳河水不漫溢入城。流域内支流洪水水面线全线低于堤顶高程0.5 m以上，洪涝水淹点基本消除，局部最大淹没水深均不超过0.15 m，如图7所示。流域整体上即可有效应对100年一遇降雨。

4.7 规划方案确定根据规划后洪涝防治能力复核结论，规划措施实施后，深圳河流域可有效应对100年一遇降雨，流域整体达到100年一遇内涝防治标准，规划措施规模及布局合适。综上，确定深圳河流域规划治理方案如图8所示，规划措施包括上游深圳水库挖潜、地面蓄滞洪区建设、地下雨水调蓄设施建设、雨水管网改造提标、堤防欠高段河道整治、鸡公山分洪隧道。