城市排水防涝基础设施应对能力的三个阈值

刘家宏，梅 超，邵薇薇，王 佳，丁相毅，于赢东

(1.流域水循环模拟与调控国家重点实验室 中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部数字孪生流域重点实验室(筹)，北京 100038)

1 研究背景

全球气候变化和快速城镇化背景下，城市水循环特征发生了显著变化[1]，城市区域极端强降雨、雷暴、洪涝等发生的概率增加[2]，暴雨雨强和雨量屡屡刷新水文气象观测记录[3]。2021年7月20日，郑州国家气象站实测最大小时降雨201.9 mm，突破我国大陆气象观测记录历史极值。在郑州2021年“7·20”特大暴雨过程中，郑州国家气象站实测最大日降雨量624.1 mm，为建站以来日降雨量最大值的3.4倍[4]。2021年8月16日晚21时许，北京市海淀区旱河路铁路桥区域出现小尺度强对流天气，20分钟降雨56 mm，短时雨强重现期超过50年一遇。2021年，位于北京市区的海淀和石景山站年降水量首次突破1000 mm[5]，为城市“雨岛效应”增添了新的例证。上海市2011—2020年平均降水量较1961—1970系列均值增加了37%[6]，城市区域的降水显著增加。极端强降水破坏性强，极易造成严重的城市内涝，直接威胁人民生命和财产安全。

2020年7月，习近平总书记在中共中央政治局常务委员会上强调：要全面提高灾害防御能力，坚持以防为主、防抗救相结合，把重大工程建设、重要基础设施补短板、城市内涝治理、加强防灾备灾体系和能力建设等纳入“十四五”规划。城市内涝治理须精准识别风险源，摸清风险底数，对城市应对暴雨洪涝的综合能力做到“心中有数”。我国城市排水防涝基础设施应对能力如何，怎样加强城市内涝治理能力建设，是当前亟待回答的重要问题。2021年4月，国务院办公厅发布了《关于加强城市内涝治理的实施意见》，提出各地要因地制宜形成“源头减排、管网排放、蓄排并举、超标应急”的城市排水防涝工程体系。

近年来，城市洪涝防治相关的科学研究主要集中在城市复杂下垫面的产汇流机理[7]、城市洪涝成因及其数值模拟[8-9]、城市化及海绵城市[10-13]建设的水文效应[14]、可持续的城市水系统[15-16]等方面。在工程实施和城市内涝防控实践中，对于不同的城市应该选取怎样的指标来表征其排水防涝设施能够应对的降雨等级，相关研究做了大量深入分析：王虹等[17]分析了美国城市雨洪管理水文控制指标体系及其借鉴意义，并进一步对流域城市化进程中雨洪综合管理量化关系进行了深入分析[18]；陈文龙等[19]基于流域系统整体观开展了城市洪涝治理研究；王浩等[20]对海绵城市内涝防治系统的功能进行了量化解析。本文聚焦于城市排水防涝基础设施应对能力的阈值划分和科学量化问题，基于郑州“7·20”特大暴雨灾害的调研结果，提出城市排水防涝应对能力的三个阈值，即：雨水管渠排水能力阈值、内涝防治系统应对能力阈值和应急设施防御上限阈值。

2 城市排水防涝阈值

城市排水防涝基础设施包括雨水渗透、收集、输送、调蓄、行泄、处理和利用的自然和人工设施以及管理设施等[21]，从源头到末端大体可分为源头减排、雨水管渠和排涝除险等工程性设施，还包括应急管理等非工程性措施。国内学者或机构从不同角度对城市排水防涝系统做了划分：周玉文[22]将城市洪涝防治系统划分为防洪、排水、排涝三套工程体系；海绵城市建设领域将内涝防治系统划分为源头控制系统、雨水管渠系统以及超标雨水蓄排系统[23]；住建部门提出构建“源头减排、管网排放、蓄排并举、超标应急”的城市排水防涝工程体系[24]。国外城市排水系统主要划分为小排水系统(Minor System)和大排水系统(Major System)[25]。小排水系统主要包括源头控制系统和雨水管渠系统，大排水系统通常由“蓄”“排”两部分组成。其中“排”主要指具备排水功能的道路或开放沟渠等地表径流通道，“蓄”则主要指大型调蓄池、深层调蓄隧道、地面多功能调蓄、天然水体等调蓄设施。

综合国内外对城市排水防涝基础设施的分类可以看出，城市排水防涝阈值大体可分为三档：一是源头控制系统和雨水管渠系统对应的“小排水系统”能够应对的降雨，在此阈值以下，城市雨水径流可以通过源头减排和管网排放系统消纳，地面“不积水”，本文称之为“不积水”阈值；二是由“蓄”“排”设施组成的“大排水系统”加上“小排水系统”合力能够应对的降雨，在此阈值以下，城市暴雨径流可以比较安全地蓄滞或排除，城市“不内涝”，本文称之为“不内涝”阈值；三是大小排水系统加超标应急设施合力能够应对的降雨的上限，在此阈值以下，城市“不失防”，能够保证人民生命安全，本文称之为“不失防”阈值。针对前两个阈值，以往的研究比较多，分别对应着室外排水设计标准和城镇内涝防治技术规范[26]。第三个阈值由于发生的概率极小，历史实测数据较少，研究探讨不多。2021年郑州“7·20”特大暴雨就是突破了这个阈值，导致常规的应急措施难以奏效，加上“防范组织不力、应急处置不当”[4]，造成重大人员伤亡和财产损失。“不失防”阈值是一条安全“红线”，一旦特大暴雨量级越过这条“红线”，就需要采用紧急避险策略全力保障人民的生命安全，同时可采取增强财产损失承受能力与基础设施快速恢复重建能力的韧性提升措施。

2.1 雨水管渠排水能力阈值管网排水能力阈值是指源头低影响开发减排设施与排水管渠合力能够消纳的雨水量。由于各个城市的地面集水时间和管渠内雨水流行时间不同，阈值量化采用的降雨历时也不完全一样，一般是1 h或2 h，不同降雨历时的阈值可以通过当地的暴雨强度公式进行同频率的近似转换。例如北京和东京等采用的是1 h，深圳采用的是2 h。北京2011年“6·23”暴雨后，为提高城市排水能力，北京市雨水系统规划设计重现期调整为：一般地区“3年一遇”(降雨强度为50 mm/h)，重点地区“5年一遇”(降雨强度为56 mm/h)，城市环路、主要放射线等城市生命线道路，采用“10年一遇”(降雨强度为67 mm/h)[27]；北京市城市积水内涝防治及溢流污染控制实施方案(2021—2025)规定：“到2025年，中心城区、城市副中心重点道路达到小时降雨65 mm不发生积水。中心城区其他道路及新城重点道路达到小时降雨54 mm不发生积水。相应地，东京“不积水”的降雨阈值是60 mm/h。”深圳市雨水管渠的设计标准如下：非中心城区“3年一遇”(降雨强度为95.0 mm/2h)，中心城区“5年一遇”(降雨强度为106.1 mm/2h)，特别重要地区“≥10年一遇”(降雨强度为121.1 mm/2h)。基于深圳市暴雨强度公式进行同频率的近似转换，上述设计标准相当于：非中心城区“3年一遇”(降雨强度为60.1 mm/h)，中心城区“5年一遇”(降雨强度为68.0 mm/h)，特别重要地区“≥10年一遇”(降雨强度为78.0 mm/h)。需要说明的是，由于低影响开发减排设施与排水管渠实际运行过程中，与设计状态可能存在一定的差异，在实际计算雨水管渠排水能力阈值时，为了保障安全，应在考虑城市管网排水标准的基础上，根据设施运行情况、维护情况和使用年限等，综合选取 “安全系数”，使计算得到雨水管渠排水能力阈值处于“偏安全”的范围内。

2.2 内涝防治系统应对能力阈值内涝防治系统应对能力阈值是指城市大小排水系统合力能够消纳的雨水量，对应着城市内涝防治标准。内涝防治标准一般采用24 h的长历时雨型，因此内涝防治系统应对能力阈值宜采用含有峰值的24 h降雨量作为量化单位。例如北京的内涝防治系统应对能力阈值：一般地区“50年一遇”，重要地区“100年一遇”。根据《北京市城镇雨水系统规划设计暴雨径流计算标准DB 11/T969—2016》，典型暴雨设计降雨过程计算方法主要有两种：(1)以暴雨强度公式计算时段降雨量推求设计降雨过程的方法；(2)以北京市水文手册设计暴雨图集确定的时段降雨量推求设计降雨过程。本文采用第一种方法计算北京内涝防治系统应对能力阈值，采用的暴雨强度公式如下：

(1)

式中：q为设计暴雨强度，mm/min；t为降雨历时，5 min≤t≤1440 min；P为降雨重现期，P=2～100年。

通过式(1)可以计算得到北京排水防涝设施建设达标后的内涝防治系统应对能力阈值：一般地区为“268.6 mm/d”或“86.9 mm/h”，重要地区为“299.0 mm/d”或“96.7 mm/h”。根据张晓昕等的调研结果[27]，日本东京内涝防治系统的应对能力阈值为“75 mm/h”。深圳市内涝防治系统设计重现期为50年，对应的雨量阈值为“459.8 mm/d”或“95.9 mm/h”。内涝防治系统应对能力由“蓄”“排”两部分组成，二者相互配合，协同增效。对于调蓄能力强、雨水管渠排水能力相对较弱的城市，道路行泄通道等规划的大排水系统可能会出现短时的淹水和行洪过程，城镇内涝防治技术规范[21]要求行泄通道上的积水时间不大于12 h，并根据实际需要缩短；同时居民住宅和工商业建筑物的底层不进水，非超标行泄通道的道路中一条车道的积水深度不超过15 cm。对于调蓄空间不足的高密度城区，要实现内涝防治系统达标，就要提升雨水管渠的排水能力，或增加地下调蓄设施。

基于以上分析，“不内涝”阈值并不是要求城市所有道路和低洼地都不出现积水，而是积水被控制在一定的范围和深度内，不至于形成内涝灾害。需要说明的是，由于城市大小排水系统的实际运行状态可能与设计能力存在差异，并且不同城市的工程调度措施差异较大，城市耐受积水的“韧性”有所不同，在实际确定内涝防治系统应对能力阈值时，为了保障安全，应在考虑内涝防治标准的基础上，结合城市的具体情况，综合考虑大小排水系统运维状况、调度措施和城市韧性等多种因素，综合选取 “安全系数”，使计算得到内涝防治系统应对能力阈值处于“偏安全”的范围内。

2.3 应急设施防御上限阈值应急设施防御上限阈值是指城市大小排水系统加超标应急设施合力能够应对的降雨的上限，降雨超过此阈值，就面临“失防”的危险，需要紧急转移人员和重要财产，并承受无法避免的财产损失。国家防办要求各地要坚持“宁可十防九空、不可失防万一”的原则，做好暴雨洪涝灾害的防范工作。为避免“失防”，降低城市特大暴雨洪涝灾害的损失，必须对城市应急设施防御上限阈值“心中有数”。相比前面的“不积水”阈值、“不内涝”阈值而言，一个城市的“不失防”阈值是最难测算的，也没有明确的标准和规范可以遵循。日本东京政府2007年制定了三个防御级别[27]，其中第三个防御级别“144 mm/h”基本可以看作是东京的“不失防”阈值，在此阈值以下要确保人员生命安全。我国的绝大多数城市“不失防”阈值是缺失的，城市防汛排涝部门无法准确知道排水防涝基础设施和应急能力到底可以应对什么量级的暴雨，应急预案中也没有明确降雨超过“不失防”阈值后，应急策略该如何调整，这也是“7·20”特大暴雨灾害“应急处置不当”的原因之一。一个城市“不失防”阈值是由排水防涝基础设施、智慧运行调度能力、应急处置装备和应急组织能力等多种因素决定的，它就像一个人的极限忍耐力一样，是一个很难精确测算的值，具有模糊性。本研究拟通过郑州“7·20”特大暴雨灾害的事后复盘分析(图1)，推算郑州市的“不失防”阈值。

图1 郑州“7·20”特大暴雨及金水河紫金山路断面水位变化过程

根据灾后调查分析，郑州市“7·20”特大暴雨灾害的“失防”时间大体在16∶00—17∶00之间，与小时最大降雨发生的时间重合。如图1所示，16∶00的小时雨量为60.6 mm，16∶00之前24小时的累计雨量为258.1 mm，说明郑州市主城区的“不失防”阈值应该大于“60.6 mm/h”，也大于“258.1 mm/d”；17∶00的小时雨量为201.9 mm，17∶00之前24小时的累计雨量为457.5 mm，这时城市已经“失防”，说明郑州的“不失防”阈值应该小于“201.9 mm/h”，也小于“457.5 mm/d”。上述分析虽然给出了郑州市主城区“不失防”阈值的上下限，但是这个区间依然太宽泛，难以满足应急决策调度的要求。根据国务院灾害调查组《河南郑州“7·20”特大暴雨灾害调查报告》[4]，郑州市京广快速路北隧道“直到16∶16才强制封闭”，可以推测之前的降雨量级下，如果应急得当，是可以“不失防”的。实际上，城市内涝专项调查小组通过现场勘查和视频资料调阅发现：16∶16京广快速路北隧道水深约30 cm，尚在应急设施的处置能力范围内，12 min后，16∶28隧道水深上涨至60 cm，积水危及隧道排水泵站设备；又过6 min后，16∶34排水泵站停止运行，应急设施“失防”。综合以上分析，本次郑州“7·20”特大暴雨灾害主城区的“失防”时间大体在16∶30，用线性插值法可以计算得到郑州市主城区的“不失防”阈值约为“131 mm/h”。

对于实际发生了超过“不失防”阈值降雨的城市而言，可以通过上述灾害过程复盘的方法推算应急设施防御上限阈值。对于大部没有经历类似郑州“7·20”特大暴雨事件的城市，如何确定“不失防”阈值，一般来说，“不失防”阈值对应的是城市常规工程措施和应急工程措施难以有效应对的降雨，“不失防”阈值有一个重要的特征指标，就是地面集水深度超过应急防淹挡板或沙袋的防控能力上限，这个上限值一般是0.6～0.8 m，可以通过城市洪涝水文水动力耦合模型进行不同重现期序列的降水模拟，当模拟得到城市易涝点的积水深度普遍达到0.6～0.8 m时，这时对应的24小时雨量或雨强即可近似为该城市的“不失防”阈值。实际上，不同区域和城市应对特大暴雨的应急工程措施差异较大，各地可以根据当地实际情况和历史经验，在保留安全余量的前提下，可采用应急防淹挡板或沙袋的防控能力上限0.6～0.8 m或其他适合于当地的淹没水深阈值作为“不失防”阈值的确定依据。

综上所述，北京、深圳、郑州和日本东京等典型城市排水防涝“三个阈值”统计结果如表1所示。

表1 不同典型城市排水防涝“三个阈值”

3 不同阈值下的防控策略

各个城市所处的气候带的降水特征大不相同，排水防涝设施和应急装备水平有所差异，因此，每个城市“不积水”“不内涝”“不失防”的阈值是不同的。在降雨量级处于不同的阈值区间时，对应的城市洪涝防控策略应有所差异。在实际内涝防治过程中，由于城市空间较大、降雨不均等原因，同一城市并非仅采用一种策略，而可能是多种策略并存，但总体上有一项是主要的。因此，下述所提各项防控策略均为广义的。

总体来看当降雨低于“不积水”阈值时，防控策略以“蓄”为主，通过源头调蓄，增加雨水利用；当降雨大于“不积水”阈值，小于“不内涝”阈值时，防控策略以“疏”为主，通过大小排水系统排出涝水，减轻内涝风险；当降雨大于“不内涝”阈值，小于“不失防”阈值时，防控策略以“疏”“堵”为主，在科学排水的同时，采用应急防淹挡板、沙袋等封堵地下室入口等重要部位，同时对下凹式桥区、下沉隧道的积水进行强排；当降雨大于“不失防”阈值时，防控策略以“撤”为主，重点是转移高危险地区的人口，避免人员伤亡。“蓄”的方法主要包括海绵城市源头减排和过程蓄滞设施；“疏”的方法主要是管网清淤和提升改造；“堵”主要是安装防淹挡板、储备防汛沙袋和物资等；这些在以前研究有较为系统的成果，在此不再赘述。下面以郑州“7·20”特大暴雨灾害为例，说明为什么降雨超过“不失防”阈值时，必须改变传统的应急防控策略，以“撤”为主。

郑州“7·20”特大暴雨灾后调查发现：当日16时许，主城区各处降雨量陆续突破“不失防”阈值，多处严重内涝区的积水深度超过应急挡水设施高度上限，地下空间、交通隧道等关键部位应急抗御措施失效，城区多处重点部位出现“崩溃”式灾难。例如京广路北隧道陇海路匝道出口，当时摆放了挡水板(0.60 m)和沙袋，15时许积水深0.20 m，16时许积水迅速超过0.60 m，漫过沙袋和挡水板，冲毁了应急挡水设施，大量雨水灌入隧道。又如凤凰台街道英协鼎峰小区2号院，其地下空间入口的防淹挡板高度虽然有0.70 m，加上堆砌的防汛沙袋，总高度达到0.80 m，但是积水太深，最终还是被漫顶冲决。此类案例在“7·20”期间还有很多，事件复盘结果显示本次降雨大大超出了城市排水防涝设施的应对能力，同时也突破了应急设施防御能力的上限。台风暴雨经常登陆的浙江省在2014年颁布了《关于加强城市内涝防治工作的实施意见》(浙政办发〔2014〕11号)，要求城市建成区每平方公里应急排涝能力不低于100 m3/h。郑州“7·20”降雨过程主城区24 h面平均雨量415 mm，超过城市50年一遇设防标准的雨量达216 mm/d，平均每小时在1 km2上超标降水9000 m3，是应急排涝能力的90倍！本次地下空间的淹水量近3000万m3，即使郑州按照浙江省标准配备应急抽排能力(郑州主城区约1000 km2，每平方公里应急排涝能力100 m3/h，合计约10万m3/h)，排除地下空间的积水也要约300 h，即12.5 d。通过以上数据分析，当预报或实测城市降雨超过“不失防”阈值后，客观上应急防淹挡板和沙袋是挡不住的，应急抽排装备也是难以短时间排干的，所以在此情景下，应急策略应放弃传统的“疏”“堵”等策略，立即通知低洼处或地下空间的人员转移，避免人员伤亡。

4 城市排水防涝阈值协同提升途径

图2 “三个阈值”协同提升逻辑关系图

城市排水防涝阈值的提升是一个协同作用过程，总体上“三个阈值”提升均有助于整体提升城市内涝灾害应对能力，其中，雨水管渠排水能力阈值和内涝防治系统应对能力阈值的提升是应急设施防御上限阈值提升的基础，而雨水管渠排水能力阈值和内涝防治系统应对能力阈值提升则存在相互促进作用，“三个阈值”协同提升的逻辑关系如图2所示。不同城市排水防涝阈值提升途径和要求不同，但本质和核心都是提升城市排水防涝协同应对能力和暴雨内涝减灾效益，本文针对不同城市排水防涝阈值，提出了相应的提升途径。

城市排水防涝阈值途径涉及的具体措施如表2所示，不同阈值在不同阶段应采取不同措施进行提升。对于雨水管渠排水能力阈值提升，主要是在规划设计期落实海绵城市理念[28]，提升雨水管渠排水系统和绿色设施协同排涝能力，在运行维护期要加强清淤改造等，在灾害应急期应根据小排水系统特点及时开展关键堵点疏通等作业。对于内涝防治系统应对能力阈值提升，主要是要在规划设计期落实水生态文明城市建设理念，加强城市水域水系、河湖岸线等的管控，保护天然海绵体，加强大小排水系统衔接，在运行维护期加强排水系统的科学调度，在灾害应急期加强对调蓄设施的综合运用。对于应急设施防御上限阈值提升，关键在于在加强全过程韧性城市设计和建设，全面提升全社会的城市内涝风险意识，构建预警及时、反应迅速、协调高效、应对有力的城市内涝应急指挥和灾害应对体系。

表2 城市排水防涝阈值提升途径

5 结论与展望

城市洪涝防治是“十四五”期间必须重点解决的关键问题。全球气候变化和城市“雨岛效应”影响下，城市极端降雨的量级和强度均呈增加趋势。城市排水防涝基础设施的应对能力如何，不同暴雨情景下应该采取什么样的策略才能最大限度的减少人员和财产损失，是城市洪涝防治亟待解决的科技问题。本文提出了城市排水防涝基础设施的“不积水”阈值、“不内涝”阈值和“不失防”阈值，基于郑州“7·20”特大暴雨灾害调查报告和国内外调研等，提出了三个阈值的测算方法，并以北京、东京、深圳、郑州为例确定了四个城市对应的阈值。针对不同的阈值区间的降雨事件，探讨了对应的城市洪涝防控策略及三个阈值的协同提升途径。主要结论如下：

(1)“不积水”阈值对应城市雨水管渠的设计标准，阈值量化时采用的降雨历时一般为1 h或2 h，东亚地区特大城市的“不积水”阈值大体在“60～70 mm/h”之间。例如：北京市的目标为“65 mm/h”；日本东京为“60 mm/h”；深圳为“68.0 mm/h”。

(2)“不内涝”阈值对应城市内涝防治标准，阈值量化时采用的降雨历时一般为24 h，也可转换为1 h的雨强。“不内涝”阈值受气候降雨特点的影响比较大，例如：北京为“299.0 mm/d”或“96.7 mm/h”，日本东京为“75 mm/h”，深圳为“459.8 mm/d”或“95.9 mm/h”。

(3)“不失防”阈值是指城市常规排水系统和应急设施合力能够应对的降雨的上限，是本次新提出来的一个阈值，目前没有对应的标准和规范，也没有成熟的计算解析式。可以通过历史暴雨灾害事件或城市水文水动力耦合模型模拟推演得出。城市“不失防”阈值是由排水防涝基础设施、智慧运行调度能力、应急处置装备和应急组织能力等多种因素决定，不同城市差异较大，阈值量化时采用的降雨历时一般为24 h，也可转换为1 h的雨强。郑州市“不失防”阈值约为“131 mm/h”；日本为“144 mm/h”。

(4)城市洪涝防控策略主要包括“蓄”“疏”“堵”“撤”：降雨低于“不积水”阈值，以“蓄”为主；在“不积水”阈值和“不内涝”阈值之间，以“疏”为主；在“不内涝”阈值和“不失防”阈值之间，以“疏”“堵”为主；大于“不失防”阈值，以“撤”为主。

本文提出的城市洪涝防治阈值都是以降水为指标进行量化的，且降水指标中的降雨历时有1 h、2 h、24 h等。不同历时的指标在转化时采用的是基于暴雨强度公式的同频率近似转换，可能存在一定的偏差。另外“不失防”阈值本身是一个城市对暴雨洪涝的极限防御能力阈值，受多重因素影响，客观上难以准确估计。本文提供的方法尚属于探索阶段，还需要进一步验证完善。本文提出的“不失防”阈值对于城市洪涝应急决策十分关键，它决定了城市是采取常规的“蓄”“疏”“堵”措施，还是应急避险的“撤”策略，可以为城市极端暴雨的防控提供决策参考。