城市暴雨内涝灾害起源分析与对策研究*

陈 鹏，赵剑伟

(吉林师范大学 旅游与地理科学学院，吉林 四平 136000)

近年来，城市内涝灾害越发频繁，给居民生命、财产及城市基础设施带来重大损失。如2021年7月20日的河南省郑州“7·20”特大暴雨灾害造成受灾人口188.49万人，市政道路损毁2 730处，直接经济损失532亿元；2019年6月2日长春市遭遇50年一遇的强降雨，局部地区发生严重内涝，积水最深处超过1.5 m，大量车辆被困，部分一楼住户进水严重，256人被困，人员生命安全受到威胁。如果能够寻求抑制或阻断城市下垫面积水的汇集时间，就会大大减少城市内涝灾害发生的时间，给居民避难及应急救援预留更多的时间，从而保障居民的生命、财产安全。

随着城市化进程加快，硬化路面逐渐增多，排水管网老化、城市路面下沉等问题的出现[1]，对流域水文过程有着明显的影响[2]，尤其是短时间尺度水文过程影响更为显著[3]，造成人口、经济密集的城市内涝灾害损失更为严重[4]。目前，虽已有不少学者从城市内涝灾害的时空分布特征及成因[5-8]、内涝灾害模拟[9-11]、风险评估[12-15]、预警[16-17]及应急管理[18-20]等角度出发，试图通过厘清城市内涝灾害的发生、发展规律，模拟城市内涝灾害的演化过程，探究城市内涝灾害的风险评估体系及预警模型，探讨城市内涝灾害的应急管理方法、过程及应用模式，来寻求城市内涝灾害的抑制方法，但目前的总体应用效果欠佳。

本文将从量化城市内涝灾害的抑制效果角度出发，探究城市内涝灾害起源，为城市内涝灾害防灾减灾提供技术支持。城市内涝是由降雨在下垫面集中而产生的积水现象，当积水造成人、财、物等损失便成为灾害，既内涝灾害。如果能抑制这种雨水集中，就能降低内涝灾害造成的损失。因此，本文采用具有内涝起源分析的灾害泛滥分析方法，明确了雨水的流向，分析了雨水的汇集过程，厘清了道路积水点雨水来源，为抑制内涝灾害的形成提供决策依据。

1 研究区概况

南关区坐落于吉林省长春市的中南部，总面积为497 km2，人口约48.9万人，辖12个街道、一个乡，7个行政村，实际管辖区域面积为80.95 km2。年平均气温为4.9℃，年均降水量约594 mm。降水量呈自东向西递减态势，降雨量主要集中在5—8月，约占全年降水量的80%，夏季因为大陆内气温升高的原因，形成了低压中心，当南来的潮湿海洋气团与极地大陆气团相遇后会形成降雨，尤其是7—8月台风天气系统容易造成特大范围暴雨，此期间极易形成暴雨内涝灾害。

2 研究方法

2.1 T-SAS模型

在城市内涝灾害发生的情况下，探究道路积水来源，是内涝灾害防治的重要组成部分。本研究构建了城市内涝灾害T-SAS (Time-Space Accounting Scheme, Time-Space Accounting Scheme)模型[21]，该模型以水动力学为基础，以网格蓄水量作为状态变量，并跟踪网格间的水量交换过程，分离存储在分布式模型的每个网格中的水成分，以明晰每个网格中水量来源。利用该模型从时空角度厘清积水的来源，查明城市下垫面雨水的动向，探寻阻断雨水汇集的方法(图1)。

图1 T-SAS模型

2.2 模型构建

城市道路积水起源模型是以水动力学模型为基础，记录每个网格(30 m×30 m网格，总数量为14 135个)内水量交换过程，记录时间间隔为30 s。将记录结果数据关联到研究区矢量数据，并采用起源模型原理进行专题制图。

步骤1：道路积水的动量方程使用式(1)和式(2)计算，水流的连续式使用式(3)计算，执行分布型模型，以适当的时间间隔(30 s)输出各要素的储水量(Vk)、要素间的流量(Qx,Qy)、降雨量(rk)等，要素间的流量赋予起点和终点的要素ID。

(1)

(2)

(3)

成分分离式：

(4)

网格蓄水量更新连续式：

(5)

式中：

式中：M、N表示x,y方向水的流量(=uh，=vh)；u,v表示x,y方向水流的流速；h表示水深；g表示重力加速度；zb表示下垫面高程；εx，εy表示旋动粘性系数；n表示曼宁系数；Vk表示网格内的水量；V表示网格内总水量，Qx=(=MΔy)，Qy(=NΔx)表示x，y方向的流量；rk表示网格内的降雨量；Dsewer表示排水管网的排水能力(设定为40 mm/h)；A表示网格面积；Δx，Δy表示网格宽度；x，y表示水平坐标系；i，j表示网格标号；t表示时间；ei表示i网格内的蒸发量与浸透量等损失量。

步骤2：读取上述计算的流量(Qx,Qy)结果，并代入连续式(5)中，并率定各参数a、b、c、d的值。为了实现T-SAS的上述目标，考虑将分布型模型各要素中储存的水进行成分分离。其中，分布型模型的各要素是指以一个储水量为状态变量的区块，一个网格单元和配置在其中的河道就相当于一个要素。也可以在考虑中间流和表面流的网格单元中分别视为不同的要素进行跟踪。但是，本文为了限制要素数量，提高计算速度，不进行斜面网格单元内部的要素分割。以此为基础，将排水分区按照地势与排水管网分布情况划分为4个区域(A区、B区、C区、D区)，并按照起源模型原理赋予各区积水不同颜色。A区：绿色；B区：蓝色；C区：橙色；D区：红色。本研究中T-SAS假设元素之间的水混合只产生于转移，不考虑其它。基于这个假设，在成分分离的同时对蓄水量进行更新，可以归结为对所有要素进行以下的连续式计算。

步骤3：读取步骤2的计算结果，将所有区域积水成分的结果进行叠加，求得最终研究区积水深度，以及区域间积水流动情况(图2)。

图2 研究区积水模拟及排水分区

3 结果分析

3.1 降雨过程分析

2019年6月2日长春市遭遇50年一遇暴雨，城区降雨量为68 mm，局部达130 mm，20:10长春市气象局发布了暴雨黄色预警信号，21:30升级为暴雨橙色预警信号，东北师范大学正门、南湖宾馆、省宾馆、部分高架桥下共37处积水。通过对此次降雨和道路积水水位观测发现，本次降雨历时9 h，降雨量的峰值出现在22:18，道路积水水位此时处于最大值(1.5 m左右)，之后随着降雨量的减少，道路积水开始逐渐减少，至6月3日01:50左右道路积水基本排除(图3)。本次短时强降雨形成的内涝灾害，造成研究区多辆汽车受损，256人被困深水区，沿街一楼住户房屋进水，室内财产损失严重。

图3 研究区降雨量与水位

3.2 内涝灾害起源分析

3.2.1 城市内涝灾害起源模拟

首先，从道路积水深度角度来看，以模型模拟结果可看出(图4)，研究区四个区域积水情况差异较大，积水较深的区域主要集中在A与B两个区域，而C与D两个区域积水较浅，原因是C、D两个区域地势较高且排水管网分布密度较大，能够及时排出路面积水。而A与B两个区域地势相对较低且排水管网分布密度较低，无法及时排出路面积水，导致模拟结果呈现出C、D两个区域积水范围和深度比A、B两个区域大。

图4 研究区积水变化模拟

其次，从雨水汇集角度来看，研究区降雨在模拟时段范围内道路积水逐渐从区内汇集向区外汇集变化。降雨1 h后四个区域开始不同程度的出现积水，且积水的来源都是区域内降雨导致的内部汇集而形成；降雨2 h后四个区域道路雨水汇集成分开始发生变化，部分区域开始出现跨区域雨水汇集过程，如A和C两个区域开始出现由B->A和D->C区域雨水汇集；降雨4 h后，各区域雨水汇集达到峰值。此时A和C两个区域的道路积水除了本区域的雨水汇集外，还有B和D两个区域分别汇入的雨水组成。同时，从模拟结果也可看出，在A与B，B与C，C与D的交汇区域附近的积水较深，说明此区域地势较低且排水管网相对周边区域密度较小，导致雨水汇集量较大。依据本研究厘清的道路积水来源结果，如能抑制三个区域交汇处的雨水流动，就能减少各区域的雨水汇集，道路积水就会大大较少，造成的损失就会大大减少。

3.2.2 基于抑制效果的内涝灾害起源分析

厘清城市内涝灾害起源，寻求抑制或减缓城市内涝灾害发生时间对城市防灾减灾与应急管理具有重要意义。如果能够活用道路(中央隔离带、人行道)、下水道及“海绵城市”建设等来控制雨水的流动，就能有效地解决内涝灾害问题。

假设：在B与A区域、C与B区域、D与C区域的交界处分别设定网格属性为阻水建筑物(假设：阻水率为20%)，且设定Dsewer为60 mm/h。重新运行模型，计算结果如图5所示。从模拟结果中可以看出，重新设定参数的模型结果显示在降雨前3 h过程中，四个区域都是在区内雨水汇集，且各区域积水深度、面积相对变小。在降雨4 h后，B与A区域、C与B区域、D与C区域才发生跨区域积水流动，且在各区交汇处雨水的汇集程度相较之前要小得多，说明能够较好的抑制雨水汇集时间，为居民避难、救援及排除道路积水争取了时间。

图5 基于抑制措施的研究区积水变化模拟

4 结论与建议

4.1 结论

本研究以长春市南关区2019年6月2日城市内涝灾害为研究实例，采用了城市内涝灾害时空间起源分析方法，利用实测数据、实地调研数据，探讨了城市下垫面雨水集中导致内涝灾害问题。研究结果得出以下结论。

(1)研究区积水深度、面积差异较大。本次降雨过程导致研究区大面积积水，各区域积水情况差异较大，表现为研究区北部区域总体积水深度、面积相比城市南部区域较小。总体上模拟结果与实际采样点记录结果较为一致，但也存在计算结果与实际情况不一致的地方，其主要原因是受排水功能的影响。

(2)雨水汇集受地形与排水管网影响较大。由于研究区C、D两个区域地势较高且排水管网覆盖密度较高，能够较好的向四周地势低洼处快速排水。而A、B两个区域地势较低且排水管网覆盖密度较低，不具备快速排水能力，导致该区域的道路积水普遍较深且范围较大。

(3)明晰了城市内涝灾害起源。通过利用T-SAS模型动量方程式的步骤1、读入网格流量，利用每个降雨成分的连续公式分析雨水移动的步骤2以及处理计算结果的步骤3，实现了城市内涝灾害起源分析，确认了雨水的移动会加剧内涝灾害发生，说明了研究区确实存在跨区域水量交换，如降雨2 h后，A和C两个区域开始出现由B->A和D->C区域雨水汇集过程，导致两个区域积水深度与面积快速发生变化。

(4)内涝灾害抑制效果较明显。虽然本研究中设定了阻水率和提高了排水管网的排水能力，从模拟效果上，能够较为有效的抑制内涝灾害发生的时间，但参数是假设条件，未得到实际验证。具体实际情况需要进行实地调查与验证，这也是本研究下一步需要进行研究的重要方向。

4.2 建议

我国城市内涝灾害已经成为城市“通病”，诸学者试图从内涝灾害成因、内涝灾害预警、内涝灾害模拟及应急管理角度寻找如何降低内涝灾害发生的可能性及防灾减灾的措施，虽然取得了大量成果，但还是无法减缓内涝灾害带来的影响。尤其是在遇到短时特大暴雨事件，下垫面雨水快速汇集，下垫面下渗饱和，仍然会形成内涝灾害。因此，本研究尝试从城市内涝灾害起源角度出发，厘清城市下垫面雨水移动方向，探究城市下垫面雨水汇集过程，探讨抑制甚至是阻断雨水汇集方法。这样将大大降低城市内涝灾害发生的时间及概率，为居民避难、应急排涝及应急救援争取时间。

针对我国城市下垫面现状，常见的能够减缓或阻隔雨水汇集的设施有中央隔离带、人行道、排水管网及“海绵城市”建设等，如果能活用道路(中央隔离带、人行道)和下水道等来抑制雨水的流动(图4的区域B->A和D->C区域间的水量交换)，甚至是阻断区域间水量交换，就能实现有效的内涝灾害防治。具体为：

(1)特殊中央隔离带设置。在设计中央隔离带时，可以考虑在水量交换区域交汇处，设置特殊的隔离设施，当暴雨发生时，开启隔离设施减缓甚至是阻断两个区域的水量交换，以减缓城市内涝灾害发生的时间。

(2)排水管网更新换代。由于部分城市的排水管网已经老化，已经无法满足城市快速发展需要，应及时更换排水管网，提高城市下垫面的排水能力，减缓内涝灾害发生的时间。

(3)加快“海绵城市”建设进程。“海绵城市”已经在部分城市开始实施，但覆盖面较小，存在城市中部分区域建设了“海绵城市”，其它区域未建设现象。假设存在像本研究中B->A区域的水量交换地区，A区域“海绵城市”建设完成，B区域“海绵城市”未建设。当特大暴雨来袭时，虽然A区域能够排除道路积水，但由于B区域未建设“海绵城市”，雨水由B->A区域快速汇集，便会加大A区域的排水压力，可能会导致A区域“海绵城市”效果大大降低，甚至失效。因此，加快我国“海绵城市”建设亦是内涝灾害防治的有效措施。