外江水位及雨峰系数对典型城市片区内涝的影响规律研究

2024-01-05徐以希宋利祥

人民珠江 2023年12期

林耿,徐以希,宋利祥

(1.汕头市河道堤防建设管理中心,广东汕头 515041;2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东广州 510611)

随着中国快速城镇化发展,“城市看海”现象频发,给居民生活、区域高质量发展等带来了诸多困扰[1]。尽管经过多年建设,中国大部分城市防洪(潮)排涝体系已基本成形,但面临的洪涝灾害形势依然严峻[2]。例如2020年广州“5·22”暴雨和2021年郑州“7·20”暴雨期间城市内地铁、小区等遭受严重内涝,多条河道发生漫溢,造成了巨大的人员伤亡和经济损失[3]。据国家应急管理部统计,洪涝灾害2022年共造成3 385.3万人受灾,直接经济损失达到1 289亿元,是中国引发后果最为严重、影响范围最为广泛的自然灾害之一[4]。

城市内涝灾害影响广泛、成因复杂[5],为有效防治城市内涝灾害,需深入理解其形成机理、认识相关因素的影响作用规律。目前已有一些学者在此方面进行了探究:何珮婷等[6]采用最大熵模型对深圳市内涝影响因素进行了研究,结果表明影响内涝的主导环境因素有不透水面比例、暴雨峰值雨量等;佟金萍等[7]构建了基于极端梯度提升(XGBoost)的城市内涝风险评估模型,研究结果表明高程、道路分布和强降雨等是影响长三角核心城市区内涝风险的主要因素;王浅宁等[8]采用排水管网与二维城区地表耦合模型对地表径流速度影响城市内涝的规律进行了探究,结果表明地表径流流速对检查井溢流量影响显著,流速越低检查井溢流量峰值越小且峰现时间越滞后。

综合已有相关研究,城市内涝的影响因素主要包含致灾因子、孕灾环境和承灾体3个方面[9-11],其中降雨是致灾因子中最重要的因素,除降雨强度外,雨峰系数、雨型等的差异也会引起不同的内涝后果;同时中国城镇化发展迅速,但城市防洪排涝设施的建设进度往往与城市更新速度不匹配,使得城区容易遭受外江洪水顶托和倒灌的影响,因此外江水位条件是重要的孕灾环境因素。综上,探究降雨雨峰系数及外江水位对城市内涝的作用规律对于认识和防治城市内涝具有重要意义。目前已有一些学者对外江水位、雨峰系数与内涝之间的关系进行了研究。刘国珍等[12]对深圳河右岸市区内涝成因进行了探究,认为外江高水位是导致内涝的重要成因;陈文杰等[13]以海南省海甸岛为研究区域探究了不同雨峰系数情况下城市内涝规律。然而,已有研究具有以下不足:①多数影响规律研究为定性分析,缺少数据支撑,或在开展内涝数值模拟时忽略河道的顶托影响[14];②基本将外江水位或雨峰系数作为独立因素对内涝风险规律进行探究,未考虑2种因素组合作用下的内涝影响规律;③缺乏针对性的内涝治理策略思考,或内涝治理策略局限在源头减排系统和管网排水系统[13]。

鉴于此,本研究构建了管网、河道和地表相耦合的典型城区内涝模型,并选取实测数据对模型进行率定验证。在此基础上计算6种外江水位和雨峰系数组合工况下的内涝风险,定量分析2种因素对内涝淹没的影响规律,最后从流域整体角度出发提出针对性的内涝防治策略。

1 研究区域及模型构建

1.1 研究区域概况

本研究选取韶关市芙蓉新城作为研究对象。芙蓉新城位于武江区建成区的西南面,紧邻高铁站和京港澳高速公路出入口,交通条件优越。芙蓉新城现状面积为16.71 km2,城镇化程度较高;其三面环山,南临北江,整体地势北高南低,兼受上游山洪、城区内涝和外江洪水影响,基本涵盖了粤港澳大湾区城市片区的主要洪涝类型,具有一定的典型性。

芙蓉新城属于亚热带气候为主的湿润性季风气候,具有阳光充足、雨量充沛、夏季炎热、间有雷暴、冬季寒冷等气候特点,主要地貌类型为冲积小平原,地势平坦。目前,芙蓉新城片区管网覆盖率不足,排水通道有限,雨水主要通过沐溪河、东冲河两条水系排放,且两河道河口处均无水闸和泵站,受北江水位顶托作用明显。研究区内涝灾害较为严重,2022年6月18—21日,受持续强降水影响,北江韶关段发生约50年一遇洪水,同时城区出现强降雨,雨峰和洪峰相遇造成芙蓉新区多处出现严重内涝。

1.2 模型构建

基于芙蓉新城特点,本次内涝模型考虑区域管网排水、河道排涝和地表洪水演进3个方面,耦合一维管网模型、一维河道模型和二维地表模型对城市内涝进行精确数值模拟,见图1。模型情况分述如下。

图1 研究区模型示意

a)一维管网模型。芙蓉新城排水体制以分流制为主,现状无排水泵站。本次管网数据为更新至2022年的管道勘察数据,涵盖研究区DN300及以上排水管渠。经拓扑关系修正和模型概化,一维管网模型包含雨水管渠总长度81.35 km,节点(雨水井、排水口等)2 746个,子汇水区2 623个。子汇水区边界结合管网走向、道路、河道、建筑物等因素,采用泰森多边形法和人工经验相结合的方式进行划定;径流系数指标根据遥感解译后的不同下垫面类型占比计算得到。

b)一维河道模型。一维河道模型主要针对东冲河和沐溪河2条河道,建模总长19.09 km,河道断面按照不超过300 m控制,在跨河桥梁、河道转弯、断面变化剧烈等位置进行断面加密,最终布置82个断面,平均间距约230 m。在模型中添加建筑物以概化桥梁、涵洞等阻水工程。一维河道模型上游边界考虑沐溪水库的调洪作用,河道糙率根据调研的实际情况分别对主槽和边坡进行赋值,范围为0.015～0.045。

c)二维地表模型。本次二维模型范围为芙蓉新城内的建成区及部分非建成区,建模总面积为15.82 km2,采用不规则三角网对建模区域进行概化,共剖分了43 848个网格,节点数量为29 753个。为体现道路的行洪作用,对道路进行适当加密,并将其高程降低0.15 m。

d)模型耦合。一维管网模型、一维河道模型和二维地表模型通过以下过程进行耦合:一维河道-二维地表模型通过堤岸进行耦合,本次仅考虑二维地表积水进入河道以模拟涝水归槽过程,不考虑河道洪水漫坝/溃坝淹没;一维河道-排水管网通过排水口进行耦合,以反映河道水位对管网的顶托或倒灌作用;二维地表-排水管网通过雨水口/地表单元进行耦合,以反映管网漫溢淹没及收水过程。

1.3 模型率定与验证

a)模型率定。采用2022年7月27日实测水位和流量数据对河道模型参数进行率定,上游边界条件取各断面实测流量,下游边界东冲河河口处取实测水位46.14 m(国家85高程,下同),沐溪河河口处取实测水位45.37 m。经参数率定将河道典型断面实测和模拟水位误差控制在0.06 m以内。

b)模型验证。采用研究区2022年6月8—21日实测降雨过程线及积水深度数据对模型进行率定。选取西联雨量站为代表站,其降雨过程见图2。经模型计算研究区内典型内涝点模拟淹没深度和实测淹没深度对比见表1,结果表明淹没深度误差基本在20 cm以内,因此模型参数基本合理,能较好地反映实际内涝情况。

表1 模型率定结果单位:cm

图2 西联雨量站实测暴雨过程

2 计算结果与分析

2.1 计算工况及模型边界

本次研究区内涝计算主要考虑2种外江水位和3种雨峰系数工况,共组合成6种计算工况。

外江水位主要考虑2种工况:常水位和高水位。高水位参考《韶关市区防洪规划报告》(1997)的排涝工况,按东冲河和沐溪河各频率洪水遭遇北江10年一遇洪水水位考虑。根据《韶关市城市内涝治理系统化实施方案》(2021—2025)及《北江干流(韶关—河口)河道采砂控制规划报告(2011—2015年)》可得东冲河出口处北江10年一遇水位为53.72 m,沐溪河出口处北江10年一遇水位为53.61 m。

由于芙蓉新城规划内涝防治标准为30年一遇,因此本次选取30年一遇降雨作为模型边界条件,采用“长包短、大包小”的方法,将长、短历时暴雨的设计结合,雨峰系数(r)主要考虑0.2、0.5、0.8三种情况,设计暴雨成果见图3。

图3 不同雨峰系数下30年一遇设计降雨过程线

2.2 计算结果

经模型计算,各工况下芙蓉新城内涝淹没情况见图4。本次参考SL 483—2017《洪水风险图编制导则》中的内涝淹没深度区划标准将内涝风险分为低风险(0.15 m1.0 m)4个等级,统计各工况下内涝淹没面积见表2。由结果可知在6种工况下芙蓉新城淹没面积均达到130 hm2以上,表明研究区现状排水能力较差。

表2 淹没面积统计结果单位:hm2

图4 各工况内涝淹没水深

2.3 外江水位对城市内涝的影响

由图4a、4c、4e可知在外江常水位条件下,芙蓉新城排水能力不足段主要集中在流域上游。芙蓉新城三面环山,但沐溪河支流和东冲河上游截洪设施未完善,片区遭遇暴雨后山水倾泻至城区排水管渠,超过排水管渠的排水能力,因此在地势低洼处形成持续性内涝。

由图4b、4d、4f可知在外江10年一遇水位工况下,各风险等级淹没面积相比常水位工况增加幅度明显,淹没总面积增长均在1倍以上。在r=0.2、0.5和0.8情况下,外江高水位下淹没总面积比常水位下淹没总面积分别增加170.72、170.59、176.89 hm2。由图4可知在外江高水位条件下研究区中下游内涝淹没风险增加显著,而上游内涝淹没风险则与常水位工况下大致相同。通过对比分析发现研究区中下游区域场坪高程大多在57 m以下,与外江水位高程相差不足3.5 m,因此在缺乏泵站情况下排水管渠受河道顶托作用明显,自排能力受限,导致内涝淹没较为严重;研究区上游场坪高程大多在58 m以上,主要受城区周边山洪影响,外江水位对附近河段顶托作用并不明显,因此内涝风险区增长较少。

以外江常水位工况为基准,统计外江高水位条件下研究区内涝面积增长率见表3。对比各风险等级淹没面积增长率可知风险等级越高,淹没面积增长率越高。以r=0.5为例,在外江高水位条件下低风险区、中风险区、高风险区和极高风险区面积分别增长26.39、71.44、43.47、29.29 hm2,增长率分别达到32%、224%、268%和459%。

表3 淹没面积增长率统计结果(以外江常水位为基准) %

2.4 雨峰系数对城市内涝的影响

对比图4中相同外江水位条件、不同雨峰系数工况下的淹没图可知:在相同降雨频率下,随着降雨系数增大内涝淹没面积有一定增长,但增长幅度并不明显。由表2可知在常水位条件下,r=0.5和r=0.8工况下内涝淹没总面积分别比r=0.2工况下淹没总面积增长2.78、4.62 hm2;在外江高水位条件下,淹没总面积分别增长2.66、11.79 hm2。此结果表明雨峰系数在一定程度上会影响内涝风险,且雨峰越靠后内涝淹没情况越严重。研究区内现状蓄滞条件有限,遭遇雨峰系数较大的降雨时在雨峰来临前洼地已基本被填充,且管渠、河道内水量较多,因此雨峰来临时研究区蓄滞条件对形成内涝灾害更为有利;此外雨峰系数较大时河道洪峰形成更快,容易对排水管渠造成顶托[15],以上原因导致随着雨峰系数增大研究区内涝风险上升。

与外江水位相比,雨峰系数对内涝的影响较小,这可能与设计降雨较长且雨峰前期雨量较小有关。以r=0.2为基准,统计r=0.5及r=0.8工况下各风险等级的淹没面积增长率见表4,由结果可知随着雨峰系数增大,虽然总淹没面积增大,但各风险等级的淹没面积并不是绝对增大。例如外江常水位情况下r=0.5相比r=0.2情景淹没面积减少1.89%。另外通过r=0.8工况的增长率结果可知在雨峰靠后工况下中等风险面积增加率最高。

表4 淹没面积增长率统计结果(以r=0.2为基准) %

3 内涝应对策略思考

由内涝淹没计算与分析结果可知在外江高水位情况下,研究区内涝风险增加较为显著,因此完善研究区防洪体系、减少外江顶托影响是研究区内涝整治的重点。芙蓉新城为半山半城区域,其上游截洪沟体系还未完善,建议在河道按照20年一遇标准整治的基础上完善相关截洪设施,减少城区管渠汇水范围以减轻内涝;研究区中下游片在开发建设前原规划场坪高程抬高3 m,后来因为种种原因未能实施,造成外江高水位情况下内涝淹没风险较高。为削减外江高水位带来的顶托影响,建议从流域角度出发完善中下游防洪排涝体系[16]。①目前芙蓉新城北江沿线堤防防洪标准不足50年一遇,且以自然岸坡为主,建议对堤防进行达标加固,使区域免受大洪水威胁。②目前芙蓉新城主要排水通道沐溪河、东冲河河口均无挡洪和排涝设施,当区内暴雨遭遇北江洪水时,内河涝水受到外江顶托,难以自排。建议完善沐溪河和东冲河河口位置水闸、泵站等排涝设施,形成自排为主、抽排为辅的排涝体系。③经现场调查发现芙蓉新城有数个雨水口直通外江,建议在雨水口处设置拍门以形成封闭的防洪体系。

由不同雨峰系数工况下的计算结果及分析可知雨峰偏后会加重内涝风险,需加强研究区蓄滞能力。芙蓉新城为新开发城区,其水系在城市高强度开发过程中被挤占、覆盖,且规划水系基本未实施。基于芙蓉新城特点,笔者建议在完善研究区闸泵体系之后发挥其调度作用,当预测有强降雨降临时预泄水库和河道内水量,以保证主干通道的行泄空间[17];另一方面,需按照上位规划完善研究区内水系,并加强海绵城市建设以蓄滞雨水,减轻排水系统的压力。