城市道路洪涝安全评估分析

摘 要：洪涝风险是城市公共风险管理的重要依据之一，以广州市南沙区桂阁大道为例，在排水系统、海绵城市LID措施、降雨、径流和地形等条件下，构建城市洪涝风险模型，在不同降雨频率条件下，模拟城市遭遇设计暴雨时的洪涝风险，以模拟结果和等级阈值划分结果进行洪涝风险评估。该文在传统城市洪涝风险基础上，进一步分析城市道路洪涝安全的因素，综合考虑城市道路洪涝风险的暴露性、危险性、补救措施等因素，进行城市道路洪涝风险分析研究，评估结果可为城市相关部门的防洪排涝决策提供参考依据。

关键词：城市道路；跨河路桥；防洪排涝；风险模型；情景模拟；洪涝弹性

中图分类号：TU992 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）24-0159-04

Abstract： Flood risk is one of the important bases for urban public risk management. Taking Guige Avenue， Nansha District， Guangzhou City as an example， under the conditions of drainage system， sponge city LID measures， rainfall， runoff and topography， an urban flood risk model is constructed. Under the conditions of different rainfall frequencies， the flood risk of the city when encountering design rainstorm is simulated， and the flood risk assessment is conducted based on the simulation results and the classification results of grade thresholds. On the basis of traditional urban flood risk， this study further analyzes the factors of urban road flood safety， comprehensively considers the exposure， danger， and remedial measures of urban road flood risk， and conducts urban road flood risk analysis and research. The evaluation results can provide reference basis for flood control and drainage decisions of relevant departments in the city.

Keywords： urban road; river crossing road and bridge; flood control and drainage; risk model; scenario simulation; flood resilience

近年来，极端天气频发，城市道路洪涝灾害对人民的生命和财产带来严重威胁，给人民生产生活带来极大的阻碍。根据《Nature Climate Change》，到2050年，广州是全球136个沿海城市中洪灾风险评估最高的城市。造成珠三角地区内涝的原因除了极端天气，还有急剧的城市化扩张，导致地面的下垫面地类改变。南沙区作为粤港澳大湾区的几何中心、广州市的副中心，通勤范围涉及相邻的黄埔区、天河区、番禺区等以及深圳市、东莞市、中山市和佛山市等区域，通畅的市政交通对于生产生活十分重要。

由于南沙区地势低平、河涌横纵交错，城市化建设速度快，原有的农林地、小微水体等被建筑、道路所替代，导致下垫面地类发生了较大的变化，进而使得区域内的径流系数增大、产汇流时间、调蓄能力减小，使得区域更易发生洪涝灾害。通过城市洪涝风险评估，缓解现状内涝情况、预防城市内涝问题是城市建设中的重要内容。一般以淹没水深、淹水时长、淹没范围等参数指标进行城市洪涝风险评估，以为常用一维方法结合历史资料模拟推算洪水，其结果的时效准确度不足，导致在对城市洪涝灾害情况的评估不够准确。本文以广州市南沙区为例，基于一维管网+二维地形耦合的城市洪涝风险评估模型，综合利用InfoWorks ICM、ArcGIS和AutoCAD等软件模拟分析，进行风险评估。

1 项目概况

南沙区总面积786.06 km2，位于广州市最南端，是西江、北江、东江三江汇集之处，北临沙湾水道，南濒珠江出海口伶仃洋。桂阁大道从南沙区北部横穿而过，总长15.6 km，跨蕉门水道、西樵水道、骝岗水道等外江水系，穿大岗沥、细沥涌、西涌和乌洲涌等内河涌。涉河工程设计参数表见表1。

基本资料包括工程设计资料、主要水系的基本水文数据、河道地形测量图、政排水管网图、陆域航测资料、土地利用规划以及当地水文测站的雨量、水位等数据。研究区域的各项数据来自实地测量或者政府部门提供。

2 研究方法及模型构建

2.1 研究方法

近年来，国内外洪涝风险研究不断深入，城市洪涝风险的理论成果也趋于稳定，其中华霖富公司开发的InfoWorks ICM软件，是一款基于Wallingford基础模型的集规划和管理防洪、雨水和下水道系统的城市洪涝模拟软件，可以快速准确地对复杂的水力和水文网络图元进行建模，系统的建模数据可无损识别ArcGIS、Auto CAD源数据，InfoWorks ICM软件能够为具体项目设计创建可靠的数字孪生模型，在市场上具有较高的认可度和接受度。

本次模拟采用InfoWorks ICM作为排水模型洪涝风险模拟软件，洪涝风险分析主要通过构建城市洪涝模型进行计算，城市洪涝模型由产汇流模型、雨水管网、二维地表模型、一维河道水动力模型耦合而成。二维地表模型、地下管网排水模型和河道水位数据通过以下过程进行耦合：①二维地表-排水管网通过雨水口/地表单元进行耦合，以反映管网排水作用及漫溢淹没过程。②河道-排水管网通过河道概化成明渠与管网排水口进行耦合，以反映河道水位对管网的顶托或倒灌作用。③河道-排水管网-二维地表通过河道概化成明渠、雨水管网排口、雨水口及地表单元进行耦合，模拟设计工况下区域淹没情景。

由项目实际情况及规划条件而建立的洪涝风险评估模型，充分考虑区域实际条件，可以更详细、更快、更准确地模拟城市洪水来袭的情况，根据洪涝淹没的范围、时长、深度等数据，其结果可为区域现状排水系统评估提供参考，并进一步预测城市易涝点、提高城市洪涝风险管理的效率。

2.2 研究数据

本次分析的数据有区域地形数据、河道内的水文边界条件、市政路网数据及配套的服务设施的资料等。地形数据包括路线河道水下地形数据、陆域的航测数据等，通过ArcGIS软件处理，将地形测量数据与河道堤防、拦河坝等工程结合起来，生成dem数据。洪（潮）涝边界条件数据来自政府门户网站发布的南沙区外江堤防防洪标高论证专题研究资料，以及南沙区现状水文测站的实测降雨、水位等资料。工程设计资料由设计单位提供，市政路网及配套设施的资料由评估单位向政府部门申请提供。

2.3 模型构建

2.3.1 排水管网模型构建

将矢量数据表达的排水管网系统概化为带有名称、底部高程、井深和所在位置等属性的要素，并对其进行拓扑关系检查，对管网数据进行合理性、有效性检验。并结合管网将研究区域划分为多个汇水分区。基于一维圣维南方程对地下管网系统进行求解，从而得到地表一维的溢流数据。

2.3.2 二维地表模型构建

借助ArcGIS Desktop的数据处理及空间分析两大功能，结合区域高程数据和土地利用方案，将研究区域划分为若干个带有高程、土地利用属性的网格。二维地表模型在一维地表的基础上扩展地上水流模拟功能，将地表空间简化为一系列洼陷区和汇水通路，通过一维元件简化模拟二维的地表流动。

2.3.3 河道概化成明渠

将矢量数据表达的河道概化为带有名称、底部高程、井深和所在位置等属性的明渠，在概化明渠上边界输入河道对应排涝标准断面位置处的洪峰流量作为初始流量，在概化明渠下边界输入河道对应防洪标准断面位置处的设计洪水位作为明渠排出口常水位。

2.3.4 模型耦合

模型耦合是将排水管网系统构筑物的特征信息如管点、管段、泵站和出水口等排水设施，与地表产汇流计算相关的基本地理特征信息如地形、土地利用、土壤类型、降雨数据以及河道水位数据等耦合，实时反映排水或者倒灌等管网与河道在排水口处发生水量交换，汇入或者满管反灌等地表和管网检查井之间的水量交换。建成区的模型耦合应在一个时间步长内进行完全耦合。

2.3.5 设计暴雨模拟计算

南沙新区内涝防治重现期标准为20～100年，采用市政计算标准，根据广州暴雨强度公式生成短历时180 min 20年、50年、100年一遇重现期降雨过程，降雨雨型选用芝加哥雨型，其中雨峰系数R=0.48。根据内河涌常水位，外江5年一遇24 h动态水位作为内涝评估计算模型的水文边界条件。

广州市暴雨强度公式采用

q=，

式中：q为设计暴雨强度（L·（s·hm2）-1），P为重现期（年），取值范围为2～100年；t为降雨历时（min）。

2.3.6 模型率定与验证

利用南沙区实测降雨、水位资料及历时洪涝记录资料对建立的洪涝模型进行针对性的率定和验证，模型调参直至模拟结果和历史记录较为接近，可认为该耦合模型的模拟精度和可靠性较好。20年、50年、100年一遇短历时降雨重现期降雨过程如图1—图3所示。

3 风险评估

3.1 模拟分析

在本次模拟分析中，充分考虑河道堤防、公路、挡墙等建筑的阻水功能、市政干道的阻水兼导水功能，以及河涌与泵站、水闸在感潮水文条件下调度蓄水、排水功能。

在不同频率设计暴雨强度下，将桂阁大道洪涝模拟分析的积水深度按照小于0.15 m、0.15～0.30 m、0.3～0.5 m、大于0.5 m，划分为基本不积水、轻微积水、中度积水和严重积水，再按照积水深度绘制淹没范围，桂阁大道省道S111隧道100年一遇降雨条件的模拟结果如图4、图5所示。

3.2 小结

本次以InfoWorks ICM软件采用情景模拟分析法，研究了南沙区桂阁大道及周围区域在不同频率设计暴雨条件下内涝的时空变化情况，主要结论如下。

1）在20～100年一遇暴雨条件下，道路基本不积水。隧道的积水深度、积水范围均随着降雨频率的减小而增大。原桂阁大道省道S111隧道、桂阁大道下穿南沙港快速路隧道、南沙大道桂阁大道隧道、桂阁大道市南大道隧道、连溪大道桂阁大道隧道的排水系统在100年一遇暴雨条件下，最大积水深度及积水时长情况分别为Hmax=0.15 m，T积水=2.0 h；Hmax=0.27 m，T积水=0.75 h；Hmax=0.27 m，T积水=2.83 h；Hmax=0.27 m，T积水=1.5 h；Hmax=0.15 m，T积水=2.8 h。

2）原桂阁大道的各个隧道的排水方式为直排入河，经模拟分析，桂阁大道隧道排水系统在遭遇五年一遇的外江防洪（潮）设计水位时，外江水位隧道雨水排放影响较小；桂阁大道隧道排水系统在遭遇20年一遇以上的外江洪（潮）标准时，隧道排水系统在涨潮时段会受外江水位顶托影响。

3）为保证桂阁大道各隧道积水深度小于0.15 m，积水时间不超过1 h，通过设计优化：①针对隧道产汇流时间短、隧道底部易聚水的特征，在隧道进出口增加截水沟，将路面雨水截流至排水管，避免外部路面雨水流入隧道，同时扩大隧道泵站的泵排流量。②桂阁大道各隧道排水系统采用双出路排水设计，一条排水路径为直排河涌，并在出水口设置防倒灌拍门，同时设计一条备用排水路径，接入市政排水管网，避免潮水顶托导致隧道排水不畅而发展为内涝。③加装内涝预警设施，针对雨季中隧道排水系统的运行，实行24 h监控和实时预警预报。

4 讨论

南沙区在国内大中行城市中，近些年来南沙区没有发生造成重大损失的洪涝灾害，得益于南沙区在水行政规章制度、城市防汛管理办法、洪涝监测预警系统和公共应急抢险能力等方面的综合管理。城市洪涝风险模拟分析采用情景模拟方法，一方面可基于区域现状状况遭遇极端天气条件下分析和发现城市洪涝风险的易涝点和洪涝灾害程度，有利于城市洪涝风险管理，方便相关管理部门有组织、有计划地制订并实施相应的管理和应急措施；另一方面对于规划项目，可就洪涝风险评估结果开展规划项目的洪涝弹性进行评价，评估排水系统对洪涝风险的抵抗能力、整体规划方案对环境的恢复能力。

另外，过去标准化的洪涝风险管理是从防灾、减灾、备灾、响应和灾后重建等来考虑，而现在，在洪水风险评估与可持续发展之间探索出降低洪涝风险，增强弹性的发展模式，即海绵城市。城市洪涝风险模型作为海绵城市建设效果评价的一种技术手段，可为海绵城市设计提供依据和参考。

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