對(duì)武漢內(nèi)澇及湖泊調(diào)蓄功能的探討

方 正，王 渲

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072)

近年來(lái)頻發(fā)的內(nèi)澇災(zāi)害對(duì)數(shù)座城市造成重創(chuàng)。2016年7月初，武漢遭遇持續(xù)1周的暴雨襲擊，致使中心城區(qū)200多處漬水，受災(zāi)最嚴(yán)重的南湖片區(qū)多處漬水?dāng)?shù)日未退，武漢內(nèi)澇一時(shí)引來(lái)多方矚目與審視。不少人開(kāi)始質(zhì)疑海綿城市建設(shè)的作用，然而作為海綿城市試點(diǎn)的第一年，武漢市試點(diǎn)區(qū)范圍僅為38 km2，對(duì)于全市553 km2范圍內(nèi)的內(nèi)澇而言，其發(fā)揮的作用只是杯水車(chē)薪。城市排水防澇是海綿城市建設(shè)的重點(diǎn)，內(nèi)澇頻發(fā)更體現(xiàn)出當(dāng)前推動(dòng)海綿城市建設(shè)的必要性和緊迫性[1]。

《海綿城市設(shè)計(jì)技術(shù)指南》指出城市水系是超標(biāo)雨水徑流排放系統(tǒng)的重要組成部分。武漢市湖泊水面率為11.1%，居全國(guó)首位[2]，擁有排澇路徑短的先天優(yōu)勢(shì)。如果能充分發(fā)揮湖泊的調(diào)蓄作用，應(yīng)對(duì)暴雨漬水的潛力巨大。將湖泊納入海綿城市建設(shè)體系中，通過(guò)優(yōu)化調(diào)度最大限度地發(fā)揮湖泊的調(diào)蓄作用，將是武漢市內(nèi)澇防治最經(jīng)濟(jì)有效的措施。此外，本次內(nèi)澇全市漬水最嚴(yán)重的南湖及湯遜湖片區(qū)臨湖而建，也應(yīng)當(dāng)引起我們對(duì)其水災(zāi)背后潛藏的城市水生態(tài)問(wèn)題的思考。

1 南湖、湯遜湖片區(qū)2016年7月漬水原因分析

(1)有據(jù)以來(lái)最大周降雨量與長(zhǎng)江高水位疊加。據(jù)氣象歷史資料比對(duì)結(jié)果，2016年7月累計(jì)1周雨量582.3 mm，創(chuàng)下近年來(lái)最高紀(jì)錄(見(jiàn)圖1)。從5日20時(shí)至6日15時(shí)，全市共有65個(gè)氣象監(jiān)測(cè)站降雨量超過(guò)200 mm，達(dá)到特大暴雨級(jí)別。與此同時(shí)，長(zhǎng)江上游來(lái)水量大，致使中游干流宜昌至九江段水位全線上漲，6月30日8∶00，漢口站水位達(dá)25.02 m，超過(guò)設(shè)防水位0.2 m[3]。武漢臨江而建， 長(zhǎng)江水位高漲對(duì)城市防洪排澇極為不利[1]。

圖1 武漢氣象站周降水量最大值Fig.1 The maximum rainfall in a week in Wuhan

(2)地勢(shì)低洼，漬水難以排湖。南湖、湯遜湖片區(qū)地勢(shì)低洼，路面與所處的湯遜湖水系主要調(diào)蓄河湖(湯遜湖、南湖、巡司河、夾套河等)汛期水位幾乎持平。遙感監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)漬水多日不退的南湖西部小區(qū)地面高程低于南湖水位近1 m[4]，漬水受水位頂托作用難以排湖。如：南湖雅園小區(qū)地面高程為19 m左右，而本輪降雨中南湖水位最高超過(guò)20 m，小區(qū)漬水與南湖水連通，只能在南湖水位下降后，漬水才有消退的去路。全市93%的漬水點(diǎn)7日消退，而南湖雅園小區(qū)11日仍陷于50～70 cm漬水中。

(3)地表徑流系數(shù)增大，城市排水系統(tǒng)排水能力不足。大規(guī)模的城市化建設(shè)，硬化導(dǎo)致不透水面積增加。2010年武漢市核心區(qū)684 km2內(nèi)地面硬化率達(dá)90%，核心區(qū)外930 km2地面硬化率達(dá)70%。地表徑流系數(shù)增大，需要外排的徑流量大幅增加。與之相對(duì)應(yīng)的城市排水管渠系統(tǒng)排水能力明顯不足，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，且淤塞現(xiàn)象嚴(yán)重，排水效率低下[5]。本次南湖及湯遜湖片區(qū)漬水嚴(yán)重的地區(qū)，多處曾為承擔(dān)蓄水、分洪功能的湖泊、濕地。

(4)南湖調(diào)蓄能力及湯遜湖泵站抽排能力有限。南湖湖泊面積7.67 km2，次于湯遜湖(47.62 km2)及東湖(32.8 km2)，為武漢市第三大城中湖[2]。與湯遜湖及東湖相比，南湖體量小且為封閉湖，調(diào)蓄能力有限。同時(shí)，南湖、湯遜湖片區(qū)所屬的湯遜湖水系各湖泊水位常年處于較高水平，減小了湖泊的調(diào)蓄容積，制約其調(diào)蓄能力的發(fā)揮。另一方面，南湖通過(guò)南湖連通渠、巡司河與長(zhǎng)江連通。非汛期，南湖水位高于長(zhǎng)江，雨水進(jìn)入南湖后自流入江。而在汛期，長(zhǎng)江水位高于水系內(nèi)水位，為避免江水倒灌，關(guān)閉解放閘及陳家山閘，南湖水被疏排至16 km外的湯遜湖泵站抽排入長(zhǎng)江[6](見(jiàn)圖2)。湯遜湖水系僅有湯遜湖泵站一個(gè)排江出口，汛期抽排能力嚴(yán)重不足。同時(shí)受到河湖水位頂托，水系調(diào)蓄功能?chē)?yán)重受限，造成周邊地區(qū)漬水嚴(yán)重、消退緩慢。

圖2 湯遜湖水系排江示意圖Fig.2 The drainage system of Tangxunhu river system

2 湖泊調(diào)蓄功能探討

2.1 武漢市湖泊萎縮現(xiàn)狀

武漢市近年來(lái)的城市擴(kuò)展造成水系被割裂、湖泊面積萎縮，湖泊演化呈現(xiàn)出“大湖破碎成小湖，小湖漸次消失”的態(tài)勢(shì)[7]。數(shù)據(jù)顯示，武漢在1973-1979年僅7 a間，全市湖泊面積減小超過(guò)300 km2；在2009-2013年的5 a間，中心城區(qū)湖面積由278.76 km2下降到264.73 km2，減小速度明顯放緩，但面積萎縮的趨勢(shì)仍在[8]。人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致城市水生態(tài)系統(tǒng)失衡，削弱了水系的防洪調(diào)蓄功能。

(1)圍湖墾殖、填湖造陸：湖泊被填平開(kāi)發(fā)成樓宇(見(jiàn)圖3)，一方面阻礙雨水直接排湖，90%以上的雨水需途經(jīng)管網(wǎng)排放；另一方面導(dǎo)致地面徑流系數(shù)變大，徑流量增加、徑流峰值提前。這對(duì)城市排水系統(tǒng)提出了更高的要求，然而目前武漢的排水系統(tǒng)顯然無(wú)法擔(dān)此重任。

圖3 沙湖(西南一角)填湖蓋樓現(xiàn)象Fig.3 Buildings encroach on lake in Shahu area

(2)淤淺沉積：長(zhǎng)江中游流域內(nèi)的泥沙沖淤使江漢湖群有較大的沉積速率[9]，加速了湖泊萎縮，同時(shí)也令湖泊調(diào)蓄功能大打折扣。2005年對(duì)東湖湖底掃描發(fā)現(xiàn)，平均淤泥厚度 1.06 m，淤泥總量達(dá)到3 522 萬(wàn)m3，約為東湖庫(kù)容的30%[10]?，F(xiàn)如今內(nèi)澇頻發(fā)，武漢市應(yīng)停下向湖泊索取空間的腳步，以穩(wěn)定生態(tài)平衡為前提，在發(fā)展與保護(hù)之間尋求新的平衡。武漢市正在構(gòu)建的江湖水系格局一旦形成，必將全面提升湖泊的生態(tài)功能，有效緩解武漢內(nèi)澇。另外，若能對(duì)湖泊進(jìn)行全面清淤，湖泊的調(diào)蓄能力將得到大幅提高。

2.2 南湖調(diào)蓄能力估算

武漢市中心城區(qū)及新城區(qū)共有166個(gè)湖泊，湖泊總匯水面積達(dá)5 925.2 km2，正常水位時(shí)的水面總面積達(dá)到779 km2，居全國(guó)各大城市首位[2]。湖泊在防澇減災(zāi)方面發(fā)揮了一定效能，但水系割裂、缺乏調(diào)度等實(shí)際情形制約了湖泊防澇調(diào)蓄功能的進(jìn)一步發(fā)揮。下文結(jié)合2016年6月30日至7月6日一周降雨量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)南湖水位水量變化進(jìn)行粗略計(jì)算，估算南湖調(diào)蓄能力，并以此為依據(jù)，對(duì)湖泊調(diào)蓄功能的充分挖掘提出建議。

(1)南湖入流量估算。估算中采用從湖北省氣象局獲取的實(shí)測(cè)降雨資料(見(jiàn)圖4)。采用徑流系數(shù)法計(jì)算連續(xù)一周降雨下的地面徑流過(guò)程，不考慮徑流在地面及管道中的流行時(shí)間，則匯入南湖的雨水量計(jì)算公式為：

Wi=1 000×ψFpi

(1)

式中：Wi為第i時(shí)段的南湖入流量，m3/h；ψ為綜合徑流系數(shù)，取0.8；F為匯水面積，南湖匯水區(qū)域面積為44.7 km2[11](見(jiàn)圖5)；pi為第i時(shí)段的降雨量，mm，i=1，2，…，24，每個(gè)時(shí)段為1 h。

圖4 一周降雨過(guò)程線Fig.4 Rainfall process line in a week

圖5 南湖匯水區(qū)示意圖Fig.5 Catchment area of Nahu lake

(2)南湖出流量估算。南湖水通過(guò)南湖連通渠排出(見(jiàn)圖2)，與連通渠相接處有節(jié)制閘控制出流量，閘門(mén)特性如表1所示。

表1 南湖連通渠節(jié)制閘特性Tab.1 Characteristics of the Nanhu connect drainage gate

雨水匯入南湖，再通過(guò)閘門(mén)出流，湖水水位是動(dòng)態(tài)變化的。估算中以每1 h為1個(gè)降雨時(shí)段，計(jì)算南湖入流量Wi，由此可得水位上升高度。再由出流量求得該時(shí)段水位下降高度。按照寬頂堰閘孔自由出流計(jì)算南湖出流量，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。湖面初始水位按南湖汛前控制水位取為19.28 m。為簡(jiǎn)化計(jì)算，閘門(mén)開(kāi)閉方案為：當(dāng)水位高于汛前控制水位19.28 m時(shí)全開(kāi)；反之全閉。每1時(shí)段水位標(biāo)高按公式(3)計(jì)算。

(2)

Hi=Hi-1+ΔHi-ΔH′i-1

(3)

式中：Qi為第i時(shí)段的出流量，m3/h；b為閘孔斷面寬度，2個(gè)閘孔總寬度為10.4 m；e為閘孔開(kāi)度，全開(kāi)狀態(tài)取2.5 m，全閉狀態(tài)取0；ε為垂直收縮系數(shù)，取0.9；Hi為第i時(shí)段的湖面水位，m；Hz即為閘底高程，16.74 m。ΔHi為第i時(shí)段湖面上升水位，m；ΔH′i-1為第(i-1)時(shí)段湖面下降水位，m。

(3)南湖水位變化。在考慮閘門(mén)排水及不考慮閘門(mén)排水兩種情況下分別計(jì)算，得到南湖水位變化曲線如圖6所示。可知考慮閘門(mén)排水時(shí)，湖泊水位在降雨量最大時(shí)達(dá)到19.91 m，超過(guò)南湖最高控制水位19.88 m。同時(shí)，將所有時(shí)段南湖入流量、出流量分別加和，相減得到南湖凈增水量為220 萬(wàn)m3。與不考慮閘門(mén)排水的情況相比，水位得到有效控制。因此，對(duì)閘門(mén)的合理調(diào)度對(duì)于湖泊調(diào)蓄能力的發(fā)揮至關(guān)重要。

圖6 估算得一周湖泊水位變化曲線Fig.6 Calculation result of level line in a week

圖7 南湖連通渠斷面圖Fig.7 Nanhu connect drainage

估算中并未考慮湯遜湖泵站抽排能力不足及外江水位高漲等條件對(duì)南湖排水的不利影響(如下游壅水等)。同時(shí)，南湖距離整個(gè)水系的排水口湯遜湖泵站較遠(yuǎn)，且南湖連通渠斷面偏小(見(jiàn)圖7)，雨峰期間區(qū)間來(lái)水較大，造成南湖排水不暢。因此，南湖水位的真實(shí)變化曲線應(yīng)介于圖6中不考慮閘門(mén)排水及考慮閘門(mén)排水兩條曲線之間。

2.3 充分發(fā)揮湖泊調(diào)蓄功能

本輪降雨中，東湖水系未發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇。一方面是由于東湖體量大，且東、沙湖聯(lián)通，同時(shí)，東湖水系有比較完善的排江管渠(2條外排港渠：① 通過(guò)新溝渠經(jīng)羅家港后由羅家路泵站抽排入江；② 通過(guò)水果湖、楚河經(jīng)沙湖后由新生路泵站、前進(jìn)路泵站抽排入江)，因此具有較強(qiáng)的雨水調(diào)節(jié)能力。另一方面，相比于南湖和湯遜湖，東湖生態(tài)環(huán)境較好，周?chē)值?、濕地相?duì)較多，在雨水排湖時(shí)起到延緩徑流峰值的作用(見(jiàn)圖8)。因此，東湖具有很強(qiáng)的調(diào)蓄能力，但并未在本次南湖片區(qū)內(nèi)澇中得到充分發(fā)揮。

圖8 東沙湖水系衛(wèi)星圖Fig.8 Satellite map of Dongshahu river system

實(shí)際上，對(duì)于整個(gè)湯遜湖水系的雨水排江任務(wù)而言，湯遜湖泵站抽排能力嚴(yán)重不足。整個(gè)湯遜湖水系匯水面積為423.8 km2，湖泊總面積約為75.5 km2。按式(1)計(jì)算可得湯遜湖水系在本輪一周降雨中的總?cè)肓髁繛?.709 44 億m3。此外，湯遜湖水系唯一排江泵站-湯遜湖泵站抽排能力為142.5 m3/s，由此計(jì)算整個(gè)區(qū)域的抽排水量。若按湯遜湖泵站最大抽排能力持續(xù)工作7 d，可抽排總水量為8 618.4 萬(wàn)m3，則水系一周凈增蓄水量為8 476.0 萬(wàn)m3，湖泊水位平均上漲1.12 m。對(duì)于常年處于高水位的南湖、湯遜湖而言，汛前預(yù)降1.12 m的調(diào)蓄水深難度很大。

東沙湖水系湖泊面積分別為東湖32.8 km2、沙湖2.9 km2、楊春湖0.49 km2。匯水區(qū)域總面積176.9 km2。同樣的，按式(1)計(jì)算可得東沙湖水系在本輪一周降雨中的總?cè)肓髁繛? 243.5 萬(wàn)m3(區(qū)域多林地、濕地，故綜合徑流系數(shù)取0.7)。此外，按照東沙湖水系泵站抽排能力(見(jiàn)表2)計(jì)算區(qū)域抽排水量，若所有泵站均按其最大抽排能力工作5 d，可抽排總水量為5 788.8 萬(wàn)m3，則水系一周凈增蓄水量為455.7 萬(wàn)m3，湖泊水位平均上漲0.126 m。相比于東湖1.2 億m3的總庫(kù)容，其調(diào)蓄能力顯然未得到充分發(fā)揮。按照東湖20.35 m的最高控制水位，及19.6 m的常水位計(jì)算，其在本輪一周降雨中的調(diào)蓄余量為2 079.9 萬(wàn)m3。如果按東沙湖水系所有泵站全力抽排7 d計(jì)算，東湖的調(diào)蓄余量達(dá)到4 182.6 萬(wàn)m3，這對(duì)于接納湯遜湖水系的溢流量效果可觀。

表2 東沙湖水系泵站抽排能力 m3/s

南湖和湯遜湖過(guò)去與東湖自然聯(lián)通，隨著城市建設(shè)逐漸演變成為獨(dú)立的封閉湖。遭遇暴雨襲擊時(shí)，南湖和湯遜湖的水量只能依靠人工泵站排江。如果實(shí)現(xiàn)湖泊連通，暴雨時(shí)使東湖得以接納南湖及湯遜湖無(wú)法調(diào)蓄的水量，將有效緩解湯遜湖水系的大面積漬水現(xiàn)象。前文的估算結(jié)果驗(yàn)證了東湖的調(diào)蓄潛力，其汛期調(diào)蓄余量完全足夠接納湯遜湖水系的溢流量，緩解南湖及湯遜湖片區(qū)漬水。特別當(dāng)長(zhǎng)江水位上漲，雨水不能自流排江的情況下，東湖水系更應(yīng)發(fā)揮其調(diào)蓄能力，減輕武昌城區(qū)雨水直接排江的壓力，緩解城市內(nèi)澇現(xiàn)象，同時(shí)節(jié)省泵站運(yùn)行費(fèi)用。

此外，優(yōu)化湖泊的運(yùn)行調(diào)度是充分發(fā)揮其調(diào)蓄作用的必要途徑。武漢市湖泊很多由于農(nóng)漁養(yǎng)殖功能，平時(shí)蓄水較高；另外，為保護(hù)湖泊環(huán)境，周邊興建節(jié)制閘和截污管，僅在暴雨時(shí)應(yīng)急開(kāi)啟[12]。解決上述問(wèn)題造成的湖泊調(diào)蓄功能發(fā)揮受阻，只能依靠湖泊的運(yùn)行調(diào)度。結(jié)合氣象部門(mén)預(yù)警預(yù)報(bào)，在汛前預(yù)先搶排湖泊蓄水量，使湖泊水位降到臨時(shí)最低水位，最大程度擴(kuò)大湖泊的汛期調(diào)蓄容積。目前，武漢市166個(gè)湖泊調(diào)度運(yùn)用的平均調(diào)蓄水深約為1 m，總調(diào)蓄容積約為7.79 億m3[13]。若汛前預(yù)降水位相對(duì)調(diào)度現(xiàn)狀降低0.2 m，總水面積按正常水位面積的0.8計(jì)，相應(yīng)擴(kuò)大調(diào)蓄總?cè)莘e1.2 億m3。另一方面，應(yīng)及時(shí)有效地調(diào)節(jié)各湖泊節(jié)制閘開(kāi)度，保證汛期湖泊排水通暢。

要充分發(fā)揮湖泊的調(diào)蓄功能，對(duì)湖泊、濕地的保護(hù)仍然是根本，此外，河道、湖泊水體的清淤，疏浚，讓湖泊有空間接納雨水也是湖泊管理中應(yīng)該注意的問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

湖泊眾多是武漢市防內(nèi)澇的有利自然條件，充分發(fā)揮武漢市湖泊調(diào)蓄調(diào)洪潛力，是武漢市防內(nèi)澇最經(jīng)濟(jì)有效的措施[13]。消除極端天氣帶來(lái)的城市內(nèi)澇，不能單純依靠城區(qū)內(nèi)的小型海綿體，武漢市的海綿城市建設(shè)必須將發(fā)揮湖泊群的調(diào)蓄功能納入其中。通過(guò)優(yōu)化調(diào)度，將城區(qū)湖泊群作為一個(gè)巨大的“海綿”體，發(fā)揮各個(gè)湖泊協(xié)同作用，通過(guò)多湖連通、預(yù)警預(yù)報(bào)、騰挪庫(kù)容等優(yōu)化調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)“小雨不積水、大雨不內(nèi)澇”的排水防澇目標(biāo)。

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