中國城市內澇中的主要水力學問題

鄧 芳，李登波，張曉萍

（1.中國電建集團中南勘測設計院有限公司，長沙410014；2.四川大學 水力學與山區(qū)河流保護與開發(fā)國家重點實驗室，成都610065）

1 中國城市內澇現(xiàn)狀

城市內澇是由于強降雨或連續(xù)性降雨超越城市排水能力導致城市積水災害的現(xiàn)象。根據(jù)調查發(fā)現(xiàn)：近幾年來，我國500多個城市中，已發(fā)生過內澇的城市有300多個，且在內澇災害嚴重程度上，南北方幾乎相當。其表現(xiàn)為：影響范圍廣、持續(xù)時間長、破壞力強大。我國城市的內澇形勢已十分嚴峻，目前城市內澇已成為政府和社會關注的熱點。

特別是我國東南沿海城市， 汛期除了面臨暴雨內澇、外來洪水潛在威脅外，還遭受來自西太平洋風暴潮的影響。沿海城市的水系多為感潮河道，若暴雨遭遇高潮頂托，極易造成排水不暢形成內澇。

2018年9月，臺風“山竹”掠過廣東，廣州普降暴雨。 “山竹”帶來了歷史罕見的風暴潮，最大風暴增水達3m，廣州多個潮位站水位超過歷史極值，城區(qū)珠江干流發(fā)生倒灌現(xiàn)象，全市河流漫溢26處，浸水點27處。 由此可見，水力學問題在城市內澇問題中不容忽視。

2 中國城市內澇特點

2.1 路面受損影響交通秩序

若路面積水程度較深，道路淹沒范圍較大，則容易造成交通堵塞，交通事故發(fā)生率急速上升，終致人員傷亡。

2.2 影響居民的正常生活

內澇不僅嚴重妨礙了人們的生活、工作和學習，降低人們生活的幸福感，也使居民出行成為問題。

2.3 公共設施破壞嚴重

如果發(fā)生強降雨，因交通堵塞、網(wǎng)絡、水、電、氣等生活體系癱瘓，公共設施不能正常使用，致使社會經(jīng)濟活動中斷。

2.4 導致城市污染加劇

一旦發(fā)生城市內澇，排水管和污水管排之不及，致使污水等污染物、垃圾滯留地面，隨水流動，污染整座城市，破壞環(huán)境，影響生態(tài)。

2.5 造成財產(chǎn)損失

暴雨導致的城市內澇不只給人們的生活帶來不便和危害，同時也帶來極其嚴重的物質損失。

3 城市內澇的主要原因和水力學原因

城市化是目前中國發(fā)展的大背景，然而，城市的快速發(fā)展必然導致地面硬化。 迅速增多的鋼筋混凝土建筑物和水泥、瀝青路面，使城市地面滲透率嚴重降低［1，2］，導致地下徑流量減少，地表徑流量明顯增加，遠遠超過城市排澇系統(tǒng)的排水能力。 此外，城市立體空間大范圍的拓展，地下室、地下停車場、下穿式交通道、地下交通網(wǎng)的修建及地下商場的增加，嚴重削弱了城市對內澇災害的抵抗能力。 又因為全球變暖，極端天氣出現(xiàn)的頻率時有升高，我國城市暴雨頻率有顯著上升。熱島效應、大氣污染和極端天氣等多重因素疊加與耦合，致使城市發(fā)生暴雨，從而引發(fā)城市內澇。 地勢平緩、低洼的城市區(qū)域，更易遭受內澇災害的影響。 再則目前中國城市雨水系統(tǒng)缺少立法與政策支持、城市規(guī)劃理念落后、理論和技術發(fā)展緩慢、城市雨水系統(tǒng)管理方法落后。在目前的排水管理中，并未對城市排水標準進行立法約束。并在城市規(guī)劃之前，應該把水環(huán)境系統(tǒng)（水循環(huán)過程、防洪演算和城市排水）進行模擬，規(guī)劃排水系統(tǒng)。

城市洪澇產(chǎn)生過程受到地面條件 （水泥面、草面、樹林等）、城市地形（橋、路、墻等）、管網(wǎng)排水系統(tǒng)、河道排洪能力（河道斷面、閘壩調度等）、蓄滯工程（地表水庫、滯洪洪區(qū)、地下水庫等）等多種因素影響，城市洪澇形成與發(fā)展極為復雜。 近年來，國內學者對城市內澇建立暴雨模型進行研究，在模擬階段，對排水管網(wǎng)建模分析時，大多考慮到城市地面滲透、騰發(fā)、植物截留，排水管網(wǎng)甚至明渠匯流到排水河道這樣一個相對完整的過程， 認為排水口的水量能全部排往城市內部河道， 卻忽略了城市內部河道對管網(wǎng)運行規(guī)律的動態(tài)影響， 造成排水管網(wǎng)與城市內部河道的運行調控不銜接。 如排水管道摻氣、空蝕、氣爆、臭氣外溢等有害現(xiàn)象。排水管道發(fā)生明滿流交替時對管道傷害、 在高地泄流時管道水流中所攜巨大能量的消能問題、 暴雨期河道行洪水位升高對排水管道進行頂托，造成河水倒灌等現(xiàn)象。 因此，在城市洪澇排水中，會遇到許多水力學問題。

因此， 河水頂托對城市內澇造成的負反饋不容忽視，它對暴雨城市內澇模擬不準確有嚴重影響。宋娟［3］認為，常水位、警戒水位等固定水位邊界的做法不能準確模擬排水口河道水位頂托和漫堤的情況，需建立以一維河網(wǎng)水動力模型為基礎計算研究區(qū)域雨洪模型邊界。不僅如此，河道排澇對管網(wǎng)排水還有破壞作用，李泓諾［4］引入破壞率的概念，根據(jù)管網(wǎng)設計標準，可大致確定河道排澇設計標準。

4 國外城市內澇水力學問題研究方法

在發(fā)達國家， 因為城市化和現(xiàn)代化進程遠早于我國，已有較成熟的城市暴雨洪澇研究成果。國外城市排水方面近年來的研究方向主要是兩個方面，一是城市暴雨模型階段，二是暴雨管理體系階段［5］。

4.1 暴雨模型階段

英國水力研究中心 （HRWallingford Britain） 的沃林福特（Wallingford）程序，能進行較復雜的徑流下滲過程的模擬和計算，優(yōu)化排水管道設計。后研發(fā)的Info Works ICM 軟件， 可對城市水循環(huán)進行完整模擬，還能將城市排水系統(tǒng)模型與河道模型進行耦合，更為真實地模擬出排水系統(tǒng)。 由美國陸軍工程師兵團（USACE）研發(fā)的水文學中心（HEC），可以從蓄水、污水處理及溢流模型（STORM） 模擬水量與水質問題，主要應用于污水排水系統(tǒng)。 與Esri 公司合作的基于Arc Hydro 的河網(wǎng)分析系統(tǒng) （River Analysis System） 和 水 文 模 擬 系 統(tǒng) （Hydrology Modeling System） ，他們分別能模擬一維水流運動過程和降水徑流過程。城市暴雨管理模型（SWMM）［6］由美國環(huán)保署（EPA）和加拿大水力計算中心（CHI）共同研發(fā)，它是一個動態(tài)模型， 可以模擬城市范圍的水文循環(huán)過程，和污水處理問題。 除此之外，該模型最強大的功能是， 可以模擬雨水在渠道、 管網(wǎng)內的水流運動過程。 Mike模型應用也非常廣泛， 是丹麥水力研究所（DHI）的系列軟件之一，它可以對降雨、下滲、產(chǎn)流、匯流、蒸發(fā)等過程進行模擬，并且也適用于河道和海岸，甚至能在三維空間對水資源按既定規(guī)則分配。美國 Bentley 公 司 的 水 力 與 水 文 （Hydraulics and Hydrology Software）軟件，它主要是能改善城市排水系統(tǒng)分布、污水處理和城市暴雨管理。

4.2 暴雨管理體系階段

20世紀90 年代，美國最先提出“低影響開發(fā)理論”（Low Impact Development簡稱LID），LID 本質上是一種分散的、小型的雨水控制工程，例如通過修建透水路面、蓄水池或增加下滲措施等，控制地表徑流以防發(fā)生內澇。 英國可持續(xù)排水系統(tǒng)（Sustainable Drainage Systems，簡稱SUDS）也可應用于排水過程，主要分析排水的水量和水質。 澳大利亞水敏感城市設計及日本地下雨水存蓄系統(tǒng)也應用較多。

對于城市內澇排水系統(tǒng)中所包含的水力學細節(jié)問題，例如明滿流，國外也有研究。 明滿流屬于氣液兩相的一種非恒定流，是存在輸水系統(tǒng)中的一種非常復雜的過渡水流流態(tài)。 早在1775年，法國數(shù)學家拉普拉斯和拉格朗日就對明滿流有了初步的研究。 目前明滿流研究最為常用的數(shù)值模擬方法有：激波擬合方法、剛性水柱方法、激波捕捉法［7，8］；常用的計算方法有：有限元法、有限體積法、有限分析法、有限差分法和特征線法等。 明滿流、空蝕、消能、水錘現(xiàn)象等問題多應用于水利工程、大型水工建筑物等地， 應用于城市內澇排水系統(tǒng)相對還比較年輕，可深入研究。

5 城市內澇水力學問題防治對策

在過去的十年里， 許多國內專家學者針對城市洪澇問題提出了很多有效的治理措施。 提高排水管網(wǎng)系統(tǒng)設計標準，建設海綿城市，采取雨洪利用和低影響開發(fā)技術，建立并運用城市暴雨內澇預警系統(tǒng)，采取綜合措施治理內澇。 加強城市內澇防治管理的法規(guī)建設，建立多層交叉監(jiān)督管理體系，提升城市整體排澇能力。目前，國內對城市洪澇的治理已經(jīng)從簡單的排水系統(tǒng)改造工程轉向生態(tài)化、 綠色化等城市改造項目。 夏軍院士［9］提出，我國海綿城市的實質是現(xiàn)代城市雨洪管理和配套管網(wǎng)建設、 城市生態(tài)文明建設與綠色發(fā)展的系統(tǒng)建設， 它和美國推廣的最佳管理措施（BMPs）、低影響開發(fā)（LID），英國等歐洲國家倡導的可持續(xù)排水管理（SUDS），澳大利亞提出的水敏感城市設計（WSUD）、新加坡實施的ABC水源計劃等一脈相承，并且其所體現(xiàn)的城市綠色發(fā)展系統(tǒng)建設新理念與內涵又符合中國城市建設需求與實際。

然而，在城市洪澇排水系統(tǒng)中，依然存在許多水力學問題尚未得到解決。 例如空蝕問題， 空蝕發(fā)生時，機械剝蝕和化學腐蝕同時響應，會對管道造成材料破壞［10］；再則，空蝕發(fā)生時，會產(chǎn)生強烈的噪聲和震動，對管道穩(wěn)定性有極大影響。 對于空蝕現(xiàn)象，可依靠排水泵房控制壓強有一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，避免機泵在同一頻率下的流量的大幅增減， 保持水流溫度恒定，將在一定程度上減少汽蝕現(xiàn)象?；蛘咴诠艿酪装l(fā)生空蝕的部分，采用抗空蝕金屬涂層［11］，有效防治空蝕問題。 我認為簡單的處理辦法是破壞空泡的汽化過程， 控制易發(fā)生汽化的局部管道的水流為有壓流，形成高壓，則破壞了空蝕形成的條件。

對于管道和河道排水流量的銜接問題，管道排水一般設計流量為3～5年一遇暴雨， 河道排水設計流量一般為10～20年一遇暴雨。 隨著極端暴雨天氣增多，城市管道排水能力顯得越來越力不從心。 若遇上十幾年、幾十年一遇的暴雨，城市則完全淪為海城。 因此，要貫徹“滲、滯、蓄、用、排”五個方面，增加下滲、緩滯、蓄水、用水和排水。 提高管網(wǎng)標準是一定的，但我們也要考慮河道的排水能力。 防止河水排水能力不足，倒灌城市。 因此，排水管排水與河道排水最好的狀態(tài)是，排水管既能大量排水進入河道，又不至于造成河水倒灌城市，那么排水管和河道的設計標準應存在一定聯(lián)系， 研究找出該關系，宏觀上就能解決該問題。 微觀上，可采用接力泵站，是為提高河道過流能力人為設置的提水泵站，并且為防止泵排水量回流，必須設置節(jié)制閘［12］。 接力泵與節(jié)制閘配合運用，一般較小暴雨時，仍開閘自流，只有在遭遇較大暴雨洪水時，才會關閘開泵，用泵排代替自流［13，14］。

排水管道在運行過程中， 由于暴雨或洪水等原因， 導致管道內出現(xiàn)無壓流向有壓流轉變的明滿流現(xiàn)象， 明滿交替流形成的脈動壓力直接影響排水管道的穩(wěn)定安全［15］。對于明滿交替流動，主要是消除明滿流發(fā)生的條件，避免明滿流交替過程中時而有壓，時而無壓對管道產(chǎn)生破壞作用［16］。在隧洞中，可將圓形隧洞改變成城門形隧洞， 城門形隧洞比圓形能更好的改善隧洞水流流態(tài)、降低脈動壓力，使隧洞中明滿交替現(xiàn)象減弱。 還可以在進水口前頂部設置消渦結構，減少進口吸氣旋渦，減小進口水流擾動，進而使隧洞中明滿交替現(xiàn)象減弱。 對于鋼筋混凝土管道或鋼管，則可設置排水站，調節(jié)管內流量，使管道內一直為有壓流， 避免出現(xiàn)時而有壓、 時而無壓的現(xiàn)象。

排水管道中水的流速突然發(fā)生變化時， 會引起管道內壓強急劇變化，這種變化叫水錘現(xiàn)象。水錘會破壞管道內壁、水泵內壁、或管道連接件等，所以，消除或減小水錘危害在工程設計中極為重要。 水錘有兩種類型：直接水錘和間接水錘［17-19］。 為了有效防治水錘，因此要盡量避免排水管道中流速突然變化：①盡量避免關閉排水通道閘門或緩慢關閉閘門；②在排水道與河道交界處， 排水道一定要高于河道洪水水位，以便消除或減小水錘沖擊，保障主排水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

在城市排水管網(wǎng)中， 往往也會存在高落差，水流攜帶大量能量。 這種能量一直存在管道中是十分危險的，因此，也要求我們對管道內的水流進行消能處理。 在水利工程中，我們常用消力墩、消力坎進行消能。 但在排水管網(wǎng)中，由于大小、形態(tài)等各種限制，一般采用消能井消能。 在消能井排水管道內設置消能格柵，可縮短有壓管道段長度。 張羽等人設計了一種旋流式消能井，系統(tǒng)消能率可達80.2%［20］。認為，可以設計旋轉對沖式消能井，將水流分為兩股，通過消能井引導，分為從左、右兩邊向中間泄流而出，兩股水流對沖而消耗能量。 如此對沖肯定會產(chǎn)生大量泡沫，大面積泡沫會對河面海面環(huán)境造成不良影響，因此可設置柵格阻擋泡沫，并設置水井，抽出泡沫。

河水頂托也會給城市內澇帶來極大負效應。 經(jīng)過苗小波［21，22］實驗研究得出，河水頂托帶給城市內澇的負效應是巨大的，且不容忽視的。為了更加準確模擬城市內澇的影響，可以使用工程和非工程措施，盡量解決河水頂托問題， 至少不會對城市內澇造成太大影響。工程措施方面：①排水管道出水口改為泵站形式，在出口設置閘站防止倒灌。由于原始出水口為自然出流，汛期容易發(fā)生洪水倒灌問題。②增設蓄水池： 在城市設置調蓄湖等蓄水場地， 以緩解出水口排水壓力。③改造部分管道管徑和坡度，使排水系統(tǒng)滿足排水迅速、大流量、不沖刷的要求。 在非工程控制方面： 通過控制河道下游閘壩開啟高度實現(xiàn)河道水位的調控， 分析不同河道控制水位對排水管網(wǎng)系統(tǒng)的影響。首先要對河道加強管理，嚴禁排放和堆置建筑垃圾和棄土等固體廢棄物， 淤積泥沙要定期清排。河口擋潮閘和內河渠道防洪閘壩要完善管理，避免海水和干流洪水倒灌入城， 同時利于城區(qū)雨污水排泄。其次是提高城市排澇工程設計標準，遇到大暴雨和漲潮時，可以開動排澇泵站強力直排。最后是增加城市的滲透能力，保持過水通暢，并嚴格限制地下水開采， 避免地面沉降發(fā)生， 紊亂了排水管網(wǎng)系統(tǒng)。

在城市暴雨洪澇模擬方面， 由于城區(qū)河道與排水管網(wǎng)相連接， 排水入河會導致河道水位與流量改變，與此同時，河道水位和流量的變化又反向影響管網(wǎng)的排水能力， 因此需要將城市排水管網(wǎng)與內部河道進行耦合模擬［23］。 模擬時需考慮河道、斷面、閘壩水位、流量、流速等河道水流過受河道橫斷面形狀、河床和岸壁的地質與粗糙程度、水流流態(tài)、含沙量、閘門的開啟情況， 大壩泄洪洞排水流量的等多種因素的影響。模型可導入水文監(jiān)測情況，應用天氣預報的雨量數(shù)據(jù)和降雨信息，對城區(qū)內澇進行仿真模擬，使城市內澇排水系統(tǒng)與河道流量、 氣象預報三體結合的模擬，為相關部門提供防澇減災的依據(jù)和參考。

6 結語

對于城市內澇中的主要水力學問題， 不得不引起重視。城市內澇發(fā)生有多方面因素，水力學問題是其重要原因之一。 內澇中的水力學問題還有許多值得關注和思考。比如，眾多大壩的建立是否抬高了河水平面，進而影響到河道的排水能力？這些水力學問題在城市暴雨內澇模擬中，影響因子又是多大？中國水系情況復雜，常出現(xiàn)“超載流”“回流”等現(xiàn)象，現(xiàn)有恒定流公式不能解決此類問題。 如何建立一個符合中國水系情況的河道水流演進模型， 對城市洪澇模擬以及洪水問題都具有重要意義。

如今， 在預防方面， 可通過互聯(lián)網(wǎng)技術收集水文、水利、市政等方面的有效信息，考慮水力學影響因素，用Info Works ICM、SWMM和Mike等軟件，模擬出符合實際的城市暴雨洪澇模型， 可運用于生產(chǎn)實際，為公眾提供詳盡、準確的內澇預警信息，也可讓公眾積極參與到城市洪澇保護和防治中來。 但更重要的是采取經(jīng)濟有效、綠色生態(tài)的措施，徹底解決內澇水力學問題，讓城市內澇不再發(fā)生，這是我們未來努力的方向。