外江水位及雨峰系數(shù)對典型城市片區(qū)內(nèi)澇的影響規(guī)律研究

林 耿,徐以希,宋利祥

(1.汕頭市河道堤防建設(shè)管理中心,廣東 汕頭 515041;2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院,廣東 廣州 510611)

隨著中國快速城鎮(zhèn)化發(fā)展,“城市看?！爆F(xiàn)象頻發(fā),給居民生活、區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展等帶來了諸多困擾[1]。盡管經(jīng)過多年建設(shè),中國大部分城市防洪(潮)排澇體系已基本成形,但面臨的洪澇災害形勢依然嚴峻[2]。例如2020年廣州“5·22”暴雨和2021年鄭州“7·20”暴雨期間城市內(nèi)地鐵、小區(qū)等遭受嚴重內(nèi)澇,多條河道發(fā)生漫溢,造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失[3]。據(jù)國家應急管理部統(tǒng)計,洪澇災害2022年共造成3 385.3萬人受災,直接經(jīng)濟損失達到1 289億元,是中國引發(fā)后果最為嚴重、影響范圍最為廣泛的自然災害之一[4]。

城市內(nèi)澇災害影響廣泛、成因復雜[5],為有效防治城市內(nèi)澇災害,需深入理解其形成機理、認識相關(guān)因素的影響作用規(guī)律。目前已有一些學者在此方面進行了探究:何珮婷等[6]采用最大熵模型對深圳市內(nèi)澇影響因素進行了研究,結(jié)果表明影響內(nèi)澇的主導環(huán)境因素有不透水面比例、暴雨峰值雨量等;佟金萍等[7]構(gòu)建了基于極端梯度提升(XGBoost)的城市內(nèi)澇風險評估模型,研究結(jié)果表明高程、道路分布和強降雨等是影響長三角核心城市區(qū)內(nèi)澇風險的主要因素;王淺寧等[8]采用排水管網(wǎng)與二維城區(qū)地表耦合模型對地表徑流速度影響城市內(nèi)澇的規(guī)律進行了探究,結(jié)果表明地表徑流流速對檢查井溢流量影響顯著,流速越低檢查井溢流量峰值越小且峰現(xiàn)時間越滯后。

綜合已有相關(guān)研究,城市內(nèi)澇的影響因素主要包含致災因子、孕災環(huán)境和承災體3個方面[9-11],其中降雨是致災因子中最重要的因素,除降雨強度外,雨峰系數(shù)、雨型等的差異也會引起不同的內(nèi)澇后果;同時中國城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速,但城市防洪排澇設(shè)施的建設(shè)進度往往與城市更新速度不匹配,使得城區(qū)容易遭受外江洪水頂托和倒灌的影響,因此外江水位條件是重要的孕災環(huán)境因素。綜上,探究降雨雨峰系數(shù)及外江水位對城市內(nèi)澇的作用規(guī)律對于認識和防治城市內(nèi)澇具有重要意義。目前已有一些學者對外江水位、雨峰系數(shù)與內(nèi)澇之間的關(guān)系進行了研究。劉國珍等[12]對深圳河右岸市區(qū)內(nèi)澇成因進行了探究,認為外江高水位是導致內(nèi)澇的重要成因;陳文杰等[13]以海南省海甸島為研究區(qū)域探究了不同雨峰系數(shù)情況下城市內(nèi)澇規(guī)律。然而,已有研究具有以下不足:①多數(shù)影響規(guī)律研究為定性分析,缺少數(shù)據(jù)支撐,或在開展內(nèi)澇數(shù)值模擬時忽略河道的頂托影響[14];②基本將外江水位或雨峰系數(shù)作為獨立因素對內(nèi)澇風險規(guī)律進行探究,未考慮2種因素組合作用下的內(nèi)澇影響規(guī)律;③缺乏針對性的內(nèi)澇治理策略思考,或內(nèi)澇治理策略局限在源頭減排系統(tǒng)和管網(wǎng)排水系統(tǒng)[13]。

鑒于此,本研究構(gòu)建了管網(wǎng)、河道和地表相耦合的典型城區(qū)內(nèi)澇模型,并選取實測數(shù)據(jù)對模型進行率定驗證。在此基礎(chǔ)上計算6種外江水位和雨峰系數(shù)組合工況下的內(nèi)澇風險,定量分析2種因素對內(nèi)澇淹沒的影響規(guī)律,最后從流域整體角度出發(fā)提出針對性的內(nèi)澇防治策略。

1 研究區(qū)域及模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)域概況

本研究選取韶關(guān)市芙蓉新城作為研究對象。芙蓉新城位于武江區(qū)建成區(qū)的西南面,緊鄰高鐵站和京港澳高速公路出入口,交通條件優(yōu)越。芙蓉新城現(xiàn)狀面積為16.71 km2,城鎮(zhèn)化程度較高;其三面環(huán)山,南臨北江,整體地勢北高南低,兼受上游山洪、城區(qū)內(nèi)澇和外江洪水影響,基本涵蓋了粵港澳大灣區(qū)城市片區(qū)的主要洪澇類型,具有一定的典型性。

芙蓉新城屬于亞熱帶氣候為主的濕潤性季風氣候,具有陽光充足、雨量充沛、夏季炎熱、間有雷暴、冬季寒冷等氣候特點,主要地貌類型為沖積小平原,地勢平坦。目前,芙蓉新城片區(qū)管網(wǎng)覆蓋率不足,排水通道有限,雨水主要通過沐溪河、東沖河兩條水系排放,且兩河道河口處均無水閘和泵站,受北江水位頂托作用明顯。研究區(qū)內(nèi)澇災害較為嚴重,2022年6月18—21日,受持續(xù)強降水影響,北江韶關(guān)段發(fā)生約50年一遇洪水,同時城區(qū)出現(xiàn)強降雨,雨峰和洪峰相遇造成芙蓉新區(qū)多處出現(xiàn)嚴重內(nèi)澇。

1.2 模型構(gòu)建

基于芙蓉新城特點,本次內(nèi)澇模型考慮區(qū)域管網(wǎng)排水、河道排澇和地表洪水演進3個方面,耦合一維管網(wǎng)模型、一維河道模型和二維地表模型對城市內(nèi)澇進行精確數(shù)值模擬,見圖1。模型情況分述如下。

圖1 研究區(qū)模型示意

a)一維管網(wǎng)模型。芙蓉新城排水體制以分流制為主,現(xiàn)狀無排水泵站。本次管網(wǎng)數(shù)據(jù)為更新至2022年的管道勘察數(shù)據(jù),涵蓋研究區(qū)DN300及以上排水管渠。經(jīng)拓撲關(guān)系修正和模型概化,一維管網(wǎng)模型包含雨水管渠總長度81.35 km,節(jié)點(雨水井、排水口等)2 746個,子匯水區(qū)2 623個。子匯水區(qū)邊界結(jié)合管網(wǎng)走向、道路、河道、建筑物等因素,采用泰森多邊形法和人工經(jīng)驗相結(jié)合的方式進行劃定;徑流系數(shù)指標根據(jù)遙感解譯后的不同下墊面類型占比計算得到。

b)一維河道模型。一維河道模型主要針對東沖河和沐溪河2條河道,建模總長19.09 km,河道斷面按照不超過300 m控制,在跨河橋梁、河道轉(zhuǎn)彎、斷面變化劇烈等位置進行斷面加密,最終布置82個斷面,平均間距約230 m。在模型中添加建筑物以概化橋梁、涵洞等阻水工程。一維河道模型上游邊界考慮沐溪水庫的調(diào)洪作用,河道糙率根據(jù)調(diào)研的實際情況分別對主槽和邊坡進行賦值,范圍為0.015～0.045。

c)二維地表模型。本次二維模型范圍為芙蓉新城內(nèi)的建成區(qū)及部分非建成區(qū),建模總面積為15.82 km2,采用不規(guī)則三角網(wǎng)對建模區(qū)域進行概化,共剖分了43 848個網(wǎng)格,節(jié)點數(shù)量為29 753個。為體現(xiàn)道路的行洪作用,對道路進行適當加密,并將其高程降低0.15 m。

d)模型耦合。一維管網(wǎng)模型、一維河道模型和二維地表模型通過以下過程進行耦合:一維河道-二維地表模型通過堤岸進行耦合,本次僅考慮二維地表積水進入河道以模擬澇水歸槽過程,不考慮河道洪水漫壩/潰壩淹沒;一維河道-排水管網(wǎng)通過排水口進行耦合,以反映河道水位對管網(wǎng)的頂托或倒灌作用;二維地表-排水管網(wǎng)通過雨水口/地表單元進行耦合,以反映管網(wǎng)漫溢淹沒及收水過程。

1.3 模型率定與驗證

a)模型率定。采用2022年7月27日實測水位和流量數(shù)據(jù)對河道模型參數(shù)進行率定,上游邊界條件取各斷面實測流量,下游邊界東沖河河口處取實測水位46.14 m(國家85高程,下同),沐溪河河口處取實測水位45.37 m。經(jīng)參數(shù)率定將河道典型斷面實測和模擬水位誤差控制在0.06 m以內(nèi)。

b)模型驗證。采用研究區(qū)2022年6月8—21日實測降雨過程線及積水深度數(shù)據(jù)對模型進行率定。選取西聯(lián)雨量站為代表站,其降雨過程見圖2。經(jīng)模型計算研究區(qū)內(nèi)典型內(nèi)澇點模擬淹沒深度和實測淹沒深度對比見表1,結(jié)果表明淹沒深度誤差基本在20 cm以內(nèi),因此模型參數(shù)基本合理,能較好地反映實際內(nèi)澇情況。

表1 模型率定結(jié)果 單位:cm

圖2 西聯(lián)雨量站實測暴雨過程

2 計算結(jié)果與分析

2.1 計算工況及模型邊界

本次研究區(qū)內(nèi)澇計算主要考慮2種外江水位和3種雨峰系數(shù)工況,共組合成6種計算工況。

外江水位主要考慮2種工況:常水位和高水位。高水位參考《韶關(guān)市區(qū)防洪規(guī)劃報告》(1997)的排澇工況,按東沖河和沐溪河各頻率洪水遭遇北江10年一遇洪水水位考慮。根據(jù)《韶關(guān)市城市內(nèi)澇治理系統(tǒng)化實施方案》(2021—2025)及《北江干流(韶關(guān)—河口)河道采砂控制規(guī)劃報告(2011—2015年)》可得東沖河出口處北江10年一遇水位為53.72 m,沐溪河出口處北江10年一遇水位為53.61 m。

由于芙蓉新城規(guī)劃內(nèi)澇防治標準為30年一遇,因此本次選取30年一遇降雨作為模型邊界條件,采用“長包短、大包小”的方法,將長、短歷時暴雨的設(shè)計結(jié)合,雨峰系數(shù)(r)主要考慮0.2、0.5、0.8三種情況,設(shè)計暴雨成果見圖3。

圖3 不同雨峰系數(shù)下30年一遇設(shè)計降雨過程線

2.2 計算結(jié)果

經(jīng)模型計算,各工況下芙蓉新城內(nèi)澇淹沒情況見圖4。本次參考SL 483—2017《洪水風險圖編制導則》中的內(nèi)澇淹沒深度區(qū)劃標準將內(nèi)澇風險分為低風險(0.15 m1.0 m)4個等級,統(tǒng)計各工況下內(nèi)澇淹沒面積見表2。由結(jié)果可知在6種工況下芙蓉新城淹沒面積均達到130 hm2以上,表明研究區(qū)現(xiàn)狀排水能力較差。

表2 淹沒面積統(tǒng)計結(jié)果 單位:hm2

圖4 各工況內(nèi)澇淹沒水深

2.3 外江水位對城市內(nèi)澇的影響

由圖4a、4c、4e可知在外江常水位條件下,芙蓉新城排水能力不足段主要集中在流域上游。芙蓉新城三面環(huán)山,但沐溪河支流和東沖河上游截洪設(shè)施未完善,片區(qū)遭遇暴雨后山水傾瀉至城區(qū)排水管渠,超過排水管渠的排水能力,因此在地勢低洼處形成持續(xù)性內(nèi)澇。

由圖4b、4d、4f可知在外江10年一遇水位工況下,各風險等級淹沒面積相比常水位工況增加幅度明顯,淹沒總面積增長均在1倍以上。在r=0.2、0.5和0.8情況下,外江高水位下淹沒總面積比常水位下淹沒總面積分別增加170.72、170.59、176.89 hm2。由圖4可知在外江高水位條件下研究區(qū)中下游內(nèi)澇淹沒風險增加顯著,而上游內(nèi)澇淹沒風險則與常水位工況下大致相同。通過對比分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)中下游區(qū)域場坪高程大多在57 m以下,與外江水位高程相差不足3.5 m,因此在缺乏泵站情況下排水管渠受河道頂托作用明顯,自排能力受限,導致內(nèi)澇淹沒較為嚴重;研究區(qū)上游場坪高程大多在58 m以上,主要受城區(qū)周邊山洪影響,外江水位對附近河段頂托作用并不明顯,因此內(nèi)澇風險區(qū)增長較少。

以外江常水位工況為基準,統(tǒng)計外江高水位條件下研究區(qū)內(nèi)澇面積增長率見表3。對比各風險等級淹沒面積增長率可知風險等級越高,淹沒面積增長率越高。以r=0.5為例,在外江高水位條件下低風險區(qū)、中風險區(qū)、高風險區(qū)和極高風險區(qū)面積分別增長26.39、71.44、43.47、29.29 hm2,增長率分別達到32%、224%、268%和459%。

表3 淹沒面積增長率統(tǒng)計結(jié)果(以外江常水位為基準) %

2.4 雨峰系數(shù)對城市內(nèi)澇的影響

對比圖4中相同外江水位條件、不同雨峰系數(shù)工況下的淹沒圖可知:在相同降雨頻率下,隨著降雨系數(shù)增大內(nèi)澇淹沒面積有一定增長,但增長幅度并不明顯。由表2可知在常水位條件下,r=0.5和r=0.8工況下內(nèi)澇淹沒總面積分別比r=0.2工況下淹沒總面積增長2.78、4.62 hm2;在外江高水位條件下,淹沒總面積分別增長2.66、11.79 hm2。此結(jié)果表明雨峰系數(shù)在一定程度上會影響內(nèi)澇風險,且雨峰越靠后內(nèi)澇淹沒情況越嚴重。研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀蓄滯條件有限,遭遇雨峰系數(shù)較大的降雨時在雨峰來臨前洼地已基本被填充,且管渠、河道內(nèi)水量較多,因此雨峰來臨時研究區(qū)蓄滯條件對形成內(nèi)澇災害更為有利;此外雨峰系數(shù)較大時河道洪峰形成更快,容易對排水管渠造成頂托[15],以上原因?qū)е码S著雨峰系數(shù)增大研究區(qū)內(nèi)澇風險上升。

與外江水位相比,雨峰系數(shù)對內(nèi)澇的影響較小,這可能與設(shè)計降雨較長且雨峰前期雨量較小有關(guān)。以r=0.2為基準,統(tǒng)計r=0.5及r=0.8工況下各風險等級的淹沒面積增長率見表4,由結(jié)果可知隨著雨峰系數(shù)增大,雖然總淹沒面積增大,但各風險等級的淹沒面積并不是絕對增大。例如外江常水位情況下r=0.5相比r=0.2情景淹沒面積減少1.89%。另外通過r=0.8工況的增長率結(jié)果可知在雨峰靠后工況下中等風險面積增加率最高。

表4 淹沒面積增長率統(tǒng)計結(jié)果(以r=0.2為基準) %

3 內(nèi)澇應對策略思考

由內(nèi)澇淹沒計算與分析結(jié)果可知在外江高水位情況下,研究區(qū)內(nèi)澇風險增加較為顯著,因此完善研究區(qū)防洪體系、減少外江頂托影響是研究區(qū)內(nèi)澇整治的重點。芙蓉新城為半山半城區(qū)域,其上游截洪溝體系還未完善,建議在河道按照20年一遇標準整治的基礎(chǔ)上完善相關(guān)截洪設(shè)施,減少城區(qū)管渠匯水范圍以減輕內(nèi)澇;研究區(qū)中下游片在開發(fā)建設(shè)前原規(guī)劃場坪高程抬高3 m,后來因為種種原因未能實施,造成外江高水位情況下內(nèi)澇淹沒風險較高。為削減外江高水位帶來的頂托影響,建議從流域角度出發(fā)完善中下游防洪排澇體系[16]。①目前芙蓉新城北江沿線堤防防洪標準不足50年一遇,且以自然岸坡為主,建議對堤防進行達標加固,使區(qū)域免受大洪水威脅。②目前芙蓉新城主要排水通道沐溪河、東沖河河口均無擋洪和排澇設(shè)施,當區(qū)內(nèi)暴雨遭遇北江洪水時,內(nèi)河澇水受到外江頂托,難以自排。建議完善沐溪河和東沖河河口位置水閘、泵站等排澇設(shè)施,形成自排為主、抽排為輔的排澇體系。③經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)芙蓉新城有數(shù)個雨水口直通外江,建議在雨水口處設(shè)置拍門以形成封閉的防洪體系。

由不同雨峰系數(shù)工況下的計算結(jié)果及分析可知雨峰偏后會加重內(nèi)澇風險,需加強研究區(qū)蓄滯能力。芙蓉新城為新開發(fā)城區(qū),其水系在城市高強度開發(fā)過程中被擠占、覆蓋,且規(guī)劃水系基本未實施?；谲饺匦鲁翘攸c,筆者建議在完善研究區(qū)閘泵體系之后發(fā)揮其調(diào)度作用,當預測有強降雨降臨時預泄水庫和河道內(nèi)水量,以保證主干通道的行泄空間[17];另一方面,需按照上位規(guī)劃完善研究區(qū)內(nèi)水系,并加強海綿城市建設(shè)以蓄滯雨水,減輕排水系統(tǒng)的壓力。

4 結(jié)論

本研究以典型城區(qū)——韶關(guān)市芙蓉新城為例,建立了排水管網(wǎng)-一維河道-二維地表相耦合的城市內(nèi)澇模型,在完成模型率定驗證后選取6種典型工況研究了外江水位和雨峰系數(shù)對城市內(nèi)澇的影響,結(jié)論如下。

a)研究區(qū)受外江洪水影響較為顯著。在外江10年一遇水位頂托情景下,芙蓉新城內(nèi)澇風險總面積相比常水位情景增長均在1倍以上,且內(nèi)澇風險等級越高淹沒面積增長率越大。

b)雨峰系數(shù)在一定程度上會影響內(nèi)澇風險,且在相同降雨強度下雨峰越靠后內(nèi)澇淹沒情況越嚴重,這與研究區(qū)前期蓄滯能力有關(guān)。

c)為減輕研究區(qū)內(nèi)澇災害,需從流域整體出發(fā)完善上游截洪溝設(shè)施、加強區(qū)內(nèi)海綿蓄滯作用并構(gòu)建下游閘泵堤岸聯(lián)防體系。