城市化地區(qū)防洪排澇規(guī)劃研究

吳 春

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 存在問題

1.1 排澇設(shè)施不完善

新中國建設(shè)初期，城市排水多采用蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，北京市排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)仍為1～3 a一遇，排水系統(tǒng)線路老化，元器件破損嚴(yán)重，由此造成每到暴雨突襲時(shí)，城市許多地段積水成河，交通癱瘓，給市民的工作、生活帶來極大影響，甚至危及生命。這暴露出我國城市公共基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、建設(shè)、管理的嚴(yán)重滯后，更暴露出城市“地上工程”與“地下工程”的極大反差。

1.2 骨干排澇河道過流能力不足

由于規(guī)劃和投資渠道的原因，城市道路建設(shè)與河道整治脫節(jié)，導(dǎo)致排水設(shè)施的規(guī)劃、建設(shè)不到位，沒有給雨洪留出合理的出路。城區(qū)有部分中小型河道沒有規(guī)劃，有的排水管線下游沒有出路，造成了城市排水系統(tǒng)不暢，遇強(qiáng)降雨容易形成局部地區(qū)洪澇。部分中小河道多年沒有疏挖整治，河道淤積堵塞，排水能力嚴(yán)重不足，河道排泄不暢，降雨時(shí)壅水漫溢，致使地區(qū)洪水滿溢進(jìn)入城市道路。

1.3 內(nèi)河調(diào)蓄水域面積不足

城市水面面積是調(diào)蓄城市內(nèi)澇的主要手段之一，如故宮數(shù)百年來幾乎未發(fā)生內(nèi)澇現(xiàn)象，原因之一就在于故宮周圍有環(huán)故宮可起調(diào)蓄作用的護(hù)城河；同樣，團(tuán)城千年以來也未發(fā)生水淹現(xiàn)象，原因之一就在于其位于具有調(diào)蓄功能的北海附近，可以把多余的水排入北海。近年，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，不少市區(qū)河湖由于被侵占而縮窄或淤積，導(dǎo)致蓄泄洪能力降低，甚至在城市發(fā)展過程中部分河湖被填埋（新中國成立初期北京市有湖泊200余個(gè)，目前僅存50余個(gè)），市區(qū)水面所占比例由5%降低到2%左右，如北京南湖渠地區(qū)，原來本是一片洼地，作為北京市排水主干河道壩河支流之一的北小河，現(xiàn)已變成超過20萬人的望京社區(qū)。城市水面減少相應(yīng)地降低了城市內(nèi)澇的調(diào)蓄能力，從而增加了暴雨內(nèi)澇的發(fā)生頻率。

1.4 城市化進(jìn)程使水面率降低、徑流系數(shù)增大

隨著城鎮(zhèn)化步伐的加快，城市人口急劇膨脹，導(dǎo)致城市地表大面積水泥化，滲水吸水儲水能力均大大減弱，暴雨來臨時(shí)排水只能依靠少數(shù)的排水口。

1.5 極端天氣明顯增多，局地暴雨頻發(fā)

由于城市建設(shè)改變了局部氣候條件，不注意保留綠地和水面，城市成為一個(gè)熱源，產(chǎn)生了熱島效應(yīng)，其結(jié)果是造成城市上空對流旺盛，強(qiáng)對流天氣容易發(fā)生，從而增加了城市暴雨出現(xiàn)的概率和強(qiáng)度。近20年來，由于北京城市建設(shè)的飛速發(fā)展，城市熱島和雨島效應(yīng)明顯，高樓大廈（跟小型山峰的降雨特性類似）的局部小氣候條件容易形成歷時(shí)短、強(qiáng)度大、范圍小的局地突發(fā)性暴雨，城區(qū)出現(xiàn)局地暴雨的頻率與強(qiáng)度遠(yuǎn)高于周邊建筑物低矮地區(qū)，降雨強(qiáng)度往往超過70 mm/h極端天氣標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致城區(qū)的極端天氣頻頻發(fā)生，產(chǎn)生局部內(nèi)澇。2004年以來，北京共發(fā)生極端天氣43次，暴雨來勢兇猛，歷時(shí)短，積水?dāng)嗦返葹?zāi)情出現(xiàn)快，導(dǎo)致預(yù)報(bào)非常困難[1]。

2 解決對策

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

城市是流域系統(tǒng)中的一個(gè)點(diǎn)，往往除受到主要外河洪水的威脅外，還可能面臨許多城區(qū)?。▋?nèi)）河洪水，特別是山洪的威脅，沿海城市還可能有風(fēng)暴潮的影響。城市的防洪設(shè)施是地區(qū)乃至流域防洪體系的組成部分，故城市防洪規(guī)劃必須以地區(qū)乃至流域防洪規(guī)劃為依托，以城市防洪工程為屏障，從流域、區(qū)域與城市3個(gè)層次空間定位各自的防洪規(guī)劃與防洪標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)明確其間不可分割的相互關(guān)系。現(xiàn)以太湖流域內(nèi)的城市防洪為例。

2.1.1 流域防洪標(biāo)準(zhǔn)

流域防洪的目標(biāo)是防御流域性洪水，也就是以太湖洪水的安全蓄泄為重點(diǎn)，安排若干重大治太骨干工程，確定2010年前流域防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，并逐步向100 a一遇標(biāo)準(zhǔn)過渡。

2.1.2 區(qū)域防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)自然與水文條件將太湖流域分為8個(gè)水利分區(qū)，各分區(qū)防洪規(guī)劃的目標(biāo)為防御地區(qū)性局部暴雨洪水。由于各分區(qū)除受流域性洪水影響外，還兼受地區(qū)性局部暴雨的威脅，因此，需要在流域性骨干工程的基礎(chǔ)上補(bǔ)充必要的地區(qū)性工程措施，主要包括區(qū)域性骨干排水河道的疏浚和好區(qū)堤防建設(shè)。到2010年，地區(qū)防洪能力將分別達(dá)到20～50 a一遇。

2.1.3 城市防洪標(biāo)準(zhǔn)

太湖流域城市密集，人口和產(chǎn)業(yè)集中，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。在提高流域及區(qū)域防洪標(biāo)準(zhǔn)的框架下，根據(jù)城市自身的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，采取城市防洪自保措施，提高主要城市的防洪標(biāo)準(zhǔn)。城市防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50805—2012），根據(jù)城市人口規(guī)模、等級確定防洪標(biāo)準(zhǔn)，例如上海市黃浦江(城市區(qū)段)干流及主要支流按1 000 a一遇高潮位設(shè)防，海塘（市區(qū)段）按20 a一遇高潮位加12級臺風(fēng)設(shè)防。城市防洪標(biāo)準(zhǔn)一般都高于流域與區(qū)域的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.4 防山洪標(biāo)準(zhǔn)

位于山區(qū)性河道支流低洼區(qū)域的城市除抵御外圍江河洪水，還需抵御山區(qū)性河道的山洪。山區(qū)洪水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50805—2012），根據(jù)城市人口規(guī)模、等級確定山洪標(biāo)準(zhǔn)。城市內(nèi)存在小（內(nèi)）河山區(qū)洪水威脅的城市主要為山區(qū)城市，如福建省、浙江省及海南省的沿海城市。

2.2 排澇標(biāo)準(zhǔn)

城市化區(qū)域排澇標(biāo)準(zhǔn)一般取10～20 a一遇暴雨不受澇，即發(fā)生10～20 a一遇暴雨，河道逐時(shí)刻（1 h）水位不超過最高控制水位。

2.3 各類城市防洪排澇對策

2.3.1 濱河城市

這類城市主要指位于大江大河及其重要支流沿岸的城市，外河洪水是主要威脅，洪水漲落相對緩慢，水位漲差不如山區(qū)河道大，洪水歷時(shí)相對較長。這類城市防洪問題一般不能完全獨(dú)立地自行解決，而必須在流域或水系整體防洪規(guī)劃的基礎(chǔ)上，以流域（水系）防洪工程體系為依托，并根據(jù)城市的自然地理特征（地形、地貌、水系分布等）及城市發(fā)展情況采取城市自保措施（如修建防洪堤、疏浚河道、開鑿分洪道等）加以保護(hù)，從而達(dá)到要求的防洪標(biāo)準(zhǔn)。這類城市的排澇問題較為突出，由于內(nèi)河澇水容易受外江洪水位頂托，且頂托時(shí)間較長，難以自流排水，故需要建立城鎮(zhèn)圩區(qū)或者防洪包圍圈，控制城市水面率，通過排澇泵站、水閘、骨干排澇河道等工程措施，保障排澇安全[2],如黃河上游干流沿岸的蘭州，長江干流沿岸的武漢、南京，淮河干流沿岸的蚌埠，西江沿岸的梧州，松花江沿岸的哈爾濱，嫩江沿岸的齊齊哈爾，琶江沿岸的南寧等。

2.3.2 山區(qū)城市

這類城市主要指位于山地丘陵的城市。這類城市多建在沿河階地、坡地或山丘坪地上，面臨江河，后靠山丘，洪水陡漲陡落，水位漲差較大，洪水歷時(shí)相對較短。除江河洪水威脅外，有的城市還有山洪、泥石流。由于受洪水威脅的主要是沿河部分較低地區(qū)，因此堤防不宜過高。除采取堤庫結(jié)合措施外，還可因地制宜地采取撇洪渠、疏浚河道等措施。這類城市的內(nèi)河排澇問題一般相對較小，對于地勢相對低洼的區(qū)域建議城鎮(zhèn)圩區(qū)，控制城市水面率，通過排澇泵站和水閘控制內(nèi)河最高水位，滿足市政雨水可自排入河，或者通過市政排水系統(tǒng)直接將雨水排往外河。

山丘城市因城區(qū)位置的垂直跨度較大，因而受洪水威脅的程度不同。有的城市主城區(qū)位于較高階地，受洪水威脅的僅是沿河谷地一帶非主要經(jīng)濟(jì)區(qū)，即山丘（1）類城市；有的山丘城市其主城區(qū)受到洪水威脅，即山丘（2）類城市。山丘城市如四川廣元、陜西延安、湖北十堰、廣西桂林、湖南郴州等。

2.3.3 平原城市

這類城市距離大江大河及其重要支流、海岸線較遠(yuǎn)，且地面高程低于江河洪水位以下，水位變幅較小，地勢平坦(包括盆地)、低洼，洪澇威脅嚴(yán)重，有的還兼受湖泊洪水的影響。平原城市因其獨(dú)特的自然環(huán)境，地區(qū)的防洪能力很難整體提高，因此，城市必須建設(shè)自成系統(tǒng)的自保防洪設(shè)施，如封閉式圈堤等。平原城市的水環(huán)境十分復(fù)雜，有的城市位于平川上或水網(wǎng)中，即平原（1）類城市；有的城市靠近天然湖泊，特別是濱湖的平原城市，不僅受到平原一般性洪澇災(zāi)害的影響，而且受到湖泊洪水的威脅，即平原（2）類城市。這類城市的排澇問題較為突出，由于內(nèi)河澇水容易受河湖高水位頂托，且頂托時(shí)間較長，地面標(biāo)高較低，內(nèi)部河道難以自流排水，故需要建立城鎮(zhèn)圩區(qū)或者防洪包圍圈，控制城市水面率，通過排澇泵站、水閘、骨干排澇河道等工程措施，保障排澇安全。

平原城市如四川成都、浙江嘉興、江蘇無錫、蘇州、常州、河北唐山、河南南陽、安徽宿州、吉林長春等。

2.3.4 沿海城市

這類城市主要指位于濱海感潮地區(qū)的城市，不僅受外河洪水的威脅，還受風(fēng)暴潮影響。除江河堤防外，海堤(海塘)也是很重要的城市防洪設(shè)施，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)除洪水標(biāo)準(zhǔn)外，還有潮位標(biāo)準(zhǔn)。這類城市的排澇與年平均高潮位和多年平均高潮位息息相關(guān)，年平均高潮位越高排澇問題越突出，如上海年平均高潮位約為4.05 m，地面標(biāo)高4～5 m，因此，地面排水受潮位影響較大，需通過堤防建立防洪包圍圈或者相對獨(dú)立的水利片區(qū)，控制河網(wǎng)水域面積，通過排澇泵站和水閘等工程措施，從而達(dá)到要求的排澇標(biāo)準(zhǔn)。

沿海城市如遼寧營口、山東日照、上海市、廣東廣州、浙江溫州、海南海口等。

2.4 城市建設(shè)與防洪排澇關(guān)系

城市防洪規(guī)劃是江河防洪規(guī)劃的一部分，也是城建規(guī)劃的組成部分，但在流域防洪規(guī)劃中有時(shí)對城市的發(fā)展考慮得不夠，有的城市總體規(guī)劃及控詳規(guī)則漠視城市防洪規(guī)劃，城市防洪除澇規(guī)劃又往往滯后于城建規(guī)劃，流域防洪規(guī)劃也未能充分考慮城市化發(fā)展對防洪的影響。城市總體規(guī)劃及控詳規(guī)有時(shí)在編制完成后才發(fā)現(xiàn)城市處在洪水風(fēng)險(xiǎn)中，防洪除澇設(shè)施與城市開發(fā)建設(shè)用地在安排上產(chǎn)生不少矛盾，因此，城市防洪排澇規(guī)劃應(yīng)當(dāng)處理好與流域防洪規(guī)劃、城市排水規(guī)劃和城市總體規(guī)劃間的關(guān)系，城市總體規(guī)劃及控制性詳細(xì)規(guī)劃編制之前應(yīng)編制好城市防洪排澇專項(xiàng)規(guī)劃，提前控制河道藍(lán)線、水面率及水利工程用地規(guī)模，指導(dǎo)城市控詳規(guī)用地規(guī)劃[3]。

3 案例分析

3.1 區(qū)域概況

漳州臺商投資區(qū)地處漳州市東部，廈門市西部，南面為九龍江北港，東接廈門市海滄區(qū)，西連漳州市龍文區(qū)，北隔天成山與長泰縣接壤，南依九龍江下游的北港與紫泥鎮(zhèn)隔水相望，是連結(jié)漳州、廈門兩市的重要區(qū)域。區(qū)域總面積163.7 km2，常住人口22萬人，現(xiàn)狀水域面積2.62 km2，水面率1.6%。

3.2 防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50805—2012）規(guī)定，區(qū)域規(guī)劃人口規(guī)模未超過50萬，屬于比較重要的III等城市（中等城市），區(qū)域內(nèi)部防山區(qū)洪水標(biāo)準(zhǔn)近期抵御10 a一遇，遠(yuǎn)期提高至20 a一遇。防九龍江北溪洪水標(biāo)準(zhǔn)與九龍江流域標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一采用100 a一遇，河口海堤防潮標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇。

3.2.2 排澇標(biāo)準(zhǔn)

按照國家標(biāo)準(zhǔn)《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50805—2012）及《福建省城市排水排澇設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》（閩水電（1997）水926號）規(guī)定，區(qū)域排澇標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇暴雨不受澇，逐時(shí)刻（1 h）內(nèi)河水位不超過最高控制水位。

3.3 防洪排澇工程措施

規(guī)劃在充分利用現(xiàn)狀水利工程的基礎(chǔ)上，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)總體規(guī)劃、控詳規(guī)采用“滯、疏、蓄、排、抽”等綜合治理措施?！皽保涸陧?xiàng)目區(qū)上游設(shè)置蒼坂溪滯洪區(qū)、埔頭溪滯洪區(qū)、龍嶼港滯洪區(qū)以緩解山區(qū)洪峰流量?！靶睢保涸谙掠卧O(shè)置江東臨時(shí)滯澇區(qū)、東美南門滯澇區(qū)、玉江滯澇區(qū)、流傳滯澇區(qū)、楊厝滯澇區(qū)、壺嶼港滯澇區(qū)及白礁滯澇區(qū)以增加河網(wǎng)排澇調(diào)蓄容量。“疏”：疏浚及整治排洪港、社頭港、低干渠、鳳山渠、曾溪、社內(nèi)渠、玉江渠、東美南門渠、林美渠?！芭拧保焊臄U(kuò)建白礁水閘、壺嶼港水閘、石美水閘、鳳山水閘、楊厝水閘、殿后水閘、社內(nèi)水閘、玉江水閘、東美南門水閘、沃頭水閘。“抽”：新建壺嶼港排澇泵站、楊厝排澇泵站及沃頭排澇泵站。規(guī)劃河道總長度45.6 km，滯洪區(qū)面積37.3 hm2，滯澇區(qū)面積150.7 hm2，水面率由現(xiàn)狀的1.6%提高至2.0%，排澇泵站3座總流量190 m3/s，排澇水閘10座總凈寬121 m。

3.4 河網(wǎng)排澇計(jì)算模型

3.4.1 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)沒有設(shè)立水文站，無實(shí)測流量資料，僅設(shè)有角美雨量站，可收集到實(shí)測降雨資料。角美雨量站有1973年～2011年的連續(xù)實(shí)測資料，1988年停測。角美站實(shí)測降雨資料記錄時(shí)段未統(tǒng)一，難以統(tǒng)計(jì)到逐年最大1 h、3 h、6 h降雨量。流域鄰近石碼站、漳州站，有45 a以上連續(xù)觀測資料。經(jīng)過頻率計(jì)算得到暴雨參數(shù)，詳見表1。

3.4.2 產(chǎn)匯流計(jì)算

（1）山丘區(qū)

項(xiàng)目區(qū)上游非城市化區(qū)域產(chǎn)流計(jì)算采用初損后損法計(jì)算，匯流計(jì)算采用推理公式法和瞬時(shí)單位線法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)根據(jù)《福建省暴雨查算手冊》查選。

表1 暴雨頻率計(jì)算成果

（2）城市化平原區(qū)域

城市化區(qū)域雨水通過地面漫流進(jìn)入雨水收集系統(tǒng)，再由管渠輸送進(jìn)入排水河道，雨水排水系統(tǒng)流量過程采用推理公式法推求。綜合徑流系數(shù)在0.65～0.9之間選取，降雨歷時(shí)根據(jù)雨水系統(tǒng)服務(wù)面積大小、管道長度、坡度的變化在30～80 min之間選取。

3.4.3 河網(wǎng)水力計(jì)算

3.4.3.1 基本方程

描述水流在明渠中運(yùn)動的一維非恒定流基本方程是基于圣維南方程組，包括連續(xù)方程和動力方程。連續(xù)方程基于水量平衡原理，用于水量總體控制；動量方程原理為，作用于控制體的外力沖量與通過控制體表面的進(jìn)出流體的凈動量的矢量和等于這一體積內(nèi)的動量增量，用于描述水流的運(yùn)動特性。

3.4.3.2 河網(wǎng)概化

河網(wǎng)概化包括河道及控制建筑物概化。河網(wǎng)概化遵循突出骨干河道，保留需重點(diǎn)研究的非骨干河道，并使概化后的河網(wǎng)調(diào)蓄庫容與實(shí)際保持一致，概化河道斷面過流能力、控制建筑物規(guī)模及調(diào)度情況與實(shí)際相一致的原則。本次計(jì)算涉及項(xiàng)目區(qū)內(nèi)69條河道，總長度89.3 km，水工建筑物有沿江水閘、各河道上的橋梁、箱涵及沿江泵站，河道斷面布置接近1 500個(gè)，斷面間距50～300 m，最大不超過500 m，共有計(jì)算水位計(jì)算節(jié)點(diǎn)1 624個(gè)、流量計(jì)算節(jié)點(diǎn)1 496個(gè)。河道概化見圖1。

3.4.3.3 邊界條件和相關(guān)參數(shù)

（1）邊界條件

水利計(jì)算模型在選取邊界條件時(shí)充分考慮了平原洪水和山區(qū)洪水的錯(cuò)時(shí)問題、澇水匯入問題及設(shè)計(jì)洪水與外海潮位的組合等情況，根據(jù)水文提供的成果資料，邊界條件的確定如下：

a.上邊界——河道上游邊界條件為項(xiàng)目區(qū)各匯流分區(qū)匯入河網(wǎng)的流量過程，山區(qū)流量邊界數(shù)量有14個(gè)，城市化平原區(qū)域流量邊界有25個(gè)。

圖1 河網(wǎng)概化圖

b.下邊界——采用九龍江北港的24 h潮位過程線作為下邊界。

（2）相關(guān)計(jì)算參數(shù)

河道斷面資料采用規(guī)劃設(shè)計(jì)藍(lán)線控制口寬及相應(yīng)斷面型式，河道初始水位為預(yù)降水位1.5 m，糙率在0.013～0.03之間選取。

3.5 計(jì)算成果分析

經(jīng)過河網(wǎng)水力計(jì)算表明，項(xiàng)目區(qū)澇水量1 800萬m3，泵站排澇歷時(shí)6 h，泵站排澇水量410萬m3，水閘排澇歷時(shí)28 h，水閘排澇水量1 390萬m3，內(nèi)河啟調(diào)水位1.5 m，下游平原區(qū)域規(guī)劃地面標(biāo)高5.0～6.0 m，相應(yīng)最高水位可以控制在4.0～5.0 m之間，可以滿足20 a一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

城市化地區(qū)防洪排澇規(guī)劃應(yīng)充分考慮現(xiàn)狀水系分布情況，與流域規(guī)劃、城市防洪規(guī)劃及總體規(guī)劃等上位規(guī)劃充分銜接，確定防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)特點(diǎn)提出可行的防洪排澇規(guī)劃方案，根據(jù)路網(wǎng)規(guī)劃、豎向規(guī)劃及雨水排水規(guī)劃等專項(xiàng)規(guī)劃情況，科學(xué)合理地確定規(guī)劃河道規(guī)模、平面布置、藍(lán)線及陸域控制線，確定規(guī)劃水面率、河道常水位、預(yù)降水位及最高控制水位，進(jìn)行水文分析計(jì)算，復(fù)核計(jì)算各防洪排澇規(guī)劃方案的計(jì)算成果，通過方案比較確定防洪排澇工程措施，確定工程規(guī)模，并注重非工程措施規(guī)劃。

[1]楊秀靜，譚聰睿．北京“7·21”暴雨引發(fā)的城市防洪排澇建設(shè)思考[J].海河水利，2013（1）：41-42.

[2]李原園，李琪，李蝶娟，等．城市防洪減災(zāi)對策的研究[J]．水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2003（4）：1-4．

[3]李月明，鄭雄偉．浙江省城市防洪排澇問題與對策[J]．水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2012（3）：1-3.