西安市暴雨致澇成因分析及對(duì)策

侯精明，康永德，李 軒，陳光照，羅 慧，白光弼，畢 旭，高徐軍，孔祥建

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048； 2.陜西省氣象局 陜西省氣象服務(wù)中心，陜西 西安 710014； 3.西安市氣象局 西安市氣象臺(tái)， 陜西 西安 710016；4.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)有限公司 西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710065；5.中國(guó)建筑集團(tuán)有限公司 中建水務(wù)環(huán)保有限公司， 北京 100037)

在全球氣候變化引發(fā)的極端暴雨、城市“雨島效應(yīng)”引發(fā)的局部強(qiáng)降雨以及快速城市化改變下墊面的背景下，城市洪澇災(zāi)害的頻繁發(fā)生已成為阻礙城市發(fā)展和管理的突出問題[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球55%的人口居住在城市地區(qū)，預(yù)計(jì)這一數(shù)值在2030年將達(dá)到60%[2]。在可預(yù)見的未來，洪水對(duì)這些人口密集的政治、商業(yè)和交通樞紐中心的影響將是災(zāi)難性的[3-4]。西安是關(guān)中平原城市群的核心城市，也是國(guó)家發(fā)展改革委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部批準(zhǔn)建立的第九個(gè)國(guó)家中心城市。近年來，西安市短歷時(shí)強(qiáng)降雨發(fā)生頻次日益增多，內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，給城市發(fā)展帶來了巨大損失，如2016年“7·24”特大暴雨、2018年“8·22”特大暴雨、2020年“7·10”特大暴雨和“7·30”特大暴雨。其中，2020年7月，西安市多次突發(fā)強(qiáng)對(duì)流降雨天氣，20天內(nèi)連續(xù)遭遇兩場(chǎng)暴雨，西安多處下凹式立交橋、下穿通道、十字路口成為積水的重災(zāi)區(qū)，如圖1所示。

圖1 西安市2020年7月內(nèi)澇點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of inundation location in July 2020

暴雨致使部分地區(qū)下穿通道積水十分嚴(yán)重，達(dá)成人腰部以上，部分車輛在積水里熄火，導(dǎo)致交通阻塞無法通行，給市民出行造成不利影響。極端暴雨引發(fā)的內(nèi)澇已成為制約城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素，分析致災(zāi)成因并提出防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策已刻不容緩。本文結(jié)合澇災(zāi)發(fā)生時(shí)的實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)及氣象、下墊面詳細(xì)資料，對(duì)西安市內(nèi)澇成因進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的內(nèi)澇防治對(duì)策。

1 西安市內(nèi)澇積水成因分析

每逢雨季，西安市“大雨積水、暴雨看?！钡膬?nèi)澇泛濫問題層出不窮。城市內(nèi)澇的發(fā)生是各方面因素綜合作用的結(jié)果，致災(zāi)因素復(fù)雜。就內(nèi)陸城市獨(dú)特的自然條件而言，西安市的內(nèi)澇積水來源主要為特大暴雨，加之排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，導(dǎo)致超標(biāo)雨水徑流無法及時(shí)排出。致災(zāi)因素可以總結(jié)為自然與人為兩方面。自然致澇因素主要有水文氣象及下墊面因素，人為致澇因素主要有市政工程及排水設(shè)施因素、設(shè)施管理因素。

1.1 水文氣象及下墊面因素

1.1.1極端降雨頻發(fā)

西安地處關(guān)中中部、秦嶺北麓，屬溫帶大陸性季風(fēng)型氣候區(qū)，夏季高溫多雨。近年來，隨著全球變暖對(duì)水循環(huán)要素時(shí)空分布特征的影響加劇，且城市化發(fā)展使得“熱島效應(yīng)”顯著，致使城市大氣層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，對(duì)流性極端降水頻次和強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)[1]。西安市極端降雨時(shí)空演變規(guī)律量化分析結(jié)果[5]表明，全市降水量整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但極端降雨事件卻在逐漸增加，其中中心城區(qū)的增加幅度較周邊區(qū)縣更加明顯。從1976年開始，西安市年降水量在波動(dòng)中呈逐年下降態(tài)勢(shì)，減少速率為6.05 mm/10a，日降水強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，增加速率為0.28 (mm/d)/10a。

繼西安市遭遇2016年“7·24” 特大暴雨(總降雨量為123 mm，超過百年一遇)以來，2020年7月短時(shí)間內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)兩場(chǎng)極端暴雨事件，頻率高、間隔短。兩次降雨中心不同，據(jù)V8870西安站和V8801豐慶路空管局站監(jiān)測(cè)資料顯示，兩次降雨過程累計(jì)降雨量均在70 mm左右，重現(xiàn)期約為40年一遇。

兩場(chǎng)暴雨的峰值降雨歷時(shí)及降雨量相近，均呈現(xiàn)出歷時(shí)短、瞬時(shí)降雨強(qiáng)度大的特點(diǎn)。西安市現(xiàn)狀絕大多數(shù)排水管網(wǎng)暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為1年一遇[6]。如圖2所示，兩場(chǎng)暴雨的降雨強(qiáng)度已遠(yuǎn)超管網(wǎng)排水能力。由于暴雨中心集中于市轄區(qū)，如圖3所示，故城區(qū)雨水徑流量顯著增加，進(jìn)而提高了城市內(nèi)澇等氣象衍生災(zāi)害的發(fā)生幾率。

圖2 2020年7月兩次強(qiáng)降雨過程Fig.2 Process of two heavy rainfalls in July 2020

圖3 2020年7月強(qiáng)降雨累計(jì)降雨量分布圖Fig.3 Distribution map of cumulative rainfall in July 2020

1.1.2市區(qū)下墊面不透水面積占比大

隨著西安市被納入國(guó)家中心城市建設(shè)計(jì)劃及“一帶一路”合作倡議的提出，西安的城市化進(jìn)程進(jìn)一步加快，1995—2016年期間，城鎮(zhèn)面積平均每年增加28.88 km2，但水體、林地、園地面積變幅較小，西安主城區(qū)下墊面由滲透系數(shù)較大的耕地、荒地變?yōu)橐运?、混泥土為主的城市地表[7]。圖4為西安市北部某區(qū)域的不透水區(qū)域分布圖，不透水區(qū)域已占該區(qū)域總面積的80%以上，而透水區(qū)域面積僅剩不到20%。

圖4 西安市金花隧道附近不透水區(qū)域Fig.4 Impervious area near Jinhua Tunnel, Xi’an

城市不透水面積的增加會(huì)促使城市地表徑流的時(shí)空模式及水循環(huán)過程發(fā)生變化，不僅會(huì)減少雨水下滲量，而且會(huì)引發(fā)降水突增的正反饋效應(yīng)及蒸散發(fā)驟減的負(fù)反饋效應(yīng)，增加地表徑流系數(shù)[8]。與此同時(shí)，硬化地面的地表曼寧系數(shù)較裸土、綠地更小，雨水徑流的匯聚速度更快，極易在地勢(shì)低洼路段和下穿通道形成內(nèi)澇積水。

1.2 市政工程及排水設(shè)施因素

1.2.1局部地區(qū)地勢(shì)低洼

短歷時(shí)強(qiáng)降雨誘發(fā)的內(nèi)澇主要發(fā)生在城區(qū)局部地勢(shì)低洼區(qū)域，如局部低地、下穿隧道等。城市改造過程中，隨著周邊新建筑物的建成，部分街巷地勢(shì)變得相對(duì)低洼。當(dāng)暴雨發(fā)生時(shí)，地面排水不暢，這些天然低地就會(huì)迅速產(chǎn)生嚴(yán)重積水。而下穿通道地勢(shì)處于局部區(qū)域的最低點(diǎn)，周邊匯流區(qū)域的地表徑流通過與之相連接的主干道及輔道快速匯聚，加之通道處形似“鍋底”，短時(shí)間內(nèi)形成較深積水。且地表徑流缺乏蓄滯過程，峰值流量大，峰現(xiàn)時(shí)間短，致災(zāi)程度高。圖5為使用GAST模型[9]模擬的內(nèi)澇積水情況。

由于道路在規(guī)劃建設(shè)時(shí)，沒有考慮到道路周邊區(qū)域的規(guī)劃發(fā)展，排水系統(tǒng)不能容納因城市發(fā)展而增加的雨水徑流，大多數(shù)位于建筑物密集區(qū)的十字路口、下穿隧道將成為超標(biāo)暴雨發(fā)生時(shí)的主要內(nèi)澇點(diǎn)。

1.2.2自排及抽排能力不足

城區(qū)快速發(fā)展造成了地表徑流系數(shù)的增加和曼寧系數(shù)的減少，從而提高了峰值徑流量，縮短了徑流匯聚時(shí)間，徑流過程線偏于“尖瘦”型。部分片區(qū)尤其是老舊城區(qū)管網(wǎng)排水設(shè)計(jì)能力不足，匯入雨水自排不及，且由于施工方的不規(guī)范施工行為，存在管道混接、錯(cuò)接現(xiàn)象，影響其排水效果，如圖6所示。此外，市政未落實(shí)定期的清淤和疏浚機(jī)制，長(zhǎng)此以往，樹葉、生活垃圾等漂浮物嚴(yán)重堵塞了雨水篦子進(jìn)水口，如圖7所示，影響雨水入流量。雨水無法及時(shí)排出，從而在道路中形成積水。在下穿通道和下凹式立交橋下，由于抽排泵站設(shè)計(jì)排水能力不足，強(qiáng)降雨導(dǎo)致的積水無法及時(shí)強(qiáng)排至市政管網(wǎng)。而且，配套調(diào)蓄池容積及進(jìn)出口管徑偏小、管道設(shè)施的老化和年久失修也會(huì)嚴(yán)重影響抽排效果。

圖6 排水管道混接錯(cuò)接現(xiàn)象Fig.6 Mixed connection and wrong connection of drainage pipes

圖7 雨水篦子堵塞Fig.7 Rainwater grate clog

1.2.3城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)雨污合流

部分老舊城區(qū)未開展改造，目前仍是雨污合流制管網(wǎng)。合流管道的納管截污設(shè)施造成排水管道局部封堵，如圖8所示，汛期遭遇短歷時(shí)強(qiáng)降雨時(shí)，易堵塞雨水排放通道，致使排水不暢，且污水中的垃圾也易堵塞管道，若維護(hù)不及時(shí)，未能及時(shí)清理，將導(dǎo)致雨污合流制管網(wǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重淤積現(xiàn)象，管網(wǎng)排水能力將極大下降。

圖8 合流制管道截污堰示意圖Fig.8 Intercepting weir of the combined pipeline

1.3 設(shè)施管理因素

1.3.1防洪排澇規(guī)劃不達(dá)標(biāo)

城市建設(shè)缺乏對(duì)排水系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)、系統(tǒng)規(guī)劃，未修建超標(biāo)準(zhǔn)大容量雨水泵站，導(dǎo)致管道系統(tǒng)和泵站排水能力難以滿足大流量排放要求，從而使得積水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。隨著城市化的進(jìn)一步推進(jìn)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)原本就偏低的城區(qū)排水系統(tǒng)，其排澇能力將進(jìn)一步下降。

1.3.2市政排水及應(yīng)急措施未規(guī)范化

極端暴雨事件中，落葉、垃圾等雜物易堵塞雨水篦子，且排水管道未能及時(shí)清淤，造成了排水不暢。強(qiáng)降雨期間部分道路積水，導(dǎo)致交通癱瘓，流動(dòng)泵車等應(yīng)急抽排設(shè)備無法及時(shí)趕赴內(nèi)澇積水點(diǎn)進(jìn)行抽排作業(yè)。

1.3.3蓄洪空間未充分利用

城市內(nèi)現(xiàn)存的曲江池、興慶湖、護(hù)城河、漢城湖、桃園湖等兼具蓄洪池功能的景觀水體，具有減少或減緩城市內(nèi)澇發(fā)生的作用，總調(diào)蓄水量313萬m3，調(diào)蓄面積150 km2。但因環(huán)境水質(zhì)原因，部分蓄洪空間無法收納水質(zhì)較差的雨水，已有調(diào)蓄空間的調(diào)蓄功能未全面發(fā)揮作用，城市原有的自然抗?jié)痴{(diào)蓄能力被弱化。

2 內(nèi)陸城市內(nèi)澇積水防控方法

2.1 開展暴雨致澇預(yù)報(bào)預(yù)警工作

若能提前預(yù)知災(zāi)情的發(fā)生，防災(zāi)減災(zāi)相關(guān)部門就可科學(xué)制定減災(zāi)措施，在災(zāi)情發(fā)生前做好全面準(zhǔn)備，從而極大地提升減災(zāi)效果。圖9所示的洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)是國(guó)內(nèi)外大力提倡的防災(zāi)措施。

圖9 城市內(nèi)澇積水自動(dòng)監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)預(yù)警Fig.9 Automatic monitoring and real-time warning of urban inundation

一方面，通過耦合氣象降雨預(yù)報(bào)，利用雨洪過程數(shù)值模型來開展暴雨致澇的預(yù)報(bào)工作，提高內(nèi)澇災(zāi)害的預(yù)見期和精度，從而在降雨未到來前指導(dǎo)防災(zāi)工作，如市民出行、道路積澇預(yù)警及交通疏散。另一方面，在易澇點(diǎn)處布設(shè)水深、流速等傳感器，實(shí)時(shí)接收積澇點(diǎn)的積水信息，通過在十字路口及下穿通道入口處的電子顯示屏實(shí)時(shí)顯示積澇程度，并利用現(xiàn)場(chǎng)警報(bào)設(shè)備、手機(jī)短信、微信公眾號(hào)等形式發(fā)布道路積水信息，提醒市民安全出行。同時(shí)，將積澇信息和風(fēng)險(xiǎn)分析數(shù)據(jù)傳輸至車輛導(dǎo)航系統(tǒng)、城市管理系統(tǒng)、交通指揮系統(tǒng)及其他相關(guān)政府決策輔助系統(tǒng)，以指導(dǎo)智慧防汛工作的有力開展。

2.2 加強(qiáng)防洪排澇基礎(chǔ)設(shè)施改造

1) 提高積澇易發(fā)片區(qū)抽排泵站的排水能力。在內(nèi)澇積水易發(fā)的下穿通道內(nèi)，進(jìn)行抽排泵站的提標(biāo)改造，提升其應(yīng)急排水能力。增設(shè)或擴(kuò)容排水暗渠，最低點(diǎn)處加密雨水篦子，擴(kuò)大泵站進(jìn)水管管徑及蓄水池容積，滿足立交橋范圍積水調(diào)蓄能力，增加排水泵機(jī)組容量。

2) 優(yōu)化整體城區(qū)的排水及調(diào)蓄系統(tǒng)。通過優(yōu)化整體城區(qū)的排水管渠，進(jìn)行系統(tǒng)化提標(biāo)改造，避免錯(cuò)接、漏接和混接現(xiàn)象。同時(shí)，合理利用城區(qū)雨水調(diào)蓄空間，有效進(jìn)行削峰錯(cuò)峰，降低排水峰值負(fù)荷，提升整體城區(qū)的排水能力。

3) 進(jìn)行城市排水管網(wǎng)雨污分流改造。雨水系統(tǒng)進(jìn)行“溯源調(diào)查+混接改造”，污水系統(tǒng)采取“順流調(diào)查+混接改造”。雨污分流改造通過改接原有管道、新設(shè)雨污管道，實(shí)現(xiàn)雨、污水分類收集處理，雨水排入河道，增強(qiáng)城市蓄水能力，污水納入污水處理廠進(jìn)行處理再利用。不具備改造條件的城區(qū)，在暴雨時(shí)期應(yīng)去掉合流管網(wǎng)截污堰板，避免排水阻滯。

4) 設(shè)置道路反坡和臨時(shí)擋水設(shè)施，阻止高處水流匯入。設(shè)置道路反坡和臨時(shí)擋水設(shè)施如擋水墻，阻擋橋區(qū)外的路面積水匯入橋區(qū)低處匯水區(qū)域，從而降低了低洼區(qū)積水量，減輕了橋區(qū)排水負(fù)荷，為泵站和應(yīng)急抽水泵車及時(shí)抽排積水提供緩沖時(shí)間，如圖10所示。

2.3 提倡系統(tǒng)治理及灰綠協(xié)同并舉

2.3.1加強(qiáng)徑流源頭與過程控制，建設(shè)灰綠設(shè)施協(xié)同作用的海綿城市

在居民小區(qū)、公建片區(qū)、道路、建筑物屋頂?shù)葏^(qū)域，建設(shè)雨水花園、植草溝、透水鋪裝、綠色屋頂?shù)刃∫?guī)模、分散多樣的涵蓋“滲、滯、蓄、凈、用、排”六大類型海綿城市功能的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，減少不透水面，增加可滲透、能蓄滯的設(shè)施，如圖11所示。

圖11 海綿城市灰綠基礎(chǔ)設(shè)施示意圖Fig.11 Gray-green infrastructure of the sponge city

徑流形成初期，可充分利用上游匯水區(qū)域的排水設(shè)施，減少上游來水，實(shí)現(xiàn)徑流總量的源頭控制。在水流向匯水區(qū)域匯聚的過程中，通過各類海綿設(shè)施進(jìn)行洪峰流量控制，減少路面水流的匯合量，實(shí)現(xiàn)過程削減。同時(shí)，實(shí)施工程措施，如修建地下大型緩沖區(qū)，以便在內(nèi)澇時(shí)緩解內(nèi)澇、干旱時(shí)充分利用該部分水源。在內(nèi)澇嚴(yán)重區(qū)域加強(qiáng)灰色設(shè)施建設(shè)，例如修建地下綜合管廊，提升排水能力。

2.3.2開展城市深層隧道系統(tǒng)工程建設(shè)

將深層隧道工程(深隧工程)納入城市規(guī)劃編制中，當(dāng)雨季來臨時(shí)，深隧將作為合流制溢流污水和初期雨水的調(diào)蓄和傳輸通道，雨污經(jīng)污水泵組提升后輸送至污水處理廠進(jìn)行處理，如圖12所示。如果遇到大型暴雨，深隧將作為雨水排澇通道，發(fā)揮排澇功能，大大減少內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)生。

圖12 城市深層隧道系統(tǒng)Fig.12 Urban deep tunnel system

3 結(jié) 語

城市內(nèi)澇是個(gè)“系統(tǒng)性疾病”，致災(zāi)因素復(fù)雜。通過分析典型內(nèi)陸城市——西安于2020年7月發(fā)生的內(nèi)澇災(zāi)情，可知致澇因素主要有：水文及下墊面因素、市政工程及排水設(shè)施因素、設(shè)施管理因素。具體表現(xiàn)為：城市化使市區(qū)下墊面不透水面積顯著增加；城市工商業(yè)的快速發(fā)展促使大氣凝結(jié)核增多，導(dǎo)致極端暴雨頻發(fā)；城市排澇管控制度及基礎(chǔ)設(shè)施不達(dá)標(biāo)；城市建設(shè)缺乏系統(tǒng)性規(guī)劃，致使局部地勢(shì)低洼；雨季未及時(shí)維護(hù)疏浚排澇設(shè)施。針對(duì)這些內(nèi)澇誘發(fā)因素，本文提出了內(nèi)陸城市的內(nèi)澇防治對(duì)策，包括建設(shè)內(nèi)澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)、加強(qiáng)防洪排澇基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、提倡系統(tǒng)治理及灰綠協(xié)同并舉。