基于“9·7”特大暴雨的深圳河流域防洪能力分析

關(guān)鍵詞：特大暴雨；暴雨洪水；防洪能力；深圳河流域

中圖分類號：TV87 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）11-0034-09

洪水是全球危害最大的自然災(zāi)害之一，具有發(fā)生頻率高、破壞力強及影響范圍大等特點［1-2］。據(jù)統(tǒng)計，2000—2018年，全球共有2. 7億人遭受到了洪水的影響，經(jīng)濟損失高達(dá)6 400億美元，共造成約10萬人死亡（全球緊急災(zāi)害數(shù)據(jù)庫）［3］。作為全球受洪水影響最大的國家之一，中國約有三分之二的國土面積、人口和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)值均遭受洪水威脅［4］，2000—2018年的洪災(zāi)共造成22293人死亡和33562. 22億元的直接經(jīng)濟損失［5］。同時，隨著全球氣候變暖，海平面持續(xù)上升，極端暴雨及洪水的頻率和強度均顯著增強［6-7］，且隨著城市化的迅速發(fā)展，不少城市防洪工程的防洪能力降低或已不能滿足現(xiàn)有需求，洪災(zāi)問題日益嚴(yán)重［8-9］。如2021年鄭州發(fā)生的“7·20”特大暴雨水災(zāi)，導(dǎo)致150個縣、1 478 萬人受災(zāi)［10］。因此，對現(xiàn)有防洪工程的防洪能力進(jìn)行再評估顯得尤為必要。

深圳河作為深圳和香港的界河，是深圳市最重要的排洪入海河流，具有重要的區(qū)位優(yōu)勢。1985年以來，經(jīng)過1—4期的河道治理工程建設(shè)，深圳河流域的防洪標(biāo)準(zhǔn)已提升至50年一遇［11］。但在全球氣候變化及人類活動的影響下，極端暴雨天氣頻發(fā)（如2018年“8·29”暴雨和2023年“9·7”暴雨），深圳河下游潮位極值上抬，城市化導(dǎo)致土地硬化加速了暴雨的產(chǎn)匯流速度，增加了流域內(nèi)的洪水風(fēng)險。同時，河道清淤后發(fā)生快速回淤，導(dǎo)致河道淤積并高于泄洪設(shè)計底高程，減小了深圳河的泄洪能力［12］。2023年9月7—8日，“?？迸_風(fēng)殘余環(huán)流、季風(fēng)和弱冷空氣的共同作用下，深圳河流域發(fā)生極端特大暴雨，強度超強、持續(xù)時間超長、范圍超廣，打破了1952年有氣象記錄以來的最大2、3、6、12、24、48、72 h共7項歷史雨量極值，導(dǎo)致深圳河干流防洪壓力劇增［13-14］。因此，亟需對深圳河流域現(xiàn)有防洪能力進(jìn)行分析。本文通過對深圳河流域（圖1）2023年“9·7”特大暴雨下的洪水模擬，對該流域的防洪能力進(jìn)行復(fù)核分析，發(fā)掘深圳河流域防洪所面臨的問題與挑戰(zhàn)，從流域?qū)用嫣岢鲆惶追篮槟芰μ嵘目傮w方案，以期為深圳河流域的防洪治理提供切實可行的參考方案。

1研究區(qū)域及水情概況

1. 1研究區(qū)域概況

深圳河流域（22°27'～22°39'N，114°～ 114°13'E）位于珠江口的東側(cè)，發(fā)源于梧桐山牛尾嶺，自東北向西南流入深圳灣，全長37 km，共有6條支流，其中干流為沙灣河與蓮塘河匯合后的三岔河口至河口處，長18 km［15］，整個流域面積為312. 5 km²。深圳河流域多年平均降雨量為2 023 mm，主要集中在4—9月，約占全年降雨量的85%。深圳河干流主要以潮流動力為主，大潮潮差在2. 5 m以上，徑流動力較弱，河口處多年平均徑流量為4. 73億m³。深圳河水系呈扇形分布，三岔河口以上的上游區(qū)域位于丘陵山地，坡度較陡，河床比降在2‰～4‰，中下游區(qū)域位于平坦的沖積平原，坡度較緩，河床比降僅在0. 10‰～0. 17‰。因此，支流河流短、比降陡，暴雨后約1 h洪峰即可到達(dá)干流，位于流域中心位置的鹿丹村干流河段的洪水風(fēng)險增大。同時，由于城市化進(jìn)程加劇引起的流域降雨產(chǎn)匯流速度進(jìn)一步加快、氣候變化導(dǎo)致的極端災(zāi)害頻發(fā)導(dǎo)致的河道洪潮歷史水位不斷新高，深圳河流域面臨著越來越顯著的洪災(zāi)風(fēng)險，對深圳及香港區(qū)域內(nèi)的人民生命安全和社會經(jīng)濟造成巨大威脅［16］。

1. 2水情概況

深圳河流域“ 9·7”特大暴雨發(fā)生于2023年9月7日17時至9月8日15時30分，歷時近23 h，主要集中在9月7日17時至9月8日7時，共14 h。流域降水總量為1. 4億m³，全流域雨量均較大，最大24 h降雨暴雨中心位于小梧桐一帶、布吉河筍崗滯洪區(qū)至香港梧桐河一帶，1、6、24 h最大點雨強均超100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

由于深圳河流域內(nèi)城市化程度高，不透水表面面積占比大，徑流系數(shù)大，且“蘇拉”和“?？彪p臺風(fēng)間隔短，土壤含水飽和度高，同時降雨中心自流域上游向下游移動，洪峰與雨峰疊加，多重因素的共同作用導(dǎo)致本次暴雨具有產(chǎn)匯流時間短、產(chǎn)流量大、洪峰出現(xiàn)時間提前等特征。其中雨峰和洪峰間隔最近的為正坑水大望站附近，僅25min［ 13-14］。

“9·7”暴雨雖然發(fā)生在小潮的高潮位，受到的頂托作用較弱，但深圳河干流洪水位均超歷史最大值，河口以上歷史最高水位提升了0. 64～1. 43 m（表2）。深圳河的主要河流全部超警戒水位，其中鹿丹村斷面由于主要支流集中匯入，最大流量達(dá)到了1 840 m³/s，超過了 50年一遇設(shè)計洪峰流量，為有實測資料以來的最大洪水。暴雨期間，深圳河沿程水位未超過防洪墻，但皇崗至羅湖口岸部分河段水位超出堤面，平均超堤面高程約0. 35m，深圳側(cè)流域內(nèi)水深超過0. 27m的淹沒面積達(dá)13. 1 km²，超過1m的淹沒面積達(dá)3. 7km²。

2結(jié)果與討論

2. 1洪水模擬分析

為了對“9·7”暴雨期間深圳河流域的防洪能力進(jìn)行分析，本研究基于Mike模型構(gòu)建深圳河流域一維模型，模型采用2022年最新地形，上邊界包含上游支流蓮塘河（四期段）、梧桐河、布吉河和水庫排洪河，下游邊界為深圳灣赤灣斷面（圖2）。模擬時段為2023年9月7日18時至8日15時，共22 h。將流域劃分圖3a所示的匯水區(qū)，根據(jù)閘泵出流、單位線統(tǒng)計和徑流系數(shù)等方法計算整個流域內(nèi)的產(chǎn)匯流流量，其中閘泵出流為實測水庫、閘泵出流流量數(shù)據(jù)，單位線統(tǒng)計為Guo等［17-19］提出的廣義單位線匯流計算方法，計算支流流域面積大于10 km²的區(qū)域，徑流系數(shù)為綜合徑流系數(shù)法［20］，計算支流流域面積小于10 km²的區(qū)域。計算得到該時段內(nèi)進(jìn)入深圳河道的總水量達(dá)9 850 萬m³，平均徑流系數(shù)為0. 69，各支流的流量過程見圖3b。

模擬前根據(jù)清淤策略研究，將深圳河的糙率設(shè)置為0. 025。由于蓮塘河香港側(cè)存在大量樹木，導(dǎo)致其糙率要高于設(shè)計糙率。因此根據(jù)模型率定及驗證后，將該河段糙率定為0. 05，蓮塘河的模擬水位與實測水位基本吻合。沿程模擬水位結(jié)果見圖4，其中橫坐標(biāo)為距離赤灣斷面距離，模擬水位與實測水位的平均誤差在0. 10m以內(nèi)，說明模擬結(jié)果可信。深圳河流域沿程各斷面逐時水位變化的模擬值與實測值見圖5。

模擬結(jié)果表明，“9·7”暴雨期間深圳河流量量級達(dá)到了50年一遇等級，其中蓮塘河的蓮麻坑以上流量接近200年一遇洪水等級，部分河段發(fā)生了漫堤，模擬水位比四期工程設(shè)計水面線高程平均升高0. 80 m，最高超高處為蓮麻坑河段，超過1. 40m（圖6）。深圳河干流水位未達(dá)到50年一遇等級，其中皇崗河口以下、布吉河口以上河段水位未達(dá)20年一遇等級，皇崗河口至布吉河口河段的平均水位比50年一遇低0. 32 m，比20年一遇高0. 18 m（圖7）。

2. 2防洪能力分析

“9·7”暴雨期間，通過工程調(diào)度方法最大限度地發(fā)揮了深圳水庫的調(diào)蓄滯洪錯峰作用，以及筍崗滯洪區(qū)對布吉河洪峰流量的削減作用，最大程度地保證了深圳河流域的安全［12-13］。但此次洪水仍有暴露出防洪問題，如全線超警戒水位、部分河段出現(xiàn)漫堤，因此有必要對現(xiàn)深圳河防洪現(xiàn)狀能力進(jìn)行復(fù)核分析。深圳河流域的洪澇風(fēng)險主要是由強降雨導(dǎo)致，但河道自身的地形變化及糙率變化在洪澇災(zāi)害的防御中不可忽視，且這兩個因素更易受到人為影響。因此，本研究主要從深圳河的地形及糙率變化對防洪能力進(jìn)行分析，以期對后續(xù)深圳河流域的防洪整治提供借鑒。

2. 2. 1地形變化對防洪能力的影響

2016—2022年，深圳河流域進(jìn)行了兩次大規(guī)模的清淤工程。2017年6月至2017年11月，實施了深圳河2016年度清淤工程，對深港兩側(cè)共計41個涵口及重點河段進(jìn)行了清淤，累計清淤量約15. 68萬m3。2018年7—12月，實施了深圳河梧桐河口至上步立交河段清淤工程，累計清淤量約49. 76 萬m3。通過對比深圳河2016年和2022年的實測地形，發(fā)現(xiàn)相較于2016年，2022年深圳河淤積量減小了32. 7萬m³，且以平原河口為界，河道下游以沖刷為主，上游以淤積為主，地形平均加深了0. 22 m。

基于2016、2022年的地形，分別模擬了不同地形下深圳河在50、200年一遇洪水情景下的沿程水位變化，見圖8。結(jié)果表明，在兩場洪水情景下，2022年地形下的深圳河在皇崗河口至平原河口的水位均低于2016年地形下的水位，其中福田河口至布吉河口降低了0. 04～0. 13 m，布吉河口至羅湖口岸降低了0. 11～0. 25m，羅湖口岸至沙灣河口降低了0. 22～0. 25 m。但在深圳河口至皇崗河口、平原河口至蓮塘水文站則呈現(xiàn)相反的表現(xiàn)，即2022年地形下的深圳河水位高于2016年地形下的水位。其中兩場洪水情景下2022年地形下的蓮塘河口水位均比2016年地形下的水位高了0. 35 m左右，在50年一遇洪水情景下，2022年地形下的蓮塘水文站水位比2016年地形下的水位高了0. 11m，而在200年一遇洪水情景下高了0. 21 m。造成該結(jié)果的原因考慮為主要與河道地形相關(guān)，在下游沖刷處水位以降低為主，在上游淤積處水位以抬高為主。

根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》計算，深圳河流域防洪標(biāo)準(zhǔn)需考慮防洪墻0. 4 m 超高。通過對深圳河2016年和2022年不同地形下的水位進(jìn)行模擬后發(fā)現(xiàn)，基于2016年的地形，福田河口至沙灣河口總體上達(dá)不到50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，其他河段均能滿足50年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，其中深圳河口至皇崗河口、四期蓄滯洪區(qū)的防洪能力達(dá)到了200年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)（圖9）。而基于2022年的地形模擬發(fā)現(xiàn)，深圳河干流的整體防洪能力基本都能達(dá)到50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，但除了深圳河口至皇崗河口外，上游河段均未達(dá)到200年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)（圖10）。

2. 2. 2糙率變化對防洪能力的影響

除了河床地形變化對防洪有影響外，河道糙率變化的作用也極為重要。本研究基于2022年的地形，對蓮塘河河段設(shè)計糙率（0. 025）和推算糙率（0. 05）下50年一遇洪水及200年一遇洪水情景下的沿程水位變化進(jìn)行了模擬（圖11）。結(jié)果表明，糙率的增加會促使蓮塘河上游水位壅高，壅高值在0. 4～0. 9m，其中在50年一遇洪水情景下，蓮塘口岸和蓮塘水文站的水位分別抬高了0. 48、0. 77m，在200年一遇洪水情景下，則分別抬高了0. 56、0. 87m。糙率的增加減緩了洪水的流速，增大了洪水的風(fēng)險。在考慮防洪墻0. 4m超高的條件下，蓮塘河上游河段已不能滿足50年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，蓮塘口岸至蓮塘水文站河段的平均欠高為0. 24m，最大欠高達(dá)到了0. 58m。

3防洪挑戰(zhàn)及治理建議

3. 1面臨的防洪挑戰(zhàn)

3. 1. 1不利的下墊面條件

a）扇形集雨地貌疊加城市化發(fā)展，導(dǎo)致暴雨產(chǎn)匯速度加快。從流域地貌來看，深圳河流域呈扇形，三面環(huán)山，支流坡降大，導(dǎo)致暴雨匯流速度快。同時疊加城市化進(jìn)程加速的不利影響，下墊面硬化，暴雨匯水速度快且集中于深圳河中游。深圳河上游主要支流梧桐河、布吉河、沙灣河和蓮塘河的集雨面積共占流域面積的75%，各支流的徑流主要集中在布吉河口至梧桐河口約1 km的河段內(nèi)，再通過下游約9 km的河道進(jìn)行排洪。由于深圳河干流的河床比降小，且受海潮頂托作用及各支流的相互頂托作用，布吉河口河段極易形成高水位，成為防洪敏感區(qū)。此外，近幾十年來，深圳市區(qū)城市化發(fā)展迅速，流域內(nèi)的大量農(nóng)田、植被等自然土地已被修建為房屋、混凝土/瀝青道路等不透水面，加劇了暴雨的產(chǎn)匯流［13］?！?·7”暴雨期間，深圳河流域布吉站的雨峰與布吉河草埔斷面的洪峰只相隔1 h 左右，產(chǎn)匯流時間短。在流域中下游的老城區(qū)內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇，加劇受災(zāi)風(fēng)險。

b）河道清淤后回淤明顯，現(xiàn)有過洪斷面面積遠(yuǎn)小于設(shè)計過洪斷面。深圳河河道長期呈淤積趨勢，雖經(jīng)過幾次大規(guī)?；蚓植壳逵?，但由于河道干流徑流作用小，潮流作用明顯，且深圳河口存在的大范圍淺灘為深圳河提供了源源不斷的淤積泥沙來源，導(dǎo)致河道清淤后泥沙回淤顯著。通過對深圳河一二期河段多年淤積量分析發(fā)現(xiàn)，在2006—2007年大規(guī)模清淤和2017—2018年局部清淤工程結(jié)束后，深圳河河道均發(fā)生了快速回淤，并在長期保持緩慢淤積態(tài)勢。深圳河干流多年平均徑流量僅為15 m³/s，泥沙的回淤使得河道無法維持安全泄洪斷面，無法保障近2 500 m³/s流量的安全宣泄?，F(xiàn)有斷面面積不足設(shè)計斷面的1/2，計算得到的泥沙沖淤平衡斷面面積僅能維持原設(shè)計斷面的1/3，行洪能力與原設(shè)計目標(biāo)差距大（表3）。

c）河口紅樹林不斷擴張，嚴(yán)重擠占河口泄洪斷面。近幾十年來，深圳河口的紅樹林不斷向下游擴張。2000年，香港側(cè)紅樹林前沿位于分汊口以上900 m，目前已擴張至下游600 m。同時淺灘紅樹林的生長擠壓河道，導(dǎo)致深圳河河口內(nèi)平均河寬為200 m，而最窄處僅150 m，嚴(yán)重擠占河口泄洪斷面。

3. 1. 2極端災(zāi)害天氣頻發(fā)

極端災(zāi)害天氣頻發(fā)導(dǎo)致深圳河流域面臨更加嚴(yán)峻的防洪挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在超強臺風(fēng)、暴雨的頻次及強度顯著增加。2017年以來，連續(xù)發(fā)生天鴿、山竹臺風(fēng)以及“8·29”和“9·7”暴雨。極端天氣迫使深圳河水位發(fā)生抬升，其中2場臺風(fēng)使得赤灣潮位抬升0. 48 m；“8·29”洪水期間深圳河水位超過了治理工程設(shè)計水位；相較于“8·29”洪水，“9·7”洪水導(dǎo)致深圳河水位又抬升0. 99～1. 46m。此外，海平面的持續(xù)上升將導(dǎo)致設(shè)計潮位的抬升。根據(jù)香港《暴雨排放系統(tǒng)手冊》所示，2018年尖鼻咀200年一遇設(shè)計潮位較1995年抬升了0. 82 m，并預(yù)測在21世紀(jì)中期將抬升0. 23m，在21世紀(jì)末將抬升0. 49m。

3. 1. 3內(nèi)澇風(fēng)險嚴(yán)重

河道高水位的頂托作用是導(dǎo)致城市發(fā)生內(nèi)澇的一個重要原因。由于周邊區(qū)域地勢低洼，深圳河干、支流的高水位頂托作用將導(dǎo)致城市內(nèi)部難以排水?！?·7”暴雨期間，洪水將深圳河河口上游的最高水位提高了0. 99～1. 42 m。雖然深圳河干流未發(fā)生漫頂現(xiàn)象，但高水位頂托作用導(dǎo)致深圳河支流排洪和流域內(nèi)的陸域排水不暢，導(dǎo)致兩岸發(fā)生了嚴(yán)重內(nèi)澇。此外，本次暴雨期間僅遭遇小潮，若遭遇大潮高潮位、更大量級暴雨或海平面升高變化，深圳市將面臨更強的洪水頂托作用，城市內(nèi)澇排水問題更加嚴(yán)峻。

3. 2治理思路

在以往對深圳河防洪治理過程中，實施了不少對流域防洪能力提升的措施，包括工程和非工程措施。目前已有的工程措施包括加高堤防和清淤清障。但加高堤防會導(dǎo)致束水歸槽、抬高水位、加重內(nèi)澇、影響景觀等問題，而清淤清障則面臨疏浚量大和快速回淤的問題。已有的非工程措施包括深圳水庫挖潛，但目前起調(diào)水位已降低至26. 3m附近，調(diào)蓄庫容仍有限［21-22］。因此，在海平面上升和極端天氣頻發(fā)的氣候變化背景下，需要改變以往加高堤防、擋洪為主的治理對策，從流域?qū)用鎸Ψ篮槟芰Φ奶嵘M(jìn)行總體方案布局，可以采取蓄、滯、分、泄、擋等各項措施相結(jié)合的方法，進(jìn)一步削減洪峰流量和增加河道行洪能力［23-25］。

4結(jié)論

本文通過對深圳河流域2023年“9·7”特大暴雨洪水的模擬，復(fù)核分析了深圳河流域的防洪能力，并探討了深圳河流域防洪未來可能面臨的挑戰(zhàn)，提出了一套綜合治理方案建議，主要結(jié)論如下。

a）2016年深圳河福田河口至沙灣河口河段總體上達(dá)不到50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，但經(jīng)過清淤工程的開展，2022年深圳河干流的整體防洪能力基本都能達(dá)到50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。

b）由于河床淤積抬高和糙率的增加，深圳河支流蓮塘河上游河段會發(fā)生雍高，已不能滿足50年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，蓮塘口岸至蓮塘水文站河段的平均欠高為0. 24m，最大欠高達(dá)到了0. 58 m。

c）深圳河的防洪面臨著匯流快、清淤后回淤明顯、紅樹林?jǐn)D壓泄洪斷面等不利下墊面條件，以及極端災(zāi)害天氣頻發(fā)、內(nèi)澇風(fēng)險嚴(yán)重等挑戰(zhàn)。在海平面上升和極端天氣頻發(fā)的氣候變化背景下，需要改變以往加高堤防、擋洪為主的治理對策，從流域?qū)用鎸Ψ篮槟芰Φ奶嵘M(jìn)行總體方案布局，采取蓄、滯、分、泄、擋等各項措施相結(jié)合的方法，進(jìn)一步削減洪峰流量和增加河道行洪能力。