城市雨洪管理與系統應對研究進展

李靜思,周 偉,王 添

(1.陜西省水利水電勘察設計研究院,陜西 西安 710005;2.西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室,陜西 西安 710048)

在全球氣候變暖和人類活動的雙重影響下水循環產生了復雜變化,增加了極端水文事件發生的概率。IPCC第六次評估報告指出氣候變化正在加劇水循環,帶來更多的降雨和洪水[1]。另一方面,城市不透水面積的增加與建筑格局的分布,改變了天然地表蓄滯條件,增加了降雨產匯流流量與速度,然而城市雨水管網的建設又未跟上城市發展的步伐,使得城市暴雨洪澇問題日益增多,暴雨洪水沖刷使得地表累積的大量污染物匯入城市管網與河流,對城市水環境造成嚴重威脅。當前城市面臨嚴重的洪澇災害、水資源短缺、水環境污染和水生態退化等問題,這在一定程度上影響了國家的中長期發展戰略。因此,了解城市地表產匯流過程、分析城市洪澇災害內因與影響、管理城市雨洪是城市水文學的研究重點[2-4]。

目前,對于城市內澇的防治主要有工程措施和非工程措施。工程措施主要包括源頭減排工程、過程控制工程和末端排放工程。非工程措施主要包括四預體系建設、排水系統設計、應急處置和防災宣傳等。工程措施與非工程措施的聯合應用是雨洪管理的最優策略,其規劃和設計均需要水文水力要素的指導。然而,城市受人類影響較大,水文過程較為復雜,全面監測城市水文過程,需要大量的人力、物力和財力[5-7]。城市雨洪模型是城市內澇研究的重要手段,是城市防洪減災的關鍵技術之一?；谒呐c水動力的城市雨洪管理模型為科學指導海綿城市的建設與管理提供了基礎。同時,隨著計算機技術與算法的不斷發展,GPU并行加速與深度學習算法等提高了模型模擬精度與預測的能力。當前的雨洪管理模型對城市立交橋、下穿隧道等立體空間并未考慮,不能模擬其洪水演進過程;同時,城市雨洪模型只能在歷史氣象數據的基礎上,對未來城市內澇進行模擬預測,不能實時、動態的進行預警預報,不利于城市雨洪管理和災害處理。因此,研究突發性極端暴雨洪水形成機理,以城市產匯流模型為基礎、以精細化場景為依托、以信息化技術為手段構建雨洪預警預報系統是亟待解決的關鍵技術問題。

在查閱國內外相關文獻的基礎上,系統分析當前變化環境下城市內澇問題的發展趨勢,總結城市雨洪管理的工程措施與非工程措施,闡述當前城市洪澇四預體系的構建與應用情況,并將討論現有文獻存在的問題和未來城市雨洪管理的研究方向,以期為相關部門應對城市洪澇災害提供科學支撐,從而實現城市水安全、水生態、水環境和水資源的健康可持續發展。

1 城市雨洪形成過程與內澇成因研究進展

城鎮化的快速發展,導致城市下墊面劇烈變化,直接影響地表產匯流規律和對徑流的調節作用。由于地表徑流受多種因素的共同影響,產匯流機理仍不清晰。

從地表產流機制來講,城市地表由于覆蓋大量的建筑和不透水路面,具有超滲產流的特征。隨著大量的公園綠地、透水鋪裝、植草溝、人工濕地等的建設,使得城市產流同時具有超滲產流和蓄滿產流的特征。關彥斌[8]通過采用理論計算與試驗分析對透水瀝青路面產流機制進行了研究,結果表明整個降雨過程的產流模式受降雨強度、透水路面飽和水力傳導度和瞬時水力傳導度的影響表現不同;下墊面條件的改變對產流量也具有較大影響,Anni等[9]采用MIKE URBAN模擬了阿拉巴馬校園下墊面有/無綠色集水設施兩種情況,結果發現在相同降水條件下,有綠色集水設施的地表產流量明顯小于無綠色設施的地表;Olivera等[10]研究發現,城市化是White Osk Bayou流域徑流增加的主要原因。由于城市下墊面空間布局的差異性,確定城市地區不同產流模式的空間分布和其主導類型存在很大困難。

城市雨水匯流包括地表和地下管網匯流,與天然匯流過程相比,城市不透水建筑與空間分布格局,導致城市匯流路徑復雜,匯流速度較快。因此,對于新建城市或場地開發,考慮匯流路徑對徑流的削減效果是當下研究的熱點。黃濤等[11]采用SWMM模型模擬了考慮匯流路徑和不考慮匯流路徑兩種條件下場地的徑流量,結果發現考慮匯流路徑的場地設計可以有效削減徑流;部分學者[12-13]研究分析了雨水斷接對徑流控制的效果,雨水斷接也是通過改變匯流路徑的方式達到削減徑流的目的。

暴雨是城市內澇發生的驅動要素,而下墊面土地利用與空間格局變化及城市排水管網排水能力不足是導致城市內澇的直接原因。全球氣候變暖及不確定性變化,增加了極端暴雨事件發生的頻次和強度;排水設施能力不足、管道淤積、雨污合流等問題,造成在極端暴雨和短時強降水條件下,無法滿足排澇需求,造成管網出現大量的溢流點[14-15]。土地利用方面,城市住宅、商業、交通等不透水表面,減少了雨水入滲,降低了城區蓄水能力,導致城市水循環過程加快,水循環各要素比例失調;城市土地利用空間分布格局對城市內澇的產生也具有重要影響,吳健生等[16]研究表明城市建設用地斑塊的聚集度、優勢度越高,區域的內澇程度越高。同時,城市下穿隧道、下凹式立交等低洼區域,降水可在短時間內形成積澇,又由于抽排泵站排水能力不足,造成嚴重內澇災害。因此,明確城市內澇具體產生原因,有針對性地完善城市基礎設施建設是降低城市內澇風險的主要途徑。

2 城市雨洪管理發展現狀

2.1 城市雨洪管理尺度研究

雨水的開放性與流動性使城市洪澇災害的產生具有多尺度特征[17],相應的城市雨洪管理也存在著不同空間尺度的控制措施。小尺度上通過分散式的海綿體措施即可調控匯水單元的徑流和出流量;中尺度通過灰綠措施結合、管網渠系進行源頭減排和過程控制,進而實現洪峰洪量的調節;大尺度則需要聯合調蓄設施等控制性骨干工程,以及利用城市河湖水系的連通性進行流域尺度上的防洪排澇[3]。

隨著城市雨洪管理研究的深入,以流域為整體,系統化實施雨洪綜合調蓄的管理措施明顯優于現階段各子流域分散管理的方式。王虹等[18]的研究表明以流域為整體進行雨洪調蓄較之于子流域分散蓄滯方式可減少24.7%的滯蓄容積。然而,流域尺度的城市雨洪管理理念在我國尚處于起步階段,雨洪管理仍然集中在行政片區。因此,對城市雨洪的管理應從分散式的部分城區管理模式過渡到整個流域和區域的尺度上,系統梳理自然與人工水系脈絡,推進流域尺度上的綜合管理方略,才能盡可能避免城市內澇現象的發生[19-20]。

城市空間布局對城市雨洪管理也具有重要影響,城市下墊面不透水面積比例與分布差異性較大。有研究表明徑流系數與不透水率呈顯著的正相關關系[21];近年來不透水面的空間分布對地表產匯流的影響逐漸引起人們的關注,李強等[22]研究了點群式與行列式兩種城市空間布局,發現點群式布局下墊面不透水面面積率高于行列式;而不透水面之間的空間組合關系以及與排水設施的連接關系直接影響了不透水面的有效性進而對產匯流產生較大影響[23]。此外,城市微地形變化改變了城市水文的連續性,改變了地表匯流路徑。梅超等[21]系統總結了城市微地形對地表產匯流的影響,但是其影響機理尚不明確。然而,城市地表具有立體性、多樣性、破碎性、異質性及延展性等復雜特點,對地表產匯流的影響機理尚未完全明晰,目前僅限于物理實驗和數值模擬研究。但城市橫向與縱向的空間布局對地表產匯流具有較大影響這一結論得到普遍證實。因此,通過優化城市空間布局可以有效調控雨洪徑流。

2.2 城市雨洪管理措施研究

為解決城市內澇和城市水環境惡化問題,20世紀70年代初,美國提出了雨水場地蓄滯理念[24]。經過一段時間的運行,雨水場地蓄滯措施并未起到預期效果。20世紀90年代開始,部分國家開始進一步探索雨洪管理措施的理論和實踐,其中LID是研究和應用最為廣泛的城市雨洪管理措施之一,能夠從源頭控制徑流產生,使徑流總量和徑流過程盡可能恢復到城市開發前的條件。LID設施對徑流總量、徑流洪峰及污染物累積沖刷的影響和控制效果已有大量較為成熟的研究成果[25-29]。

我國城市雨洪管理通過建設海綿城市來實現控制徑流總量和徑流污染的目的。海綿城市是基于低影響開發理念建設,并遵循“源頭控制、過程調節、末端排放”的總體思路[30],通過建設排水管網、透水鋪裝、雨水花園、下沉式綠地、城市內湖等灰綠藍工程設施調節城市雨洪。目前我國已試點建設了一批海綿城市并對部分老城區進行了改造。Yang等[31]模擬了西咸新區海綿體建設前后徑流過程的改變,結果表明徑流總量、洪峰流量及徑流系數均顯著減小。吳連豐[32]通過監測分析了深圳馬鑾灣試點區海綿城市建設效果,發現徑流總量控制率高于規劃目標,徑流水質有所好轉。然而,海綿城市的建設對中小降雨所產生的徑流具有較好的調節作用,但對于短時強降水和暴雨的調控效果還需進一步驗證。目前,在我國海綿城市試點的30個城市中,已有19個城市發生了不同程度的內澇。因此,加強和完善城市應對洪澇的能力需要因地制宜形成“源頭減排、管網排放、蓄排并舉,超標應急”的城市排水防澇工程體系。

城市雨洪管理除了通過建設灰綠藍設施和改造排水管網的工程措施外,還可以運用多目標優化與聯合調度、徑流轉移與徑流分擔等非工程措施[33-34]。Eckart等[35]將SWMM模型與多目標優化算法耦合,以最小洪峰流量為目標,模擬了安大略省溫莎市的地下管網在3場暴雨事件中的徑流過程,發現徑流峰值和總徑流量分別減少了13%和29%;李靜思等[36]從徑流分擔的角度提出了利用相鄰匯水單元間的協同作用,減小區域徑流總量。因此,城市雨洪管理應依據產匯流機制,綜合考慮工程措施和非工程措施的聯合應用。

近年來,雨洪韌性城市理念逐漸引入到城市的防洪建設中[37]。2020年國家“十四五規劃”中強調提升城市防洪排澇能力,建設海綿城市、韌性城市。2021年《關于推動城鄉建設綠色發展的意見》提出“實施海綿城市建設,完善城市防洪排澇體系,提高城市防災減災能力,增強城市韌性”。雨洪韌性城市強調了城市在災時、災中和災后能夠保持、恢復和調整自身內部結構,使其能夠快速恢復和適應,并從多個維度綜合應對雨洪災害風險[38]。因此,建設雨洪韌性城市是未來城市建設發展的指導方向。

3 城市洪澇預報-預警-預演-預案(FWPP)系統研究

城市洪澇防御與治理除了通過工程與非工程措施外,系統的響應尤為重要。城市洪澇預報(Forecast)、預警(early-Warning)、預演(Preview)、預案(Plan)關鍵技術在于暴雨預測、水文監測、徑流模擬、系統響應、預演預練。高精度的降雨監測預報是城市內澇預報預警的基礎;完備的氣象、水文、地表和地下監測網絡系統是對城市降雨、排水、洪澇過程全方位監測的必要手段;構建雨洪實時預報模型是實現洪澇預警的基本途徑;落地的預演預練是制定科學完備預案的有力支撐;精細化的應急預案是降低洪澇災害損失、保障人民生命財產安全的關鍵。

目前降雨觀測與預報的手段主要采用地面站點、氣象雷達和微波遙感。然而由于城市下墊面空間分布格局差異較大,進而引發城市熱島效應、雨島效應,造成降雨過程具有較大的時空變異性。同時,受雨量站點不足與分布不均,降雨觀測范圍局限,地面站點降水數據尚不能滿足城市洪水預報的資料需求。隨著天氣雷達系統的研發與建設,新的測雨技術得到了應用[39-40]。雷達測雨可對中小尺度的雷暴天氣系統進行監測,并可以預測未來短期的降雨量[41]。我國2000年開始投入到天氣雷達網的研究,2012年自主研發的雷達測雨系統(PRS-11)在云南大理進行了測試,結果表明,其具有穩定性好、精度高和獲取數據量大等優點[42]。微波測雨是通過雨滴對微波信號產生的散射和吸收等衰減效應間接計算出降雨強度。通過依托通信基站資源,搭建降雨監測網絡,采用交叉組網方式形成區塊化網格,具有高時空分辨率的典型特征。目前微波測雨技術在江陰市水旱災害防御中提供了精細化的降雨數據支持[43]。城市洪澇預報目前主要通過降水預測、下墊面條件解析、易澇點監測等作為輸入和驗證條件,采用水文水動力模型如,SWMM、MIKE URBAN、InfoWorks等模擬城市地表、地下和管網的產匯流過程。目前已有較多較為成熟的城市洪澇模擬模型,各模型偏重點不同、應用條件差異,因此需要結合具體問題具體選擇。但現有模型并未考慮城市立體空間的雨洪過程模擬,仍需要進一步研究。

城市洪澇預警系統通過對降雨徑流預報結合信息化平臺來實現城市內澇的實時預警。在之前的研究中,可以發現基于水文、水動力學的精細化洪澇模型能夠對城市水循環全過程模擬,進而獲得地表內澇積水過程、范圍、水深等信息。隨著計算機、軟件及通訊系統的快速發展,使得城市水管理逐漸智能化,對雨洪實時預報預警提供了技術支撐[44-47]。當前應用較多的洪澇預警方式是通過建立暴雨-內澇情景庫,利用情景匹配模式針對預報降雨發布城市內澇預警等級[48]。隨著物聯網、大數據在城市雨洪預警中的應用,為預報提供了更加可靠、穩定的技術手段。Zeng等[49]設計開發了基于Web技術的城市雨洪支持決策系統WEB-SWMM,并應用于我國某個城市,測試結果表明,WEB-SWMM能夠穩定、快速、準確地為城市雨水實時管理提供計算服務。劉雄[50]基于大數據技術設計了城市洪澇預警平臺,并在平臺內集成了物聯網應用平臺用于內澇點實時監測與預報預警。城市洪澇預警系統雖然在部分城市有所應用,但應用效果并不理想,依舊無法擺脫城市內澇的現狀。一方面是由于降水的突發性造成預報的前置時間不足,無法第一時間采取行動;另一方面是模型計算的準確度并不穩定,仍需進一步提高。

洪澇災害預防與逃生演練通過不同情景、突發事件,切實體會風險形勢,并從中發現問題,進而構建全過程多情景模擬仿真的水利預演體系,為預案的制定提供支撐。預案是應急管理的基礎,是降低城市洪澇災害損失的關鍵。目前我國超過95%的城市已編制完成城市防洪應急預案,但從整體來看,存在著應急體系不完善且操作性不強等問題[51]。從2012年北京“7.21”特大暴雨[52]、2014年廣州“5.22”特大暴雨[53]、2016年武漢“7.6”大暴雨[54]、2016年西安小寨“7.24”大暴雨[55]以及2021年鄭州“7.20”特大暴雨[56]等由于暴雨和短時強降水引發的嚴重洪澇災害中可以看出城市洪澇應急預案在面對暴雨和特大暴雨時暴露出來的不足,其幾乎喪失了所有的操作性。這一方面是由于各地市對特大洪澇災害的處治經驗認識不足、防范組織不力。但歸根結底是預案機制體制不完善,應急預案沒有可操作性和可行性,應急預案的編制沒有針對具體城市提出具體策略,不具有實際指導意義。同時,對編制的應急預案,并未進行預演預練和不斷修改完善更新,這也是目前我國絕大多數城市應急管理存在的共同問題。隨著互聯網和信息技術的不斷發展,將VR技術引入到城市洪澇應急管理系統,是實現預演預練的有效措施之一。

4 結論與展望

城市內澇災害給城市水安全、水生態、水環境和水資源健康發展帶來危害,給市政管理部門帶來困難,給人民生命財產安全帶來威脅。城市雨洪形成原因、雨洪管理措施和雨洪應對系統研究對城市防災減災方面有重要意義,是實現城市可持續發展和水安全保障的前提。本文系統總結了城市雨洪研究的相關成果、存在問題,探討了未來城市雨洪的研究方向,結論如下:

(1) 城市雨洪受極端降水事件和下墊面布局的影響,產匯流機理不清,未來應針對具體問題,采用物模試驗和典型區監測分析城市產匯流內在機理。

(2) 城市雨洪量大、集中,通過建設LID、大型深邃排蓄系統等工程措施與徑流分擔、優化城市空間布局等非工程措施相結合是管理與調蓄雨洪資源、實現雨洪資源化利用的有效手段,同時加強雨洪韌性城市建設是提高城市洪澇災害處理能力的發展方向。

(3) 城市雨洪計算方法與模擬模型眾多,進一步開發具有城市立體空間雨洪過程模塊的模擬模型,并充分利用物聯網、大數據等現代技術手段,結合信息化平臺,實現雨洪預測、預報、預警、預案的精細化、自動化、可視化和智慧化。