基于地形圈閉與河網水系的寶雞市城市內澇對策研究

謝 婭, 李景宜, 郭俊理, 康金龍

(1.寶雞文理學院 地理與環境學院, 陜西 寶雞 721013;2.陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室, 陜西 寶雞 721013; 3.陜西國土測繪工程院, 西安 710054)

21世紀以來，我國諸多城市頻發城市內澇災害，每年發生200多起不同程度的內澇災害，全國351個城市2008—2010年排澇能力調查結果顯示，62%的城市均受到不同程度的內澇影響[1]。近年來，國內外諸多學者針對城市內澇問題展開了廣泛研究。Bates等[2]開發了洪水淹沒模擬模型，通過高分辨率柵格數字高程模型，對低洼平原地帶河流的洪水泛濫區進行信息提取和動態分析；Bates等[3]使用機載合成孔徑雷達在英格蘭西部中部Severn河流域分析河流洪水淹沒范圍；Escuder-Bueno等[4]從非工程因素考慮，對災害風險進行整合，提取出社會視角以及居民風險兩個方面的內容，定量化城市內澇的分析方法；蘇伯尼等[5]通過實地調查和定量分析，模擬積水分布狀況，獲取脆弱性曲線并估算內澇產生的經濟損失；吳志峰等[6]針對城市內澇現狀與成因，提出城市內澇治理方案；周廣勝等[7]提出城市內澇的防治應考慮氣候變化引起的極端天氣因素，從內澇產生的源頭控制內澇問題的產生；胡蓓蓓等[8]在對天津市濱海新區的政治經濟計劃及人口規劃等內容上進行分析，運用情景模擬預測2020年該地區的內澇災害情況。2016年10月在聯合國“人居三”大會在厄瓜多爾首都基多召開，對丹麥“哥本哈根應對暴雨準則”方案進行了評比，該準則最終獲得分析與規劃類別(Analysis and Planning Category)中的卓越獎，到目前為止，“哥本哈根應對暴雨準則”仍是一個有效而可資借鑒的實踐方案[9]。近兩年，我國推廣“海綿城市”建設，在全國范圍進行了不同程度的實踐[10]，特別是對于新老城區的建設方案均有不同的思路[11]，但大多仍處于理論研究或小范圍試點階段，經過實踐檢驗的結論尚未形成。

城市空間擴張是城市化進程中區域人口增長與社會經濟發展的綜合過程[12]。自2002年寶雞縣撤縣設區和寶雞國家級高新產業園區建設以來，寶雞市城市空間快速擴張，城市化進程加快，建設用地不斷擴張，由此帶來的城市問題也日益突出。2003年以來，每當汛期到來，交通癱瘓，道路積水就會出現在城區的多條道路上，給城鎮居民的出行及公共財產造成一定的損失。本文以2003年、2013年高分辨率QuickBird影像為數據源，劃分匯水區域，利用城市內部現有的干支流水系網絡，有效分流積水，為政府相關部門制定內澇問題的解決方案提供參考依據。

1 研究區概況

寶雞市是典型的河谷型城市，地質構造復雜，四周的地貌差異較大，南、西、北三面環山，城市建設以渭河為中軸線向東擴張。對于渭濱區，其東北方向是渭河的沖積平原，跨過渭河即為金臺區，地表是基巖向黃土過渡的區域，在其南部至西部區域則是秦嶺的基巖山地，地跨東經107°11′04″—107°15′07″，北緯34°20′05″—34°21′21″。東西長6.12 km，南北寬2.28 km，面積為11.52 km2。寶雞市四季分明，屬暖溫帶大陸性季風氣候，春季少雨，晝夜溫差大，降雨主要集中在夏季，多高強度的陣雨，易引發洪澇災害。研究區位于渭河的左岸，從西到東有茵香河、西沙河、東沙河及清水河等南北向的渭河支流。

2 數據與方法

2.1 數據處理

利用ENVI軟件，對2003年和2013年兩個時間段QuickBird遙感圖像進行了正射糾正、幾何校正、輻射校正、大氣校正和融合裁剪等預處理。對解放軍總參謀部1984年版的成圖比例尺為1∶10 000的地形圖進行掃描和數字化。利用ArcGIS軟件的空間分析模塊，將等高線和高程點的矢量數據數據轉換成數字高程模型的柵格數據，選取DEM的水平分辨率為5 m提取較為精細的河網，更好地反映研究區的水文情況[13]。根據數字高程模型提取出研究區內的匯水區域，分析降雨影響城市內澇形成的因素。通過人機交互解譯，提取出兩個時期的建設用地范圍分布圖，利用ArcGIS提取土地利用轉移矩陣的方法，獲取2003—2013年新增建設用地的面積。在影像的基礎上，劃定分級匯流區，充分利用現有干支流水系的空間分布特征，提出城市內澇的解決方案并進行綜合分析。

2.2 研究方法

2.2.1 DEM河網提取 本文采用美國ESRI公司提供的ArcGIS空間分析擴展模塊提取流域特征。首先，通過EDM數據填充表面柵格中的匯來移除數據中的小缺陷，使得河流數據不至于出現坑洼不平現象影響后續分析；其次，使用1984年由Mark等提出的D8單流向算法，對于每個像元流向規則，則是通過分析其最陡的方向和最大的下降方向來確定，之后，對每個像元進行累計流量的計算并賦值與柵格，最后，根據對河流特性，對需要提取河網密度情況，設置一定的閾值，然后提取河網。

2.2.2 暴雨強度及雨水流量的確定 根據GB50014—2006《室外排水設計規范》[14]中對暴雨強度q及雨水流量Q的設計，其中q通過對研究區多年的氣象資料進行統計分析，運用一定的數學方法進行推求，計算出對應區域的暴雨強度；寶雞市暴雨強度公式是西安建筑科技大學研究生根據寶雞市近30 a的降雨資料，采用最大值法推出[15]。對Q的計算，可以計算出一定暴雨重現期的雨水流量需要多大直徑的排水管網。

(1)

Q=qΨF

(2)

式中：q為設計暴雨強度；t是降雨歷時；P是雨水管渠的設計重現期；Q為雨水流量；Ψ是徑流系數；F是匯水面積。其中，不同地面種類徑流系數見表1。

表1 不同地面種類徑流系數

3 城市內澇影響因素

3.1 河谷型城市的空間形態特征

寶雞市是一個典型的河谷型城市，城市在發展的早期就受到地形的約束[16]。渭河干流穿城而過，是泄洪的主要通道。汛期內，市區匯水范圍大，不僅有市區自身匯水，同時還有外圍邊坡匯水，并隨地形比降逐級匯聚于干流河道，本文中研究區內的匯水范圍為11.52 km2，根據公式(2)可知，匯水面積影響雨水設計流量，當暴雨來臨時，研究區外部南部殘塬邊坡到研究區邊界的大于5.27 km2區域的匯水均會往研究區內進行匯流，大量的雨水流向研究區，匯水面積變大，超過了區域對雨水的承受能力，出現內澇。

以暴雨重現期為2 a，降雨歷時1 h為例，徑流系數為0.72(寶雞市中心城市綜合徑流系數ψ≈0.69～0.74)的情況下，根據寶雞市暴雨強度公式(1)得出，匯水面積增大，雨水流量也隨之增大，見表2中的匯水面積變化一項。

表2 不同城市內澇因素下的雨水流量

筑堤防洪是河谷型城市發展過程中的傳統性選擇，其結果是干、支流河堤逐步成為城市圈閉，把城市分隔成一個個盆狀的封閉單元，且越靠近干流河道封閉性越強、盆狀形態越典型，內澇問題越突出。近年來，區域性水土流失導致渭河干流河床內淤積泥沙，河床抬升，防洪與排澇矛盾進一步加劇，城市內澇問題日益嚴重。

3.2 汛期強陣型降水特征

根據氣象資料顯示，在1960—2011年，在分析1983—2013年寶雞市的降雨量年際變化時發現，降雨量偏少大約為390 mm的時間段出現在1994—1997年及2001—2002年兩個時間段里，而約750 mm的降雨偏多的時期出現在2009—2012年，在2011年的時候達到929.1 mm[17]。寶雞市年際暴雨呈現階段性明顯變化的特征，暴雨日數呈現整體上升的趨勢，其中1990年、2011年和2012年的暴雨日數最多，達到3 d。據資料記載，1988—1991年，寶雞市的暴雨日數分別為2，1，3，2 d，均分布于7—9月，2011年和2012年暴雨日數明顯增多。

由暴雨強公式(1)可知，內澇防治系統設計重現期為2 a，降雨時間縮短為30 min，暴雨強度相應的增大，最終導致雨水流量的增大，詳見表2中短時強降雨一項。研究區內只有東沙河口雨水泵站在暴雨來臨的時候進行提升抽排，將雨水排入渭河，服務面積較大，不能及時將城市中的雨水及時排到河流，導致城市積水在短時間內快速形成。近年來，寶雞市發生了多起不同程度的內澇災害，特別是近幾年，汛期內逢雨必澇，給人們的正常出行造成了極大的困擾[17]。

3.3 地表性狀變化特征

自然地表環境下，大部分降水經過植被、土壤等下滲，超過飽和含水量后，形成地面匯流，順地勢往低洼處匯集[15]。根據雨水流量的計算公式(2)，在暴雨強度與匯水面積相同的條件下，地面徑流系數的增大使得雨水流量也跟著增大，分析表1中地面徑流系數，研究區2003—2013年，城市因自身的發展，不斷擴張，原有的自然地表徑流系數(徑流系數0.10～0.20)被硬化的水泥或者瀝青路面(徑流系數0.85～0.95)所代替，透水性大大降低，基本喪失了地面的下滲能力，在暴雨，特大暴雨等天氣發生時，地面徑流系數增加，地表降水只能通過下水管道進行匯流泄洪，而排水管網系統的口徑流量不能滿足暴雨時期降雨的雨量，超出泄洪量的部分只能成為地表徑流，且地表徑流系數會隨著雨量的增加而增加，短時間匯集大量的產流，導致城市內澇。詳見表2中的徑流系數一項。

2003年，研究區只有馬營鎮、永清村、東新村、東莊、西莊、郭家崖等村鎮和建設中的寶雞文理學院新校區、寶雞工業園、寶鈦集團及寶雞中學等建設用地。隨著寶雞市市政府東遷，其周邊區域的城市化速度加快，研究區城市建設用地面積從2013年的3.16 km2增加到2013年的8.88 km2。建設用地面積的迅速增長，使得地表性狀變化引發的城市內澇問題日益突出。

4 城市內澇對策和方案

4.1 地形社區圈閉

近年來，研究區內城市建設用地擴張速度較快，且空間布局較為規則。黨政機關、學校、社區等都是形狀規則且封閉的空間區域，均有獨立的、各自封閉的排水系統，沒有特大暴雨的情況下可以各自獨立完成地表降水的匯流和排放，不會影響封閉區間外的其他區域，因此，本次研究將此類區域劃分為一級匯流區，通過判別高分辨率遙感影像，確定封閉區域的范圍。

一級匯流區之外的研究區，通過分析發現，茵香河、西沙河、東沙河及清水河等自西向東貫穿整個研究區域，并由南向北注入渭河，這使得研究區被水系分割成了3塊獨立區域，為二級匯流區。匯流區的地表降水均是基于地形因素進行匯流的，即地勢高處的水流順地勢流向地勢低洼處，在東西向的道路匯集，并順勢進入4條支流。

圖1 匯水區域示意圖

4.2 解決城市內澇對策

西沙河和東沙河的河道岸坡和河床被全部用水泥板硬化，其水文效應被人為改變了，同時也嚴重影響了城市的自然氣候。根據王若楠[18]利用不同的水力模型模擬計算研究區內的洪水淹沒情況發現，城市內澇問題往往發生在二級匯流區內，即濱河南路靠近渭河大橋一段、力興路靠近渭水路一段以及寶雞市渭河生態公園中渭水苑到質監局這段范圍之間，分析原因有二，一是城市硬化地表的下滲能力較小，二是研究區域現狀的雨水管道不能滿足暴雨來臨時雨水的及時排出，造成內澇。解決這一矛盾的焦點是合理利用好支流河道，構建以支流河道為骨架、以支流間不同的匯水區域為主導的城市地表排澇系統。解決內澇問題的關鍵在于兩個“打破”，首先是打破城市地表降水排放完全依賴于地下管網的思維習慣，其次是打破多年來河谷型城市建設逐步形成的干、支流河堤圈閉現狀。

近現代城市建設過程中，排水系統設計的主流一直是地下管網，在較大的污水處理排放壓力下，依然僅僅停留在雨、污分流式的地下管網系統建設階段。近年來，城市內澇已成為普遍性城市災害問題，即使提出了海綿城市建設思想和小范圍試點，究其根本，仍然沿襲的是由地下蓄滯水和地下管網為主的城市排水系統，將雨水截流在上游及城區內，從而延緩徑流的發生，并大幅度降低下游區域的峰值流量。目前的海綿城市建設方案，也許能夠短期解決一定特征環境城市區域的內澇問題，但不打破以地下系統為主體的滯蓄排方案，長期累積的結果很可能會導致更嚴重的次生災害，這一問題，在河谷型城市的內澇問題上尤為顯著。因此，打破依賴地下管網系統的傳統模式，采用地下、地表相結合的排水模式，是徹底解決河谷型城市內澇問題的良好對策。“哥本哈根暴雨應對行為準則”這一方案的核心思想就是地表與地下相結合，其實施結果是既有效，又節約了相當于達到同等效果地下管網系統60%以上的費用，哥本哈根暴雨應對行為準則能給世界上的眾多城市提供前沿且可行的城市現狀空間的對應方案，其普適性也在歐、美、亞各地的設計方案中已經得到了驗證[9]。對于寶雞市這樣的河谷型城市，迫于地形的限制，只能夾河而建，但是河道卻是一個天然的泄洪通道，充分利用河流水系的優勢，結合現有的地下排水網絡及地表地勢，合理引導城市的雨水，同時，寶雞市的空間形態與哥本哈根極為相識，通過結合寶雞市的實際情況，設計方案對寶雞市城區進行改造，能有效減輕城市內澇的影響。

4.3 解決城市內澇方案設計

構建地表、地下相結合的城市內澇防治系統的關鍵在于地表排水系統。以寶雞市為例，地表排水系統的設計和建設的核心思想是分級排放，主體工程是構建地表排水網絡系統，關鍵技術是以與渭河干流河道相平行的東西向道路為排水網渠，需注意的重要節點是城市外緣邊坡坡腳和渭河干流河堤外的濱河南路。

通過對研究區的地表狀況的分析，可以將研究區內的道路作為潛在的洪水廊道，在城市遭遇暴雨時，研究區內的雨水順地勢匯流到道路里面，道路進行截留并順著道路流向兩端的河道。下面詳細敘述研究區地表排水網絡設計方案：(1) 地表排水主干是支流河網，即茵香河、西沙河、東沙河和清水河。(2) 地表排水支渠網是東西方向的排水溝和城市道路，即南部殘塬邊坡坡腳排水溝、西寶南線、高新大道和濱河南路。(3) 如圖2所示，劃分出12個地表匯水圈閉，南北向順地勢可分4級，分別為殘塬邊坡及渭河高階地區、西寶南線以南的渭河二級階地區、西寶南線與高新大道之間原渭河一級階地區、高新大道與濱河南路間原渭河灘地區，東西向自西而東可劃分為茵香河與西沙河區間、西沙河與東沙河區間、東沙河與清水河區間，南北向、東西向分割后，可以逐級劃分為12個城市圈閉；(4) 設計網絡式的匯水區建設方案：① 在邊坡坡腳修建與支流相通的人工排水渠；② 東西方向的道路要與東、西兩側支流有一定坡比落差，確保路、橋聯結處的路面地表匯流能注入支流，特別是道路交匯處東西方向的地表匯流應盡量避免進入南北向道路而匯入下一級匯水區；③ 濱河南路與各支流只能在支流堤岸下設置地下排水口，排水口可設計為壓力開閉型閘門。

圖2 茵香河至清水河區間城區地表排水網絡示意圖

憑借地勢、分圈閉、逐級分流排入兩側支流的地表排水系統，必然可以大幅度減輕城市內澇的發生及危害，具體細節以西沙河至東沙河區間為例說明(圖2中虛線示例范圍)：(1) 在樸西村至樸東村間南部邊坡坡腳修建退水渠，退水渠在樸西村南西流入西沙河，在樸東村南東流入東沙河，主要功能是攔截塬面及邊坡坡面匯流，防止其匯入下一級城市區；(2) 樸西村、樸東村至西寶南線間的圈閉內匯水，由西寶南線西流注入西沙河，東流注入東沙河，盡可能不使此圈閉內匯水經南北向道路進入下一級匯水區；(3) 西寶南線至高新大道城區匯水經高新大道向西流入西沙河，向東流入東沙河；(4) 高新大道至渭河南大堤區間的地表匯流，由濱河南路及其區間兩端暗入口向西進入西沙河，向東進入東沙河。水流最終由西沙河和東沙河匯流入渭河，完成城市雨水的排放。

5 結 論

(1) 寶雞市是一個典型的河谷型城市，汛期來臨時，市區承受著來自邊坡及自身的匯水，使得地勢地貌成為內澇產生的客觀條件；

(2) 短時強降雨天氣能導致暴雨強度增大，最終導致雨水流量的增大；

(3) 城市地表性狀改變，面積僅有11.52 km2的研究區在從2003—2013年，建設用地面積增加了6.02 km2，導致區域地面徑流系數變大，透水性降低；

充分利用城市道路作為潛在的泄洪廊道，因地制宜地設計排水方案，實現地表與地下結合的排水網絡，緩解城市內澇問題。