城市暴雨內澇災害起源分析與對策研究*

陳 鵬，趙劍偉

(吉林師范大學 旅游與地理科學學院，吉林 四平 136000)

近年來，城市內澇災害越發頻繁，給居民生命、財產及城市基礎設施帶來重大損失。如2021年7月20日的河南省鄭州“7·20”特大暴雨災害造成受災人口188.49萬人，市政道路損毀2 730處，直接經濟損失532億元；2019年6月2日長春市遭遇50年一遇的強降雨，局部地區發生嚴重內澇，積水最深處超過1.5 m，大量車輛被困，部分一樓住戶進水嚴重，256人被困，人員生命安全受到威脅。如果能夠尋求抑制或阻斷城市下墊面積水的匯集時間，就會大大減少城市內澇災害發生的時間，給居民避難及應急救援預留更多的時間，從而保障居民的生命、財產安全。

隨著城市化進程加快，硬化路面逐漸增多，排水管網老化、城市路面下沉等問題的出現[1]，對流域水文過程有著明顯的影響[2]，尤其是短時間尺度水文過程影響更為顯著[3]，造成人口、經濟密集的城市內澇災害損失更為嚴重[4]。目前，雖已有不少學者從城市內澇災害的時空分布特征及成因[5-8]、內澇災害模擬[9-11]、風險評估[12-15]、預警[16-17]及應急管理[18-20]等角度出發，試圖通過厘清城市內澇災害的發生、發展規律，模擬城市內澇災害的演化過程，探究城市內澇災害的風險評估體系及預警模型，探討城市內澇災害的應急管理方法、過程及應用模式，來尋求城市內澇災害的抑制方法，但目前的總體應用效果欠佳。

本文將從量化城市內澇災害的抑制效果角度出發，探究城市內澇災害起源，為城市內澇災害防災減災提供技術支持。城市內澇是由降雨在下墊面集中而產生的積水現象，當積水造成人、財、物等損失便成為災害，既內澇災害。如果能抑制這種雨水集中，就能降低內澇災害造成的損失。因此，本文采用具有內澇起源分析的災害泛濫分析方法，明確了雨水的流向，分析了雨水的匯集過程，厘清了道路積水點雨水來源，為抑制內澇災害的形成提供決策依據。

1 研究區概況

南關區坐落于吉林省長春市的中南部，總面積為497 km2，人口約48.9萬人，轄12個街道、一個鄉，7個行政村，實際管轄區域面積為80.95 km2。年平均氣溫為4.9℃，年均降水量約594 mm。降水量呈自東向西遞減態勢，降雨量主要集中在5—8月，約占全年降水量的80%，夏季因為大陸內氣溫升高的原因，形成了低壓中心，當南來的潮濕海洋氣團與極地大陸氣團相遇后會形成降雨，尤其是7—8月臺風天氣系統容易造成特大范圍暴雨，此期間極易形成暴雨內澇災害。

2 研究方法

2.1 T-SAS模型

在城市內澇災害發生的情況下，探究道路積水來源，是內澇災害防治的重要組成部分。本研究構建了城市內澇災害T-SAS (Time-Space Accounting Scheme, Time-Space Accounting Scheme)模型[21]，該模型以水動力學為基礎，以網格蓄水量作為狀態變量，并跟蹤網格間的水量交換過程，分離存儲在分布式模型的每個網格中的水成分，以明晰每個網格中水量來源。利用該模型從時空角度厘清積水的來源，查明城市下墊面雨水的動向，探尋阻斷雨水匯集的方法(圖1)。

圖1 T-SAS模型

2.2 模型構建

城市道路積水起源模型是以水動力學模型為基礎，記錄每個網格(30 m×30 m網格，總數量為14 135個)內水量交換過程，記錄時間間隔為30 s。將記錄結果數據關聯到研究區矢量數據，并采用起源模型原理進行專題制圖。

步驟1：道路積水的動量方程使用式(1)和式(2)計算，水流的連續式使用式(3)計算，執行分布型模型，以適當的時間間隔(30 s)輸出各要素的儲水量(Vk)、要素間的流量(Qx,Qy)、降雨量(rk)等，要素間的流量賦予起點和終點的要素ID。

(1)

(2)

(3)

成分分離式：

(4)

網格蓄水量更新連續式：

(5)

式中：

式中：M、N表示x,y方向水的流量(=uh，=vh)；u,v表示x,y方向水流的流速；h表示水深；g表示重力加速度；zb表示下墊面高程；εx，εy表示旋動粘性系數；n表示曼寧系數；Vk表示網格內的水量；V表示網格內總水量，Qx=(=MΔy)，Qy(=NΔx)表示x，y方向的流量；rk表示網格內的降雨量；Dsewer表示排水管網的排水能力(設定為40 mm/h)；A表示網格面積；Δx，Δy表示網格寬度；x，y表示水平坐標系；i，j表示網格標號；t表示時間；ei表示i網格內的蒸發量與浸透量等損失量。

步驟2：讀取上述計算的流量(Qx,Qy)結果，并代入連續式(5)中，并率定各參數a、b、c、d的值。為了實現T-SAS的上述目標，考慮將分布型模型各要素中儲存的水進行成分分離。其中，分布型模型的各要素是指以一個儲水量為狀態變量的區塊，一個網格單元和配置在其中的河道就相當于一個要素。也可以在考慮中間流和表面流的網格單元中分別視為不同的要素進行跟蹤。但是，本文為了限制要素數量，提高計算速度，不進行斜面網格單元內部的要素分割。以此為基礎，將排水分區按照地勢與排水管網分布情況劃分為4個區域(A區、B區、C區、D區)，并按照起源模型原理賦予各區積水不同顏色。A區：綠色；B區：藍色；C區：橙色；D區：紅色。本研究中T-SAS假設元素之間的水混合只產生于轉移，不考慮其它?；谶@個假設，在成分分離的同時對蓄水量進行更新，可以歸結為對所有要素進行以下的連續式計算。

步驟3：讀取步驟2的計算結果，將所有區域積水成分的結果進行疊加，求得最終研究區積水深度，以及區域間積水流動情況(圖2)。

圖2 研究區積水模擬及排水分區

3 結果分析

3.1 降雨過程分析

2019年6月2日長春市遭遇50年一遇暴雨，城區降雨量為68 mm，局部達130 mm，20:10長春市氣象局發布了暴雨黃色預警信號，21:30升級為暴雨橙色預警信號，東北師范大學正門、南湖賓館、省賓館、部分高架橋下共37處積水。通過對此次降雨和道路積水水位觀測發現，本次降雨歷時9 h，降雨量的峰值出現在22:18，道路積水水位此時處于最大值(1.5 m左右)，之后隨著降雨量的減少，道路積水開始逐漸減少，至6月3日01:50左右道路積水基本排除(圖3)。本次短時強降雨形成的內澇災害，造成研究區多輛汽車受損，256人被困深水區，沿街一樓住戶房屋進水，室內財產損失嚴重。

圖3 研究區降雨量與水位

3.2 內澇災害起源分析

3.2.1 城市內澇災害起源模擬

首先，從道路積水深度角度來看，以模型模擬結果可看出(圖4)，研究區四個區域積水情況差異較大，積水較深的區域主要集中在A與B兩個區域，而C與D兩個區域積水較淺，原因是C、D兩個區域地勢較高且排水管網分布密度較大，能夠及時排出路面積水。而A與B兩個區域地勢相對較低且排水管網分布密度較低，無法及時排出路面積水，導致模擬結果呈現出C、D兩個區域積水范圍和深度比A、B兩個區域大。

圖4 研究區積水變化模擬

其次，從雨水匯集角度來看，研究區降雨在模擬時段范圍內道路積水逐漸從區內匯集向區外匯集變化。降雨1 h后四個區域開始不同程度的出現積水，且積水的來源都是區域內降雨導致的內部匯集而形成；降雨2 h后四個區域道路雨水匯集成分開始發生變化，部分區域開始出現跨區域雨水匯集過程，如A和C兩個區域開始出現由B->A和D->C區域雨水匯集；降雨4 h后，各區域雨水匯集達到峰值。此時A和C兩個區域的道路積水除了本區域的雨水匯集外，還有B和D兩個區域分別匯入的雨水組成。同時，從模擬結果也可看出，在A與B，B與C，C與D的交匯區域附近的積水較深，說明此區域地勢較低且排水管網相對周邊區域密度較小，導致雨水匯集量較大。依據本研究厘清的道路積水來源結果，如能抑制三個區域交匯處的雨水流動，就能減少各區域的雨水匯集，道路積水就會大大較少，造成的損失就會大大減少。

3.2.2 基于抑制效果的內澇災害起源分析

厘清城市內澇災害起源，尋求抑制或減緩城市內澇災害發生時間對城市防災減災與應急管理具有重要意義。如果能夠活用道路(中央隔離帶、人行道)、下水道及“海綿城市”建設等來控制雨水的流動，就能有效地解決內澇災害問題。

假設：在B與A區域、C與B區域、D與C區域的交界處分別設定網格屬性為阻水建筑物(假設：阻水率為20%)，且設定Dsewer為60 mm/h。重新運行模型，計算結果如圖5所示。從模擬結果中可以看出，重新設定參數的模型結果顯示在降雨前3 h過程中，四個區域都是在區內雨水匯集，且各區域積水深度、面積相對變小。在降雨4 h后，B與A區域、C與B區域、D與C區域才發生跨區域積水流動，且在各區交匯處雨水的匯集程度相較之前要小得多，說明能夠較好的抑制雨水匯集時間，為居民避難、救援及排除道路積水爭取了時間。

圖5 基于抑制措施的研究區積水變化模擬

4 結論與建議

4.1 結論

本研究以長春市南關區2019年6月2日城市內澇災害為研究實例，采用了城市內澇災害時空間起源分析方法，利用實測數據、實地調研數據，探討了城市下墊面雨水集中導致內澇災害問題。研究結果得出以下結論。

(1)研究區積水深度、面積差異較大。本次降雨過程導致研究區大面積積水，各區域積水情況差異較大，表現為研究區北部區域總體積水深度、面積相比城市南部區域較小?？傮w上模擬結果與實際采樣點記錄結果較為一致，但也存在計算結果與實際情況不一致的地方，其主要原因是受排水功能的影響。

(2)雨水匯集受地形與排水管網影響較大。由于研究區C、D兩個區域地勢較高且排水管網覆蓋密度較高，能夠較好的向四周地勢低洼處快速排水。而A、B兩個區域地勢較低且排水管網覆蓋密度較低，不具備快速排水能力，導致該區域的道路積水普遍較深且范圍較大。

(3)明晰了城市內澇災害起源。通過利用T-SAS模型動量方程式的步驟1、讀入網格流量，利用每個降雨成分的連續公式分析雨水移動的步驟2以及處理計算結果的步驟3，實現了城市內澇災害起源分析，確認了雨水的移動會加劇內澇災害發生，說明了研究區確實存在跨區域水量交換，如降雨2 h后，A和C兩個區域開始出現由B->A和D->C區域雨水匯集過程，導致兩個區域積水深度與面積快速發生變化。

(4)內澇災害抑制效果較明顯。雖然本研究中設定了阻水率和提高了排水管網的排水能力，從模擬效果上，能夠較為有效的抑制內澇災害發生的時間，但參數是假設條件，未得到實際驗證。具體實際情況需要進行實地調查與驗證，這也是本研究下一步需要進行研究的重要方向。

4.2 建議

我國城市內澇災害已經成為城市“通病”，諸學者試圖從內澇災害成因、內澇災害預警、內澇災害模擬及應急管理角度尋找如何降低內澇災害發生的可能性及防災減災的措施，雖然取得了大量成果，但還是無法減緩內澇災害帶來的影響。尤其是在遇到短時特大暴雨事件，下墊面雨水快速匯集，下墊面下滲飽和，仍然會形成內澇災害。因此，本研究嘗試從城市內澇災害起源角度出發，厘清城市下墊面雨水移動方向，探究城市下墊面雨水匯集過程，探討抑制甚至是阻斷雨水匯集方法。這樣將大大降低城市內澇災害發生的時間及概率，為居民避難、應急排澇及應急救援爭取時間。

針對我國城市下墊面現狀，常見的能夠減緩或阻隔雨水匯集的設施有中央隔離帶、人行道、排水管網及“海綿城市”建設等，如果能活用道路(中央隔離帶、人行道)和下水道等來抑制雨水的流動(圖4的區域B->A和D->C區域間的水量交換)，甚至是阻斷區域間水量交換，就能實現有效的內澇災害防治。具體為：

(1)特殊中央隔離帶設置。在設計中央隔離帶時，可以考慮在水量交換區域交匯處，設置特殊的隔離設施，當暴雨發生時，開啟隔離設施減緩甚至是阻斷兩個區域的水量交換，以減緩城市內澇災害發生的時間。

(2)排水管網更新換代。由于部分城市的排水管網已經老化，已經無法滿足城市快速發展需要，應及時更換排水管網，提高城市下墊面的排水能力，減緩內澇災害發生的時間。

(3)加快“海綿城市”建設進程?！昂＞d城市”已經在部分城市開始實施，但覆蓋面較小，存在城市中部分區域建設了“海綿城市”，其它區域未建設現象。假設存在像本研究中B->A區域的水量交換地區，A區域“海綿城市”建設完成，B區域“海綿城市”未建設。當特大暴雨來襲時，雖然A區域能夠排除道路積水，但由于B區域未建設“海綿城市”，雨水由B->A區域快速匯集，便會加大A區域的排水壓力，可能會導致A區域“海綿城市”效果大大降低，甚至失效。因此，加快我國“海綿城市”建設亦是內澇災害防治的有效措施。