城市道路洪澇安全評估分析

摘 要：洪澇風險是城市公共風險管理的重要依據之一，以廣州市南沙區桂閣大道為例，在排水系統、海綿城市LID措施、降雨、徑流和地形等條件下，構建城市洪澇風險模型，在不同降雨頻率條件下，模擬城市遭遇設計暴雨時的洪澇風險，以模擬結果和等級閾值劃分結果進行洪澇風險評估。該文在傳統城市洪澇風險基礎上，進一步分析城市道路洪澇安全的因素，綜合考慮城市道路洪澇風險的暴露性、危險性、補救措施等因素，進行城市道路洪澇風險分析研究，評估結果可為城市相關部門的防洪排澇決策提供參考依據。

關鍵詞：城市道路；跨河路橋；防洪排澇；風險模型；情景模擬；洪澇彈性

中圖分類號：TU992 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0159-04

Abstract： Flood risk is one of the important bases for urban public risk management. Taking Guige Avenue， Nansha District， Guangzhou City as an example， under the conditions of drainage system， sponge city LID measures， rainfall， runoff and topography， an urban flood risk model is constructed. Under the conditions of different rainfall frequencies， the flood risk of the city when encountering design rainstorm is simulated， and the flood risk assessment is conducted based on the simulation results and the classification results of grade thresholds. On the basis of traditional urban flood risk， this study further analyzes the factors of urban road flood safety， comprehensively considers the exposure， danger， and remedial measures of urban road flood risk， and conducts urban road flood risk analysis and research. The evaluation results can provide reference basis for flood control and drainage decisions of relevant departments in the city.

Keywords： urban road; river crossing road and bridge; flood control and drainage; risk model; scenario simulation; flood resilience

近年來，極端天氣頻發，城市道路洪澇災害對人民的生命和財產帶來嚴重威脅，給人民生產生活帶來極大的阻礙。根據《Nature Climate Change》，到2050年，廣州是全球136個沿海城市中洪災風險評估最高的城市。造成珠三角地區內澇的原因除了極端天氣，還有急劇的城市化擴張，導致地面的下墊面地類改變。南沙區作為粵港澳大灣區的幾何中心、廣州市的副中心，通勤范圍涉及相鄰的黃埔區、天河區、番禺區等以及深圳市、東莞市、中山市和佛山市等區域，通暢的市政交通對于生產生活十分重要。

由于南沙區地勢低平、河涌橫縱交錯，城市化建設速度快，原有的農林地、小微水體等被建筑、道路所替代，導致下墊面地類發生了較大的變化，進而使得區域內的徑流系數增大、產匯流時間、調蓄能力減小，使得區域更易發生洪澇災害。通過城市洪澇風險評估，緩解現狀內澇情況、預防城市內澇問題是城市建設中的重要內容。一般以淹沒水深、淹水時長、淹沒范圍等參數指標進行城市洪澇風險評估，以為常用一維方法結合歷史資料模擬推算洪水，其結果的時效準確度不足，導致在對城市洪澇災害情況的評估不夠準確。本文以廣州市南沙區為例，基于一維管網+二維地形耦合的城市洪澇風險評估模型，綜合利用InfoWorks ICM、ArcGIS和AutoCAD等軟件模擬分析，進行風險評估。

1 項目概況

南沙區總面積786.06 km2，位于廣州市最南端，是西江、北江、東江三江匯集之處，北臨沙灣水道，南瀕珠江出海口伶仃洋。桂閣大道從南沙區北部橫穿而過，總長15.6 km，跨蕉門水道、西樵水道、騮崗水道等外江水系，穿大崗瀝、細瀝涌、西涌和烏洲涌等內河涌。涉河工程設計參數表見表1。

基本資料包括工程設計資料、主要水系的基本水文數據、河道地形測量圖、政排水管網圖、陸域航測資料、土地利用規劃以及當地水文測站的雨量、水位等數據。研究區域的各項數據來自實地測量或者政府部門提供。

2 研究方法及模型構建

2.1 研究方法

近年來，國內外洪澇風險研究不斷深入，城市洪澇風險的理論成果也趨于穩定，其中華霖富公司開發的InfoWorks ICM軟件，是一款基于Wallingford基礎模型的集規劃和管理防洪、雨水和下水道系統的城市洪澇模擬軟件，可以快速準確地對復雜的水力和水文網絡圖元進行建模，系統的建模數據可無損識別ArcGIS、Auto CAD源數據，InfoWorks ICM軟件能夠為具體項目設計創建可靠的數字孿生模型，在市場上具有較高的認可度和接受度。

本次模擬采用InfoWorks ICM作為排水模型洪澇風險模擬軟件，洪澇風險分析主要通過構建城市洪澇模型進行計算，城市洪澇模型由產匯流模型、雨水管網、二維地表模型、一維河道水動力模型耦合而成。二維地表模型、地下管網排水模型和河道水位數據通過以下過程進行耦合：①二維地表-排水管網通過雨水口/地表單元進行耦合，以反映管網排水作用及漫溢淹沒過程。②河道-排水管網通過河道概化成明渠與管網排水口進行耦合，以反映河道水位對管網的頂托或倒灌作用。③河道-排水管網-二維地表通過河道概化成明渠、雨水管網排口、雨水口及地表單元進行耦合，模擬設計工況下區域淹沒情景。

由項目實際情況及規劃條件而建立的洪澇風險評估模型，充分考慮區域實際條件，可以更詳細、更快、更準確地模擬城市洪水來襲的情況，根據洪澇淹沒的范圍、時長、深度等數據，其結果可為區域現狀排水系統評估提供參考，并進一步預測城市易澇點、提高城市洪澇風險管理的效率。

2.2 研究數據

本次分析的數據有區域地形數據、河道內的水文邊界條件、市政路網數據及配套的服務設施的資料等。地形數據包括路線河道水下地形數據、陸域的航測數據等，通過ArcGIS軟件處理，將地形測量數據與河道堤防、攔河壩等工程結合起來，生成dem數據。洪（潮）澇邊界條件數據來自政府門戶網站發布的南沙區外江堤防防洪標高論證專題研究資料，以及南沙區現狀水文測站的實測降雨、水位等資料。工程設計資料由設計單位提供，市政路網及配套設施的資料由評估單位向政府部門申請提供。

2.3 模型構建

2.3.1 排水管網模型構建

將矢量數據表達的排水管網系統概化為帶有名稱、底部高程、井深和所在位置等屬性的要素，并對其進行拓撲關系檢查，對管網數據進行合理性、有效性檢驗。并結合管網將研究區域劃分為多個匯水分區。基于一維圣維南方程對地下管網系統進行求解，從而得到地表一維的溢流數據。

2.3.2 二維地表模型構建

借助ArcGIS Desktop的數據處理及空間分析兩大功能，結合區域高程數據和土地利用方案，將研究區域劃分為若干個帶有高程、土地利用屬性的網格。二維地表模型在一維地表的基礎上擴展地上水流模擬功能，將地表空間簡化為一系列洼陷區和匯水通路，通過一維元件簡化模擬二維的地表流動。

2.3.3 河道概化成明渠

將矢量數據表達的河道概化為帶有名稱、底部高程、井深和所在位置等屬性的明渠，在概化明渠上邊界輸入河道對應排澇標準斷面位置處的洪峰流量作為初始流量，在概化明渠下邊界輸入河道對應防洪標準斷面位置處的設計洪水位作為明渠排出口常水位。

2.3.4 模型耦合

模型耦合是將排水管網系統構筑物的特征信息如管點、管段、泵站和出水口等排水設施，與地表產匯流計算相關的基本地理特征信息如地形、土地利用、土壤類型、降雨數據以及河道水位數據等耦合，實時反映排水或者倒灌等管網與河道在排水口處發生水量交換，匯入或者滿管反灌等地表和管網檢查井之間的水量交換。建成區的模型耦合應在一個時間步長內進行完全耦合。

2.3.5 設計暴雨模擬計算

南沙新區內澇防治重現期標準為20～100年，采用市政計算標準，根據廣州暴雨強度公式生成短歷時180 min 20年、50年、100年一遇重現期降雨過程，降雨雨型選用芝加哥雨型，其中雨峰系數R=0.48。根據內河涌常水位，外江5年一遇24 h動態水位作為內澇評估計算模型的水文邊界條件。

廣州市暴雨強度公式采用

q=，

式中：q為設計暴雨強度（L·（s·hm2）-1），P為重現期（年），取值范圍為2～100年；t為降雨歷時（min）。

2.3.6 模型率定與驗證

利用南沙區實測降雨、水位資料及歷時洪澇記錄資料對建立的洪澇模型進行針對性的率定和驗證，模型調參直至模擬結果和歷史記錄較為接近，可認為該耦合模型的模擬精度和可靠性較好。20年、50年、100年一遇短歷時降雨重現期降雨過程如圖1—圖3所示。

3 風險評估

3.1 模擬分析

在本次模擬分析中，充分考慮河道堤防、公路、擋墻等建筑的阻水功能、市政干道的阻水兼導水功能，以及河涌與泵站、水閘在感潮水文條件下調度蓄水、排水功能。

在不同頻率設計暴雨強度下，將桂閣大道洪澇模擬分析的積水深度按照小于0.15 m、0.15～0.30 m、0.3～0.5 m、大于0.5 m，劃分為基本不積水、輕微積水、中度積水和嚴重積水，再按照積水深度繪制淹沒范圍，桂閣大道省道S111隧道100年一遇降雨條件的模擬結果如圖4、圖5所示。

3.2 小結

本次以InfoWorks ICM軟件采用情景模擬分析法，研究了南沙區桂閣大道及周圍區域在不同頻率設計暴雨條件下內澇的時空變化情況，主要結論如下。

1）在20～100年一遇暴雨條件下，道路基本不積水。隧道的積水深度、積水范圍均隨著降雨頻率的減小而增大。原桂閣大道省道S111隧道、桂閣大道下穿南沙港快速路隧道、南沙大道桂閣大道隧道、桂閣大道市南大道隧道、連溪大道桂閣大道隧道的排水系統在100年一遇暴雨條件下，最大積水深度及積水時長情況分別為Hmax=0.15 m，T積水=2.0 h；Hmax=0.27 m，T積水=0.75 h；Hmax=0.27 m，T積水=2.83 h；Hmax=0.27 m，T積水=1.5 h；Hmax=0.15 m，T積水=2.8 h。

2）原桂閣大道的各個隧道的排水方式為直排入河，經模擬分析，桂閣大道隧道排水系統在遭遇五年一遇的外江防洪（潮）設計水位時，外江水位隧道雨水排放影響較小；桂閣大道隧道排水系統在遭遇20年一遇以上的外江洪（潮）標準時，隧道排水系統在漲潮時段會受外江水位頂托影響。

3）為保證桂閣大道各隧道積水深度小于0.15 m，積水時間不超過1 h，通過設計優化：①針對隧道產匯流時間短、隧道底部易聚水的特征，在隧道進出口增加截水溝，將路面雨水截流至排水管，避免外部路面雨水流入隧道，同時擴大隧道泵站的泵排流量。②桂閣大道各隧道排水系統采用雙出路排水設計，一條排水路徑為直排河涌，并在出水口設置防倒灌拍門，同時設計一條備用排水路徑，接入市政排水管網，避免潮水頂托導致隧道排水不暢而發展為內澇。③加裝內澇預警設施，針對雨季中隧道排水系統的運行，實行24 h監控和實時預警預報。

4 討論

南沙區在國內大中行城市中，近些年來南沙區沒有發生造成重大損失的洪澇災害，得益于南沙區在水行政規章制度、城市防汛管理辦法、洪澇監測預警系統和公共應急搶險能力等方面的綜合管理。城市洪澇風險模擬分析采用情景模擬方法，一方面可基于區域現狀狀況遭遇極端天氣條件下分析和發現城市洪澇風險的易澇點和洪澇災害程度，有利于城市洪澇風險管理，方便相關管理部門有組織、有計劃地制訂并實施相應的管理和應急措施；另一方面對于規劃項目，可就洪澇風險評估結果開展規劃項目的洪澇彈性進行評價，評估排水系統對洪澇風險的抵抗能力、整體規劃方案對環境的恢復能力。

另外，過去標準化的洪澇風險管理是從防災、減災、備災、響應和災后重建等來考慮，而現在，在洪水風險評估與可持續發展之間探索出降低洪澇風險，增強彈性的發展模式，即海綿城市。城市洪澇風險模型作為海綿城市建設效果評價的一種技術手段，可為海綿城市設計提供依據和參考。

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