城市何時不再“水漫金山”

今年5月7日，廣州全市普降特大暴雨。由于短時內(nèi)降雨強度大，城市排水設施的排水能力有限，導致市內(nèi)路面共有44處嚴重水浸，交通嚴重受阻，廣州慘變“水城”。

廣州的這次水浸街并不是孤例。近年來，我國大城市暴雨內(nèi)澇災害頻發(fā)，如2004年7月10日16時開始，北京市兩小時平均降雨50毫米，蓮花橋下最大積水深達2米；2007年“8·01”、“8·06”兩場暴雨，又造成安華橋積水6小時，最大積水深度達1.6米。2007年濟南“7·18”洪災，短短三小時降雨中就奪走34條生命……

城市型水災

洪水災害是人類面臨的最嚴重的自然災害之一。根據(jù)洪水產(chǎn)生的原因，可以將洪水災害分為三種類型：一是由于臺風、風暴潮引起的沿海地區(qū)洪澇災害，二是由于大量或長期降水引起的江河水系流域洪水災害，三是城市內(nèi)部地區(qū)遭遇高強度短時暴雨產(chǎn)生的積水洪澇災害，即所謂的城市型水災。城市型水災是指由于城市化建設產(chǎn)生的、發(fā)生在城市區(qū)域的水災。在我國大部分城市發(fā)生的水災都屬于第三種。

前兩類洪水災害一直是人們研究的重點，如今已形成了較為完整的防災體系；城市內(nèi)部積水災害則是城市化進程下引發(fā)的新問題。城市型水災日益嚴重是多種因素綜合作用的結果。城市熱島效應、阻礙效應和凝聚核效應，都使得城市地區(qū)降雨多于同期非城市地區(qū)降雨。城市地區(qū)空氣層溫度高于非城市地區(qū)，形成城市熱島，并且城市地區(qū)空氣層結構不穩(wěn)定，有利于產(chǎn)生熱力對流，當城市中水汽充足時，容易形成對流性降雨。城市中有高低不一的建筑物，其空氣粗糙度比附近郊區(qū)大，這將引起氣流發(fā)生湍流，并且對穩(wěn)動滯緩的降雨系統(tǒng)(靜止鋒、靜止切變、緩進冷鋒等)有阻礙效應，使其移動速度減慢，在城區(qū)滯留時間加長，從而導致降雨強度增大，降雨時間延長。城市空氣中灰塵等凝結核多于郊區(qū)，這對降雨也有促進作用。此外，我國城市雨水排水系統(tǒng)在設計理論基礎和運行管理方式比較落后所造成的影響也不容忽視。

成長的煩惱

我國大城市正在經(jīng)歷前所未有的發(fā)展建設時期，表現(xiàn)在城市規(guī)劃面積不斷擴張、地面建筑和鋪砌地表面積比例不斷擴大、城市的社會財富不斷增加、城市運轉速度及效率不斷加快、城市居民生活方式在逐漸改變和對高生活質量的不斷追求等方面。城市化過程對當?shù)厮臓顩r造成了較大的影響，每年總會有地方出現(xiàn)不同程度的暴雨災害，特別是全球氣候變化的影響日益顯著，使得城市地區(qū)局部極端天氣爆發(fā)頻繁。

在城市化過程中，城市型水災顯現(xiàn)出一些新的特點，如城市面積擴張，防洪排澇標準較低，因而洪澇風險加大；城市不透水面積增加，排水系統(tǒng)不佳，徑流系數(shù)加大，使河道洪峰流量成倍增加，洪峰出現(xiàn)時間提前，已有堤防的防洪標準相對降低；大規(guī)模城市擴張階段，往往造成水土流失加劇，局部水系紊亂，河道與排水管網(wǎng)淤塞，人為導致城市防洪排澇能力下降等等。

而作為支撐現(xiàn)代化城市正常運行的重要基礎設施之一的城市排水系統(tǒng)，一直沿用前蘇聯(lián)時期的設計理論，采用比較低的設計標準和基于經(jīng)驗的運行管理技術，該系統(tǒng)只能被動地應對超標準降雨事件，而不是主動地規(guī)劃管理超標準降水的出路。現(xiàn)在包括北京在內(nèi)的大多數(shù)城市的排水系統(tǒng)設計方法，還是用的100多年前的理論來計算的，也就是“推理公式法”。簡單來說，這種方法就是通過計算降水量得出城市所需要的排水量。但天氣是捉摸不定的，尤其是城市發(fā)展之后產(chǎn)生的熱島效應，以及大氣環(huán)流變化引發(fā)的降水量都很難有一個穩(wěn)定值，所以這種方法已經(jīng)跟不上現(xiàn)代社會的發(fā)展了。所有這些必然造成城市暴雨積水災害的頻繁產(chǎn)生，并且，隨著城市化進程的發(fā)展，災害的損失會越來越大。

城市雨水排水系統(tǒng)是一個龐大的地下工程設施，一般建在城市道路下面，有時道路下面可能鋪設兩條平行的管道，所以城市雨水管道的長度通常都大于道路的長度。城市雨水排水系統(tǒng)建成后往往可以使用幾十年到幾百年。我國城市雨水排水設施通過幾十年建設，已經(jīng)形成了比較完整的系統(tǒng)。通常所說的百年一遇的大暴雨，就是重現(xiàn)期100年的降雨。但是，由于我國改革開放以前建設的雨水排水工程的設計標準很低，僅為設計重現(xiàn)期0.33年到0.5年的標準。現(xiàn)在多數(shù)大城市的主要干道的設計標準也僅是重現(xiàn)期1年，可見發(fā)生超設計標準降雨事件的可能性極大。

我國現(xiàn)行室外排水設計規(guī)范規(guī)定：雨水管渠設計重現(xiàn)期，應根據(jù)匯水地區(qū)性質、地形特點和氣候特征等因素確定。同一排水系統(tǒng)可采用同一重現(xiàn)期或不同重現(xiàn)期。重現(xiàn)期一般采用0.5～3年，重要干道、重要地區(qū)或短期積水即能引起較嚴重后果的地區(qū)，一般采用3～5年，并應與道路設計協(xié)調(diào)。特別重要地區(qū)和次要地區(qū)可酌情增減。

不過，由于城市化建設使不透水地表比例擴大，這樣會增大地表徑流水量，造成設計工況條件下選用的設計徑流系數(shù)與現(xiàn)在實際的徑流系數(shù)偏差加大，使地表積水概率增加。

新技術讓一切盡在掌握

隨著城市的發(fā)展，城市型水災日益引起各國政府的重視和相關研究學者的關注，國內(nèi)外都對此進行了廣泛研究。隨著計算機的廣泛應用和各類模型軟件的開發(fā)，將地理信息技術和排水系統(tǒng)模型作為城市洪災評價與防治的技術手段，已經(jīng)成為防洪、防災的重要技術途徑。

地理信息系統(tǒng)(GIS)是將地圖類圖形數(shù)據(jù)和表達圖形的屬性數(shù)據(jù)集成在一個平臺下的軟件系統(tǒng)。人們將能用于城市雨水排水系統(tǒng)科學化管理的地理信息系統(tǒng)稱為專業(yè)地理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了包含傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)的基本功能以外，還包括能表達排水設施的專業(yè)功能。通俗地講，這種技術是在計算機的支持下，對地球表層空間中的有關地理數(shù)據(jù)進行采集、管理、運算、分析、顯示和描述。專家再通過這些數(shù)據(jù)，用計算機制作出一個虛擬城市排水系統(tǒng)模型，計算出不同路段所擔負的排水量，以及發(fā)生大雨后，城市路段的坡度高低將如何引導排水方向等等，在“一切盡在掌握”之時，便可以根據(jù)經(jīng)濟實力和工程改造的可行性，采用提高工程設計標準、建立調(diào)節(jié)洪峰流量的調(diào)節(jié)池、采用雨洪利用技術和其他減少地表徑流量的技術措施，構建綜合防災工程體系。

城市雨水排水系統(tǒng)模擬模型包括降雨模型、地表產(chǎn)流和徑流模型、管網(wǎng)匯流模型和水質演算模型。將城市匯水流域的信息輸入計算機模型以后，可以計算出雨水在管網(wǎng)中的流動過程，用圖示的形式表達是否超負荷，是否已經(jīng)造成路面積水等情況。通過計算機模型，可以讓管理者比較全面地了解雨水排水系統(tǒng)的排水能力和可能造成的積水災害的位置以及影響范圍，從而可以使管理者真正了解系統(tǒng)的排水能力和存在的風險，幫他們有效應對城市暴雨造成的積水災害，提前做出科學合理的防災預案。城市雨水排水系統(tǒng)模擬模型就相當于醫(yī)院的CT，可以給城市排水系統(tǒng)診斷疾病，發(fā)現(xiàn)造成積水災害的原因并給出解決問題的建議。

2008年，北京奧運會舉辦期間正逢北京的主汛期。為保證比賽順利進行，在那之前，筆者及其研究室的工作人員和北京市規(guī)劃院參與了奧運中心區(qū)的排水系統(tǒng)設計工作，并在該區(qū)域內(nèi)利用國際最先進的模型軟件做了一個評估。通過模擬成像等技術，我們計算出在降水量不同時段，區(qū)域內(nèi)某地點積水多深、積水時間多長并對此進行了監(jiān)控。有了實時的數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析結果，應對措施就有了預見性，也就是說可以對積水區(qū)域進行預測并發(fā)布預報，甚至可以具體到在什么時間、在哪個地點有可能要積水。這樣一來，便可以扭轉被動的應對局面，不等地面積水問題產(chǎn)生就可以采取主動的應對措施。

其實，奧運會時我們所用的這項技術，在發(fā)達國家已經(jīng)沿用了多年，是目前為止最為高效的方法。美國、歐盟等發(fā)達國家早在20世紀60年代，就開始研制城市排水管網(wǎng)模型，以滿足城市排水、防洪、環(huán)境治理、交通運輸、工程管理等各方面的要求，他們在這方面取得了較大進展，許多模型已經(jīng)廣泛應用于雨水管道系統(tǒng)的規(guī)劃、設計和管理。發(fā)達國家在20世紀70年代初提出了幾種通用的排水模型，并在其后的實際應用與深入研究中得到完善。

對于城市型水災，我國目前面臨的實際問題是對整個排水系統(tǒng)的系統(tǒng)性和實際排水能力了解不清；遇到問題后，又沒有科學的應對措施，頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳。

我國對城市排水管網(wǎng)模型的研究起步較晚，目前已有一些結合我國實際的研究成果問世。近年來，隨著城市排水模型在水利、環(huán)保和城建等領域中的應用，許多城市正在開發(fā)基于當?shù)貤l件的城市排水管理系統(tǒng)，如北京市的實時雨洪調(diào)度模型，針對城市內(nèi)澇所開發(fā)的城市暴雨積水預報系統(tǒng)等。這些研究對推動我國城市雨水徑流研究起了很大的作用，但與國外相比仍存在差距，并且在實際的規(guī)劃、設計和管理工作中應用較少，還需要進行更深入研究。

從總體看，我國城市排水管網(wǎng)管理正向科學化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展，構建開發(fā)基于數(shù)字化、智能化技術的城市排水管網(wǎng)防災系統(tǒng)是該領域的技術前沿。國外眾多城市排水商業(yè)模型軟件已經(jīng)得到廣泛應用。

在歐盟第七框架資助下，筆者與歐洲和亞洲其他國家的專家正在從事關于城水洪災彈性的合作研究，該項目從城市發(fā)展的驅動力、排水模擬技術、災害損失分析和減災策略等幾方面進行研究，以提高城市在氣候變化條件下應對暴雨積水災害的綜合能力。(文章代碼：101509)

[責任編輯]趙菲

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城市排水能力不足，使得雨水四溢、泛濫成災并不是中國城市所獨有的問題。不少國家的城市在發(fā)展過程中都曾面臨相似的問題。比如日本，自20世紀50年代起，隨著城市化的急劇發(fā)展，保水功能極高的森林和農(nóng)田被不透水性的瀝青所覆蓋、或用混凝土砌成的水渠集水，導致不少地區(qū)的“保水功能”下降，城市排水功能不暢，暴雨常常引起城市功能癱瘓或地下街浸水等，即發(fā)生所謂的城市型水災。其他國家也都有過類似的發(fā)展過程。

鑒于上述問題，他們根據(jù)經(jīng)濟實力和當?shù)氐倪h期城市規(guī)劃，首先建立功能完善的城市排水體系和防災體系，在受到條件限制無法建設高標準排水系統(tǒng)的地區(qū)，再采取多種措施實施綜合性防洪對策，盡可能增加城市雨洪的調(diào)蓄能力。這些措施包括：

一是攔蓄各自管理范圍內(nèi)的降雨。每一個庭院、每一個單位、每一個小區(qū)都建設相應的蓄水池，攔蓄雨水。除減少地表匯流外，還可以將蓄水作為綠化和清潔用水。日本規(guī)定，每開發(fā)1公頃土地，需要建設500立方米的雨水調(diào)蓄池。

二是利用屋頂集雨。對于大型建筑物，利用屋頂集雨，還可以防曬，降低夏季室內(nèi)溫度。還有的大型建筑物收集屋頂雨水，經(jīng)過處理后作為室內(nèi)空調(diào)用水。日本一些地區(qū)鼓勵并扶助居民使用能將房頂?shù)扔晁腿爰鄣臐B透式構造、或設置貯留設施，或向住宅地內(nèi)的集水槽附加貯留滲透功能，以減少雨水的流出量，減輕洪澇災害。

三是開辟城區(qū)大型滯洪場地，如運動場、野生綠地公園等，暴雨達到一定強度時作為蓄滯洪區(qū)啟用。在西方國家，由于人口密度較小，在整個城市規(guī)劃過程中，規(guī)劃設計者會將人們居住的地點設置在地勢較高的位置，而將球場等空曠的地點設置在低洼處。當暴雨襲擊城市時，只要關閉球場等較空曠的場所就可以應對，對居民日常生活并不會造成困擾。為了保證蓄水時的安全，水深不超過半米。荷蘭的“水廣場”就是其中的最大亮點。

在荷蘭史料里，起碼記載著40次以上的“水禍”。1953年2月的一次颶風，甚至讓這個美麗的國家遭受了著名災難片《水嘯霧都》那樣的滅頂之災：颶風導致萊茵河、馬斯河、斯海爾德河三角洲海潮倒灌，1835人喪生。經(jīng)歷過這次災難，1953年，荷蘭成立了專門防洪治水的水務委員會，經(jīng)過多年的專家討論和驗證，陸續(xù)提出水廣場、浮動住宅等富有創(chuàng)意的方案，積累了豐富的應對洪澇經(jīng)驗。在鹿特丹市區(qū)，不少地面都建有相互連通的溝槽，這些溝槽大得足以當作城市下沉廣場。下沉廣場平時是市民的休閑之處。廣場本身有比較淺的溝槽作為排水溝，下小雨時，這些溝槽會形成天然的水景。下大雨時，整個廣場充滿了水，形成一個大蓄水池，但水不會漫到城市街道上，大蓄水池本身會成為城市水景和水上游樂場。這就是鹿特丹的“水廣場”。

四是建設地下水庫。在廣場、運動場、停車場下面建設地下水庫，利用高層建筑的地下室作為水庫調(diào)蓄雨水，雨水也可以再利用。

五是建設大型地下河。東京、大阪等大都市，已經(jīng)建設了長達數(shù)十千米、直徑10余米的大型地下河，用于攔蓄城市雨洪。所蓄雨水可以排至下游，也可以再生利用。

六是增加地面的滲透能力，降低地表的產(chǎn)流量，同時增加地下水的補給。采用的措施有：對道路、人行道、停車場、廣場等鋪設可以透水的路面，降雨落到路面后很快滲入地下，減少地面徑流。對大型排水管道采用可以透水的多孔管，在排水的同時，部分雨水滲入地下。在建筑密集的區(qū)域，建設包括滲水槽、滲水井在內(nèi)的地下滲水系統(tǒng)，使地表積水盡快滲入地下。

此外，西方國家出于對生態(tài)環(huán)境的考慮，還會利用自然環(huán)境來預防災害。不少發(fā)達國家的城市規(guī)劃中，設計者會還原綠地面積，發(fā)揮綠地的滲水功能，進行雨水量平衡，實現(xiàn)防災減災的作用。