城市化地區防洪排澇規劃研究

吳 春

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 存在問題

1.1 排澇設施不完善

新中國建設初期，城市排水多采用蘇聯的設計理念和技術標準。當前，北京市排水設計標準仍為1～3 a一遇，排水系統線路老化，元器件破損嚴重，由此造成每到暴雨突襲時，城市許多地段積水成河，交通癱瘓，給市民的工作、生活帶來極大影響，甚至危及生命。這暴露出我國城市公共基礎設施規劃、建設、管理的嚴重滯后，更暴露出城市“地上工程”與“地下工程”的極大反差。

1.2 骨干排澇河道過流能力不足

由于規劃和投資渠道的原因，城市道路建設與河道整治脫節，導致排水設施的規劃、建設不到位，沒有給雨洪留出合理的出路。城區有部分中小型河道沒有規劃，有的排水管線下游沒有出路，造成了城市排水系統不暢，遇強降雨容易形成局部地區洪澇。部分中小河道多年沒有疏挖整治，河道淤積堵塞，排水能力嚴重不足，河道排泄不暢，降雨時壅水漫溢，致使地區洪水滿溢進入城市道路。

1.3 內河調蓄水域面積不足

城市水面面積是調蓄城市內澇的主要手段之一，如故宮數百年來幾乎未發生內澇現象，原因之一就在于故宮周圍有環故宮可起調蓄作用的護城河；同樣，團城千年以來也未發生水淹現象，原因之一就在于其位于具有調蓄功能的北海附近，可以把多余的水排入北海。近年，隨著城市建設的快速發展，不少市區河湖由于被侵占而縮窄或淤積，導致蓄泄洪能力降低，甚至在城市發展過程中部分河湖被填埋（新中國成立初期北京市有湖泊200余個，目前僅存50余個），市區水面所占比例由5%降低到2%左右，如北京南湖渠地區，原來本是一片洼地，作為北京市排水主干河道壩河支流之一的北小河，現已變成超過20萬人的望京社區。城市水面減少相應地降低了城市內澇的調蓄能力，從而增加了暴雨內澇的發生頻率。

1.4 城市化進程使水面率降低、徑流系數增大

隨著城鎮化步伐的加快，城市人口急劇膨脹，導致城市地表大面積水泥化，滲水吸水儲水能力均大大減弱，暴雨來臨時排水只能依靠少數的排水口。

1.5 極端天氣明顯增多，局地暴雨頻發

由于城市建設改變了局部氣候條件，不注意保留綠地和水面，城市成為一個熱源，產生了熱島效應，其結果是造成城市上空對流旺盛，強對流天氣容易發生，從而增加了城市暴雨出現的概率和強度。近20年來，由于北京城市建設的飛速發展，城市熱島和雨島效應明顯，高樓大廈（跟小型山峰的降雨特性類似）的局部小氣候條件容易形成歷時短、強度大、范圍小的局地突發性暴雨，城區出現局地暴雨的頻率與強度遠高于周邊建筑物低矮地區，降雨強度往往超過70 mm/h極端天氣標準，導致城區的極端天氣頻頻發生，產生局部內澇。2004年以來，北京共發生極端天氣43次，暴雨來勢兇猛，歷時短，積水斷路等災情出現快，導致預報非常困難[1]。

2 解決對策

2.1 防洪標準

城市是流域系統中的一個點，往往除受到主要外河洪水的威脅外，還可能面臨許多城區小（內）河洪水，特別是山洪的威脅，沿海城市還可能有風暴潮的影響。城市的防洪設施是地區乃至流域防洪體系的組成部分，故城市防洪規劃必須以地區乃至流域防洪規劃為依托，以城市防洪工程為屏障，從流域、區域與城市3個層次空間定位各自的防洪規劃與防洪標準，同時明確其間不可分割的相互關系。現以太湖流域內的城市防洪為例。

2.1.1 流域防洪標準

流域防洪的目標是防御流域性洪水，也就是以太湖洪水的安全蓄泄為重點，安排若干重大治太骨干工程，確定2010年前流域防洪標準為50 a一遇，并逐步向100 a一遇標準過渡。

2.1.2 區域防洪標準

根據自然與水文條件將太湖流域分為8個水利分區，各分區防洪規劃的目標為防御地區性局部暴雨洪水。由于各分區除受流域性洪水影響外，還兼受地區性局部暴雨的威脅，因此，需要在流域性骨干工程的基礎上補充必要的地區性工程措施，主要包括區域性骨干排水河道的疏浚和好區堤防建設。到2010年，地區防洪能力將分別達到20～50 a一遇。

2.1.3 城市防洪標準

太湖流域城市密集，人口和產業集中，經濟發達。在提高流域及區域防洪標準的框架下，根據城市自身的經濟實力，采取城市防洪自保措施，提高主要城市的防洪標準。城市防洪標準應根據《城市防洪工程設計規范》（GB/T 50805—2012），根據城市人口規模、等級確定防洪標準，例如上海市黃浦江(城市區段)干流及主要支流按1 000 a一遇高潮位設防，海塘（市區段）按20 a一遇高潮位加12級臺風設防。城市防洪標準一般都高于流域與區域的防洪標準。

2.1.4 防山洪標準

位于山區性河道支流低洼區域的城市除抵御外圍江河洪水，還需抵御山區性河道的山洪。山區洪水標準應根據《城市防洪工程設計規范》（GB/T 50805—2012），根據城市人口規模、等級確定山洪標準。城市內存在小（內）河山區洪水威脅的城市主要為山區城市，如福建省、浙江省及海南省的沿海城市。

2.2 排澇標準

城市化區域排澇標準一般取10～20 a一遇暴雨不受澇，即發生10～20 a一遇暴雨，河道逐時刻（1 h）水位不超過最高控制水位。

2.3 各類城市防洪排澇對策

2.3.1 濱河城市

這類城市主要指位于大江大河及其重要支流沿岸的城市，外河洪水是主要威脅，洪水漲落相對緩慢，水位漲差不如山區河道大，洪水歷時相對較長。這類城市防洪問題一般不能完全獨立地自行解決，而必須在流域或水系整體防洪規劃的基礎上，以流域（水系）防洪工程體系為依托，并根據城市的自然地理特征（地形、地貌、水系分布等）及城市發展情況采取城市自保措施（如修建防洪堤、疏浚河道、開鑿分洪道等）加以保護，從而達到要求的防洪標準。這類城市的排澇問題較為突出，由于內河澇水容易受外江洪水位頂托，且頂托時間較長，難以自流排水，故需要建立城鎮圩區或者防洪包圍圈，控制城市水面率，通過排澇泵站、水閘、骨干排澇河道等工程措施，保障排澇安全[2],如黃河上游干流沿岸的蘭州，長江干流沿岸的武漢、南京，淮河干流沿岸的蚌埠，西江沿岸的梧州，松花江沿岸的哈爾濱，嫩江沿岸的齊齊哈爾，琶江沿岸的南寧等。

2.3.2 山區城市

這類城市主要指位于山地丘陵的城市。這類城市多建在沿河階地、坡地或山丘坪地上，面臨江河，后靠山丘，洪水陡漲陡落，水位漲差較大，洪水歷時相對較短。除江河洪水威脅外，有的城市還有山洪、泥石流。由于受洪水威脅的主要是沿河部分較低地區，因此堤防不宜過高。除采取堤庫結合措施外，還可因地制宜地采取撇洪渠、疏浚河道等措施。這類城市的內河排澇問題一般相對較小，對于地勢相對低洼的區域建議城鎮圩區，控制城市水面率，通過排澇泵站和水閘控制內河最高水位，滿足市政雨水可自排入河，或者通過市政排水系統直接將雨水排往外河。

山丘城市因城區位置的垂直跨度較大，因而受洪水威脅的程度不同。有的城市主城區位于較高階地，受洪水威脅的僅是沿河谷地一帶非主要經濟區，即山丘（1）類城市；有的山丘城市其主城區受到洪水威脅，即山丘（2）類城市。山丘城市如四川廣元、陜西延安、湖北十堰、廣西桂林、湖南郴州等。

2.3.3 平原城市

這類城市距離大江大河及其重要支流、海岸線較遠，且地面高程低于江河洪水位以下，水位變幅較小，地勢平坦(包括盆地)、低洼，洪澇威脅嚴重，有的還兼受湖泊洪水的影響。平原城市因其獨特的自然環境，地區的防洪能力很難整體提高，因此，城市必須建設自成系統的自保防洪設施，如封閉式圈堤等。平原城市的水環境十分復雜，有的城市位于平川上或水網中，即平原（1）類城市；有的城市靠近天然湖泊，特別是濱湖的平原城市，不僅受到平原一般性洪澇災害的影響，而且受到湖泊洪水的威脅，即平原（2）類城市。這類城市的排澇問題較為突出，由于內河澇水容易受河湖高水位頂托，且頂托時間較長，地面標高較低，內部河道難以自流排水，故需要建立城鎮圩區或者防洪包圍圈，控制城市水面率，通過排澇泵站、水閘、骨干排澇河道等工程措施，保障排澇安全。

平原城市如四川成都、浙江嘉興、江蘇無錫、蘇州、常州、河北唐山、河南南陽、安徽宿州、吉林長春等。

2.3.4 沿海城市

這類城市主要指位于濱海感潮地區的城市，不僅受外河洪水的威脅，還受風暴潮影響。除江河堤防外，海堤(海塘)也是很重要的城市防洪設施，設防標準除洪水標準外，還有潮位標準。這類城市的排澇與年平均高潮位和多年平均高潮位息息相關，年平均高潮位越高排澇問題越突出，如上海年平均高潮位約為4.05 m，地面標高4～5 m，因此，地面排水受潮位影響較大，需通過堤防建立防洪包圍圈或者相對獨立的水利片區，控制河網水域面積，通過排澇泵站和水閘等工程措施，從而達到要求的排澇標準。

沿海城市如遼寧營口、山東日照、上海市、廣東廣州、浙江溫州、海南海口等。

2.4 城市建設與防洪排澇關系

城市防洪規劃是江河防洪規劃的一部分，也是城建規劃的組成部分，但在流域防洪規劃中有時對城市的發展考慮得不夠，有的城市總體規劃及控詳規則漠視城市防洪規劃，城市防洪除澇規劃又往往滯后于城建規劃，流域防洪規劃也未能充分考慮城市化發展對防洪的影響。城市總體規劃及控詳規有時在編制完成后才發現城市處在洪水風險中，防洪除澇設施與城市開發建設用地在安排上產生不少矛盾，因此，城市防洪排澇規劃應當處理好與流域防洪規劃、城市排水規劃和城市總體規劃間的關系，城市總體規劃及控制性詳細規劃編制之前應編制好城市防洪排澇專項規劃，提前控制河道藍線、水面率及水利工程用地規模，指導城市控詳規用地規劃[3]。

3 案例分析

3.1 區域概況

漳州臺商投資區地處漳州市東部，廈門市西部，南面為九龍江北港，東接廈門市海滄區，西連漳州市龍文區，北隔天成山與長泰縣接壤，南依九龍江下游的北港與紫泥鎮隔水相望，是連結漳州、廈門兩市的重要區域。區域總面積163.7 km2，常住人口22萬人，現狀水域面積2.62 km2，水面率1.6%。

3.2 防洪排澇標準

3.2.1 防洪標準

根據《防洪標準》和《城市防洪工程設計規范》（GB/T 50805—2012）規定，區域規劃人口規模未超過50萬，屬于比較重要的III等城市（中等城市），區域內部防山區洪水標準近期抵御10 a一遇，遠期提高至20 a一遇。防九龍江北溪洪水標準與九龍江流域標準統一采用100 a一遇，河口海堤防潮標準采用100年一遇。

3.2.2 排澇標準

按照國家標準《城市防洪工程設計規范》（GB/T 50805—2012）及《福建省城市排水排澇設計暫行規定》（閩水電（1997）水926號）規定，區域排澇標準為10 a一遇暴雨不受澇，逐時刻（1 h）內河水位不超過最高控制水位。

3.3 防洪排澇工程措施

規劃在充分利用現狀水利工程的基礎上，結合項目區總體規劃、控詳規采用“滯、疏、蓄、排、抽”等綜合治理措施。“滯”：在項目區上游設置蒼坂溪滯洪區、埔頭溪滯洪區、龍嶼港滯洪區以緩解山區洪峰流量。“蓄”：在下游設置江東臨時滯澇區、東美南門滯澇區、玉江滯澇區、流傳滯澇區、楊厝滯澇區、壺嶼港滯澇區及白礁滯澇區以增加河網排澇調蓄容量。“疏”：疏浚及整治排洪港、社頭港、低干渠、鳳山渠、曾溪、社內渠、玉江渠、東美南門渠、林美渠。“排”：改擴建白礁水閘、壺嶼港水閘、石美水閘、鳳山水閘、楊厝水閘、殿后水閘、社內水閘、玉江水閘、東美南門水閘、沃頭水閘。“抽”：新建壺嶼港排澇泵站、楊厝排澇泵站及沃頭排澇泵站。規劃河道總長度45.6 km，滯洪區面積37.3 hm2，滯澇區面積150.7 hm2，水面率由現狀的1.6%提高至2.0%，排澇泵站3座總流量190 m3/s，排澇水閘10座總凈寬121 m。

3.4 河網排澇計算模型

3.4.1 設計暴雨計算

項目區內沒有設立水文站，無實測流量資料，僅設有角美雨量站，可收集到實測降雨資料。角美雨量站有1973年～2011年的連續實測資料，1988年停測。角美站實測降雨資料記錄時段未統一，難以統計到逐年最大1 h、3 h、6 h降雨量。流域鄰近石碼站、漳州站，有45 a以上連續觀測資料。經過頻率計算得到暴雨參數，詳見表1。

3.4.2 產匯流計算

（1）山丘區

項目區上游非城市化區域產流計算采用初損后損法計算，匯流計算采用推理公式法和瞬時單位線法進行計算，計算參數根據《福建省暴雨查算手冊》查選。

表1 暴雨頻率計算成果

（2）城市化平原區域

城市化區域雨水通過地面漫流進入雨水收集系統，再由管渠輸送進入排水河道，雨水排水系統流量過程采用推理公式法推求。綜合徑流系數在0.65～0.9之間選取，降雨歷時根據雨水系統服務面積大小、管道長度、坡度的變化在30～80 min之間選取。

3.4.3 河網水力計算

3.4.3.1 基本方程

描述水流在明渠中運動的一維非恒定流基本方程是基于圣維南方程組，包括連續方程和動力方程。連續方程基于水量平衡原理，用于水量總體控制；動量方程原理為，作用于控制體的外力沖量與通過控制體表面的進出流體的凈動量的矢量和等于這一體積內的動量增量，用于描述水流的運動特性。

3.4.3.2 河網概化

河網概化包括河道及控制建筑物概化。河網概化遵循突出骨干河道，保留需重點研究的非骨干河道，并使概化后的河網調蓄庫容與實際保持一致，概化河道斷面過流能力、控制建筑物規模及調度情況與實際相一致的原則。本次計算涉及項目區內69條河道，總長度89.3 km，水工建筑物有沿江水閘、各河道上的橋梁、箱涵及沿江泵站，河道斷面布置接近1 500個，斷面間距50～300 m，最大不超過500 m，共有計算水位計算節點1 624個、流量計算節點1 496個。河道概化見圖1。

3.4.3.3 邊界條件和相關參數

（1）邊界條件

水利計算模型在選取邊界條件時充分考慮了平原洪水和山區洪水的錯時問題、澇水匯入問題及設計洪水與外海潮位的組合等情況，根據水文提供的成果資料，邊界條件的確定如下：

a.上邊界——河道上游邊界條件為項目區各匯流分區匯入河網的流量過程，山區流量邊界數量有14個，城市化平原區域流量邊界有25個。

圖1 河網概化圖

b.下邊界——采用九龍江北港的24 h潮位過程線作為下邊界。

（2）相關計算參數

河道斷面資料采用規劃設計藍線控制口寬及相應斷面型式，河道初始水位為預降水位1.5 m，糙率在0.013～0.03之間選取。

3.5 計算成果分析

經過河網水力計算表明，項目區澇水量1 800萬m3，泵站排澇歷時6 h，泵站排澇水量410萬m3，水閘排澇歷時28 h，水閘排澇水量1 390萬m3，內河啟調水位1.5 m，下游平原區域規劃地面標高5.0～6.0 m，相應最高水位可以控制在4.0～5.0 m之間，可以滿足20 a一遇排澇標準。

4 結論

城市化地區防洪排澇規劃應充分考慮現狀水系分布情況，與流域規劃、城市防洪規劃及總體規劃等上位規劃充分銜接，確定防洪排澇標準，根據項目區特點提出可行的防洪排澇規劃方案，根據路網規劃、豎向規劃及雨水排水規劃等專項規劃情況，科學合理地確定規劃河道規模、平面布置、藍線及陸域控制線，確定規劃水面率、河道常水位、預降水位及最高控制水位，進行水文分析計算，復核計算各防洪排澇規劃方案的計算成果，通過方案比較確定防洪排澇工程措施，確定工程規模，并注重非工程措施規劃。

[1]楊秀靜，譚聰睿．北京“7·21”暴雨引發的城市防洪排澇建設思考[J].海河水利，2013（1）：41-42.

[2]李原園，李琪，李蝶娟，等．城市防洪減災對策的研究[J]．水利規劃與設計，2003（4）：1-4．

[3]李月明，鄭雄偉．浙江省城市防洪排澇問題與對策[J]．水利規劃與設計，2012（3）：1-3.