對武漢內澇及湖泊調蓄功能的探討

方 正，王 渲

(武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072)

近年來頻發的內澇災害對數座城市造成重創。2016年7月初，武漢遭遇持續1周的暴雨襲擊，致使中心城區200多處漬水，受災最嚴重的南湖片區多處漬水數日未退，武漢內澇一時引來多方矚目與審視。不少人開始質疑海綿城市建設的作用，然而作為海綿城市試點的第一年，武漢市試點區范圍僅為38 km2，對于全市553 km2范圍內的內澇而言，其發揮的作用只是杯水車薪。城市排水防澇是海綿城市建設的重點，內澇頻發更體現出當前推動海綿城市建設的必要性和緊迫性[1]。

《海綿城市設計技術指南》指出城市水系是超標雨水徑流排放系統的重要組成部分。武漢市湖泊水面率為11.1%，居全國首位[2]，擁有排澇路徑短的先天優勢。如果能充分發揮湖泊的調蓄作用，應對暴雨漬水的潛力巨大。將湖泊納入海綿城市建設體系中，通過優化調度最大限度地發揮湖泊的調蓄作用，將是武漢市內澇防治最經濟有效的措施。此外，本次內澇全市漬水最嚴重的南湖及湯遜湖片區臨湖而建，也應當引起我們對其水災背后潛藏的城市水生態問題的思考。

1 南湖、湯遜湖片區2016年7月漬水原因分析

(1)有據以來最大周降雨量與長江高水位疊加。據氣象歷史資料比對結果，2016年7月累計1周雨量582.3 mm，創下近年來最高紀錄(見圖1)。從5日20時至6日15時，全市共有65個氣象監測站降雨量超過200 mm，達到特大暴雨級別。與此同時，長江上游來水量大，致使中游干流宜昌至九江段水位全線上漲，6月30日8∶00，漢口站水位達25.02 m，超過設防水位0.2 m[3]。武漢臨江而建， 長江水位高漲對城市防洪排澇極為不利[1]。

圖1 武漢氣象站周降水量最大值Fig.1 The maximum rainfall in a week in Wuhan

(2)地勢低洼，漬水難以排湖。南湖、湯遜湖片區地勢低洼，路面與所處的湯遜湖水系主要調蓄河湖(湯遜湖、南湖、巡司河、夾套河等)汛期水位幾乎持平。遙感監測發現漬水多日不退的南湖西部小區地面高程低于南湖水位近1 m[4]，漬水受水位頂托作用難以排湖。如：南湖雅園小區地面高程為19 m左右，而本輪降雨中南湖水位最高超過20 m，小區漬水與南湖水連通，只能在南湖水位下降后，漬水才有消退的去路。全市93%的漬水點7日消退，而南湖雅園小區11日仍陷于50～70 cm漬水中。

(3)地表徑流系數增大，城市排水系統排水能力不足。大規模的城市化建設，硬化導致不透水面積增加。2010年武漢市核心區684 km2內地面硬化率達90%，核心區外930 km2地面硬化率達70%。地表徑流系數增大，需要外排的徑流量大幅增加。與之相對應的城市排水管渠系統排水能力明顯不足，建設標準低，且淤塞現象嚴重，排水效率低下[5]。本次南湖及湯遜湖片區漬水嚴重的地區，多處曾為承擔蓄水、分洪功能的湖泊、濕地。

(4)南湖調蓄能力及湯遜湖泵站抽排能力有限。南湖湖泊面積7.67 km2，次于湯遜湖(47.62 km2)及東湖(32.8 km2)，為武漢市第三大城中湖[2]。與湯遜湖及東湖相比，南湖體量小且為封閉湖，調蓄能力有限。同時，南湖、湯遜湖片區所屬的湯遜湖水系各湖泊水位常年處于較高水平，減小了湖泊的調蓄容積，制約其調蓄能力的發揮。另一方面，南湖通過南湖連通渠、巡司河與長江連通。非汛期，南湖水位高于長江，雨水進入南湖后自流入江。而在汛期，長江水位高于水系內水位，為避免江水倒灌，關閉解放閘及陳家山閘，南湖水被疏排至16 km外的湯遜湖泵站抽排入長江[6](見圖2)。湯遜湖水系僅有湯遜湖泵站一個排江出口，汛期抽排能力嚴重不足。同時受到河湖水位頂托，水系調蓄功能嚴重受限，造成周邊地區漬水嚴重、消退緩慢。

圖2 湯遜湖水系排江示意圖Fig.2 The drainage system of Tangxunhu river system

2 湖泊調蓄功能探討

2.1 武漢市湖泊萎縮現狀

武漢市近年來的城市擴展造成水系被割裂、湖泊面積萎縮，湖泊演化呈現出“大湖破碎成小湖，小湖漸次消失”的態勢[7]。數據顯示，武漢在1973-1979年僅7 a間，全市湖泊面積減小超過300 km2；在2009-2013年的5 a間，中心城區湖面積由278.76 km2下降到264.73 km2，減小速度明顯放緩，但面積萎縮的趨勢仍在[8]。人類活動導致城市水生態系統失衡，削弱了水系的防洪調蓄功能。

(1)圍湖墾殖、填湖造陸：湖泊被填平開發成樓宇(見圖3)，一方面阻礙雨水直接排湖，90%以上的雨水需途經管網排放；另一方面導致地面徑流系數變大，徑流量增加、徑流峰值提前。這對城市排水系統提出了更高的要求，然而目前武漢的排水系統顯然無法擔此重任。

圖3 沙湖(西南一角)填湖蓋樓現象Fig.3 Buildings encroach on lake in Shahu area

(2)淤淺沉積：長江中游流域內的泥沙沖淤使江漢湖群有較大的沉積速率[9]，加速了湖泊萎縮，同時也令湖泊調蓄功能大打折扣。2005年對東湖湖底掃描發現，平均淤泥厚度 1.06 m，淤泥總量達到3 522 萬m3，約為東湖庫容的30%[10]。現如今內澇頻發，武漢市應停下向湖泊索取空間的腳步，以穩定生態平衡為前提，在發展與保護之間尋求新的平衡。武漢市正在構建的江湖水系格局一旦形成，必將全面提升湖泊的生態功能，有效緩解武漢內澇。另外，若能對湖泊進行全面清淤，湖泊的調蓄能力將得到大幅提高。

2.2 南湖調蓄能力估算

武漢市中心城區及新城區共有166個湖泊，湖泊總匯水面積達5 925.2 km2，正常水位時的水面總面積達到779 km2，居全國各大城市首位[2]。湖泊在防澇減災方面發揮了一定效能，但水系割裂、缺乏調度等實際情形制約了湖泊防澇調蓄功能的進一步發揮。下文結合2016年6月30日至7月6日一周降雨量實測數據，對南湖水位水量變化進行粗略計算，估算南湖調蓄能力，并以此為依據，對湖泊調蓄功能的充分挖掘提出建議。

(1)南湖入流量估算。估算中采用從湖北省氣象局獲取的實測降雨資料(見圖4)。采用徑流系數法計算連續一周降雨下的地面徑流過程，不考慮徑流在地面及管道中的流行時間，則匯入南湖的雨水量計算公式為：

Wi=1 000×ψFpi

(1)

式中：Wi為第i時段的南湖入流量，m3/h；ψ為綜合徑流系數，取0.8；F為匯水面積，南湖匯水區域面積為44.7 km2[11](見圖5)；pi為第i時段的降雨量，mm，i=1，2，…，24，每個時段為1 h。

圖4 一周降雨過程線Fig.4 Rainfall process line in a week

圖5 南湖匯水區示意圖Fig.5 Catchment area of Nahu lake

(2)南湖出流量估算。南湖水通過南湖連通渠排出(見圖2)，與連通渠相接處有節制閘控制出流量，閘門特性如表1所示。

表1 南湖連通渠節制閘特性Tab.1 Characteristics of the Nanhu connect drainage gate

雨水匯入南湖，再通過閘門出流，湖水水位是動態變化的。估算中以每1 h為1個降雨時段，計算南湖入流量Wi，由此可得水位上升高度。再由出流量求得該時段水位下降高度。按照寬頂堰閘孔自由出流計算南湖出流量，計算公式見式(2)。湖面初始水位按南湖汛前控制水位取為19.28 m。為簡化計算，閘門開閉方案為：當水位高于汛前控制水位19.28 m時全開；反之全閉。每1時段水位標高按公式(3)計算。

(2)

Hi=Hi-1+ΔHi-ΔH′i-1

(3)

式中：Qi為第i時段的出流量，m3/h；b為閘孔斷面寬度，2個閘孔總寬度為10.4 m；e為閘孔開度，全開狀態取2.5 m，全閉狀態取0；ε為垂直收縮系數，取0.9；Hi為第i時段的湖面水位，m；Hz即為閘底高程，16.74 m。ΔHi為第i時段湖面上升水位，m；ΔH′i-1為第(i-1)時段湖面下降水位，m。

(3)南湖水位變化。在考慮閘門排水及不考慮閘門排水兩種情況下分別計算，得到南湖水位變化曲線如圖6所示。可知考慮閘門排水時，湖泊水位在降雨量最大時達到19.91 m，超過南湖最高控制水位19.88 m。同時，將所有時段南湖入流量、出流量分別加和，相減得到南湖凈增水量為220 萬m3。與不考慮閘門排水的情況相比，水位得到有效控制。因此，對閘門的合理調度對于湖泊調蓄能力的發揮至關重要。

圖6 估算得一周湖泊水位變化曲線Fig.6 Calculation result of level line in a week

圖7 南湖連通渠斷面圖Fig.7 Nanhu connect drainage

估算中并未考慮湯遜湖泵站抽排能力不足及外江水位高漲等條件對南湖排水的不利影響(如下游壅水等)。同時，南湖距離整個水系的排水口湯遜湖泵站較遠，且南湖連通渠斷面偏小(見圖7)，雨峰期間區間來水較大，造成南湖排水不暢。因此，南湖水位的真實變化曲線應介于圖6中不考慮閘門排水及考慮閘門排水兩條曲線之間。

2.3 充分發揮湖泊調蓄功能

本輪降雨中，東湖水系未發生嚴重內澇。一方面是由于東湖體量大，且東、沙湖聯通，同時，東湖水系有比較完善的排江管渠(2條外排港渠：① 通過新溝渠經羅家港后由羅家路泵站抽排入江；② 通過水果湖、楚河經沙湖后由新生路泵站、前進路泵站抽排入江)，因此具有較強的雨水調節能力。另一方面，相比于南湖和湯遜湖，東湖生態環境較好，周圍林地、濕地相對較多，在雨水排湖時起到延緩徑流峰值的作用(見圖8)。因此，東湖具有很強的調蓄能力，但并未在本次南湖片區內澇中得到充分發揮。

圖8 東沙湖水系衛星圖Fig.8 Satellite map of Dongshahu river system

實際上，對于整個湯遜湖水系的雨水排江任務而言，湯遜湖泵站抽排能力嚴重不足。整個湯遜湖水系匯水面積為423.8 km2，湖泊總面積約為75.5 km2。按式(1)計算可得湯遜湖水系在本輪一周降雨中的總入流量為1.709 44 億m3。此外，湯遜湖水系唯一排江泵站-湯遜湖泵站抽排能力為142.5 m3/s，由此計算整個區域的抽排水量。若按湯遜湖泵站最大抽排能力持續工作7 d，可抽排總水量為8 618.4 萬m3，則水系一周凈增蓄水量為8 476.0 萬m3，湖泊水位平均上漲1.12 m。對于常年處于高水位的南湖、湯遜湖而言，汛前預降1.12 m的調蓄水深難度很大。

東沙湖水系湖泊面積分別為東湖32.8 km2、沙湖2.9 km2、楊春湖0.49 km2。匯水區域總面積176.9 km2。同樣的，按式(1)計算可得東沙湖水系在本輪一周降雨中的總入流量為6 243.5 萬m3(區域多林地、濕地，故綜合徑流系數取0.7)。此外，按照東沙湖水系泵站抽排能力(見表2)計算區域抽排水量，若所有泵站均按其最大抽排能力工作5 d，可抽排總水量為5 788.8 萬m3，則水系一周凈增蓄水量為455.7 萬m3，湖泊水位平均上漲0.126 m。相比于東湖1.2 億m3的總庫容，其調蓄能力顯然未得到充分發揮。按照東湖20.35 m的最高控制水位，及19.6 m的常水位計算，其在本輪一周降雨中的調蓄余量為2 079.9 萬m3。如果按東沙湖水系所有泵站全力抽排7 d計算，東湖的調蓄余量達到4 182.6 萬m3，這對于接納湯遜湖水系的溢流量效果可觀。

表2 東沙湖水系泵站抽排能力 m3/s

南湖和湯遜湖過去與東湖自然聯通，隨著城市建設逐漸演變成為獨立的封閉湖。遭遇暴雨襲擊時，南湖和湯遜湖的水量只能依靠人工泵站排江。如果實現湖泊連通，暴雨時使東湖得以接納南湖及湯遜湖無法調蓄的水量，將有效緩解湯遜湖水系的大面積漬水現象。前文的估算結果驗證了東湖的調蓄潛力，其汛期調蓄余量完全足夠接納湯遜湖水系的溢流量，緩解南湖及湯遜湖片區漬水。特別當長江水位上漲，雨水不能自流排江的情況下，東湖水系更應發揮其調蓄能力，減輕武昌城區雨水直接排江的壓力，緩解城市內澇現象，同時節省泵站運行費用。

此外，優化湖泊的運行調度是充分發揮其調蓄作用的必要途徑。武漢市湖泊很多由于農漁養殖功能，平時蓄水較高；另外，為保護湖泊環境，周邊興建節制閘和截污管，僅在暴雨時應急開啟[12]。解決上述問題造成的湖泊調蓄功能發揮受阻，只能依靠湖泊的運行調度。結合氣象部門預警預報，在汛前預先搶排湖泊蓄水量，使湖泊水位降到臨時最低水位，最大程度擴大湖泊的汛期調蓄容積。目前，武漢市166個湖泊調度運用的平均調蓄水深約為1 m，總調蓄容積約為7.79 億m3[13]。若汛前預降水位相對調度現狀降低0.2 m，總水面積按正常水位面積的0.8計，相應擴大調蓄總容積1.2 億m3。另一方面，應及時有效地調節各湖泊節制閘開度，保證汛期湖泊排水通暢。

要充分發揮湖泊的調蓄功能，對湖泊、濕地的保護仍然是根本，此外，河道、湖泊水體的清淤，疏浚，讓湖泊有空間接納雨水也是湖泊管理中應該注意的問題。

3 結 語

湖泊眾多是武漢市防內澇的有利自然條件，充分發揮武漢市湖泊調蓄調洪潛力，是武漢市防內澇最經濟有效的措施[13]。消除極端天氣帶來的城市內澇，不能單純依靠城區內的小型海綿體，武漢市的海綿城市建設必須將發揮湖泊群的調蓄功能納入其中。通過優化調度，將城區湖泊群作為一個巨大的“海綿”體，發揮各個湖泊協同作用，通過多湖連通、預警預報、騰挪庫容等優化調度方案，實現“小雨不積水、大雨不內澇”的排水防澇目標。

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