基于城市極端強降水事件的海綿城市低影響開發(fā)措施研究

葉雅倫 龍 亮

（貴州理工學院經(jīng)濟管理學院，貴州貴陽 550001）

1 研究背景

聯(lián)合國政府專門氣候變化委員會（IPCC）在第五次報告中明確指出：19世紀初至今，盡管1998～2012年期間全球平均地表溫度的升溫速率有所減緩，但仍呈增長趨勢，未來仍有持續(xù)變暖的趨勢[1]。

在此背景下，氣候變暖加速水循環(huán)，洪澇、干旱等極端水文事件頻發(fā)。全球氣候變化關(guān)聯(lián)的極端水文事件及其增加的水災害風險正成為人類生存所面臨的重大挑戰(zhàn)。據(jù)全球性綜合災害數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2001～2011年期間，暴雨洪澇是全球范圍內(nèi)發(fā)生最頻繁的自然災害，受到影響的人口數(shù)量遠超過其他所有自然災害總和，累計直接經(jīng)濟損失高達1 850億美元。

近十年來，我國不同地域發(fā)生了不同強度的極端降水事件，如2020年6月以來我國南方持續(xù)性強降雨，安徽黃山、岳西、湖北鶴峰等地累計降雨量超過1 400 mm，1 938萬人次受災，直接經(jīng)濟損失416.4億元[2]。我國暴雨洪澇頻發(fā)，極端降水事件導致的氣象災害嚴重影響了城市的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展，加劇了社會和城市的脆弱性。

城市作為人類活動的重要區(qū)域，其發(fā)展與氣候變化聯(lián)系緊密，極端降水事件引發(fā)的洪澇災害已成為制約城市經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素。2015年以來起，我國積極推進海綿城市建設(shè)工作，提出通過運用生態(tài)型雨洪管理措施，修復城市水生態(tài)和涵養(yǎng)水資源能力，提高城市的防澇能力，解決城市內(nèi)澇問題。

本文基于我國極端降水事件，分析了近幾年我國主要城市暴雨內(nèi)澇特點及成因，探討了城市內(nèi)澇與氣候變化之間的關(guān)聯(lián)。從氣候變化的視角，結(jié)合海綿城市低影響開發(fā)措施，對城市內(nèi)澇提出了相關(guān)建議。

2 城市暴雨內(nèi)澇特點及成因

2.1 城市暴雨內(nèi)澇特點

城市暴雨內(nèi)澇災害是指由于短時間內(nèi)強降雨，超過城市排水能力，大量降水排水不暢無法快速滲透，造成市區(qū)產(chǎn)生積水災害、對公共安全產(chǎn)生影響的氣象災害。

（1）城市暴雨內(nèi)澇災害在我國大中型城市頻發(fā)。

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部對我國351座城市的數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，2008～2010年我國有62%的城市發(fā)生過不同程度的洪澇，其中洪澇災害超過3次以上的城市有137座[3]。從地域上看，城市內(nèi)澇在全國各地都有發(fā)生，東部、西部和中部，南方或者北方，沿海地區(qū)或者內(nèi)陸地區(qū)，如南方深圳、南寧、武漢等城市，北方地區(qū)如北京、石家莊、長春等城市近幾年受內(nèi)澇災害影響較大，且區(qū)域性極端強降水往往造成點多面廣式的城市暴雨洪澇災害。

（2）城市暴雨內(nèi)澇災害造成的經(jīng)濟損失巨大。

據(jù)統(tǒng)計，洪澇災害所造成的損失在全球各種自然災害中占比40%，占比最高。近年來，隨著城市化發(fā)展，城鎮(zhèn)規(guī)模逐步擴大，特別是基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)增速加快，城市在極端降水事件及其衍生災害方面的脆弱性越來越顯著，災害損失也越來越大。

2.2 城市暴雨內(nèi)澇成因

城市暴雨內(nèi)澇的發(fā)生是各方面因素綜合作用下的結(jié)果，致災因素復雜。城市暴雨內(nèi)澇災害直接由極端強降水事件引起，氣候變化帶來的極端降水是城市暴雨內(nèi)澇災害的主要致災因子。我國城市內(nèi)澇原因主要是特大暴雨，地勢低洼、排水管網(wǎng)設(shè)計標準低致使無法及時排出超，標雨水形成的徑流造成內(nèi)澇。因此，致災因素可以總結(jié)為自然與人為兩方面。自然致澇因素主要有水文氣象及下墊面因素，人為致澇因素主要有市政工程及排水設(shè)施因素、設(shè)施管理因素。

（1）自然致澇因素。

近年來，隨著全球變暖對水循環(huán)要素的時空分布特征的影響加劇，且城市化發(fā)展使得“熱島效應(yīng)”顯著，致使城市大氣層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，對流性極端降水頻次和強度呈增加趨勢。此外，我國正處于一個社會經(jīng)濟快速發(fā)展的時期，在快速城市化的過程中，下墊面不透水面積占比也逐漸增大。1995～2016年期間，西安市城鎮(zhèn)面積平均每年增加28.88 km2，城市透水區(qū)域的綠地如林地、園地等面積變化較小，西安主城區(qū)耕地、荒地變?yōu)橐运唷⒒炷翞橹鞯某鞘械乇恚聣|面滲透系數(shù)減小，不透水面積大幅度增加[4]。城市下墊面的改變促使城市地表徑流的時空模式及水循環(huán)過程發(fā)生變化，不僅會減少雨水下滲量，而且會引發(fā)降水突增的正反饋效應(yīng)及蒸散發(fā)驟減的負反饋效應(yīng)，導致地表徑流系數(shù)增加。與此同時，硬化地面的地表曼寧系數(shù)與透水區(qū)的綠地相比較小，雨水徑流的匯聚速度更快，極易在地勢低洼路段和下穿通道形成內(nèi)澇積水。

（2）人為致澇因素。

短歷時、高強度局地暴雨誘發(fā)的內(nèi)澇主要發(fā)生在城區(qū)局部地勢低洼區(qū)域，如下凹式立交橋、局部低地等。隨著城市化的過程中不斷朝立體方向發(fā)展，部分地勢相對低洼，極端降雨事件發(fā)生時，地面排水不暢，低洼地區(qū)易迅速積水。同時，硬化地表的曼寧系數(shù)的減少，徑流系數(shù)的增加，導致峰值徑流量增加，徑流匯聚時間縮短，城市雨水排放系統(tǒng)的流量負荷大幅度增加。尤其是部分老舊城區(qū)管網(wǎng)排水設(shè)計能力不足，雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期標準較低，匯入雨水不能及時排出。此外，在設(shè)施管理方面，部分城市建設(shè)排水系統(tǒng)規(guī)劃不夠長遠、系統(tǒng)，存在防洪排澇規(guī)劃不達標、市政排水及應(yīng)急措施未規(guī)范化管理、蓄洪空間未充分利用等問題。

3 氣候適應(yīng)性海綿城市建設(shè)的思考與策略

海綿城市的建設(shè)是將城市建設(shè)成為具有吸收、凈化、儲存雨水集一體的海綿式特性的城市，是有效解決城市內(nèi)澇災害問題的方法。本文結(jié)合氣候變化對解決城市極端降水事件可采取的海綿城市低影響開發(fā)措施進行分析，以期提高海綿城市的氣候適應(yīng)性，從防災減災與氣候變化的角度建設(shè)城市暴雨內(nèi)澇災害防御機制。

3.1 將氣候變化納入海綿城市規(guī)劃建設(shè)

城市極端降水事件的發(fā)生，考驗海綿城市系統(tǒng)的性能和水平，做好城市合理規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)質(zhì)量把控，對減少氣候變化帶來的不確定性、提高城市防御極端氣候災害的能力十分重要。因此應(yīng)在城市各相關(guān)規(guī)劃中關(guān)注氣候變化帶來的影響，制定相關(guān)的應(yīng)對措施，為后續(xù)海綿城市設(shè)計、施工、運營管理環(huán)節(jié)提供支撐，充分發(fā)揮海綿城市對雨洪的調(diào)蓄作用。建設(shè)前要對當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)等進行調(diào)查分析，掌握當?shù)爻鞘袣夂蜃兓约皹O端降水事件的規(guī)律和特點，結(jié)合事件下的城市排水問題，通過生物滯留池、雨水花園、地下蓄滲等低影響開發(fā)措施，充分利用城市蓄洪空間，最大限度提高城市對未來可能頻發(fā)的極端降水事件的應(yīng)對能力，降低降雨不利影響及損失，構(gòu)建高水平的海綿系統(tǒng)。

3.2 建立基于氣候變化的海綿城市預警系統(tǒng)

目前，國內(nèi)已有的洪澇災害分析預報大多基于以往的基礎(chǔ)資料，采用數(shù)值統(tǒng)計方法，建立時間序列與暴雨洪澇各要素之間的簡單函數(shù)關(guān)系進行預測，對于氣候變化和趨勢性分析精度較差。因此，海綿城市建設(shè)需建立基于氣候變化分析的城市內(nèi)澇預警信息系統(tǒng)，例如借助人工智能重建缺失數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)對氣候變化進行分析，建立基于氣候變化情景的水文氣象耦合模型進行模擬等，提高水文預報結(jié)果的可靠性，對氣候變化和極端天氣對城市可能產(chǎn)生的不利影響具有災害預見性，從而增加城市應(yīng)急和防洪排澇時間，提升城市低影響開發(fā)措施應(yīng)對極端天氣的能力，保障海綿城市的建設(shè)價值與效益。

3.3 確定基于氣候變化分析的海綿城市低影響開發(fā)措施

氣候變化包括空間和時間上的多維度變化，目前我國海綿城市建設(shè)以年徑流總量控制率作為規(guī)劃控制目標。然而，在實際生活中，我國降水時空上通常呈現(xiàn)非均勻分布，極端降水往往占全年總降雨量的大部分，尤其是我國北方的干旱、半干旱地區(qū)，如鄂爾多斯、赤峰等，暴雨占全年雨量的60%～70%，因此僅將年徑流總量控制率作為海綿城市建設(shè)規(guī)劃控制目標，無法較好地實現(xiàn)城市內(nèi)澇防治。

李玲[5]分別對西安、無錫過去的極端降水事件進行了分析，發(fā)現(xiàn)以西安和無錫為代表的南北兩地極端降水事件發(fā)生的頻率、強度變化趨勢不同，西安以常規(guī)降雨為主，且在全球氣候持續(xù)變暖的大趨勢下，區(qū)域總體趨于干旱；無錫的城市內(nèi)澇風險在增大，城市建設(shè)在應(yīng)對極端天氣方面的要求將更高。因此，基于氣候變化分析，建立科學的海綿城市建設(shè)效果評估方法，因地制宜，根據(jù)評估結(jié)果指導、改進海綿城市低影響開發(fā)措施的建設(shè)也十分重要，在做好防汛減災和應(yīng)對常規(guī)降雨的同時，更多考慮對雨水資源的合理利用，充分發(fā)揮海綿城市建設(shè)對雨洪資源的調(diào)蓄作用，加強徑流源頭與過程控制，建設(shè)灰綠設(shè)施協(xié)同作用的海綿城市，提升未來城市的氣候適應(yīng)性。

4 結(jié)語

綜上所述，城市內(nèi)澇災害已成為制約城市經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素，氣候變化帶來的極端降水是城市暴雨內(nèi)澇災害的主要致災因子，但城市內(nèi)澇的發(fā)生是各方面因素綜合作用下的結(jié)果，致災因素復雜。通過分析我國近年來的內(nèi)澇災情，可知其成因分為自然因素和人為因素兩方面，主要包括水文及下墊面因素、市政工程及排水設(shè)施因素、設(shè)施管理因素等。針對內(nèi)澇誘發(fā)因素，提出了氣候變化背景下城市的內(nèi)澇防治對策，包括將氣候變化納入海綿城市規(guī)劃建設(shè)、建立基于氣候變化的海綿城市預警系統(tǒng)、確定基于氣候變化分析的海綿城市低影響開發(fā)措施。