基于出流管控與徑流分擔的內澇治理模式探討

關鍵詞：雨洪管理；內澇治理；流域管理；出流管控；徑流分擔；海綿城市

中圖分類號：ＴＵ９９２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．０１２

引用格式：田坤，宮永偉，于磊，等．基于出流管控與徑流分擔的內澇治理模式探討［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（５）：５５－６０，７５．

近年來，在全球氣候變化與快速城市化的交互作用下，自然水循環系統與自然排水格局發生了劇烈變化［１］ ，強降水等極端天氣發生的頻率與強度隨之增大，城市“雨島效應”日益嚴重，產匯流機制發生改變，世界各地內澇災害風險持續加劇［２］ 。世界氣象組織（Ｗｏｒｌｄ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ，ＷＭＯ）發布的２０２１年災害數據顯示［３］ ：１９７０—２０１９ 年全球報告的內澇災害占災害總數的４５％，造成的經濟損失占總損失的３１％。受東亞季風氣候影響以及城市化迅速發展與城市防洪排澇規劃不協調的多重影響［４］ ，我國是全球發生內澇災害最嚴重的國家之一［５］ 。２００９—２０１８ 年中國水旱災害公報統計數據顯示：中國每年遭受內澇災害的縣（市、區）平均為２ ０４２ 個，１０ ａ間因內澇災害而死亡失蹤９ ８２８ 人，直接經濟損失２２ ３５９．２８ 億元。２０２１ 年以來，內澇災害造成５ ９０１ 萬人次受災、死亡失蹤５９０ 人，直接經濟損失２ ４５８．９ 億元［６］ 。城市內澇成為影響我國城市公共安全的突出問題和制約城市可持續發展的重大障礙，保障城市水安全已成為國內外研究熱點。

發達國家和地區在應對城市內澇與實現城市水安全進程中已形成了一系列理論充實、技術完備的城市雨洪管理模式［７］ ，最具代表性的包括美國的低影響開發（Ｌｏｗ Ｉｍｐａｃｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ＬＩＤ）、最佳管理措施（ＢｅｓｔＭａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｐｒａｃｔｉｃｅｓ，ＢＭＰｓ） 和綠色基礎設施（ＧｒｅｅｎＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ＧＩ）［８］ ，英國的可持續排水系統（ＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅＵｒｂａｎ Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ，ＳＵＤＳ）［９］ ，澳大利亞的水敏感城市設計（Ｗａｔｅｒ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｕｒｂａｎ Ｄｅｓｉｇｎ，ＷＳＵＤ）［１０］ 等。在發達國家雨洪管理模式的影響下，我國逐步構建了以低影響開發為核心的城市雨水管理體系——海綿城市，研發了“源頭減排、過程控制、系統治理”工程技術與裝備［１１］ 。傳統雨洪管理措施可以調控中小降雨事件形成的雨水徑流，對于導致城市內澇多發的大到暴雨幾乎失效，需要系統管控雨水徑流并減少給下游城市帶來安全隱患［１２］ 。車伍等［１３］ 詳細解讀了歐美國家“大小排水系統”的概念、組成及關系，認為統籌“源頭減排－小排水－大排水”系統可實現對雨水的綜合治理。趙豐昌等［１４］ 進一步提出了以“徑流峰值管控”為抓手，通過“３Ｍ＋Ｒ”措施進行減排、削峰、錯峰以降低內澇風險。陳文龍等［１５］ 提出了基于“地－管－河”構成的“流域樹”城市防洪排澇體系，系統規劃流域內澇控制工程。

城市排水系統的研究大多局限在排放問題上，尚缺少有效的超量徑流消納途徑。此外，傳統的排水系統在非超標降雨事件下將雨水直接排放導致雨水資源浪費，而在應對超標降雨時，直接排放往往會給下游造成更大壓力，難以實現城市水安全與良性水文循環。２０２１ 年，國務院辦公廳發布了《關于加強城市內澇治理的實施意見》，提出因地制宜形成“源頭減排、管網排放、蓄排并舉、超標應急” 的城市排水防澇工程體系［１６］ ，從流域尺度用統籌的方式、系統的方法解決城市內澇問題十分必要。基于內澇治理的研究趨勢和國家需求，本文聚焦城市內澇頻發問題，在借鑒國內外出流管控與徑流分擔相關研究與實踐經驗基礎上，提出在流域末端控制點實行出流管控、流域內部進行徑流分擔的內澇治理模式，以我國北方城市某流域為例探討該模式的徑流管控能力，以期探索適用于我國新發展階段的內澇治理模式。

１典型國家及地區出流管控與徑流分擔模式

出流管控即對降雨徑流的瞬時流量進行控制［１７］ ，關鍵在于合理確定流域末端可以排放的峰值流量（即管控閾值）；徑流分擔即通過促滲減排系統、排水管渠系統、河湖水系、城市防洪系統等對超出管控閾值的徑流量進行分擔，進而減小對下游城市造成的內澇災害風險和損失。傳統雨洪管理模式在實踐中不斷發展，發達國家和地區涌現出對出流管控、徑流分擔等理念的研究和應用，近年來我國各地在城市雨洪管理進程中也開展了相關探索，典型國家／ 地區出流管控與徑流分擔研究主要內容見表１。

德國、日本、新西蘭等通過法規、導則等對排水主體外排量提出強制性控制要求，美國則實施“州－流域－城市”多層級排水規劃對末端排放的峰值流量進行逐級管控。美國提出利用集中或分散調蓄設施對超量徑流進行調蓄，德國的“去中心化”策略優先利用土地滲透的方式應對中小雨，而日本以及我國臺灣的總合治水模式則考慮流域內下滲、蓄滯空間應對不同重現期降雨產生的徑流。

徑流峰值及總量控制是我國海綿城市規劃設計的重要評價指標，在相關標準、規范中對出流量已有明確要求，見表２。

２基于出流管控與徑流分擔的內澇治理模式及其構建方法

２．１內澇治理模式

借鑒國內外徑流管控經驗，以流域為管控單元進行徑流控制，構建在流域干流末端進行出流管控、在流域干流沿線各排水單元進行徑流分擔的內澇治理模式。由圖１ 可以看出，以流域干流末端排放至城市主河道的峰值流量不超過管控閾值為約束條件，在流域內各排水單元構建從流域下滲、源頭減排、中途傳輸到末端調蓄的全過程雨水徑流管控體系，進行內澇排除、外水治理及內澇防御，從而達到流域及下游地區整體水安全目標要求。

２．２構建方法

本研究提出的基于出流管控與徑流分擔的內澇治理模式構建方法包括排水單元劃分、出流管控閾值確定、流域現狀管控能力評估、徑流分擔需求量計算、徑流分擔方案制定以及效果評估優化等步驟，該模式構建流程如圖２ 所示。

步驟１：排水單元劃分。按照空間信息法，結合流域內河道走向、路網結構、功能分區及行政區劃等進行排水單元多級劃分［３０］ 。

步驟２：出流管控閾值確定。流域干流峰值流量管控閾值，確定方法以保障流域內部及下游城市水安全為原則，根據流域實際降雨特征以及所屬行政區防洪排澇規劃等確定。對于缺少資料的地區，可依據所屬行政區編制的水文手冊等資料利用數值模型進行模擬分析，或根據建設區、非建設區流量組合法計算，將流域控制點徑流排放管控閾值記為Ｑ_ａ（ｍ^３／ｓ）。

步驟３：流域現狀管控能力評估。流域現狀徑流管控能力評估可采用監測法或模型模擬法。監測法即通過監測雨季各排口流量、流速等指標，分析流域現狀徑流管控能力；模型模擬法即采用數值模型模擬流域發生設計重現期洪水條件下的出流情況，繪制流域現狀水文過程線并計算現狀徑流管控能力。本文選用模型模擬法進行流域現狀管控能力評估。

步驟４：徑流分擔需求量計算。對流域干流末端排入城市主河道的流量實施管控，確保各管控單元外排流量不超過流域河道允許的最大排放流量。徑流分擔需求量求法示意見圖３。為實現“各流域末端排放流量峰值不超過管控閾值”的管控目標，需對流域各排水單元進行峰值流量管控，相應管控容積（即徑流分擔需求量Ｖ）根據現狀水文過程線與管控閾值綜合計算確定。若Ｑ_ａ ＞Ｑ_ｂ （Ｑ_ｂ 為流域控制點徑流排放峰值），則確定流域末端的出流管控閾值為Ｑ_ａ，暫不需要管控；若Ｑ_ａ≤Ｑ_ｂ，則將現狀水文過程線超出Ｑ_ａ 的部分確定為流域徑流分擔需求量Ｖ。徑流分擔需求量Ｖ（ｍ^３）的計算公式為

式中： ｔ_１ 為現狀水文過程線超過管控閾值的初始時刻，ｍｉｎ； ｔ_２ 為現狀水文過程線超過管控閾值的最末時刻，ｍｉｎ。

步驟５：徑流分擔方案制定。徑流分擔方案制定遵循因地制宜的原則，綜合考慮研究區域各排水單元的土地利用特征、雨水管網承載能力、灰綠設施調蓄能力和土壤滲透能力等因素。超過允許外排的水量由流域內部排水系統、低影響開發設施以及天然／ 人造調蓄空間進行消納或延遲排放，減少對下游地區造成侵蝕和破壞。

步驟６：效果評估優化。采用合理化公式等水文計算方法或數值模型對方案效果進行評估，本研究利用ＳＷＭＭ 模型模擬評估流域徑流管控方案，校核設計降雨條件下流域關鍵控制點的出流情況，判斷出流峰值是否達到防洪排澇要求，若未達到，則需進一步優化分擔方案，提高徑流管控標準直至達標。

３案例分析

３．１研究區域概況

選取北方某城市流域（下文統稱流域Ａ）進行案例分析。流域Ａ 兼具山地、平原及洼地等多種地形地貌，其下墊面特征、河湖水系、河道排水等方面具有城市流域的代表性。流域Ａ 面積約為１７５ ｋｍ２，其中建設用地是研究區域的主要地類，約占總面積的５０％。流域Ａ 屬于暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候區，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，多年平均降雨量６６０ ｍｍ，主要集中在６—９ 月。流域Ａ 土地利用類型如圖４所示。

３．２模型構建

３．２．１模型概化

ＳＷＭＭ 模型是美國環保署（ＥＰＡ）研發的動態降水徑流模型，可以用于場次降雨事件或多年連續降雨事件的水量和水質模擬，具有代碼開源、操作簡單等優點，廣泛應用于城市排水系統能力評估、海綿城市建設效果評價等［３１］ 。

本研究采用ＳＷＭＭ 模型模擬流域Ａ“徑流分擔”前后水文過程，研究區域模型概化見圖５。根據研究區域地形地貌以及河網、道路、建筑小區邊界等空間特征將流域Ａ 劃分為１６ 個排水單元。流域Ａ 現狀排水系統主要由雨水管網和河網構成，排水體制為雨污分流。本研究中，雨水管網主要沿城市主干道進行概化處理，根據《室外排水設計標準》（ＧＢ ５００１４—２０２１）有關設計洪水重現期的規定以及排水管網設計標準設置管徑［２７］ ，河網根據河道資料進行概化處理，各排水單元雨水徑流就近排入管道或河道中。

３．２．２參數賦值

ＳＷＭＭ 模型中各排水單元面積、特征寬度根據實際情況取值設置，坡度、高程信息根據ＤＥＭ 數據提取獲得，各排水單元不透水面積比根據土地利用數據計算獲得。其他產匯流參數參考相同研究區域的研究成果［３２］ 設置，所選３ 場降雨水量率定驗證的納什效率系數均大于０．５５，滿足納什效率系數應大于０．５ 的要求，參數設置可用于后續模擬分析。模型參數取值見表３。

３．２．３設計降雨

采用研究區域《水文手冊—暴雨圖集》平原區２４ ｈ雨型分配表與平原區設計雨量公式［３３］ 計算流域Ａ 不同重現期的設計降雨量，其中２０ ａ 一遇２４ ｈ 雨量為２５０ ｍｍ、５０ ａ 一遇２４ ｈ 雨量為３２０ ｍｍ。流域Ａ 河道徑流過程采用干支流錯頻洪水組合［３４］ ，即流域Ａ 末端控制點５０ ａ 一遇、１００ ａ 一遇洪峰分別由流域內各排水單元分別發生２０ ａ 一遇、５０ ａ 一遇降雨徑流組合而成。

３．３出流管控與徑流分擔模式

依據研究區域《防洪排澇規劃報告》確定流域Ａ末端控制點出流管控閾值和徑流分擔需求量。當北運河發生５０ ａ 一遇、１００ ａ 一遇洪水時，流域Ａ 末端控制點出流管控閾值分別為３１６、４５０ ｍ^３ ／ ｓ［３４］ 。利用ＳＷＭＭ 模型模擬控制點不同重現期洪水的流量變化過程線，根據出流管控閾值基線，按照公式（１）計算超過出流管控閾值基線的面積，即為徑流分擔需求量。為保證流域Ａ 開發建設不加重下游地區洪澇風險，流域開發后雨水徑流峰值不超過管控閾值，同時滿足徑流總量不超過場地開發前，確定“土地滲透、源頭減排、管網貯存、末端調蓄”為主的徑流分擔措施，具體如下。

（ １）土地滲透。土地滲透以面狀入滲為主［３５］ ，不同功能分區及建設區域土壤的滲透性能與土壤類型、土壤質地、土地利用方式、土壤容重等因素密切相關，通過分析流域Ａ 土壤特征得出流域各排水單元的土壤滲透特征參數，并將其作為ＳＷＭＭ 模型輸入。

（２）源頭減排。流域Ａ 源頭減排設施依據《海綿城市雨水控制與利用工程設計規范》（ＤＢ１１／６８５—２０２１）［３６］ 進行設置。根據２０１４ 年與２０２０ 年土地利用變化統計出增加的硬化面積，并按照設計規范估算流域Ａ 源頭減排設施工程量，透水鋪裝、下凹式綠地及調蓄池規模分別為１１．５ ｋｍ^２、０．７５ ｋｍ２和３５５ ｍ^３。

（３）管網貯存。雨水管網除具有傳輸雨水的功能外，還起到貯存部分雨水的作用。傳統雨洪模型構建中僅考慮管網的傳輸作用，本研究考慮了管網在徑流分擔中的雨水貯存作用，采用“等效排水法”對流域內雨水管網貯存能力以恒定下滲的方式進行概化處理。該方法可以有效提高產匯流過程的準確性和模擬的精度。

（ ４）末端調蓄。根據研究區域蓄滯洪區名錄，流域Ａ 建設（含規劃）３ 個蓄洪區（蓄洪容積分別為４．２×１０^５、３．３×１０^６、２．０×１０^５ ｍ^３）以及河道沿線蓄洪工程（蓄洪容積為２．６×１０^６ ｍ^３），總調蓄容積為６．５×１０^６ ｍ^３。

３．４實施效果

針對流域Ａ 自然特征和開發前后水文參數量化評估結果，對基于出流管控與徑流分擔的內澇治理模式的效果進行驗證分析，采取的評價指標為徑流總量和徑流峰值（峰值流量、峰現時間），具體評價結果如下。

３．４．１徑流總量控制

通過模型模擬分析，流域Ａ 末端控制點５０ ａ 一遇、１００ ａ 一遇降雨徑流量分別為４．４×１０^７ ｍ^３和５．６×１０^７ ｍ^３，徑流分擔前的總外排量分別為１．１×１０^５ ｍ^３和１．２×１０^５ ｍ３，徑流分擔后總外排量分別為４．０×１０^４ ｍ^３和５．９×１０^４ ｍ^３，徑流總量削減率分別達到６１．９％、４８．９％，通過多層級徑流分擔實現了流域內部徑流總量控制目標和流域水安全。

３．４．２徑流峰值控制

經計算分析，流域Ａ 末端控制點徑流變化曲線見圖６。流域Ａ 末端控制點徑流分擔前５０ ａ 一遇、１００ ａ一遇洪水峰值流量分別為４４９．２、６１６．６ ｍ^３ ／ ｓ，徑流分擔后峰值流量分別為２０５．５、３４１．５ ｍ^３ ／ ｓ，峰值流量削減率分別達到５４．３％、４４．６％，徑流分擔后流域Ａ 末端控制點峰值流量均未超過管控閾值。削減徑流峰值的同時取得了錯峰的效果，峰值時間分別延遲了２７、２２ ｍｉｎ。通過徑流分擔有效削減峰值流量、延遲峰值時間，滿足了控制點管控閾值要求，并保證了下游地區水安全。

４結論

（１）通過對國內外典型城市出流管控與徑流分擔的研究成果與實踐經驗的系統梳理，總結得出了適用于我國城市流域基于出流管控與徑流分擔的內澇防治模式，構建步驟：排水單元劃分—出流管控閾值確定—現狀管控能力評估—徑流分擔需求量計算—徑流分擔方案制定—效果評估優化。

（２）選取我國北方某城市流域進行應用分析，結果表明在５０ ａ 一遇、１００ ａ 一遇洪水情景下，流域控制點徑流峰值滿足管控閾值要求，該模式可有效降低流域內部及下游城市的內澇災害風險。

（３）在流域尺度充分考慮自然水循環系統特征并科學確定管控閾值，在排水單元尺度因地制宜制定合理可行的徑流分擔方案，通過構建“土地滲透、源頭減排、管網貯存、末端調蓄”多尺度、多層級的全過程徑流管控體系，可以達到流域及下游徑流峰值及總量控制目標，并滿足城市內澇防治要求。

綜上，基于出流管控和徑流分擔理念的內澇治理模式及應用方法，可為城市內澇治理提供理論基礎和技術支撐，在未來城市內澇治理實踐中具有較大的推廣價值。

【責任編輯 許立新】