陳文龍，徐宗學(xué)，張 印，宋利祥，楊 芳，4

(1.珠江水利委員會(huì) 珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611；2.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院，北京 100875；3.城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；4.清華大學(xué) 土木水利學(xué)院，北京 100084)

1 引言

隨著我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，在城市開發(fā)建設(shè)用地高度緊張的制約下，高強(qiáng)度、高密度開發(fā)已成為城市化發(fā)展的必然趨勢，城市熱島及雨島效應(yīng)凸顯[1-3]，短歷時(shí)強(qiáng)降雨頻發(fā)，加之城市中天然雨洪調(diào)蓄場所銳減，地面硬化顯著改變地表產(chǎn)匯流特性[4-5]，導(dǎo)致了嚴(yán)重的城市暴雨洪澇災(zāi)害[6-7]。在城市人口、建筑物以及各類設(shè)施高度密集區(qū)域，“淹不起、澇不得”，洪澇須高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防；同時(shí)，城市用地高度緊張，泄洪通道變窄甚至消失，大幅提標(biāo)難度大。以粵港澳大灣區(qū)為例，根據(jù)已批復(fù)的《粵港澳大灣區(qū)水安全保障規(guī)劃》(2021年)，廣州、深圳規(guī)劃城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)將提高到100年一遇，珠海、佛山、東莞、惠州、中山、江門、肇慶等城市為50年一遇。而目前大灣區(qū)城市普遍僅能抵御10～20年一遇設(shè)計(jì)暴雨，與規(guī)劃目標(biāo)存在明顯差距。另一方面，大灣區(qū)城市高強(qiáng)度高密度開發(fā)，用地高度緊張，又嚴(yán)重制約城市著暴雨洪澇治理。同時(shí)，大灣區(qū)高度城鎮(zhèn)化過程中，由于當(dāng)時(shí)城市規(guī)劃缺乏前瞻性，城市高強(qiáng)度、高密度開發(fā)沒有為城市未來內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)提升預(yù)留足夠空間[8]。城市內(nèi)河臨河建筑物密集，河道橫向拓展空間受限；地下管線復(fù)雜密布，擠占排水管網(wǎng)升級(jí)改造空間。在用地高度緊張背景下，大幅度地系統(tǒng)提升城市內(nèi)澇防治能力是高密度城市暴雨洪澇治理的重大難題與挑戰(zhàn)[9-10]。

縱觀國內(nèi)外洪澇治理策略，大致分為兩個(gè)階段：一是以傳統(tǒng)的“灰色基礎(chǔ)設(shè)施”建設(shè)為主，快排的治理思路；二是灰色與綠色基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合的工程措施體系，在快排措施基礎(chǔ)上增加源頭減排和滯蓄措施。傳統(tǒng)的城市洪澇防治體系由排水系統(tǒng)和排澇系統(tǒng)構(gòu)成，海綿城市概念的提出為我國城市洪澇治理提供了新思路[11-13]，由此形成了由城市海綿、市政排水和水利排澇三個(gè)子系統(tǒng)組成的城市防洪防澇系統(tǒng)[14]。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，受制于不同行業(yè)、不同規(guī)范限制，當(dāng)前城市洪澇治理策略仍以快排為主，治理模式多為洪澇分治，如何統(tǒng)籌城市海綿-排水系統(tǒng)-排澇系統(tǒng)是當(dāng)前我國城市洪澇治理的主要方向。

針對(duì)上述問題，我國學(xué)者開展了一系列相關(guān)研究。王浩[15]指出城市洪澇防治需建設(shè)與城市洪澇防治標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)的排水、排澇系統(tǒng)。夏軍[16]認(rèn)為新形勢的城市洪澇防治，應(yīng)在堅(jiān)持城市綠色發(fā)展新理念的基礎(chǔ)上，實(shí)施綜合治理和系統(tǒng)管控。張建云等[17]指出我國現(xiàn)階段的防洪、除澇與管網(wǎng)排水標(biāo)準(zhǔn)均不一致，城市洪澇防治中各標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)協(xié)調(diào)和銜接。陳文龍等[14，18]基于粵港澳大灣區(qū)城市“洪澇同源”的流域系統(tǒng)整體觀，開展了城市洪澇治理工程優(yōu)化布局研究，為我國城市洪澇治理提供了新思路?？傮w而言，我國在城市暴雨洪澇治理理論方面已取得了一些研究成果，但針對(duì)高密度城市的暴雨洪澇治理理論體系尚不完善。

本文通過分析傳統(tǒng)洪澇治理模式及其在高密度城市的適應(yīng)性，從目標(biāo)、內(nèi)涵、方法等三個(gè)層次，提出高密度城市暴雨洪澇治理理論框架，并結(jié)合實(shí)際案例，闡述該理論在洪澇治理工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用模式，旨在為我國高密度城市洪澇災(zāi)害防治提供科學(xué)理論支撐。

2 傳統(tǒng)洪澇治理模式及其適應(yīng)性分析

2.1 傳統(tǒng)城市暴雨洪澇治理模式特征解析城市防洪防澇系統(tǒng)主要包括城區(qū)市政排水系統(tǒng)和城市內(nèi)河水系水利排澇系統(tǒng)，以及城市外江洪水防御系統(tǒng)。其中，市政排水系統(tǒng)和水利排澇系統(tǒng)分屬市政和水利兩個(gè)獨(dú)立的行政部門，導(dǎo)致長期以來兩個(gè)排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立，彼此之間銜接不緊密，主要表現(xiàn)在：(1)兩者采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同，市政排水標(biāo)準(zhǔn)以《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)，針對(duì)城區(qū)內(nèi)較小匯水面積上低重現(xiàn)期、短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨形成的地表產(chǎn)流進(jìn)行快速排除；水利排澇以《治澇標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)，針對(duì)解決較大匯流面積上高重現(xiàn)期、長歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨產(chǎn)生的承泄區(qū)(城市內(nèi)河水系)澇水排放問題；(2)兩者的治理對(duì)象不同，市政排水側(cè)重于管網(wǎng)建設(shè)，以將地表產(chǎn)流快速排至城市內(nèi)河為目的；水利排澇側(cè)重于城市內(nèi)河水系建設(shè)，以將城市排水管網(wǎng)排至城市內(nèi)河的水量排泄至城市外江為目的；(3)未充分考慮市政排水和水利排澇互為邊界條件，忽略了兩者的整體性，存在洪澇風(fēng)險(xiǎn)相互轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)。例如，隨著建成區(qū)的擴(kuò)張，一些城市外江變成了城市內(nèi)河，單純加高堤防、擴(kuò)大保護(hù)范圍與提升城區(qū)外排能力，就會(huì)導(dǎo)致同雨量下河道洪峰水位大幅抬升，峰現(xiàn)時(shí)間提早，洪峰沿河演進(jìn)，相當(dāng)于把風(fēng)險(xiǎn)從上游轉(zhuǎn)嫁給下游，這是因澇致洪；城市河湖水系高水位運(yùn)行，反過來又對(duì)排水管網(wǎng)產(chǎn)生頂托甚至倒灌的影響，這是因洪致澇。顯然，單純按傳統(tǒng)模式，各自為政治理洪澇，城市洪澇防御能力并未實(shí)質(zhì)提升，系統(tǒng)之間、區(qū)域之間圍繞洪澇治理的矛盾還會(huì)日趨尖銳。

2.2 傳統(tǒng)洪澇治理模式適應(yīng)性分析我國防洪治澇標(biāo)準(zhǔn)與受保護(hù)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位重要性和人口數(shù)量有關(guān)，隨著高密度城區(qū)的形成，提高防洪治澇標(biāo)準(zhǔn)是普遍的需求。然而，以傳統(tǒng)模式提升高密度城區(qū)的防洪治澇標(biāo)準(zhǔn)，面臨的制約因素更為復(fù)雜，制約條件日趨嚴(yán)苛。以粵港澳大灣區(qū)為例，高速城鎮(zhèn)化過程中，河道兩岸建筑物密集，未預(yù)留河道拓寬提標(biāo)空間。當(dāng)城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)從現(xiàn)狀10～20年一遇提至50～100年一遇，意味著地下排水管網(wǎng)和城市內(nèi)河設(shè)計(jì)流量將增加約20%～40%。按傳統(tǒng)洪澇分治模式進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，對(duì)水利而言，為提高行洪能力，在河道橫向擴(kuò)寬受限制時(shí)，需要加高堤防以應(yīng)對(duì)河道高水位。然而，河道高水位行洪會(huì)降低管網(wǎng)排水系統(tǒng)的排水能力，且加高堤防會(huì)影響城市景觀風(fēng)貌。對(duì)市政而言，提高標(biāo)準(zhǔn)需要大規(guī)模對(duì)排水管網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)容提標(biāo)，但城市地下管線復(fù)雜密布，提標(biāo)難度大且影響城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)；此外，受城市內(nèi)河高水位頂托，只能采用大范圍增設(shè)雨水泵站等措施，但雨水泵站建設(shè)同樣面臨用地緊張的制約。因此，傳統(tǒng)洪澇分治模式受“用地、經(jīng)濟(jì)、景觀”等因素嚴(yán)重制約，市政排水系統(tǒng)和水利排澇系統(tǒng)工程規(guī)模不協(xié)調(diào)，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)達(dá)標(biāo)和高密度城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)大幅提升。

3 高密度城市暴雨洪澇治理理論框架

針對(duì)傳統(tǒng)洪澇治理模式的局限性，從目標(biāo)、內(nèi)涵、方法等三個(gè)層次，構(gòu)建高密度城市暴雨洪澇治理理論框架，主要包括①目標(biāo)層：樹立“防御體系有韌性，基礎(chǔ)設(shè)施有韌性，極端暴雨少損失”的洪澇治理新目標(biāo)；②內(nèi)涵層：以“流域樹”、洪澇同源和洪澇共治為核心概念的城市洪澇小流域系統(tǒng)整體觀；③方法層：“統(tǒng)一目標(biāo)、統(tǒng)一規(guī)劃、多維共治、系統(tǒng)優(yōu)化”的高密度城市暴雨洪澇治理規(guī)劃設(shè)計(jì)新方法。

3.1 目標(biāo)層傳統(tǒng)洪澇治理模式以對(duì)抗性防御為主，防御壓力主要集中在管道和河網(wǎng)，排澇體系缺乏韌性，一旦發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)降雨，將造成嚴(yán)重的損失。不同于傳統(tǒng)對(duì)抗性防御模式，洪澇韌性防治是指城市系統(tǒng)能夠規(guī)避、緩解及應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害的沖擊，并保持其主要功能不受明顯影響。

任何防洪排澇體系都有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，極端超標(biāo)準(zhǔn)暴雨產(chǎn)生的災(zāi)害不可避免，洪澇災(zāi)害難以根治，城市暴雨洪澇防治需采用新的治理理念，實(shí)現(xiàn)“防御體系有韌性、基礎(chǔ)設(shè)施有韌性、極端暴雨少損失”三大目標(biāo)，推動(dòng)城市洪澇治理從對(duì)抗性防御向韌性治理轉(zhuǎn)變。

城市洪澇韌性防御主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是提高城市防洪排澇工程體系防御韌性，避免超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪水唯一依靠堤防的對(duì)抗性脆性防御。二是提高城市重大基礎(chǔ)設(shè)施洪澇防御能力和韌性，從城市規(guī)劃階段落實(shí)“源頭”洪澇安全管控，建議重要基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不低于城市洪澇設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，并制定獨(dú)立的應(yīng)急預(yù)案。防御體系有韌性、基礎(chǔ)設(shè)施有韌性，就是要構(gòu)建高標(biāo)準(zhǔn)、有韌性的高質(zhì)量防御體系，極端暴雨少損失是城市洪澇防御的終究目標(biāo)。

3.2 內(nèi)涵層

3.2.1 “流域樹”結(jié)構(gòu) 城市防洪防澇系統(tǒng)中由城市海綿(包括透水鋪裝、綠色屋頂、下凹式綠地等)、市政排水系統(tǒng)(包括雨水管道、管渠、雨水泵站等)與水利排澇系統(tǒng)(包括河道、湖泊、水庫、水閘等)組成的三部分，可概化為由“地-管-河”組成的“流域樹”結(jié)構(gòu)(圖1)，其中，城市河網(wǎng)構(gòu)成樹干和枝杈，排水分區(qū)為樹葉(地面、城市海綿、地下排水管網(wǎng))[14]。

3.2.2 洪澇同源 “流域樹”是一個(gè)有機(jī)的整體，城市洪澇過程實(shí)質(zhì)是降到地面的雨水按“水往低處流”的特性在“流域樹”運(yùn)動(dòng)的過程。從縱向看，城市河網(wǎng)上、中、下游、干支流相互聯(lián)系，上游流量大，則下游水位高，下游水位高又會(huì)頂托上游來水。從橫向看，“地-管-河”相互耦合，地面排水快，管網(wǎng)流量大；管網(wǎng)水流慢，地面就會(huì)積水；管網(wǎng)排水快，則河道下游水位高；河道水位高，又會(huì)頂托管網(wǎng)排水，甚至漫過堤頂造成水淹。“流域樹”的縱向來水和橫向來水相互交匯、相互影響、相互轉(zhuǎn)移、相生相伴，洪澇同源。例如，粵港澳大灣區(qū)環(huán)山面海，地勢北高南低，山洪容易進(jìn)城，洪澇交織問題突出。

3.2.3 洪澇共治 城市洪澇過程的流域整體性決定了城市暴雨洪澇治理必須以流域?yàn)閱卧?，而不是刻板地按行政區(qū)劃界定洪澇邊界；城市洪澇過程的系統(tǒng)性決定了城市排水和水利排澇規(guī)劃設(shè)計(jì)必須充分考慮兩個(gè)系統(tǒng)的銜接，保證工程規(guī)模的協(xié)調(diào)。城市內(nèi)澇防御能力是指在相應(yīng)頻率設(shè)計(jì)暴雨下，城市海綿、市政排水系統(tǒng)和水利排澇系統(tǒng)整體設(shè)防、綜合協(xié)調(diào)作用下的合力。城市暴雨洪澇防御必須樹立整體設(shè)防、系統(tǒng)達(dá)標(biāo)的理念。以廣州獵德涌流域洪澇治理為例，獵德涌流域城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)要從現(xiàn)狀20年一遇提升到100年一遇，意味著河口斷面設(shè)計(jì)流量將從181 m3/s增加到234 m3/s，在河道拓寬、堤防加高受限的條件下，如何消減增加的53 m3/s峰量就是治理關(guān)鍵。假如通過水庫、蓄滯洪區(qū)的極限挖潛能力(如降低水庫溢洪道高程、加設(shè)閘門進(jìn)行控泄)只能削減30 m3/s，剩余23 m3/s峰量缺口，則要求市政建設(shè)若干分布式調(diào)蓄設(shè)施，通過精細(xì)控制錯(cuò)峰解決。因此，城市暴雨洪澇治理要樹立流域治理和洪澇共治的系統(tǒng)整體觀，即統(tǒng)籌城市海綿、市政排水系統(tǒng)和水利排澇系統(tǒng)三大要素，從流域尺度加強(qiáng)“流域樹”建設(shè)。

3.3 方法層在高度城鎮(zhèn)化地區(qū)大幅提升城市洪澇防治標(biāo)準(zhǔn)需要從流域性、全局性和系統(tǒng)性等綜合考慮。受“用地、經(jīng)濟(jì)、景觀”等因素嚴(yán)重制約，高密度城市洪澇防御能力大幅提升不可能依靠單一、局部的工程實(shí)現(xiàn)。針對(duì)傳統(tǒng)城市洪澇分治模式的短板，基于“洪澇同源”的流域系統(tǒng)整體觀，本文提出了“統(tǒng)一目標(biāo)、統(tǒng)一規(guī)劃、多維共治、系統(tǒng)優(yōu)化”的高密度城市暴雨洪澇治理規(guī)劃設(shè)計(jì)方法。

3.3.1 統(tǒng)一目標(biāo) 城市暴雨洪澇防治規(guī)劃要以設(shè)計(jì)暴雨條件下市政排水和水利排澇系統(tǒng)達(dá)標(biāo)為目的，即暴雨洪澇過程中城市內(nèi)河堤防保安全、地面積水不成災(zāi)。統(tǒng)一水利和市政設(shè)計(jì)雨型是統(tǒng)一目標(biāo)的前提。由于樣本選取方法及統(tǒng)計(jì)采用的雨量站不同，兩者設(shè)計(jì)成果存在差異，導(dǎo)致市政排水與水利排澇銜接不匹配?；诤闈持卫淼牧饔蛳到y(tǒng)整體觀，為更好統(tǒng)籌市政排水與水利排澇，必須統(tǒng)一設(shè)計(jì)雨型。從偏安全角度考慮，采用的設(shè)計(jì)雨型須兼顧水利長歷時(shí)降雨的量和市政短歷時(shí)降雨的峰。

3.3.2 統(tǒng)一規(guī)劃 統(tǒng)一規(guī)劃是重要原則。與城市洪澇治理相關(guān)的規(guī)劃主要有海綿城市規(guī)劃、城市雨水與排水規(guī)劃、城市防洪排澇規(guī)劃，分別對(duì)應(yīng)城市海綿、市政排水系統(tǒng)和水利排澇系統(tǒng)。以往這三個(gè)規(guī)劃各自按照城建、市政、水利部門的相關(guān)規(guī)范要求獨(dú)立編制，缺少對(duì)三大子系統(tǒng)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)達(dá)標(biāo)的目標(biāo)，須打破傳統(tǒng)“洪澇分治”模式，對(duì)城市洪澇治理各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一體化規(guī)劃，同步一體化編制城市排水防澇規(guī)劃，確保其工程布局和工程規(guī)模的無縫銜接和充分協(xié)調(diào)。

3.3.3 多維共治 (1)多維共治體系。在城市洪澇治理空間嚴(yán)重受限的條件下，難以通過單一的工程實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)澇的整體達(dá)標(biāo)，必須在整個(gè)內(nèi)河流域尺度充分挖潛治理空間和蓄排潛力。構(gòu)建“上-中-下、地-管-河、表-淺-深”的流域多維共治體系，在縱向上通過對(duì)流域開展上蓄、中疏、下泄綜合措施，挖潛城市內(nèi)河水位管控潛力；在橫向上，蓄滯排結(jié)合，重點(diǎn)挖潛地面蓄滯潛力，控制排水管網(wǎng)流量；在豎向上，立體防控，在表、淺層充分挖潛仍不滿足要求時(shí)開發(fā)深層蓄排能力。多維共治體系的關(guān)鍵是在有限的空間分散布局、充分挖潛、積少成多、形成合力，共同消納流域內(nèi)的暴雨產(chǎn)流，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)達(dá)標(biāo)，與傳統(tǒng)防御體系相比，在面對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)暴雨時(shí)，具有更強(qiáng)的韌性。

圖2 流域區(qū)間劃分示意圖

(2)工程布局方法。

1)流域區(qū)間劃分：在城市洪澇規(guī)劃治理設(shè)計(jì)中，依據(jù)內(nèi)河流域水系、管網(wǎng)匯流、地形等特征，將流域從上游到下游劃分為M個(gè)區(qū)段，依次編號(hào)為1，2，…，N，N+1，…，M，每個(gè)區(qū)段包括所在河段及若干個(gè)排水分區(qū)(圖2)。

2)對(duì)于整個(gè)流域，按“從上游到下游”的順序逐區(qū)段規(guī)劃；對(duì)于區(qū)段，按“先河道后地面，先表層后深層”的順序進(jìn)行工程布局。

3)區(qū)段內(nèi)常用規(guī)劃措施：減小區(qū)段上游來流措施，包括水庫調(diào)蓄能力提升、蓄滯洪區(qū)分洪、分洪通道分洪等；增加河道過流能力措施，包括河道擴(kuò)寬開卡、清淤疏浚、堤防加高、增設(shè)排澇泵站等；提升管網(wǎng)排水能力措施，包括管網(wǎng)提標(biāo)改造、增設(shè)雨水泵站；提升地面蓄滯能力、減小區(qū)段匯流措施，包括坑塘、濕地、湖泊、調(diào)蓄池、綠地花園等分散調(diào)蓄設(shè)施利用和改造。每個(gè)區(qū)段可因地制宜采用上述措施進(jìn)行模塊化組合。

4)區(qū)段N工程布局

①先河道后地面。當(dāng)上游區(qū)段N-1達(dá)標(biāo)后，開始規(guī)劃區(qū)段N。假定規(guī)劃重現(xiàn)期河段N的設(shè)計(jì)洪峰流量為QN設(shè)，現(xiàn)狀河段N過流能力為QN，河段采取清淤、擴(kuò)卡后的過流能力為Q′N，則區(qū)間N允許的入河流量QN允=Q′N-QN設(shè)。

②蓄排結(jié)合的地面工程布局。假定區(qū)段N規(guī)劃條件下區(qū)間產(chǎn)流為qN，現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力為qN管現(xiàn)，現(xiàn)狀滯蓄能力qN蓄現(xiàn)，規(guī)劃條件下管網(wǎng)排水能力q′N管，規(guī)劃滯蓄能力q′N蓄。

若QN允≥qN，則河道可消納區(qū)間全部匯流，此時(shí)地面蓄排工程布局重點(diǎn)解決地面積水問題，使q′N蓄+q′N管≥qN，即可實(shí)現(xiàn)地面不內(nèi)澇；

若QN允

5)采取上述方法對(duì)流域規(guī)劃工程措施進(jìn)行初步布局，在此基礎(chǔ)上通過城市洪澇耦合數(shù)學(xué)模型對(duì)流域工程布局及規(guī)模進(jìn)行精細(xì)化優(yōu)化與效果評(píng)估。

在工程布局及規(guī)模精細(xì)化優(yōu)化后，仍達(dá)不到規(guī)劃目標(biāo)時(shí)，則需考慮建設(shè)深層隧道、地下水庫，配合大型泵站，對(duì)河道、地表無法消減量進(jìn)行存蓄和錯(cuò)峰排放。

圖3 工程布局流程圖

3.3.4 系統(tǒng)優(yōu)化 高度城鎮(zhèn)化地區(qū)城市土地空間有限、寸土寸金，河道整治和排水管網(wǎng)升級(jí)改造空間明顯不足，在有限的土地空間大幅度提升內(nèi)澇防治能力，精細(xì)化布局是關(guān)鍵，流域洪澇數(shù)值模擬是實(shí)現(xiàn)精細(xì)化布局的有效手段[19]。通過構(gòu)建全流域的城市洪澇水文水動(dòng)力模型，充分考慮城市海綿、市政排水、水利排澇之間以及流域上下游、干支流之間的相互聯(lián)系，通過河道流量、河道水位、地面淹沒情況，整體評(píng)估工程布局的洪澇防御效果，科學(xué)指導(dǎo)工程布局優(yōu)化，確保各維度分散工程的聯(lián)動(dòng)累加效應(yīng)最優(yōu)化。

4 實(shí)例研究：以深圳市深圳河流域?yàn)槔?/h2>

4.1 流域概況深圳河位于深圳市南部，屬于深圳河灣水系。發(fā)源于梧桐山牛尾嶺，向西南流經(jīng)深圳市區(qū)后注入深圳灣，全長37 km，河道平均比降1.1‰，流域面積約319 km2。

深圳河流域受山地丘陵地貌及海洋氣流影響，汛期易發(fā)生暴雨或特大暴雨，通過多年的防洪工程建設(shè)，目前流域已基本形成以水庫、滯洪區(qū)、河道組成的“上蓄、中滯、下排”防洪防澇體系。流域內(nèi)干流已按200年一遇、部分支流按20年一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整治，但局部仍存在不達(dá)標(biāo)段，現(xiàn)狀內(nèi)澇防治能力為20年一遇。

根據(jù)《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》(GB 51222—2017)，深圳市內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期要提高到100年，且須考慮經(jīng)濟(jì)合理性原則和約束性原則。本文運(yùn)用城市洪澇水文水動(dòng)力模型，基于本文提出的城市暴雨洪澇防御工程體系規(guī)劃設(shè)計(jì)新方法，整體評(píng)估工程布局的洪澇防御效果，科學(xué)指導(dǎo)工程布局優(yōu)化。

4.2 流域洪澇數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

圖4 深圳河流域100年一遇設(shè)計(jì)雨型

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)概況?；A(chǔ)數(shù)據(jù)包括實(shí)測斷面及最新整治設(shè)計(jì)斷面資料、現(xiàn)狀管網(wǎng)數(shù)據(jù)、1 m精度DEM數(shù)據(jù)，基于2020年遙感影像提取的土地利用類型數(shù)據(jù)。

(2)耦合模型構(gòu)建。構(gòu)建“城市海綿-市政排水-水利排澇”耦合水文水動(dòng)力模型，包括50個(gè)河段、22萬個(gè)網(wǎng)格、300個(gè)匯水分區(qū)、6500條管道、6000個(gè)管井。

4.3 設(shè)計(jì)雨型采用統(tǒng)一市政排水和水利排澇設(shè)計(jì)雨型的“大包小、長包短”方法，推求深圳河流域100年一遇設(shè)計(jì)暴雨雨型，見圖4。

4.4 洪澇風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀評(píng)估利用城市洪澇水文水動(dòng)力模型進(jìn)行計(jì)算，在100年一遇暴雨條件下，沙灣河口至皇崗河口之間約9.3 km堤段發(fā)生漫溢，堤岸最大欠高0.7 m。受排水口處河道水位頂托，流域內(nèi)滿管長度占比為63%，主要集中在下游干管和標(biāo)準(zhǔn)較低的管段。流域共有淹沒水深大于0.15 m的易澇區(qū)面積約為5.58 km2，淹沒風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域與河道漫溢、管道溢流位置基本一致，其余部分集中在地勢低洼區(qū)域?？梢姡饔颥F(xiàn)狀與100年一遇內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)差距較大，流域100年一遇暴雨下現(xiàn)狀洪澇風(fēng)險(xiǎn)如圖5所示。

圖5 深圳河流域治理前100年一遇洪澇風(fēng)險(xiǎn)分布圖

4.5 洪澇治理工程布局優(yōu)化思路基于統(tǒng)一規(guī)劃，開展多維共治，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，從全流域出發(fā)，統(tǒng)籌上下游、干支流，統(tǒng)籌城市海綿、市政排水、水利排澇，確定深圳河流域洪澇治理工程布局。首先，根據(jù)流域洪澇風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀評(píng)估結(jié)果，診斷流域洪澇成因。其次，結(jié)合城市用地規(guī)劃、更新改造、周邊環(huán)境因素及工程經(jīng)驗(yàn)，河道基本無條件加高、擴(kuò)寬，無法直接提升河道防洪標(biāo)準(zhǔn)，通過上游水庫挖潛、結(jié)合城市舊改增加雨水調(diào)蓄池、利用現(xiàn)有坑塘和蓄滯洪區(qū)進(jìn)行滯洪削峰、新建雞公山分洪隧洞，間接提高城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)；管道直接擴(kuò)容難度大，通過流域上游滯蓄洪水降低河道水位，間接減小管網(wǎng)來水量和增加管道水力坡降，系統(tǒng)提升管道應(yīng)對(duì)暴雨能力；依據(jù)流域現(xiàn)狀洪澇體系防御能力，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)初步擬定工程措施規(guī)模。最后，采用城市洪澇模型分析流域洪水過程、水位變化、管道充滿度、淹沒水深及范圍，對(duì)規(guī)劃工程效果進(jìn)行評(píng)估，如不滿足規(guī)劃目標(biāo)，則對(duì)工程布局及規(guī)模進(jìn)行優(yōu)化，直至滿足規(guī)劃目標(biāo)。

流域洪水由城市海綿(坑塘、雨水調(diào)蓄池)、市政排水、水利排澇(河道、濕地公園、水庫、泵站、深層隧道)等進(jìn)行控制，具體措施如下：

(1)河道整治：對(duì)深圳河干流進(jìn)行河道整治，涉及長度7.7 km，對(duì)河道景觀影響相對(duì)較??；對(duì)筆架山河進(jìn)行暗渠復(fù)明拓寬，涉及長度4.86 km；對(duì)皇崗河進(jìn)行暗涵清淤，涉及長度1.78 km。

(2)水庫挖潛：動(dòng)態(tài)控制深圳水庫起調(diào)水位，在確保香港供水最低取水位24.8 m的基礎(chǔ)上，以25.0 m為起調(diào)水位，根據(jù)QPF降雨預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)，精準(zhǔn)控制起調(diào)水位，增大防洪庫容，可將洪峰時(shí)段泄流量270 m3/s削減至140 m3/s。

(3)蓄滯洪區(qū)：對(duì)筍崗滯洪區(qū)開展清淤改造工程，充分發(fā)揮其調(diào)蓄能力。

(4)深層隧道：建設(shè)長13 km的雞公山分洪隧洞，將布吉河洪水從蓮花水匯入口下游，分流至大沙河的留仙大道斷面，結(jié)合筍崗滯洪區(qū)，控制布吉河河口流量小于530 m3/s；新建羅雨干渠深隧，共設(shè)置1條主隧，3條支隧，其中主隧長約4.46 km，支隧總長約2.99 km，深隧調(diào)蓄容積30.32萬m3。

(5)高水截排工程：規(guī)劃新建沙灣截排隧洞，長度約6.5 km，當(dāng)發(fā)生超深圳水庫校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，截排隧洞可作為非常溢洪道，將超標(biāo)洪水直接導(dǎo)入下游深圳河。

(6)滯蓄設(shè)施：沙灣河區(qū)域新建3座調(diào)蓄湖，總調(diào)蓄容積135萬m3，新建愛國路、文化公園、友誼路調(diào)蓄設(shè)施，總調(diào)蓄容積3.74萬m3；新建雨水調(diào)蓄設(shè)施，共計(jì)91.7萬m3。

(7)雨水泵站：擴(kuò)建福田排澇泵站、桂園路排澇泵站、羅雨排澇泵站，新建濱河雨水泵站、羅芳雨水泵站。

4.6 洪澇防治能力復(fù)核經(jīng)模型復(fù)核，通過上述控泄措施，可將羅湖橋、上步碼頭兩個(gè)關(guān)鍵斷面的100年一遇水位降低至現(xiàn)狀50年一遇，深圳河干流現(xiàn)狀及規(guī)劃后設(shè)計(jì)水面線見圖6。配合局部少量堤防抬高，即可保障深圳河水不漫溢入城。流域內(nèi)支流洪水水面線全線低于堤頂高程0.5 m以上，洪澇水淹點(diǎn)基本消除，局部最大淹沒水深均不超過0.15 m，如圖7所示。流域整體上即可有效應(yīng)對(duì)100年一遇降雨。

4.7 規(guī)劃方案確定根據(jù)規(guī)劃后洪澇防治能力復(fù)核結(jié)論，規(guī)劃措施實(shí)施后，深圳河流域可有效應(yīng)對(duì)100年一遇降雨，流域整體達(dá)到100年一遇內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)劃措施規(guī)模及布局合適。綜上，確定深圳河流域規(guī)劃治理方案如圖8所示，規(guī)劃措施包括上游深圳水庫挖潛、地面蓄滯洪區(qū)建設(shè)、地下雨水調(diào)蓄設(shè)施建設(shè)、雨水管網(wǎng)改造提標(biāo)、堤防欠高段河道整治、雞公山分洪隧道。

圖6 深圳河干流現(xiàn)狀及規(guī)劃后水面線對(duì)比圖

圖7 深圳河流域規(guī)劃后100年一遇洪澇風(fēng)險(xiǎn)分布圖

在根據(jù)規(guī)劃方案構(gòu)建韌性城市洪澇防御工程體系的基礎(chǔ)上，通過明確片區(qū)重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)豎向高程及設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提高城市重大基礎(chǔ)設(shè)施洪澇防御能力和韌性。

圖8 治理措施分布圖

5 結(jié)論

高密度城市洪澇高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防與用地高度緊張矛盾突出，傳統(tǒng)洪澇治理模式難以適應(yīng)新時(shí)期的城市洪澇治理系統(tǒng)化要求。本文研究并提出了高密度城市暴雨洪澇治理理論框架，并結(jié)合深圳河流域治理進(jìn)行了應(yīng)用分析。主要結(jié)論如下：

(1)高密度城市暴雨洪澇治理要以“防御體系有韌性、基礎(chǔ)設(shè)施有韌性、極端暴雨少損失”為目標(biāo)，堅(jiān)持以“流域樹”、洪澇同源和洪澇共治為核心概念的城市洪澇流域系統(tǒng)整體觀，通過統(tǒng)一目標(biāo)、統(tǒng)一規(guī)劃、多維共治、系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)洪澇共治、系統(tǒng)達(dá)標(biāo)。

(2)采用本文方法對(duì)流域規(guī)劃工程措施進(jìn)行初步布局，并通過城市洪澇耦合數(shù)學(xué)模型對(duì)流域工程布局及規(guī)模進(jìn)行精細(xì)化優(yōu)化與效果評(píng)估，可在有限的空間分散布局、充分挖潛、積少成多、形成合力，確保各維度分散工程的聯(lián)動(dòng)累加效應(yīng)最優(yōu)化。

綜上，本文提出的高密度城市暴雨洪澇治理理論框架，可為高密度城市洪澇治理提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，具有較好的推廣應(yīng)用前景。