林發(fā)永,李學(xué)峰,丁國川,閆 莉
(上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計研究院(上海市海洋規(guī)劃設(shè)計研究院),上海 200233)
近年來,我國城市洪澇災(zāi)害頻發(fā),特別是城市排水防澇問題引起社會廣泛重視,北京“7·21”、鄭州“7·20”、廣州“5·22”等極端暴雨災(zāi)害,教訓(xùn)深刻。上海是我國社會主義現(xiàn)代化大都市,常住人口接近2500萬,是我國經(jīng)濟(jì)、金融、貿(mào)易、航運和科創(chuàng)中心。上海屬于河口沖積州平原,地勢低平、感潮河網(wǎng)、東高西低,地面高程2~5m,平均不足4.0m,地面低于外圍高潮水位。
由于上海特定的地理位置、地形條件,風(fēng)暴潮期間,在外圍高潮位和上游洪水位的共同作用下,暴雨產(chǎn)生的澇水難以及時排出,時常造成局部區(qū)域積水內(nèi)澇,給城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)生活帶來災(zāi)害,造成一定經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失。2021年“煙花”臺風(fēng)期間,7月23—27日,上海普降暴雨到大暴雨,平均雨量283.8mm,持續(xù)時間105h。浦南東片內(nèi)河最高水位達(dá)到3.9m,創(chuàng)歷史新高。青松片內(nèi)河最高水位達(dá)到3.81m,平歷史最高。浦東片內(nèi)河南橋站最高水位3.74m,創(chuàng)歷史新高?!盁熁ā迸_風(fēng)暴雨給上海西部低洼地區(qū)帶來嚴(yán)重內(nèi)澇,浦南東片大片農(nóng)田、小區(qū)、廠房受淹,青松片朱家角古鎮(zhèn)受淹。因此,深刻汲取河南鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害經(jīng)驗教訓(xùn),加快超大城市排澇技術(shù)研究與思考,降低城市內(nèi)澇風(fēng)險,意義重大,任務(wù)緊迫。
不協(xié)調(diào)好城市內(nèi)澇防治的高標(biāo)準(zhǔn)和水利排澇的低標(biāo)準(zhǔn)之間的銜接問題,就無法有效應(yīng)對城市內(nèi)澇風(fēng)險。根據(jù)上海最新的城鎮(zhèn)排水標(biāo)準(zhǔn),雨水排水設(shè)計重現(xiàn)期3~5年一遇,內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)為50~100年一遇,對應(yīng)24h降雨量為240~275mm。而上?,F(xiàn)行水利排澇標(biāo)準(zhǔn)為重點地區(qū)30年一遇、一般地區(qū)20年一遇,采用最大24h面雨量200~220mm,1963年雨型和相應(yīng)實測潮型,能排出、不受澇。其中,潮位采用的1963年9月暴雨期間的實測潮位,其高潮位不到1年一遇,且低潮位較低。出現(xiàn)內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)高、雨量大、降雨過程、防澇邊界條件不清的新問題。而水利排澇標(biāo)準(zhǔn)低、雨量小,但降雨過程、排澇邊界條件清晰。內(nèi)澇防治與水利排澇2個標(biāo)準(zhǔn)之間如何銜接,怎樣配置相關(guān)內(nèi)澇防治設(shè)施,未來如何認(rèn)定城市內(nèi)澇承載能力,尚無相關(guān)規(guī)范指導(dǎo)。
城市排澇設(shè)施建設(shè),涉及資金投入、規(guī)劃選址、防洪評價、用海審批,河道水閘用地落實等眾多困難,導(dǎo)致規(guī)劃排澇基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后,與高速發(fā)展的城市安全韌性保障要求不適應(yīng)。以上海為例,截止到2021年底14個水利片外圍排澇泵站規(guī)劃實施率約44%,排澇水閘規(guī)劃實施率約71%,排澇泵閘實施率明顯偏低。全市骨干河網(wǎng)尚未完全形成,規(guī)劃達(dá)標(biāo)實施率偏低。據(jù)統(tǒng)計,全市226條骨干河道,總長度3687km,其中河口規(guī)模達(dá)標(biāo)率在50%以下的占總長度的14.3%、50%~70%之間的占總長度15.6%、70%~90%之間的占總長度的34.8%、90%以上的占總長度的35.3%。中心城區(qū)浦西地區(qū)扣除黃浦江后,河湖水面率僅為2.49%,河道調(diào)蓄庫容偏小,抗風(fēng)險能力不高。上海市現(xiàn)狀區(qū)域排澇能力僅為15年一遇,在遭受風(fēng)、暴、潮、洪等多重襲擊時,城市排澇能力嚴(yán)重不足,內(nèi)澇防治能力亟待提升。
一方面超大城市土地資源緊缺、永久基本農(nóng)田保護(hù)過于剛性,部分中小河道在城市開發(fā)建設(shè)中填堵,河道蓄排空間遭受城市建設(shè)擠兌。特別是中心城區(qū),河湖蓄排空間、雨水調(diào)蓄空間難以有效增加。郊區(qū)河道建設(shè)受永久基本農(nóng)田紅線約束,規(guī)劃用地難以落實,河道拓寬用地?zé)o法得到足夠保障,近幾年河道建設(shè)土地督察整改事件時有發(fā)生。城市規(guī)劃為追求網(wǎng)格化的土地利用效率,保障道路紅線,任意調(diào)整現(xiàn)狀規(guī)劃保留河道,占用河道改作道路情況時有發(fā)生。
另外一方面,城鎮(zhèn)雨水排水系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)大幅提升,雨水排水設(shè)計重現(xiàn)期由原來1年一遇逐步提高到3~5年一遇,城市地表硬化、雨水收集與排水能力增強(qiáng),產(chǎn)匯流時間大幅縮短,導(dǎo)致河道水位上漲過猛。如2015年6月16—17日,上海出現(xiàn)梅汛期大暴雨,其中虹口區(qū)曲陽公園最大24h降雨量達(dá)到246.4mm,蕰南片沙涇港水位上漲過快,導(dǎo)致4輛卡車壓橋防浮事件,沙涇港兩岸雨水泵站被迫停機(jī),同濟(jì)大學(xué)內(nèi)澇積水深度超過30cm,暴露出河網(wǎng)管網(wǎng)協(xié)同調(diào)度不夠、河道蓄排空間不足的問題。2021年“煙花”臺風(fēng)期間,青松片圩區(qū)水位普遍在3.0m以下,圩外片內(nèi)河道最高水位達(dá)到3.78m,黃浦江出現(xiàn)支流水閘越浪翻水情況。圩區(qū)水位較低、大片水位過高、黃浦江洪潮水位創(chuàng)歷史新高等問題,暴露出圩區(qū)、水利片協(xié)同排澇調(diào)度不夠精準(zhǔn)、精細(xì)的問題。
依據(jù)水情工情特點和區(qū)位自然地理條件,上海城市排澇形成了14個水利片綜合治理的格局,并在長期的治澇實踐中,形成了4種排澇模式。
(1)地面-圩區(qū)-泄洪通道。雨水經(jīng)地面管網(wǎng)或溝渠收集匯水系統(tǒng),納入圩區(qū)河道,經(jīng)圩區(qū)水網(wǎng)調(diào)蓄調(diào)節(jié)后,由圩區(qū)排澇泵站,動力直接抽排至泄洪通道。該排澇模式核心是控制圩區(qū)除澇最高水位,配置合理的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)模和排澇泵站裝機(jī)流量。這種排澇模式代表性水利片包括浦南西片、商榻片等敞開片。
(2)地面-水利片河網(wǎng)-泄洪通道。雨水經(jīng)地面管網(wǎng)或溝渠收集匯水系統(tǒng),直接匯入水利片河道,經(jīng)水網(wǎng)調(diào)蓄調(diào)節(jié)后,由水利片排澇水閘或者泵站,水閘自排為主、動力抽排為輔,排入片外泄洪通道。該排澇模式核心是控制水利片除澇最高水位,保障水利片水面率和河道調(diào)蓄空間,布局合理的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)、規(guī)模和排澇水閘及泵站裝機(jī)流量。這種排澇模式代表性水利片包括浦東片、蕰南片、崇明島片等。
(3)地面-圩區(qū)河道-水利片河道-泄洪通道。雨水經(jīng)地面管網(wǎng)或溝渠收集匯水系統(tǒng),大部分先匯入圩區(qū),由圩區(qū)河網(wǎng)調(diào)節(jié)調(diào)蓄后,經(jīng)圩區(qū)排澇泵站抽排至水利片河道,通過水利片水網(wǎng)調(diào)蓄調(diào)節(jié)后,再由水利片排澇水閘或者泵站,水閘自排為主、動力抽排為輔,排入片外泄洪通道,即二級排澇模式。該排澇模式核心是既要控制水利片河道除澇最高水位,同時又要控制圩區(qū)除澇最高水位,且圩區(qū)除澇最高水位低于水利片除澇最高水位,保障圩區(qū)和水利片河湖水面率和河道調(diào)蓄空間,布局合理的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)、規(guī)模和排澇水閘及泵站裝機(jī)流量。這種排澇模式代表性水利片包括青松片、浦南東片、太南片、太北片等。
(4)為排澇模式(2)和(3)的混合模式。部分區(qū)域地面雨水直接進(jìn)入水利片河道,部分低洼區(qū)域設(shè)圩區(qū)控制,地面雨水經(jīng)圩區(qū)調(diào)蓄排澇至水利片河道,然后由水利片河網(wǎng)調(diào)蓄調(diào)節(jié)后,再由水利片排澇水閘或泵閘,外排至片外泄洪通道。調(diào)控狀況與(3)模式一致。這種排澇模式代表性水利片包括嘉寶北片、淀南片、嘉寶北片、長興島片等。
另外還有一種排水模式,即地面降雨,由雨水管網(wǎng)收集系統(tǒng)匯水后,通過雨水強(qiáng)排泵站,直接抽排至片外泄洪通道。這種模式,不是嚴(yán)格意義上的水利排澇模式,沒有經(jīng)過河道、泵閘等水利設(shè)施調(diào)蓄排澇,而是由城鎮(zhèn)雨水系統(tǒng),直接排入外海或片外行洪通道。
(1)分片治理、外擋內(nèi)蓄、蓄以待排、趁潮排海。上海地處長江流域、太湖流域下游,北瀕長江口,東臨東海,南臨杭州灣,屬平原感潮河網(wǎng)地區(qū)。地勢低平,地面高程低于外圍高潮位,因此城市排澇首先要根據(jù)水情工情和自然地理特點,實施分片治理,圍起來打出去。建立14個水利分片防洪堤防封閉線,外擋洪潮,避免因洪致澇。同時由于地勢低平、感潮河網(wǎng)特點,各水利片水力坡降小,河道水動力不足,降雨需先經(jīng)河網(wǎng)調(diào)蓄,蓄以待排,趁潮入海。因此需要較高的河湖調(diào)蓄空間,以空間換時間,才能有效保障區(qū)域排澇安全。
(2)千里海塘、千里江堤、城鎮(zhèn)排水、區(qū)域除澇。上海城市防汛安全已構(gòu)建形成“千里海塘、千里江堤、城鎮(zhèn)排水、區(qū)域除澇”4道防線。上?!耙换?、三片”505km主海塘和506km黃浦江及上游主要支流江堤城市防洪工程已經(jīng)形成。上海的城市排澇主要包括城鎮(zhèn)排水、區(qū)域除澇2道體系。城鎮(zhèn)雨水排水主要解決地面不積水問題。排水系統(tǒng)包括雨水收集、輸送、匯水設(shè)施,雨水由地面匯入河道的過程,城鎮(zhèn)雨水排水系統(tǒng)控制面積一般小于2km2。區(qū)域除澇主要為14個水利分片的河網(wǎng)蓄排系統(tǒng),包括河道、湖泊和外圍排澇泵閘,主要解決水利片河道水位不過高,城鎮(zhèn)雨水能入河的問題。區(qū)域除澇系統(tǒng)主要包括城市水網(wǎng)和排澇泵閘組成。上海的區(qū)域除澇系統(tǒng)控制面積,達(dá)到100~2300km2。
城市內(nèi)澇表現(xiàn)為河道水位高、地面積水深、澇水排除慢,影響城市交通與生產(chǎn)生活,甚至造成生命財產(chǎn)損失。造成城市內(nèi)澇的因素異常復(fù)雜,既有自然氣候災(zāi)害因素,也有人為調(diào)度與管理因素,還有排澇基礎(chǔ)設(shè)施不足、城市規(guī)劃布局不甚合理等多重因素。整個治澇體系由城鎮(zhèn)雨水排水系統(tǒng)、河道水網(wǎng)系統(tǒng)、澇區(qū)排澇泵閘系統(tǒng)及外圍防洪工程組成,又與自然地理地形條件、地表結(jié)構(gòu)、地坪地面高程、流域及區(qū)域水利分區(qū)、河網(wǎng)結(jié)構(gòu)、水域空間、設(shè)計高水位和外邊界條件等緊密相關(guān)。
管網(wǎng)、河網(wǎng)2網(wǎng)排水排澇耦合研究眾多,但2網(wǎng)真正有效協(xié)同應(yīng)用的系統(tǒng)缺乏相關(guān)案例,特別是雨水排水系統(tǒng)由1年一遇提標(biāo)至5年一遇后,2網(wǎng)協(xié)同的問題會更加突出。近幾年,管網(wǎng)、河網(wǎng)不匹配,城市管網(wǎng)排水能力強(qiáng)、河道水網(wǎng)蓄排能力弱的問題突出,城鎮(zhèn)雨水管網(wǎng)和城市河道水網(wǎng)銜接技術(shù)尚需研究。雨水管網(wǎng)系統(tǒng)占地少,與城市路網(wǎng)緊密結(jié)合,主要為地下工程,呈現(xiàn)中心城密、郊區(qū)疏的特點。城市水網(wǎng)系統(tǒng),需占用較多的城市用地,呈現(xiàn)中心城區(qū)稀疏、郊區(qū)密集的特點。中心城區(qū)地表硬化、雨水下滲少、產(chǎn)匯流大,河網(wǎng)空間不足、蓄排能力弱,管網(wǎng)河網(wǎng)協(xié)同排澇極為重要。反之,郊區(qū)河網(wǎng)密,農(nóng)田旱地多,雨水下滲、調(diào)蓄、攔截多,產(chǎn)匯流慢而小,河網(wǎng)調(diào)蓄空間大,蓄排能力強(qiáng),河網(wǎng)排澇起主要作用。
城市排澇最大的技術(shù)難點是合理調(diào)控河網(wǎng)水位。降低城市河網(wǎng)除澇最高水位,是防止城市發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害的關(guān)鍵,也是排澇調(diào)控的最大技術(shù)難點。地坪標(biāo)高、河道水位、河網(wǎng)結(jié)構(gòu)、排澇系統(tǒng),四者關(guān)系緊密。河道水位調(diào)控,既取決于河道空間大小和高低水位控制,又與城市開發(fā)強(qiáng)度和產(chǎn)匯流狀況緊密相關(guān),還與外排能力、區(qū)域面積和排澇距離相關(guān),與下邊界排澇條件關(guān)系緊密。上海平原感潮河網(wǎng)的特征,決定了區(qū)域排澇與潮汐漲落關(guān)系密切,群閘排澇與河網(wǎng)調(diào)蓄成為調(diào)控水位最為重要的因素。
產(chǎn)匯流計算是城市排澇的關(guān)鍵。產(chǎn)水計算不準(zhǔn)、水量計算不清,無法科學(xué)配置城市排澇設(shè)施,無法有效應(yīng)對城市內(nèi)澇問題。目前我國常用的新安江模型和蓄滿產(chǎn)流模型均比較粗放,對城市而言,其計算成果不夠精準(zhǔn)精細(xì)。城市產(chǎn)匯流不同于農(nóng)村和整個流域,屬于人工強(qiáng)干預(yù)、地表強(qiáng)干擾下的產(chǎn)匯流狀況。熱島效應(yīng)、地表覆蓋、下滲截斷、洼蓄減少、排水人為調(diào)控等多種因素,影響城市產(chǎn)匯流形態(tài)。加強(qiáng)城市產(chǎn)匯流模型技術(shù)研發(fā),把雨水系統(tǒng),特別是強(qiáng)排區(qū)域的產(chǎn)匯流的影響,充分納入模型,為科學(xué)計算產(chǎn)水量,配置蓄排設(shè)施奠定基礎(chǔ)。
目前上海分片分區(qū)河湖水面率統(tǒng)算管控的狀況不夠精細(xì),無法區(qū)分行洪和排澇功能,無法準(zhǔn)確計算各區(qū)和各水利片的蓄排空間,無法科學(xué)衡量各區(qū)排澇安全指數(shù)。比如楊浦區(qū),如包含黃浦江面積,其2021年河湖水面率為10.37%,居全市第2位,但扣除黃浦江后,其參與區(qū)域蓄排的河湖水面率僅為3.15%??茖W(xué)劃分水域空間功能,實行分片分功能管控勢在必行。流域及區(qū)域行洪通道,強(qiáng)化行洪泄洪功能,鎖定空間布局,提高堤防防御能力,研究河道管理范圍和保護(hù)范圍,保障防洪安全。突出圩區(qū)河道蓄排功能,落實圩區(qū)河湖空間要求,加強(qiáng)圩堤封閉,科學(xué)設(shè)定除澇標(biāo)準(zhǔn)。同時需要合理設(shè)置圩區(qū)泵閘、河網(wǎng)結(jié)構(gòu)、圩內(nèi)水位,充分挖掘圩區(qū)蓄水能力,減輕大片壓力。水利片治澇分區(qū)河湖,主要承擔(dān)蓄排、生態(tài)等功能。需要分水利片,管控河湖水面率、預(yù)降水位和除澇最高控制水位,科學(xué)配置水利片排澇泵閘,充分利用河湖調(diào)蓄功能。
閘河配套必須建立時間、平面、豎向3個維度的排澇過程,準(zhǔn)確分析上海14個水利分片分向排澇出路,充分利用黃浦江、長江口、杭州灣潮差特點,科學(xué)配置排澇設(shè)施。大陸片優(yōu)化并加密排澇口門布局,加強(qiáng)北排東排長江口、南排杭州灣排澇泵閘建設(shè)。黃浦江及其上游主要支流兩岸、蘇州河兩岸及桃浦河兩岸合理規(guī)劃排澇泵站規(guī)模,防止黃浦江洪潮上漲過快,避免因洪致澇。2021年“煙花”臺風(fēng)期間,蘆潮港水閘全開,導(dǎo)致流速較大,蘆潮港瓶頸段河岸沖毀,出現(xiàn)險情。進(jìn)一步加強(qiáng)閘河配套銜接研究,擴(kuò)大通江達(dá)海的河道規(guī)劃規(guī)模,加大226條骨干河道118個斷點打通,控制閘前河道的最大流速。
城市排澇系統(tǒng)非常復(fù)雜,涉及管網(wǎng)、圩區(qū)、大片和流域4網(wǎng)協(xié)同排澇調(diào)度問題。上海在2021年“煙花”臺風(fēng)期間,出現(xiàn)圩區(qū)水位偏低調(diào)蓄空間未充分發(fā)揮,而水利片水位超過除澇最高控制水位,局部區(qū)域內(nèi)澇的狀況,暴露出圩區(qū)與水利片調(diào)度不協(xié)同的問題。2005年“麥莎”、2012年“??焙?013年“菲特”等臺風(fēng)災(zāi)害性氣候期間,已多次出現(xiàn)蘇州河、虹口港、楊樹浦港沿線泵站停機(jī)事件,導(dǎo)致中心城區(qū)大面積積水,暴露出雨水管網(wǎng)與河網(wǎng)排水排澇不協(xié)同問題。應(yīng)加快研究雨水排水、圩區(qū)除澇、大片和流域排澇協(xié)同調(diào)度研究。充分挖掘圩區(qū)調(diào)蓄能力,適當(dāng)減少圩區(qū)外排,制定圩區(qū)水利片協(xié)同防汛調(diào)度規(guī)則。進(jìn)一步研究雨水排水系統(tǒng)、河網(wǎng)泵閘系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度技術(shù)開發(fā),做到管網(wǎng)、河網(wǎng)相互匹配,排水排澇標(biāo)準(zhǔn)合理銜接。同時加快流域河湖水域保護(hù),分析流域行洪排澇對下游洪潮水位增高的影響。注重問題導(dǎo)向、目標(biāo)導(dǎo)向,確定合理排澇標(biāo)準(zhǔn),研究制定分區(qū)排澇模式,與小區(qū)城鎮(zhèn)排水合理銜接。
我國已經(jīng)大規(guī)模開展海綿城市建設(shè),但降雨過程、降雨水量不同,海綿城市對城市排澇的貢獻(xiàn)差異較大,短歷時強(qiáng)降雨和長歷時強(qiáng)降雨顯然不同,要盡快開展海綿城市對城市排澇的貢獻(xiàn)研究,科學(xué)分析判斷海綿城市建設(shè)的作用。海綿城市建設(shè),對區(qū)域防汛除澇的作用,必須進(jìn)行科學(xué)論證,既不能過高估計,亦不能忽略不計。隨著上海城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,特別是中心城區(qū)建設(shè)用地連片蔓延增加、下墊面不透水性加劇,導(dǎo)致了降雨產(chǎn)流量增大、匯流加速、洪峰量增加,傳統(tǒng)的市政雨水系統(tǒng)越來越難以滿足雨水排水需求。海綿城市建設(shè),有助于城市面源污染消減和水環(huán)境質(zhì)量改善。增加綠色雨水調(diào)蓄設(shè)施建設(shè),也有助于雨水排水系統(tǒng)提標(biāo)。同時海綿城市建設(shè),增加透水面積,有助于雨水下滲、滯蓄、緩排。如何正確看待海綿城市,在防汛安全保障方面的作用,核心是科學(xué)折算調(diào)蓄空間,換算調(diào)蓄能力,減少產(chǎn)流。初步判斷,海綿城市對防小雨、改善水環(huán)境作用較大,但對長歷時暴雨而言,防汛作用有限,僅起到彈性調(diào)蓄、增加安全韌性保障的作用。
城市排澇是安全城市、韌性城市建設(shè)必須要高度重視的課題,各城市排澇問題、排澇條件不盡相同。上海對超大城市排澇難點問題的新思考,提出的相關(guān)排澇關(guān)鍵技術(shù)研究方向,尚需進(jìn)一步針對性的深入研究,為全面有效解決城市內(nèi)澇問題奠定基礎(chǔ)。
必須注意到,超大城市排澇新問題層出不窮,新的排澇技術(shù)難點、痛點不斷衍生。解決城市內(nèi)澇問題,還涉及城市管理變革、空間管控機(jī)制優(yōu)化,盡快扭轉(zhuǎn)“以路定城”的舊城市規(guī)劃思想,真正建立“以水定城”的城市發(fā)展新路徑,以及城市豎向設(shè)計、氣象預(yù)報預(yù)警、水文監(jiān)測技術(shù)發(fā)展、數(shù)字孿生流域建設(shè)、社會綜合治理等方面,對城市排澇能力提升亦有重大影響。