城市何时不再“水漫金山”

今年5月7日，广州全市普降特大暴雨。由于短时内降雨强度大，城市排水设施的排水能力有限，导致市内路面共有44处严重水浸，交通严重受阻，广州惨变“水城”。

　　广州的这次水浸街并不是孤例。近年来，我国大城市暴雨内涝灾害频发，如2004年7月10日16时开始，北京市两小时平均降雨50毫米，莲花桥下最大积水深达2米；2007年“8·01”、“8·06”两场暴雨，又造成安华桥积水6小时，最大积水深度达1.6米。2007年济南“7·18”洪灾，短短三小时降雨中就夺走34条生命……

　　

　　城市型水灾

　　

　　洪水灾害是人类面临的最严重的自然灾害之一。根据洪水产生的原因，可以将洪水灾害分为三种类型：一是由于台风、风暴潮引起的沿海地区洪涝灾害，二是由于大量或长期降水引起的江河水系流域洪水灾害，三是城市内部地区遭遇高强度短时暴雨产生的积水洪涝灾害，即所谓的城市型水灾。城市型水灾是指由于城市化建设产生的、发生在城市区域的水灾。在我国大部分城市发生的水灾都属于第三种。

　　前两类洪水灾害一直是人们研究的重点，如今已形成了较为完整的防灾体系；城市内部积水灾害则是城市化进程下引发的新问题。城市型水灾日益严重是多种因素综合作用的结果。城市热岛效应、阻碍效应和凝聚核效应，都使得城市地区降雨多于同期非城市地区降雨。城市地区空气层温度高于非城市地区，形成城市热岛，并且城市地区空气层结构不稳定，有利于产生热力对流，当城市中水汽充足时，容易形成对流性降雨。城市中有高低不一的建筑物，其空气粗糙度比附近郊区大，这将引起气流发生湍流，并且对稳动滞缓的降雨系统(静止锋、静止切变、缓进冷锋等)有阻碍效应，使其移动速度减慢，在城区滞留时间加长，从而导致降雨强度增大，降雨时间延长。城市空气中灰尘等凝结核多于郊区，这对降雨也有促进作用。此外，我国城市雨水排水系统在设计理论基础和运行管理方式比较落后所造成的影响也不容忽视。

　　

　　成长的烦恼

　　

　　我国大城市正在经历前所未有的发展建设时期，表现在城市规划面积不断扩张、地面建筑和铺砌地表面积比例不断扩大、城市的社会财富不断增加、城市运转速度及效率不断加快、城市居民生活方式在逐渐改变和对高生活质量的不断追求等方面。城市化过程对当地水文状况造成了较大的影响，每年总会有地方出现不同程度的暴雨灾害，特别是全球气候变化的影响日益显著，使得城市地区局部极端天气爆发频繁。

　　在城市化过程中，城市型水灾显现出一些新的特点，如城市面积扩张，防洪排涝标准较低，因而洪涝风险加大；城市不透水面积增加，排水系统不佳，径流系数加大，使河道洪峰流量成倍增加，洪峰出现时间提前，已有堤防的防洪标准相对降低；大规模城市扩张阶段，往往造成水土流失加剧，局部水系紊乱，河道与排水管网淤塞，人为导致城市防洪排涝能力下降等等。

　　而作为支撑现代化城市正常运行的重要基础设施之一的城市排水系统，一直沿用前苏联时期的设计理论，采用比较低的设计标准和基于经验的运行管理技术，该系统只能被动地应对超标准降雨事件，而不是主动地规划管理超标准降水的出路。现在包括北京在内的大多数城市的排水系统设计方法，还是用的100多年前的理论来计算的，也就是“推理公式法”。简单来说，这种方法就是通过计算降水量得出城市所需要的排水量。但天气是捉摸不定的，尤其是城市发展之后产生的热岛效应，以及大气环流变化引发的降水量都很难有一个稳定值，所以这种方法已经跟不上现代社会的发展了。所有这些必然造成城市暴雨积水灾害的频繁产生，并且，随着城市化进程的发展，灾害的损失会越来越大。

　　城市雨水排水系统是一个庞大的地下工程设施，一般建在城市道路下面，有时道路下面可能铺设两条平行的管道，所以城市雨水管道的长度通常都大于道路的长度。城市雨水排水系统建成后往往可以使用几十年到几百年。我国城市雨水排水设施通过几十年建设，已经形成了比较完整的系统。通常所说的百年一遇的大暴雨，就是重现期100年的降雨。但是，由于我国改革开放以前建设的雨水排水工程的设计标准很低，仅为设计重现期0.33年到0.5年的标准。现在多数大城市的主要干道的设计标准也仅是重现期1年，可见发生超设计标准降雨事件的可能性极大。

　　我国现行室外排水设计规范规定：雨水管渠设计重现期，应根据汇水地区性质、地形特点和气候特征等因素确定。同一排水系统可采用同一重现期或不同重现期。重现期一般采用0.5～3年，重要干道、重要地区或短期积水即能引起较严重后果的地区，一般采用3～5年，并应与道路设计协调。特别重要地区和次要地区可酌情增减。

　　不过，由于城市化建设使不透水地表比例扩大，这样会增大地表径流水量，造成设计工况条件下选用的设计径流系数与现在实际的径流系数偏差加大，使地表积水概率增加。

　　

　　新技术让一切尽在掌握

　　

　　随着城市的发展，城市型水灾日益引起各国政府的重视和相关研究学者的关注，国内外都对此进行了广泛研究。随着计算机的广泛应用和各类模型软件的开发，将地理信息技术和排水系统模型作为城市洪灾评价与防治的技术手段，已经成为防洪、防灾的重要技术途径。

　　地理信息系统(GIS)是将地图类图形数据和表达图形的属性数据集成在一个平台下的软件系统。人们将能用于城市雨水排水系统科学化管理的地理信息系统称为专业地理信息系统，该系统除了包含传统地理信息系统的基本功能以外，还包括能表达排水设施的专业功能。通俗地讲，这种技术是在计算机的支持下，对地球表层空间中的有关地理数据进行采集、管理、运算、分析、显示和描述。专家再通过这些数据，用计算机制作出一个虚拟城市排水系统模型，计算出不同路段所担负的排水量，以及发生大雨后，城市路段的坡度高低将如何引导排水方向等等，在“一切尽在掌握”之时，便可以根据经济实力和工程改造的可行性，采用提高工程设计标准、建立调节洪峰流量的调节池、采用雨洪利用技术和其他减少地表径流量的技术措施，构建综合防灾工程体系。

　　城市雨水排水系统模拟模型包括降雨模型、地表产流和径流模型、管网汇流模型和水质演算模型。将城市汇水流域的信息输入计算机模型以后，可以计算出雨水在管网中的流动过程，用图示的形式表达是否超负荷，是否已经造成路面积水等情况。通过计算机模型，可以让管理者比较全面地了解雨水排水系统的排水能力和可能造成的积水灾害的位置以及影响范围，从而可以使管理者真正了解系统的排水能力和存在的风险，帮他们有效应对城市暴雨造成的积水灾害，提前做出科学合理的防灾预案。城市雨水排水系统模拟模型就相当于医院的CT，可以给城市排水系统诊断疾病，发现造成积水灾害的原因并给出解决问题的建议。

　　2008年，北京奥运会举办期间正逢北京的主汛期。为保证比赛顺利进行，在那之前，笔者及其研究室的工作人员和北京市规划院参与了奥运中心区的排水系统设计工作，并在该区域内利用国际最先进的模型软件做了一个评估。通过模拟成像等技术，我们计算出在降水量不同时段，区域内某地点积水多深、积水时间多长并对此进行了监控。有了实时的数据监控和分析结果，应对措施就有了预见性，也就是说可以对积水区域进行预测并发布预报，甚至可以具体到在什么时间、在哪个地点有可能要积水。这样一来，便可以扭转被动的应对局面，不等地面积水问题产生就可以采取主动的应对措施。

　　其实，奥运会时我们所用的这项技术，在发达国家已经沿用了多年，是目前为止最为高效的方法。美国、欧盟等发达国家早在20世纪60年代，就开始研制城市排水管网模型，以满足城市排水、防洪、环境治理、交通运输、工程管理等各方面的要求，他们在这方面取得了较大进展，许多模型已经广泛应用于雨水管道系统的规划、设计和管理。发达国家在20世纪70年代初提出了几种通用的排水模型，并在其后的实际应用与深入研究中得到完善。

　　对于城市型水灾，我国目前面临的实际问题是对整个排水系统的系统性和实际排水能力了解不清；遇到问题后，又没有科学的应对措施，头痛医头，脚痛医脚。

　　我国对城市排水管网模型的研究起步较晚，目前已有一些结合我国实际的研究成果问世。近年来，随着城市排水模型在水利、环保和城建等领域中的应用，许多城市正在开发基于当地条件的城市排水管理系统，如北京市的实时雨洪调度模型，针对城市内涝所开发的城市暴雨积水预报系统等。这些研究对推动我国城市雨水径流研究起了很大的作用，但与国外相比仍存在差距，并且在实际的规划、设计和管理工作中应用较少，还需要进行更深入研究。

　　从总体看，我国城市排水管网管理正向科学化、数字化、网络化方向发展，构建开发基于数字化、智能化技术的城市排水管网防灾系统是该领域的技术前沿。国外众多城市排水商业模型软件已经得到广泛应用。

　　在欧盟第七框架资助下，笔者与欧洲和亚洲其他国家的专家正在从事关于城水洪灾弹性的合作研究，该项目从城市发展的驱动力、排水模拟技术、灾害损失分析和减灾策略等几方面进行研究，以提高城市在气候变化条件下应对暴雨积水灾害的综合能力。(文章代码：101509)

　　[责任编辑]赵菲

　　

　　他们如何排水

　　城市排水能力不足，使得
雨水四溢、泛滥成灾并不是中
国城市所独有的问题。不少国
家的城市在发展过程中都曾面
临相似的问题。比如日本，自
20世纪50年代起，随着城市化
的急剧发展，保水功能极高的
森林和农田被不透水性的沥青
所覆盖、或用混凝土砌成的水
渠集水，导致不少地区的“保
水功能”下降，城市排水功能
不畅，暴雨常常引起城市功能
瘫痪或地下街浸水等，即发生
所谓的城市型水灾。其他国家
也都有过类似的发展过程。

　　鉴于上述问题，他们根据
经济实力和当地的远期城市规
划，首先建立功能完善的城市
排水体系和防灾体系，在受到
条件限制无法建设高标准排水
系统的地区，再采取多种措施
实施综合性防洪对策，尽可能
增加城市雨洪的调蓄能力。这
些措施包括：

　　一是拦蓄各自管理范围内
的降雨。每一个庭院、每一
个单位、每一个小区都建设
相应的蓄水池，拦蓄雨水。
除减少地表汇流外，还可以
将蓄水作为绿化和清洁用
水。日本规定，每开发1公顷
土地，需要建设500立方米的
雨水调蓄池。

　　二是利用屋顶集雨。对于
大型建筑物，利用屋顶集雨，
还可以防晒，降低夏季室内温
度。还有的大型建筑物收集屋
顶雨水，经过处理后作为室内
空调用水。日本一些地区鼓励
并扶助居民使用能将房顶等雨
水送入集水槽的渗透式构造、
或设置贮留设施，或向住宅地
内的集水槽附加贮留渗透功
能，以减少雨水的流出量，减
轻洪涝灾害。

　　三是开辟城区大型滞洪场
地，如运动场、野生绿地公园
等，暴雨达到一定强度时作为
蓄滞洪区启用。在西方国家，
由于人口密度较小，在整个城
市规划过程中，规划设计者会
将人们居住的地点设置在地势
较高的位置，而将球场等空旷
的地点设置在低洼处。当暴雨
袭击城市时，只要关闭球场等
较空旷的场所就可以应对，对
居民日常生活并不会造成困
扰。为了保证蓄水时的安全，
水深不超过半米。荷兰的“水
广场”就是其中的最大亮点。

　　在荷兰史料里，起码记载
着40次以上的“水祸”。1953
年2月的一次飓风，甚至让这
个美丽的国家遭受了著名灾难
片《水啸雾都》那样的灭顶之
灾：飓风导致莱茵河、马斯
河、斯海尔德河三角洲海潮倒
灌，1835人丧生。经历过这次
灾难，1953年，荷兰成立了专
门防洪治水的水务委员会，经
过多年的专家讨论和验证，陆
续提出水广场、浮动住宅等富
有创意的方案，积累了丰富的
应对洪涝经验。在鹿特丹市
区，不少地面都建有相互连通
的沟槽，这些沟槽大得足以当
作城市下沉广场。下沉广场平
时是市民的休闲之处。广场本
身有比较浅的沟槽作为排水
沟，下小雨时，这些沟槽会形
成天然的水景。下大雨时，整
个广场充满了水，形成一个大
蓄水池，但水不会漫到城市街
道上，大蓄水池本身会成为城
市水景和水上游乐场。这就是
鹿特丹的“水广场”。

　　四是建设地下水库。在广
场、运动场、停车场下面建设
地下水库，利用高层建筑的地
下室作为水库调蓄雨水，雨水
也可以再利用。

　　五是建设大型地下河。东
京、大阪等大都市，已经建设
了长达数十千米、直径10余米
的大型地下河，用于拦蓄城市
雨洪。所蓄雨水可以排至下
游，也可以再生利用。

　　六是增加地面的渗透能
力，降低地表的产流量，同时
增加地下水的补给。采用的措
施有：对道路、人行道、停车
场、广场等铺设可以透水的路
面，降雨落到路面后很快渗入
地下，减少地面径流。对大型
排水管道采用可以透水的多孔
管，在排水的同时，部分雨水
渗入地下。在建筑密集的区
域，建设包括渗水槽、渗水井
在内的地下渗水系统，使地表
积水尽快渗入地下。

　　此外，西方国家出于对生
态环境的考虑，还会利用自然
环境来预防灾害。不少发达国
家的城市规划中，设计者会还
原绿地面积，发挥绿地的渗水
功能，进行雨水量平衡，实现
防灾减灾的作用。