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郑州特大暴雨启示:高密度城市如何应对暴雨洪涝

北极星水处理网  来源:中国水利杂志  作者:陈文龙 等  2021/7/29 8:50:24  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:城市洪涝 洪涝防治 内涝

北极星水处理网讯:我国暴雨洪水集中、洪涝灾害频发,城市洪涝问题历来是一个非常突出的问题。近20年,在全球气候变化和城市化进程加快背景下,“城市看海”现象连年发生,城市洪涝灾害问题日趋严重。2021年7月17日到22日,河南省出现了极端的特大暴雨,郑州、新乡等多个城市城区发生严重内涝,聚焦社会广泛关注。结合广州“5·22”暴雨等其他主要城市暴雨洪涝成因对策研究成果,通过深入分析中国高密度城市暴雨洪涝主要特征、成因,探讨提出高密度城市暴雨洪涝防治对策,为系统解决中国城市洪涝问题、提升洪涝防御能力和韧性提供新思路。

高密度城市暴雨洪涝防治能力现状分析

1.高密度城市暴雨洪涝灾害主要特征

(1)损失大

对于人口密度、GDP高的城市地区,一旦发生暴雨洪涝灾害,将造成人员伤亡、经济损失、城市基础设施受损以及系列次生灾害。如北京2012年“7·21”、广州2020年“5·22”和郑州2021年特大暴雨,均造成了重大人员伤亡及财产损失,受到全社会的广泛关注。

(2)突发性强

城市地区下垫面情况复杂,在下垫面动力和热力作用共同影响下,易出现局部范围突发性的强对流天气,引发短历时强降雨。这类突发性暴雨具有前期征兆不明显、影响系统复杂、预报难度大的特点。如广州2017年“5·7”暴雨,由于受到广州北部山区“喇叭口”地形、暖湿气流突然北上和城市“雨岛效应”等因素的综合影响,在前期强降水信号征兆不明显的情况下,发生了全市范围大暴雨,多地出现城市内涝、山体滑坡、洪水和泥石流等灾害。

(3)致灾快

城市化改变了地表天然的产汇流条件,天然调蓄水体锐减、不透水地面比例增加、天然汇水格局改变,导致地表产流量加大、汇流速度加快。以粤港澳大湾区高密度城市典型流域为例,与城市化前(1992年)相比,城市化后(2019年)流域出口断面洪峰出现时间平均提前0.51小时。当短历时强降雨和城市化影响叠加,形成“脉冲式”暴雨洪水,致灾速度极快。以郑州特大暴雨为例,郑州京广快速通道隧道由最大1小时降雨开始至完全淹没仅1.5小时,致灾速度之快,令人猝不及防。

(4)洪涝交织

城市暴雨洪涝防御工程体系包括市政排水系统(又称小排水系统)和水利排涝系统(又称大排水系统)。小排水主要通过市政管网将城区较小汇水面积上较短历时的雨水径流排入城市内河,大排水主要通过城市内河将上游及两岸管网汇集的区域雨水径流排入外江。城市洪涝防御系统是一个有机整体,呈“流域树”结构,大排水构成树干和枝杈,地面排水区为树叶。暴雨径流按“水往低处流”规律在“流域树”运动,洪涝无明显界限,相互交织。北京、广州等城市受区域降雨影响,上游山洪可顺势入城,叠加中下游城市暴雨内涝,洪涝交织特点更加突出,加剧了城市洪涝的复杂性。

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因此,城市洪涝灾害损失大、致灾快、突发性强及洪涝交织的特点,为城市洪涝预报、预警及治理带来巨大挑战。

2.高密度城市暴雨洪涝灾害成因分析

(1)超标准降雨是城市洪涝灾害的主要成因

我国城市内涝防治标准偏低。如武汉内涝防治标准为10年一遇~20年一遇;郑州大部分河道治涝标准为5年一遇~10年一遇;广州内涝防治标准为20年一遇~50年一遇。近年国内城市暴雨频率高、强度大、历时短、范围集中的特点越发凸显,遭遇超标准降雨的机率提高。如2012年北京“7·21”最大24h降雨量局部区域接近500年一遇;2016年7月武汉最大4h降雨量超过100年一遇;2020年广州“5·22”最大1h和6h降雨量均超过100年一遇;2021年郑州特大暴雨最大1h降雨量达到201.9mm,突破我国大陆小时降雨量历史极值(198mm),郑州国家观测站最大日降雨量达624.1mm,接近该站年平均降雨量641mm,也就是说,相当于一天下了将近一年的雨。以标准偏低的洪涝防御系统应对极端暴雨洪水,必定力不胜任。因此,城市内涝防治标准偏低和城市极端暴雨是造成城市洪涝灾害的主要成因。

(2)快速城市化导致城市洪涝防御能力被动下降

城镇化快速扩张过程中,原有的农田、绿地、水系(池塘、河道、湖泊)等透水、蓄水性强的“天然调蓄池”被占用、填平,被不透水的“硬底化”水泥地面所取代。据统计,广州市从1990年到2016年,不透水面面积从421km2增加到了1812km2,增加了3倍以上;郑州市从2000年到2021年,不透水面积从373km2增加到了1147km2,增加了2倍以上,另外郑州古代至少有3个超级大的湖泽(西边荥泽、东边圃田泽、五里堡南仆射陂湖)发挥调蓄作用,随着城市发展这些调蓄湖如今基本消失。城市化导致地表径流系数加大,同量级的降雨产汇流时间缩短,流量显著增加,洪峰形成加快,径流峰型趋“尖瘦”化。珠江水利科学研究院统计了粤港澳大湾区15个高密度城市典型流域,与城市化前(1992年)相比,城市化后(2019年)流域最大3小时暴雨洪峰流量平均增加了41%。随着城市继续扩张,原本标准偏低的城市洪涝防御系统能力将进一步下降,加剧城市洪涝灾害。

(3)城市重大基础设施规划建设未充分考虑自身洪涝风险

城市基础设施是城市正常运转的生命线系统,一旦因洪涝而遭受损害,会在系统之间形成连锁反应,间接损失甚至超过直接损失。以广州市地铁13号线官湖站为例,应按100年一遇标准设防,但其在选址及工程建设时,未充分论证其洪涝设防措施,防洪标准偏低。2020年“5·22”暴雨期间发生倒灌,停运2个月,直接经济损失约2亿元。郑州某医院、重要供电设施防洪标准偏低,在2021年暴雨期间陷入瘫痪,导致大量先进医疗设备损坏、大规模停水、停电。

(4)城市洪涝应急管理能力不足

在灾害发生时,城市灾害应急管理体系是最后一道防线。目前城市洪涝应急管理仍存在明显短板。首先,暴雨洪涝的监测预报预警能力不足,特别是对极端暴雨的预报精度仍偏低,预警主要依靠大规模短信群发、网络消息推送、电视广播轮播等手段,未精准明确风险位置、发生时间和危险程度,对市民安全出行、人员避险转移和防灾应急抢险提供的支撑有限。其次,公共事件应急预案可操作性差,且都是作为单独的存在、联动性差,特大灾害来临时无法及时、有效采取措施,无法充分调动足够的资源来解决危机。

高密度城市暴雨洪涝韧性防治对策研究

任何防洪排涝体系都有设计标准,极端超标准暴雨产生的灾害是不可避免。洪涝灾害不存在根治的说法,类似郑州这样的极端暴雨,放在全国任何一个城市,都是“看海”。未来城市暴雨洪涝防治不是杜绝“看海”,而是采用新的治理理念,实现“防御体系有韧性、基础设施有韧性、极端暴雨少损失”三大目标。

1.提升城市防洪排涝工程体系防御能力和韧性

(1)提高城市防洪排涝工程体系的防御能力,减少“看海”现象

随着中国的城市化快速发展,人口、经济逐渐向城市聚集。截至2020年,中国人口密度最大的10座城市总面积仅占全国的0.51%,而人口和国民生产总值占比分别达到8.96%和16.99%。高密度城市人口、经济高度聚集,其社会经济地位决定其淹不起、涝不得,必须高标准设防,如深圳和广州城市内涝防治标准规划从现状20年一遇提升至100年一遇。同时应充分科学论证防洪排涝基础设施资金投入与防御能力提升的最佳经济效益比,确定科学合理的内涝防治标准。

(2)创新高密度城市暴雨洪涝治理理论,构建多维城市洪涝防御工程体系,提高防御韧性

长期以来,小排水系统和大排水系统治理各自为政。小排水系统按照《室外排水设计规范》,以管网扩容提标为主要措施;大排水按照《治涝标准》,以河道扩宽、堤防加高为主要措施;彼此之间衔接不紧密,忽略了小排水和大排水系统之间的系统性。

高度城镇化背景下,提升城市洪涝防御能力受用地严重制约,河道扩宽无空间,管网扩容将严重影响城市正常运转。按传统洪涝分治的治理模式,城市内河提标只能通过加高堤防解决,一则严重影响城市风貌,二则壅高河道水位不利市政管网排水,三则防治手段单一,遭遇超标准暴雨洪涝时极有可能整体失效。

传统城市洪涝治理模式难以适应新时期的高密度城市洪涝治理需求,须基于流域系统整体观,以流域为单元,运用“统一目标、统一规划、多维共治、系统优化”的高密度城市暴雨洪涝治理规划设计方法:

以流域相同频率设计暴雨条件下城市内河堤防保安全、地面积水不成灾作为城市洪涝治理的共同目标;小排水系统和大排水系统同步一体化规划,以避免各自为政导致的边界条件不衔接和工程规模不协调;在整个内河流域尺度充分挖潜治理空间和蓄排潜力,采用蓄排结合的多元措施、布局若干分散工程(如水库挖潜、利用下凹式广场和湿地公园、建设分散式雨水调蓄池、疏通河道、建设排涝泵站、构建路面行洪通道、建设深层隧道等),联动累加、形成合力,构建流域多维共治体系,共同消纳流域暴雨径流;通过流域洪涝耦合模型,对多维体系工程布局下的城市洪涝过程精细化模拟,系统优化工程布局及措施,确保各维度分散工程的联动累加效应最优化。

通过构建韧性城市洪涝防御工程体系,实现“鸡蛋装在一个篮子里”向“鸡蛋装在多个篮子里”转变,避免超标准暴雨洪水唯一依靠堤防的对抗性脆性防御。

2.提高城市重大基础设施洪涝防御能力和韧性

(1)提高重大基础设施防御能力

提高重要市政基础设施(如自来水厂、电厂、变电站等)、重要交通设施(如火车站、飞机场、地铁站等)等重要基础设施的防御能力。建议其设防标准不低于城市洪涝设防标准,并制定独立的应急预案。

(2)强化部门协同治理

城市洪涝是系统病,包括防御体系和被保护对象两个方面,涉及水务、交通、住建、规自、供电等多部门,城市洪涝治理必须是多元主体,需统筹协调、明确责任、各司其职,确保防御体系和被保护对象之间的协调。以广州市为例,水务部门负责河道、水库范围内防洪排涝能力建设,交通部门负责道路、涵隧、桥梁等区域防洪排涝能力建设;住建部门负责地下停车场、地下通道、大型地下商场等地下空间的防洪排涝能力建设;规自部门负责地质灾害易发区域的防洪排涝能力建设;供电部门负责供电设施防洪排涝能力建设。通过防御体系“全局战场”和被保护对象“局部战场”的有机结合,才能实现城市洪涝标本兼治。

(3)把洪涝安全作为城市开发建设的刚性约束,依法确保城市重要基础设施的防御能力

丰富“以水定城”的内涵,在水资源刚性约束的基础上,强化洪涝管理法规建设,杜绝城市开发进程中时常出现的挤占现有河道和水务设施空间的现象,实施城市重要基础设施洪涝安全评估。目前广州市已经在全国率先实施《广州市城市开发建设项目海绵城市建设—洪涝安全评估技术指引(试行)》,明确重要基础设施项目控制性详细规划阶段必须开展洪涝安全评估,严控河湖水域蓝线、明确片区重要基础设施建设竖向高程及设防标准,充分落实海绵城市、防洪排涝相关规划及自身洪涝安全措施,从城市规划阶段落实“源头”洪涝安全管控,以有效提高城市基础设施洪涝防御韧性。

3.提高超标准暴雨应急管理能力

超标准暴雨引起洪涝灾害是不可避免的,政府、社会应急管理能力是超标准极端暴雨条件下减少人员伤亡和经济损失的关键要素。

(1)加强“四预”(预报、预警、预演、预案)体系建设,加强会商研判,以提升超标准暴雨应急管理能力

①预报:在基于新一代天气雷达的强降雨监测预报基础上,建设城市暴雨洪涝全过程、全要素监测网,运用城市洪涝快速模拟技术,实时动态预测预报水淹位置、范围和过程,实现洪涝风险早期识别,合理指导人员转移、抢险布防、交通管制。

②预警:完善城市洪涝灾害预警发布机制,做好预警发布工作,针对不同用户、不同场景、不同需求进行“实时响应、精准定位、风险分级”精准靶向预警,确保能够及时向责任人和受影响群众发布预警信息,及时启动避险转移、交通管制等。针对重大灾害性天气过程,滚动预测预报,及时发布预警,特别是要做好短临预报预警,确保预警信息到村、到社区、到户、到人。组织滚动联合会商,发挥气象、水利、自然资源等部门专业优势,精准研判风险,周密部署防范。

③预演:在城市暴雨洪涝应对过程中,运用数字化、智慧化手段,对气象预报—洪涝预报—水工程调度—预警信息发布—多部门应急联动等洪涝应急响应全过程进行模拟预演,为政府各部门应急联动、协同抢险救灾提供科学决策支持。

④预案:除了各级政府现行的防汛预案,需要重视超标准洪涝防御预案、城市重大基础设施洪涝防御专项预案。建立“政府统筹,应急主导,部门联动”的城市洪涝应急管理机制,强化洪涝风险隐患摸查及洪涝风险图在预案中的应用,针对城市更新情况及时修编洪涝风险图和预案,突出预案的实用性与可操作性。

(2)强化洪涝科普,提升公众应急避险能力

当前技术水平条件下,短临暴雨预报、洪涝预报还存在误报和漏报,因此,在面临极端天气条件时,公众的洪涝灾害风险意识和自救能力极其重要。利用洪涝风险图向社会公布、线上线下普及暴雨洪涝风险源及避险常识、科普基地教育等措施,加强对公众的洪涝灾害应急避险培训,提高群众的防灾减灾意识,科学指导群众学会正确的自保方式,增强危险状态下的自救能力、互助能力和理智行为能力,提高恶劣环境下公众自身对洪涝灾害的适应性。


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