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广州“5·22”城市洪涝成因及对策

发布时间: 2020-06-29 17:28:17  浏览次数: 111

(陈文龙  夏军    中国水利杂志)

 

        广州市是粤港澳大湾区的核心城市之一。近年来广州强降雨引发的洪涝灾害频发,强度不断增大,带来不可估量的生命和财产损失。其中,2020年“5·22”特大暴雨,全市内共443处积水,多地出现水淹,增城广汽本田生产基地被淹、广州地铁增城官湖地铁站、新沙地铁站严重侵水导致地铁13号线停运,全市死亡4人。暴雨洪涝灾害已经成为影响广州城市公共安全的突出问题和制约经济社会发展的重要因素。结合广州城市洪涝历史资料分析和“5·22”特大暴雨灾害调查分析,对广州城市暴雨洪涝成因进行了分析,并提出防治对策。

广州城市洪涝成因分析

        近年来,广州“逢雨必涝”“城区看海”的现象不断上演,主要表现为暴雨强度大,外江洪水位高,城市地面雨水不能及时排出产生的内涝和城市河涌行洪能力不足导致的河水漫溢淹城。城市洪涝是个“系统性疾病”,洪涝致灾因素复杂,是内因和外因共同作用的结果。对广州而言,外因主要是极端强降雨、外江潮水顶托倒灌,内因主要是城市水文效应、排水系统标准偏低、城市河道行洪排涝功能不足和防洪排涝工程管理不善等。1.短历时高降雨频发广州地处亚热带海洋季风气候区,特殊的地理位置决定了广州降雨具有强度大、时间集中且发生频率高的特点。城市化引发的“热岛效应”和“雨岛”效应也会导致城市突发性短历时强降雨更加频繁、强度更大。据资料统计,广州近10年平均年降水量多达2193.8mm,约为北京的3.75倍、上海的2倍。而且,年降水量和雨强均呈增多趋势,近百年雨量增加速度为32.2mm/10年。2020年的“5·22”特大暴雨具有强度大、范围广和面雨量大的特点,小时雨强无论强度还是范围,均超历史纪录,42个站点小时雨强超80mm。其中黄埔区珠江街录得全市最大小时雨量167.8mm,超百年一遇,3小时最大降水量288.5mm,破黄埔区历史极值,均超过了广州市现状河涌排涝能力和城市排水管网排水能力。2.城市高强度高密度开发广州是高度城市化城市,城市化率达86.38%。城市化快速扩张过程中,原有的农田、绿地等透水能力强的地面被不透水的“硬底化”水泥地面所取代,雨水的下渗量和截流量下降,径流峰值增加。同时“硬底化”使得地面粗糙度降低,暴雨汇流的速度加快,汇流时间缩短而径流峰值提前,径流峰型趋“尖瘦”形化。相关研究表明,广州城市化建设使得地面径流系数由0.3~0.5增大到0.6~0.9,增大了近1倍。相关研究指出城市化使广东“龙舟水”径流峰值出现时间提前了1~2小时。同时,城市化建设引起城市自然调蓄能力的下降。城市化以前城市内存在不少的农田、池塘、河道、湖泊等“天然调蓄池”,具有减缓城市内涝的功能。城市化之后,这些天然的调蓄池被填平、占用,加剧了城市的防涝压力。以广州市天河区猎德涌为例,在20世纪80年代初,河涌两岸基本为农田,随着城市化建设的发展,到2009年河涌两岸已基本被建成区覆盖。猎德涌流域调蓄容量由83万m3减为8万m3,20年一遇洪峰流量从103m3/s增大到157m3/s。另外,观念限制,过去城市规划建设未充分考虑防洪排涝要求。如道路建设切断几十公里自然状态的天然排水路线,改变汇水格局,道路两侧仅仅依靠涵洞连通,排水由“线”变“点”,极大增加上游排涝压力。城市规划和重要项目方案未深入论证洪涝安全,有些重要项目选址就在城市低洼区等洪涝灾害高风险区。如位于南岗河流域的黄浦区开源大道隧道,“5·22”特大暴雨期间积水严重,2人溺亡。究其原因,从洪涝安全的角度,地势低洼区交通应采用高架桥方案,采用隧道方案则变成了低洼地的“锅底”,大暴雨汇流或附近河水漫溢,水迅速往低处流,极易造成人员伤亡。3.城市排水标准偏低据资料统计,广州新城区排水管网按“3年一遇”排涝标准设计,而老城区83%左右排水管网为“1年一遇”的排涝标准,仅9%达到“2年一遇”的标准。随着城市继续扩张,原本偏低的城区排水系统的排涝能力将进一步下降。另外,城市建设截断排水管网,破坏排水系统,老城区排水系统老化失修,淤积堵塞严重,都进一步降低排水能力。面对倾盆大雨,城市排水系统“小马拉大车”,力不从心。4.城市河道行洪排涝能力不足广州城市河道可分为防洪河道(以防洪为主)、排涝河道(以城市排涝任务为主)和防洪排涝河道(兼具防洪和排涝任务,如增城新塘镇官湖河和埔安河流域,上游为山区,受山洪影响,下游为城市建成区,承担市区排涝任务)。根据《广州市防洪(潮)排涝规划(2010—2020)》,广州市城区及建制镇排涝标准采用20年一遇24小时暴雨不成灾,农田及生态保护区排涝标准采用10年一遇24小时暴雨不成灾,河道防洪标准原则上按排涝标准规划、设计。目前广州市许多内河水系尚不能满足10年一遇的排涝标准,个别区域达不到5年一遇排涝标准。且河道中的阻水桥梁、桥涵以及各类垃圾倒弃等使得河道行洪空间被占用、堵塞,造成行洪不畅。当流域发生超标准洪水,就会发生河水漫溢。“5·22”特大暴雨期间,埔安河流域发生超标准降雨(1小时降雨约20年一遇,3小时降雨100年一遇,6小时降雨约50年一遇),而河道防洪标准不足10年一遇,且河道多处卡口、淤积,导致河水漫溢、山水进城,流域内的翡翠绿洲小区水淹约9小时。5.外江水位顶托广州市内河受珠江口伶仃洋潮汐作用的影响,汛期还受外江洪水影响。外江高水位的顶托也是引起广州内涝的一个因素。如强降雨遭遇外江天文大潮或台风暴潮,外江高潮位顶托使得城市河道洪水不能及时排入外江,河道长时间维持高水位,排水管网排水能力大幅下降,出现内涝。所幸这次“5·22”特大暴雨期间没有遭遇天文大潮或风暴潮,否则后果更加不堪设想。

广州城市洪涝防治对策

        1.以流域系统整体观和韧性防御理念,开展防洪排涝规划

(1)流域系统整体观。城市洪水和内涝从概念上既有区别又有联系。城市洪水一般指由于降雨引起的城市河流水位上涨漫堤造成水淹;而城市内涝是指降雨超过城区排水能力导致水淹。防洪是防外水,防涝是治内水。广州城市洪涝同源,都产生于流域暴雨,所以城市洪水的发生往往伴随着内涝,城市内涝会因为城市河流水位顶托等原因引起市政排水系统排水不畅。同时,城市河流还可能受到外江潮位的顶托。因此,广州城市防洪排涝规划必须以城市河流所在流域为单元进行统一规划,统筹排水、防洪、防潮,统筹流域上中下游,统筹流域和区域。(2)统一城市排水标准和水利排涝标准。城市排涝系统包括城市排水系统(小水系,主要由排水管网、排水泵站和雨水调蓄池组成 )和城市排涝系统(大水系,由河道、蓄滞洪区、水闸、泵站组成)。目前,排水标准和排涝标准自成体系,无法直接衔接。过去实际工程规划设计,未充分考虑排水系统和排涝系统互为边界条件,如排涝系统的内河水位与排水系统的出流能力互为边界条件。一个区域的内涝防治标准是排水系统和城市排涝系统综合协调作用下的标准。因为城市洪涝同源于流域暴雨,立足于整体观应统一标准,应研究能够统筹市政短历时和水利长历时的设计雨型,统一市政排水标准和水利排涝标准。(3)加强城市水系统理论与实践研究,采用多元措施,提高韧性。城市防洪排涝体系是由城市LID、排水系统和河湖库系统组成,具有多尺度特效。防洪排涝体系追求的是整体达标,整体达标方案并非唯一解。广州作为粤港澳大湾区的核心城市之一,防洪排涝规划要从战略高度、长远角度进行近期规划,兼顾城市水环境、水生态、水资源和城市建设;以高标准为远期规划预留提升空间和可能。其关键在于,多元措施,提高韧性。切忌头痛医头脚痛医脚,防洪标准偏低,一味加高堤防;排水标准偏低,一味提升管网改造扩容。加高堤防,在满足抵御洪水的同时,也带来其它弊端:一则高水位行洪会降低排水系统的排水能力,二则影响城市景观和亲水性,三则单一依靠堤防对抗性防御对超标准洪水依然束手无策。花巨资改善排水网也并不现实,不仅投入大,对居民造成一定影响,而且即使排水标准提升,承接排水的河道排涝能力不足,城市积水也排不出去。韧性防御必须按照系统整体观,采用“滞、蓄、截、挡、疏、抽、扩、调”等多元措施组合,从整体上提升排水排涝能力。滞:源头蓄滞,通过绿色屋顶、雨水花园、地面透水铺装等手段,进行源头控制,降低产汇流的峰值,减轻排涝压力。蓄:水库挖潜或者新建水库;设置蓄滞洪区(湿地公园);建立分散式雨水调蓄池(下凹式绿地、下凹式广场);建设深层隧洞。截:高水截排,减轻河道防洪压力,有效防止山水进城。挡:加高加固堤防。疏:疏通河道阻挡物,使洪涝水排放顺畅。抽:低水抽排,在河口建泵强排,及时将河涌的洪水排走,降低河道水位。扩:管网扩容,提高排水标准。调:优化水工程调度,如雨前预警预报,提前预降水库、河道水位。研究表明,采用多元措施,按50年一遇24小时暴雨标准设计,甚至可以防御100~200年一遇的短历时强降雨,多元措施比单一措施具有更高的韧性。2.加强防洪排涝的法制建设,把防洪排涝规划有关要求作为城市建设的刚性约束对于高度城市化地区,不仅要强调水资源的刚性约束,防洪排涝规划有关要求也应作为城市建设的刚性约束。一是把海绵城市建设“年径流总量控制率”作为城市建设的刚性约束。广州已经出台《广州市建设项目雨水径流控制办法》,规定“建设后的雨水径流量不超过建设前的雨水径流量”、“新建建设工程硬化面积达1万m2以上的项目,除城镇公共道路外,每万m2硬化面积应当配建不小于500m3的雨水调蓄设施”、“新建项目硬化地面中,除城镇公共道路外,建筑物的室外可渗透地面率不低于40%;人行道、室外停车场、步行街、自行车道和建设工程的外部庭院应当分别设置渗透性铺装设施,其渗透铺装率不低于70%”。二是开展城市洪水风险图的编制与应用。根据洪水风险图,合理制定洪泛区土地利用规划,避免在风险大的区域出现人口与资产的过度集中,合理制定超标准洪水的避灾路线,避免临危出乱。“5·22”特大暴雨官湖地铁站受淹就是个警示,根据后续调查发现,官湖地铁站设计过程对内涝分析没有引起足够的重视,地铁站位于常年易涝区,且设计标准偏低。三是把洪涝风险论证作为城市规划和重要项目建设的前置条件,论证内容应包括工程建设是否增加城市内涝压力、是否对已有防洪排涝体系产生不利影响以及自身的洪涝安全是否满足要求。3.建设城市内涝实时监测预报预警系统,科学指导防汛应急决策建设以内涝监测设备和内涝数值模型为核心的城市内涝实时监测预警预报系统。内涝监测设备侧重“点”,内涝模型侧重“面”,两者相辅相成,监测数据可用于检测和修正内涝模型,点面结合可以实现洪涝风险的滚动预报。内涝监测设备主要布设于全市易涝区,实时监测城区内易涝点的积水水位、窨井水位和重点河段的河道水位。内涝模型核心是采用“地面—管网—河道”耦合一、二维数学模型。内涝模型可根据地面水位、内河涌水位和水闸泵站运行情况,以及未来1~3小时的降水预报信息,绘制相应的洪水风险图,展示最大淹没水深、淹没历时和最高水位时刻。水务管理部门借助防汛内涝监测系统可整体掌握城区的内涝状况,及时进行科学的防洪排涝调度。交通管理部门通过该系统可实时掌握低洼路段的积水状况,并借助广播、电视、短信、微信等途径为广大群众提供出行指南,避免人员、车辆误入深水路段造成重大损失。4.一涝一策,精准施策“5·22”特大暴雨期间,广州有443处积水。不同洪涝点成因不同,必须点对点的制定对策。对全市洪涝风险区进行历史资料的收集分析,洪涝发生期间的调研尤为重要。“5·22”特大暴雨后,广州市水务局组织专业力量采用实地勘察、无人机、卫星遥感和内涝实时监测等多手段对此次涝点进行了原因分析,成效显著。有的地方是河水漫溢,要提升河道排涝能力,可通过疏浚河道、增加排涝泵站等措施;有的地方要加快健全排水系统建设,雨水收集设施过水能力不足,可增设雨水口,对管道口径较小、管网铺设较少的及时更换和加铺管网,排水口设置不合理的要及时调整。有的低洼地,要增设抽水泵站和就近建设调蓄池;有的地方是管道淤积,应加强管道的养护管理和汛前的管道疏浚。对于易涝区和重点防护对象(如地铁),应开展综合洪涝风险评估,包括防洪排涝体系自身情况,以及非工程管理方面的管理人员素质、管理水平,防汛物资、设备储备情况,抢险队伍情况等,在此基础上编制专项防洪应急预案,确保应对超标准暴雨洪涝的针对性和可操作性,如发生超强暴雨洪涝风险区隧道要提前禁止通车。5.推进城市防洪排涝的体制机制创新,加强规范化管理建立健全管理法规、制度、机构,让防洪排涝工程设施的管理及调度有法可依。城市洪涝的发生是以流域为单元的,目前广州不少城市河涌都是横跨多个行政区域,且防洪排涝工程的管理和调度分属不同行政部门,遇到流域性洪水,难以统一调度。“5·22”特大暴雨调查发现,埔安河流域涉及黄埔、增城两区,跨区域协调难度大,灾情信息互通不充分,影响流域调度时效性。建议涉及多区域的流域由上级水务局统一管理或者在上级水务局的指导下建立流域防洪排涝工作机制。目前不少水库、水闸、泵站的管理还处于放任的状态,基础监测设施不完善,水闸(泵站)调度不遵循调度规则,甚至有因管理不当造成应急抢险设施失效等问题。如埔安河流域下游金紫涌水南闸年久失修,在“5·22”特大暴雨期间闸门无法正常开启,造成河道水位壅高漫堤,致使多处被淹。因此必须在汛前做好防洪工程的规范化管理,特别是小型水库水雨情测报设施、调度运用方案、安全管理(防汛)应急预案“三个重点环节”和“三个责任人”的管理工作,使防洪排涝工程的管理和防汛工作走向规范化。

结语

        在全球气候异常、极端超标暴雨频发的情况下,广州长期受暴雨洪涝灾害困扰,城市水安全问题突出。通过历史资料分析和“5·22”特大暴雨调研,认为极端的降雨强度、城市化建设造成的城市下垫面“硬底化”、蓄滞能力降低、城市排水管网和河道排水排涝能力不足等是广州洪涝的主要原因,外江潮水顶托也是一个重要原因。从规划、建设、治理三个角度分别提出了以流域整体观和韧性防御理念开展防洪排涝规划、把防洪排涝规划有关要求作为城市建设的刚性约束,建设城市内涝实时监测预报预警系统,对洪涝风险点按“一涝一策”针对性治理和对防洪排涝工程和调度进行规范化管理等建议。可为我国大城市洪涝治理提供借鉴。

  来源/珠科院科技作者/陈文龙(珠江水利科学研究院院长,正高级工程师,主要研究方向为洪涝灾害防御和河流治理),夏军(中国科学院院士,主要从事水文水资源方面的研究)编排/车小磊

 

 

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