海口主城區(qū)內(nèi)澇成因分析和治理措施

摘要：以?？谑兄鞒菂^(qū)為例，基于PCSWMM軟件構(gòu)建一維、二維耦合內(nèi)澇模型，根據(jù)多情景模擬結(jié)果，分析內(nèi)澇災(zāi)害特征及分類(lèi)成因，并針對(duì)性地提出組合減災(zāi)方案。結(jié)果表明，基于PCSWMM的內(nèi)澇模型可提供支撐成因分析和防災(zāi)決策的可靠信息。海口市主城區(qū)積水成因主要包括降雨量超標(biāo)、潮位頂托、河道和管道排水能力不足以及地勢(shì)低洼和地形平坦。通過(guò)管道、河道改造結(jié)合增設(shè)蓄水池和排澇泵站的組合減災(zāi)方案可以有效緩解區(qū)域內(nèi)澇。

基于高精度的數(shù)值模擬模型進(jìn)行城市內(nèi)澇過(guò)程模擬和成因分析，是當(dāng)前的主流思路。筆者基于PCSWMM軟件構(gòu)建?？谑兄鞒菂^(qū)一維、二維耦合內(nèi)澇模擬模型，獲得降雨和潮位組合情景下的主城區(qū)積水程度及內(nèi)澇分布特征；在此基礎(chǔ)上，揭示內(nèi)澇形成機(jī)制和關(guān)鍵影響因素，并從整體層面提出可行的整治方案，以期為海口市主城區(qū)的內(nèi)澇防治提供科學(xué)可靠的決策支持。

01 研究區(qū)域概況

海口市地處低緯度熱帶北緣，屬于熱帶海洋氣候，全市多年平均降雨量為1827mm，其中5月—10月為雨季，降雨量占全年降雨量的78.1%；9月為降雨高峰期，平均降雨量為300.7mm，占全年的16.5%。?？谑兄鞒菂^(qū)位于海口市北部，瀕臨瓊州海峽，是海南省政治、經(jīng)濟(jì)、科技、文化中心和最大的交通樞紐。受強(qiáng)降雨與風(fēng)暴潮影響，?？谑袃?nèi)澇呈突發(fā)、頻發(fā)和高危害的特征。

02 ?？谑兄鞒菂^(qū)內(nèi)澇模型構(gòu)建

根據(jù)管網(wǎng)、檢查井與河道信息（來(lái)源于?？谑兴畡?wù)局），以及下墊面利用信息和地形高程數(shù)據(jù)（遙感解析）等，構(gòu)建?？谑兄鞒菂^(qū)一維、二維耦合內(nèi)澇模擬模型。所構(gòu)建模型共包含子匯水區(qū)139個(gè)、地表網(wǎng)格62920個(gè)、管段13122根、檢查井13073個(gè)、河道10條、排水口47處，其中在龍昆溝出?？诘?5處設(shè)置擋潮閘。擋潮閘運(yùn)行方式：當(dāng)閘上游水位高于閘下游潮水位時(shí)，開(kāi)閘排水，反之關(guān)閘擋潮。

采用2014年威馬遜臺(tái)風(fēng)期間?？谑械慕涤旰统蔽粩?shù)據(jù)作為輸入邊界條件，以區(qū)域內(nèi)各內(nèi)澇點(diǎn)實(shí)測(cè)深度與模擬深度作為評(píng)判對(duì)象，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定。實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果的對(duì)比情況見(jiàn)圖1。實(shí)測(cè)積水深度范圍為20～80cm，模擬積水深度范圍為22～75cm，平均值分別為47.3、46.8cm，僅相差0.5cm。線性回歸決定系數(shù)（R2）、納什效率系數(shù)（NSE）以及相對(duì)誤差（Re）分別為0.80、0.796、0.9%，一般認(rèn)為當(dāng)R2>0.6、NSE>0.5、|Re|<20%時(shí)，模型的擬合精度即滿(mǎn)足要求。綜上可知，構(gòu)建的內(nèi)澇模型能較好地模擬海口市主城區(qū)的積水與排澇過(guò)程。

03 模擬研究及結(jié)果分析

利用所構(gòu)建模型得出不同設(shè)計(jì)降雨耦合同頻率潮位情景下?？谑兄鞒菂^(qū)的內(nèi)澇情況如下：當(dāng)重現(xiàn)期分別為2、5、10、20、50 年時(shí)，積水面積分別為11.13、14.50、16.67、18.29、20.94km2，積水體積分別為227.90×104、348.68×104、419.68×104、491.22×104、620.21×104m3，平均積水深度分別為0.20、0.24、0.25、0.27、0.30m。50年一遇情景下的最大積水深度及其分布如圖2所示。

模擬結(jié)果表明，在2年一遇降雨情景下，研究區(qū)域的積水面積占總面積的12.7%；在50年一遇情景下，積水面積、積水體積、平均積水深度較2年一遇情景下分別增加了88%、172%、50%，積水體積的增加幅度明顯大于積水面積，表明積水產(chǎn)生后難以排出，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)隨重現(xiàn)期的增加而顯著增加。海甸島及龍昆溝排水子系統(tǒng)內(nèi)濱海大道、道客溝-龍昆溝、大同溝-大同分洪溝沿線區(qū)域?yàn)閲?yán)重內(nèi)澇區(qū)。海甸島與龍昆溝排水子系統(tǒng)是海口市主城區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

04 內(nèi)澇成因分析

以?xún)?nèi)澇程度最嚴(yán)重的龍昆溝排水子系統(tǒng)為例，開(kāi)展內(nèi)澇成因分析。在50年一遇情景下，龍昆溝排水子系統(tǒng)的內(nèi)澇分布如圖3所示。

4.1 區(qū)域積水與區(qū)域參數(shù)關(guān)聯(lián)性

采取Pearson相關(guān)性分析法，以子匯水區(qū)為單元，研究龍昆溝區(qū)域積水特征與區(qū)域參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性。區(qū)域參數(shù)共5個(gè)，其中積水面積占比是指最大積水時(shí)刻子匯水區(qū)內(nèi)積水網(wǎng)格面積與子匯水區(qū)面積之比；積水體積是指最大積水時(shí)刻子匯水區(qū)內(nèi)的積水量；平均積水深度是指最大積水時(shí)刻子匯水區(qū)內(nèi)積水量與子匯水區(qū)面積之比；綜合積水程度是通過(guò)熵權(quán)法對(duì)積水面積占比、積水體積及積水時(shí)長(zhǎng)求取權(quán)重后的歸一化加權(quán)值，其值越小，對(duì)應(yīng)的積水程度越嚴(yán)重。關(guān)聯(lián)性結(jié)果如表1所示。可知，坡度與積水面積占比、綜合積水程度分別呈顯著相關(guān)、顯著弱相關(guān)關(guān)系；平均高程與積水面積占比、平均積水深度、綜合積水程度分別呈顯著強(qiáng)相關(guān)、顯著弱相關(guān)、顯著相關(guān)關(guān)系；積水情況與管道長(zhǎng)度的相關(guān)關(guān)系較弱。因此，區(qū)域積水程度受平均高程與坡度的影響較大。

4.2 典型積水區(qū)域內(nèi)澇成因分析

選取典型積水區(qū)域，按照雨水傳輸路徑分析積水區(qū)域的內(nèi)澇成因。

4.2.1 降雨量超標(biāo)和潮位頂托

相同潮位和不同降雨重現(xiàn)期組合情景下龍昆溝下游區(qū)域的內(nèi)澇情況如表2所示。50年一遇重現(xiàn)期時(shí)下游積水面積與積水量較2年一遇分別增加了336%、654%。因此，降雨量超標(biāo)是導(dǎo)致嚴(yán)重內(nèi)澇的重要原因。

提取潮位頂托下龍昆溝、大同分洪溝出口排澇過(guò)程與大同溝水位，如圖4所示。可知，在08：45—11：30期間，受潮位頂托作用，河道排澇流量減小，出現(xiàn)間斷排澇或者無(wú)法排澇情況，導(dǎo)致水位快速上升，大同溝水位超過(guò)堤防高程（2.80m），造成漫溢，急劇降低了河道對(duì)后續(xù)來(lái)水的調(diào)蓄能力。

為研究潮峰與雨峰相對(duì)位置對(duì)排澇過(guò)程的影響，對(duì)比潮峰與雨峰時(shí)刻重合以及超前或滯后2h和4h共5種情景下龍昆溝排水子系統(tǒng)的總積水量，如圖5所示?？芍狈逦恢脤?duì)排澇過(guò)程存在顯著影響，潮峰滯后雨峰時(shí)，將導(dǎo)致匯集澇水高峰與高潮位重疊，澇水無(wú)法自流排出，加劇內(nèi)澇。最大影響對(duì)應(yīng)的潮峰滯后時(shí)間與區(qū)域降雨產(chǎn)匯流過(guò)程和排水系統(tǒng)的排水特征均相關(guān)。

4.2.2 管道排水能力不足

濱河路某管道流量過(guò)程及管道周邊地表積水過(guò)程、管道與大同溝相交斷面水位過(guò)程見(jiàn)圖6（管道流量為負(fù)代表河道澇水倒灌進(jìn)入管道）?？芍?，高潮位與強(qiáng)降雨時(shí)段，河道水位較高，管道流量較小甚至變?yōu)樨?fù)值，而地表積水深度與河道水位變化趨勢(shì)一致。因此，當(dāng)管道排水受河道頂托與倒灌影響時(shí)，區(qū)域內(nèi)澇程度顯著增加。

龍昆南路沿線澇水漫溢嚴(yán)重，沿程最大流量如圖7所示。此段下游排水管道尺寸顯著減小且存在逆坡，使得澇水無(wú)法有效排出，中間段澇水匯入后反方向流向上游，產(chǎn)生沿程漫溢。

4.2.3 河道排水能力不足

大同溝周邊區(qū)域?yàn)閮?nèi)澇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，其上游和下游斷面流量過(guò)程如圖8所示?？芍?，在降雨高峰時(shí)段，受河道排水能力制約，大同溝入口和出口斷面流量峰值相差26.9m3/s，導(dǎo)致澇水沿程漫溢至地表。道客溝下游段也存在相同問(wèn)題。

4.2.4 地形地勢(shì)

地形地勢(shì)決定澇水?dāng)U散路徑，對(duì)內(nèi)澇演變過(guò)程和分布格局具有重要影響。以下游區(qū)域子匯水區(qū)O2為例，其地形與內(nèi)澇過(guò)程如圖9所示。可知，O2子匯水區(qū)地勢(shì)中間高、四周低。西南方向子匯水區(qū)地表積水到達(dá)圖中A點(diǎn)后順著高程低的龍昆北路與龍華路流入O2子匯水區(qū)，匯入量達(dá)62.06×104m3（未扣除O2子匯水區(qū)進(jìn)入其他排水分區(qū)的澇水量），遠(yuǎn)超管道漫溢水量。因此，地形平坦、地勢(shì)過(guò)低將加劇區(qū)域澇水匯入，加重內(nèi)澇程度。

除O2子匯水區(qū)外，紅城湖西側(cè)子匯水區(qū)D13_2地勢(shì)明顯低于南部與西部相鄰區(qū)域，南部與西部澇水向地勢(shì)較低的北部和東部區(qū)域流動(dòng)，導(dǎo)致大面積、長(zhǎng)時(shí)間積水（見(jiàn)圖10），總積水量達(dá)16.6×10⁴m³，中部地勢(shì)最低點(diǎn)積水深度達(dá)到1.7m。因此，區(qū)域如存在地勢(shì)較低情況，將極易形成嚴(yán)重內(nèi)澇。

05 區(qū)域內(nèi)澇治理方案

依據(jù)區(qū)域內(nèi)澇成因，提出龍昆溝排水子系統(tǒng)整治方案，包括管道和河道改造及增設(shè)蓄水池和雨水泵站，具體見(jiàn)圖11。治理前后積水情況對(duì)比見(jiàn)圖12。

① 管網(wǎng)系統(tǒng)改造

具體措施：在濱河路、義龍東路、大同路等二級(jí)道路，改造管道76根、新建管道36根、設(shè)置管道拍門(mén)15個(gè)；在濱河路、華海路周邊各增設(shè)1座雨水泵站；在紅城湖管道沿線修建3處排水出口。

治理效果：下游管道改造所在子匯水區(qū)的積水面積與積水體積削減率分別為19.6%、33.0%；上游紅城湖管道沿線排水量較改造前增加111×104m3。

② 河道改造

具體措施：參考海口市藍(lán)線規(guī)劃，將大同分洪溝暗涵由8m拓寬為20m；大同溝部分?jǐn)嗝娴谭栏叱烫岣咧琳w堤防高程即2.80m；道客溝下游段暗涵拓寬至10m。

治理效果：大同分洪溝最大排澇流量增加了33m3/s；道客溝排入龍昆溝的水量增加了20m3，上游D13_1子匯水區(qū)積水體積減少了30%。

③ 增設(shè)蓄水池

具體措施：在濱海新村附近、南大立交橋西南側(cè)、紅城湖與龍昆南路之間分別布設(shè)蓄水池。

治理效果：蓄水池周邊15個(gè)子匯水區(qū)的積水面積和積水體積分別減少了38.2%、62.2%；紅城湖周邊子匯水區(qū)的匯入水量減少了24.2%。

④ 增設(shè)排澇泵站

具體措施：在東西湖周邊、上游蓄水池3與道客溝之間分別布設(shè)排澇泵站，綜合考慮積水程度及成本，上、下游泵站規(guī)模分別設(shè)置為10、55m3/s。

治理效果：大同溝沿線及東西湖周邊7個(gè)子匯水區(qū)的積水面積和積水體積分別減少了47.6%、59.3%，蓄水池1和蓄水池3的規(guī)模分別降低了85.0%、29.1%。

模擬分析結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的有效性。方案如實(shí)施，龍昆溝排水子系統(tǒng)下游面狀積水程度將顯著降低，紅城湖周邊、道客溝-龍昆溝、大同溝-大同分洪溝沿線等內(nèi)澇嚴(yán)重區(qū)域的積水深度及積水面積將明顯減少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，積水面積和積水體積將分別減少30%和37%，內(nèi)澇緩解效果顯著。

06 結(jié)論

① PCSWMM軟件滿(mǎn)足開(kāi)展城市內(nèi)澇精細(xì)化模擬分析研究的需求，在完善基礎(chǔ)資料的條件下，基于PCSWMM軟件的內(nèi)澇模擬模型可提供支撐成因分析和防災(zāi)決策的可靠信息。

② 受多方面因素影響，?？谑兄鞒菂^(qū)易發(fā)生內(nèi)澇，且內(nèi)澇程度隨降雨和潮位的提高而顯著增加。以下游區(qū)域?yàn)槔?0年一遇情景的積水面積與積水量較2年一遇分別增加了336%、654%。應(yīng)結(jié)合城市定位和發(fā)展，確定合理的內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)。

③ 海口市主城區(qū)的內(nèi)澇成因包括：降雨量超標(biāo)和潮位頂托、河道和管道排水能力不足、地勢(shì)低洼及地形平坦等。內(nèi)澇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分布在海甸島及龍昆溝排水子系統(tǒng)內(nèi)的濱海大道、道客溝-龍昆溝、大同溝-大同分洪溝沿線。區(qū)域間因河渠和道路連接而緊密聯(lián)系，應(yīng)從整體考慮制定防災(zāi)策略和方案才能達(dá)到預(yù)期效果。

④ 龍昆溝排水子系統(tǒng)分析結(jié)果表明，管道和河道改造結(jié)合增設(shè)排澇泵站和蓄水池的組合減災(zāi)方案是沿海城市防災(zāi)的優(yōu)選，但應(yīng)合理確定各類(lèi)措施的布設(shè)位置和規(guī)模，同時(shí)還需考慮區(qū)域間澇水聯(lián)系來(lái)制定精細(xì)化調(diào)控方案，以達(dá)到最佳防災(zāi)效果。