城市内涝模拟及治理研究进展与评述 减灾中心徐卫红李娜张念强杜晓鹤 随着城市化进程加速和全球气候变暖,我国城市内涝呈严重化态势。根据我 国住房和城乡建设部2010年对351个城市内涝情况调研显示,自2008年起,有 213个城市发生过不同程度的积水内涝,占调查城市的62%。据国家防办统计, 2010年、2012年、2013年、2016年我国洪涝灾害直接经济损失分别高达3745 亿元、2675亿元、3156亿元和3661亿元。同时,我国城市化水平也在不断提高, 自1995年以来,我国城市化水平保持着快速增长的态势,从2011年开始,首次 超过50%,至2015年达到56.1%。随着城市化进程的加速,城市内涝防治面临 巨大的挑战,特别是自2012年北京721暴雨内涝事件以来,政府及学者对城市 内涝成因及防治问题的关注越来越密切,城市内涝模拟作为研究城市内涝问题的 重要技术手段,也成为关注的热点问题之一。本次调研旨在发掘城市内涝成因、 城市内涝模拟以及城市内涝防治措施研究进展,以期为我国城市内涝问题的深入 研究提供参考。 城市内涝是指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力而导致城市内产 生积水的现象。城市内涝频繁发生的原因可分为四类:1)全球气候变暖和城市 雨岛效应导致城市暴雨频发。相关研究表明,20世纪80年代以来,由全球气候 变暖引起的洪灾数量增加近230%,同时,受城市“雨岛效应”的影响,城区降 水量、降雨频率和雨强显著高于郊区。2)城市建设改变天然产汇流过程。城市 下垫面不透水面积比例的增加,导致城市径流量增加,地面容易积水,相关试验 表明,在降雨条件相同时,天然流域发展为100%城市化地区,城市地表径流将 增加4~5倍。3)城市扩张侵占了河湖行蓄空间。部分城市原本具有自然调蓄能 力的河湖、湿地、池塘等被人为填筑破坏,部分天然河沟渠道化、暗涵化,自然 水循环系统遭到破坏,减少了原有的自然排水通道和调蓄空间,降低了雨洪水的 通行能力和调蓄能力。4)排水设施能力不足且模式单一。部分城市排水设施能 力尚未达到规划标准、排水设施建成后缺乏管理维护造成淤堵、城市道路施工过 程中易破坏原有排水设施等原因造成排水设施能力不足,同时,我国城市排水主
城市内涝模拟及治理研究进展与评述 减灾中心 徐卫红 李娜 张念强 杜晓鹤 随着城市化进程加速和全球气候变暖，我国城市内涝呈严重化态势。根据我 国住房和城乡建设部 2010 年对 351 个城市内涝情况调研显示，自 2008 年起，有 213 个城市发生过不同程度的积水内涝，占调查城市的 62%。据国家防办统计， 2010 年、2012 年、2013 年、2016 年我国洪涝灾害直接经济损失分别高达 3745 亿元、2675 亿元、3156 亿元和 3661 亿元。同时，我国城市化水平也在不断提高， 自 1995 年以来，我国城市化水平保持着快速增长的态势，从 2011 年开始，首次 超过 50%，至 2015 年达到 56.1%。随着城市化进程的加速，城市内涝防治面临 巨大的挑战，特别是自 2012 年北京 7.21 暴雨内涝事件以来，政府及学者对城市 内涝成因及防治问题的关注越来越密切，城市内涝模拟作为研究城市内涝问题的 重要技术手段，也成为关注的热点问题之一。本次调研旨在发掘城市内涝成因、 城市内涝模拟以及城市内涝防治措施研究进展，以期为我国城市内涝问题的深入 研究提供参考。 城市内涝是指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力而导致城市内产 生积水的现象。城市内涝频繁发生的原因可分为四类：1）全球气候变暖和城市 雨岛效应导致城市暴雨频发。相关研究表明，20 世纪 80 年代以来，由全球气候 变暖引起的洪灾数量增加近 230%，同时，受城市“雨岛效应”的影响，城区降 水量、降雨频率和雨强显著高于郊区。2）城市建设改变天然产汇流过程。城市 下垫面不透水面积比例的增加，导致城市径流量增加，地面容易积水，相关试验 表明，在降雨条件相同时，天然流域发展为 100%城市化地区，城市地表径流将 增加 4~5 倍。3）城市扩张侵占了河湖行蓄空间。部分城市原本具有自然调蓄能 力的河湖、湿地、池塘等被人为填筑破坏，部分天然河沟渠道化、暗涵化，自然 水循环系统遭到破坏，减少了原有的自然排水通道和调蓄空间，降低了雨洪水的 通行能力和调蓄能力。4）排水设施能力不足且模式单一。部分城市排水设施能 力尚未达到规划标准、排水设施建成后缺乏管理维护造成淤堵、城市道路施工过 程中易破坏原有排水设施等原因造成排水设施能力不足，同时，我国城市排水主
要靠排水管网系统,模式单一,难以应对特大暴雨。 城市内淓涝模拟是研究城市内涝成因和防治的关键技术之一,目前,应用比较 广泛的城市内涝模型包括 MIKE-SWMM、 InfoWorks CS、 STORM等,国内中国 水利水电科学硏究院开发的城市洪涝仿真模型、耿艳芬构建的城市雨洪水动力耦 合模型,徐向阳开发的平原城市雨洪模型等较为典型。城市内涝模拟主要包括降 雨产流、地表汇流以及排水管渠汇流这三个核心模块。1)降雨产流模拟。城市 不透水地面的产流量为降雨量扣除截留、填洼、蒸发等损失形成的净雨过程,透 水地面在扣除上述损失后,还需扣除下渗形成的损失,常用的计算方法包括径流 系数法、SCS法、下渗曲线法、概念性降雨径流法等,前三者应用比较广泛。2) 地表汇流模拟。城市道路、建筑物密布,城市地表汇流的计算较为繁琐,水力学 方法物理过程明确,能较为精确的模拟地表雨洪演进过程,目前大多采用二维水 动力模型,结合模拟需求与一维河网模型耦合:水文学方法模拟效果较好的是非 线性水库法,等流时线法和线性水库其次。3)城市管渠汇流模拟。针对河渠和 排水管网中的无压流可采用水文学方法模拟,应用比较广泛的是马斯京根法,针 对排水管网中的压力流和明满流一般采用水动力学方法模拟,包括扩散波方程、 运动波方程以及动力波方程,目前,要模拟地下管网中各种流态共存、有压流和 无压重力流交替发生的复杂水流状态仍然存在困难, 城市内淓防治措施分为工程措施和非工程措施,前者主要是通过相关工程控 制城市降雨产流、汇流过程,后者主要是通过规划、管理、预防、应对机制等方 面预防内涝灾害的形成。工程措施主要分为四类:1)加强源头径流的控制,减 小城市径流排放压力,实现城市水文循环的良性发展。2)提高排水管网系统的 设计标准并加强维护管理,提升城市排水设施的能力。3)构建城市大排水系统 (即城市内涝防治体系),与小排水系统相辅相成,应对特大暴雨。4)遵从流域 整体规划,将城市排水措施与流域自然系统连接,流域与城市协同控制雨洪。非 工程措施包括加强排水规划的顶层设计、提髙城市内淓实时监测预警水平、构建 健全的应急管理体系等。 随着城市化进程的加快和城市极端天气的频繁发生,城市内涝模拟与防治面 临的问题日趋复杂,仍有许多问题需进一步研究和探讨,主要体现在以下几方面: 1)从不同情景、不同尺度、不同角度探究城市暴雨内涝产汇流特性,揭示变化
要靠排水管网系统，模式单一，难以应对特大暴雨。 城市内涝模拟是研究城市内涝成因和防治的关键技术之一，目前，应用比较 广泛的城市内涝模型包括 MIKE-SWMM、InfoWorks CS、STORM 等，国内中国 水利水电科学研究院开发的城市洪涝仿真模型、耿艳芬构建的城市雨洪水动力耦 合模型，徐向阳开发的平原城市雨洪模型等较为典型。城市内涝模拟主要包括降 雨产流、地表汇流以及排水管渠汇流这三个核心模块。1）降雨产流模拟。城市 不透水地面的产流量为降雨量扣除截留、填洼、蒸发等损失形成的净雨过程，透 水地面在扣除上述损失后，还需扣除下渗形成的损失，常用的计算方法包括径流 系数法、SCS 法、下渗曲线法、概念性降雨径流法等，前三者应用比较广泛。2） 地表汇流模拟。城市道路、建筑物密布，城市地表汇流的计算较为繁琐，水力学 方法物理过程明确，能较为精确的模拟地表雨洪演进过程，目前大多采用二维水 动力模型，结合模拟需求与一维河网模型耦合；水文学方法模拟效果较好的是非 线性水库法，等流时线法和线性水库其次。3）城市管渠汇流模拟。针对河渠和 排水管网中的无压流可采用水文学方法模拟，应用比较广泛的是马斯京根法，针 对排水管网中的压力流和明满流一般采用水动力学方法模拟，包括扩散波方程、 运动波方程以及动力波方程，目前，要模拟地下管网中各种流态共存、有压流和 无压重力流交替发生的复杂水流状态仍然存在困难。 城市内涝防治措施分为工程措施和非工程措施，前者主要是通过相关工程控 制城市降雨产流、汇流过程，后者主要是通过规划、管理、预防、应对机制等方 面预防内涝灾害的形成。工程措施主要分为四类：1）加强源头径流的控制，减 小城市径流排放压力，实现城市水文循环的良性发展。2）提高排水管网系统的 设计标准并加强维护管理，提升城市排水设施的能力。3）构建城市大排水系统 （即城市内涝防治体系），与小排水系统相辅相成，应对特大暴雨。4）遵从流域 整体规划，将城市排水措施与流域自然系统连接，流域与城市协同控制雨洪。非 工程措施包括加强排水规划的顶层设计、提高城市内涝实时监测预警水平、构建 健全的应急管理体系等。 随着城市化进程的加快和城市极端天气的频繁发生，城市内涝模拟与防治面 临的问题日趋复杂，仍有许多问题需进一步研究和探讨，主要体现在以下几方面： 1）从不同情景、不同尺度、不同角度探究城市暴雨内涝产汇流特性，揭示变化
环境影响下城市内淓演变规律和驱动机制。2)构建城市不透水面之间的有效连 通,研究城市地面与地下、管网与河道之间的水流交换,是提髙城市内涝模拟精 度的关键问题。3)结合当前快速发展的信息化和综合集成技术,构建集监测、 模拟、预警、决策等为一体的城市内涝实时监测预警系统。4)构建一套科学的 完善的、高效的、具有可操作性的城市内涝应对管理机制
环境影响下城市内涝演变规律和驱动机制。2）构建城市不透水面之间的有效连 通，研究城市地面与地下、管网与河道之间的水流交换，是提高城市内涝模拟精 度的关键问题。3）结合当前快速发展的信息化和综合集成技术，构建集监测、 模拟、预警、决策等为一体的城市内涝实时监测预警系统。4）构建一套科学的、 完善的、高效的、具有可操作性的城市内涝应对管理机制