城市排水防澇基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)對能力的三個(gè)閾值

劉家宏，梅 超，邵薇薇，王 佳，丁相毅，于贏東

(1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部數(shù)字孿生流域重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，北京 100038)

1 研究背景

全球氣候變化和快速城鎮(zhèn)化背景下，城市水循環(huán)特征發(fā)生了顯著變化[1]，城市區(qū)域極端強(qiáng)降雨、雷暴、洪澇等發(fā)生的概率增加[2]，暴雨雨強(qiáng)和雨量屢屢刷新水文氣象觀測記錄[3]。2021年7月20日，鄭州國家氣象站實(shí)測最大小時(shí)降雨201.9 mm，突破我國大陸氣象觀測記錄歷史極值。在鄭州2021年“7·20”特大暴雨過程中，鄭州國家氣象站實(shí)測最大日降雨量624.1 mm，為建站以來日降雨量最大值的3.4倍[4]。2021年8月16日晚21時(shí)許，北京市海淀區(qū)旱河路鐵路橋區(qū)域出現(xiàn)小尺度強(qiáng)對流天氣，20分鐘降雨56 mm，短時(shí)雨強(qiáng)重現(xiàn)期超過50年一遇。2021年，位于北京市區(qū)的海淀和石景山站年降水量首次突破1000 mm[5]，為城市“雨島效應(yīng)”增添了新的例證。上海市2011—2020年平均降水量較1961—1970系列均值增加了37%[6]，城市區(qū)域的降水顯著增加。極端強(qiáng)降水破壞性強(qiáng)，極易造成嚴(yán)重的城市內(nèi)澇，直接威脅人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。

2020年7月，習(xí)近平總書記在中共中央政治局常務(wù)委員會上強(qiáng)調(diào)：要全面提高災(zāi)害防御能力，堅(jiān)持以防為主、防抗救相結(jié)合，把重大工程建設(shè)、重要基礎(chǔ)設(shè)施補(bǔ)短板、城市內(nèi)澇治理、加強(qiáng)防災(zāi)備災(zāi)體系和能力建設(shè)等納入“十四五”規(guī)劃。城市內(nèi)澇治理須精準(zhǔn)識別風(fēng)險(xiǎn)源，摸清風(fēng)險(xiǎn)底數(shù)，對城市應(yīng)對暴雨洪澇的綜合能力做到“心中有數(shù)”。我國城市排水防澇基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)對能力如何，怎樣加強(qiáng)城市內(nèi)澇治理能力建設(shè)，是當(dāng)前亟待回答的重要問題。2021年4月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)城市內(nèi)澇治理的實(shí)施意見》，提出各地要因地制宜形成“源頭減排、管網(wǎng)排放、蓄排并舉、超標(biāo)應(yīng)急”的城市排水防澇工程體系。

近年來，城市洪澇防治相關(guān)的科學(xué)研究主要集中在城市復(fù)雜下墊面的產(chǎn)匯流機(jī)理[7]、城市洪澇成因及其數(shù)值模擬[8-9]、城市化及海綿城市[10-13]建設(shè)的水文效應(yīng)[14]、可持續(xù)的城市水系統(tǒng)[15-16]等方面。在工程實(shí)施和城市內(nèi)澇防控實(shí)踐中，對于不同的城市應(yīng)該選取怎樣的指標(biāo)來表征其排水防澇設(shè)施能夠應(yīng)對的降雨等級，相關(guān)研究做了大量深入分析：王虹等[17]分析了美國城市雨洪管理水文控制指標(biāo)體系及其借鑒意義，并進(jìn)一步對流域城市化進(jìn)程中雨洪綜合管理量化關(guān)系進(jìn)行了深入分析[18]；陳文龍等[19]基于流域系統(tǒng)整體觀開展了城市洪澇治理研究；王浩等[20]對海綿城市內(nèi)澇防治系統(tǒng)的功能進(jìn)行了量化解析。本文聚焦于城市排水防澇基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)對能力的閾值劃分和科學(xué)量化問題，基于鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害的調(diào)研結(jié)果，提出城市排水防澇應(yīng)對能力的三個(gè)閾值，即：雨水管渠排水能力閾值、內(nèi)澇防治系統(tǒng)應(yīng)對能力閾值和應(yīng)急設(shè)施防御上限閾值。

2 城市排水防澇閾值

城市排水防澇基礎(chǔ)設(shè)施包括雨水滲透、收集、輸送、調(diào)蓄、行泄、處理和利用的自然和人工設(shè)施以及管理設(shè)施等[21]，從源頭到末端大體可分為源頭減排、雨水管渠和排澇除險(xiǎn)等工程性設(shè)施，還包括應(yīng)急管理等非工程性措施。國內(nèi)學(xué)者或機(jī)構(gòu)從不同角度對城市排水防澇系統(tǒng)做了劃分：周玉文[22]將城市洪澇防治系統(tǒng)劃分為防洪、排水、排澇三套工程體系；海綿城市建設(shè)領(lǐng)域?qū)?nèi)澇防治系統(tǒng)劃分為源頭控制系統(tǒng)、雨水管渠系統(tǒng)以及超標(biāo)雨水蓄排系統(tǒng)[23]；住建部門提出構(gòu)建“源頭減排、管網(wǎng)排放、蓄排并舉、超標(biāo)應(yīng)急”的城市排水防澇工程體系[24]。國外城市排水系統(tǒng)主要劃分為小排水系統(tǒng)(Minor System)和大排水系統(tǒng)(Major System)[25]。小排水系統(tǒng)主要包括源頭控制系統(tǒng)和雨水管渠系統(tǒng)，大排水系統(tǒng)通常由“蓄”“排”兩部分組成。其中“排”主要指具備排水功能的道路或開放溝渠等地表徑流通道，“蓄”則主要指大型調(diào)蓄池、深層調(diào)蓄隧道、地面多功能調(diào)蓄、天然水體等調(diào)蓄設(shè)施。

綜合國內(nèi)外對城市排水防澇基礎(chǔ)設(shè)施的分類可以看出，城市排水防澇閾值大體可分為三檔：一是源頭控制系統(tǒng)和雨水管渠系統(tǒng)對應(yīng)的“小排水系統(tǒng)”能夠應(yīng)對的降雨，在此閾值以下，城市雨水徑流可以通過源頭減排和管網(wǎng)排放系統(tǒng)消納，地面“不積水”，本文稱之為“不積水”閾值；二是由“蓄”“排”設(shè)施組成的“大排水系統(tǒng)”加上“小排水系統(tǒng)”合力能夠應(yīng)對的降雨，在此閾值以下，城市暴雨徑流可以比較安全地蓄滯或排除，城市“不內(nèi)澇”，本文稱之為“不內(nèi)澇”閾值；三是大小排水系統(tǒng)加超標(biāo)應(yīng)急設(shè)施合力能夠應(yīng)對的降雨的上限，在此閾值以下，城市“不失防”，能夠保證人民生命安全，本文稱之為“不失防”閾值。針對前兩個(gè)閾值，以往的研究比較多，分別對應(yīng)著室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范[26]。第三個(gè)閾值由于發(fā)生的概率極小，歷史實(shí)測數(shù)據(jù)較少，研究探討不多。2021年鄭州“7·20”特大暴雨就是突破了這個(gè)閾值，導(dǎo)致常規(guī)的應(yīng)急措施難以奏效，加上“防范組織不力、應(yīng)急處置不當(dāng)”[4]，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失?！安皇Х馈遍撝凳且粭l安全“紅線”，一旦特大暴雨量級越過這條“紅線”，就需要采用緊急避險(xiǎn)策略全力保障人民的生命安全，同時(shí)可采取增強(qiáng)財(cái)產(chǎn)損失承受能力與基礎(chǔ)設(shè)施快速恢復(fù)重建能力的韌性提升措施。

2.1 雨水管渠排水能力閾值管網(wǎng)排水能力閾值是指源頭低影響開發(fā)減排設(shè)施與排水管渠合力能夠消納的雨水量。由于各個(gè)城市的地面集水時(shí)間和管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間不同，閾值量化采用的降雨歷時(shí)也不完全一樣，一般是1 h或2 h，不同降雨歷時(shí)的閾值可以通過當(dāng)?shù)氐谋┯陱?qiáng)度公式進(jìn)行同頻率的近似轉(zhuǎn)換。例如北京和東京等采用的是1 h，深圳采用的是2 h。北京2011年“6·23”暴雨后，為提高城市排水能力，北京市雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)重現(xiàn)期調(diào)整為：一般地區(qū)“3年一遇”(降雨強(qiáng)度為50 mm/h)，重點(diǎn)地區(qū)“5年一遇”(降雨強(qiáng)度為56 mm/h)，城市環(huán)路、主要放射線等城市生命線道路，采用“10年一遇”(降雨強(qiáng)度為67 mm/h)[27]；北京市城市積水內(nèi)澇防治及溢流污染控制實(shí)施方案(2021—2025)規(guī)定：“到2025年，中心城區(qū)、城市副中心重點(diǎn)道路達(dá)到小時(shí)降雨65 mm不發(fā)生積水。中心城區(qū)其他道路及新城重點(diǎn)道路達(dá)到小時(shí)降雨54 mm不發(fā)生積水。相應(yīng)地，東京“不積水”的降雨閾值是60 mm/h?！鄙钲谑杏晁芮脑O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：非中心城區(qū)“3年一遇”(降雨強(qiáng)度為95.0 mm/2h)，中心城區(qū)“5年一遇”(降雨強(qiáng)度為106.1 mm/2h)，特別重要地區(qū)“≥10年一遇”(降雨強(qiáng)度為121.1 mm/2h)?；谏钲谑斜┯陱?qiáng)度公式進(jìn)行同頻率的近似轉(zhuǎn)換，上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于：非中心城區(qū)“3年一遇”(降雨強(qiáng)度為60.1 mm/h)，中心城區(qū)“5年一遇”(降雨強(qiáng)度為68.0 mm/h)，特別重要地區(qū)“≥10年一遇”(降雨強(qiáng)度為78.0 mm/h)。需要說明的是，由于低影響開發(fā)減排設(shè)施與排水管渠實(shí)際運(yùn)行過程中，與設(shè)計(jì)狀態(tài)可能存在一定的差異，在實(shí)際計(jì)算雨水管渠排水能力閾值時(shí)，為了保障安全，應(yīng)在考慮城市管網(wǎng)排水標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)施運(yùn)行情況、維護(hù)情況和使用年限等，綜合選取 “安全系數(shù)”，使計(jì)算得到雨水管渠排水能力閾值處于“偏安全”的范圍內(nèi)。

2.2 內(nèi)澇防治系統(tǒng)應(yīng)對能力閾值內(nèi)澇防治系統(tǒng)應(yīng)對能力閾值是指城市大小排水系統(tǒng)合力能夠消納的雨水量，對應(yīng)著城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)一般采用24 h的長歷時(shí)雨型，因此內(nèi)澇防治系統(tǒng)應(yīng)對能力閾值宜采用含有峰值的24 h降雨量作為量化單位。例如北京的內(nèi)澇防治系統(tǒng)應(yīng)對能力閾值：一般地區(qū)“50年一遇”，重要地區(qū)“100年一遇”。根據(jù)《北京市城鎮(zhèn)雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)暴雨徑流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)DB 11/T969—2016》，典型暴雨設(shè)計(jì)降雨過程計(jì)算方法主要有兩種：(1)以暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算時(shí)段降雨量推求設(shè)計(jì)降雨過程的方法；(2)以北京市水文手冊設(shè)計(jì)暴雨圖集確定的時(shí)段降雨量推求設(shè)計(jì)降雨過程。本文采用第一種方法計(jì)算北京內(nèi)澇防治系統(tǒng)應(yīng)對能力閾值，采用的暴雨強(qiáng)度公式如下：

(1)

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，mm/min；t為降雨歷時(shí)，5 min≤t≤1440 min；P為降雨重現(xiàn)期，P=2～100年。

通過式(1)可以計(jì)算得到北京排水防澇設(shè)施建設(shè)達(dá)標(biāo)后的內(nèi)澇防治系統(tǒng)應(yīng)對能力閾值：一般地區(qū)為“268.6 mm/d”或“86.9 mm/h”，重要地區(qū)為“299.0 mm/d”或“96.7 mm/h”。根據(jù)張曉昕等的調(diào)研結(jié)果[27]，日本東京內(nèi)澇防治系統(tǒng)的應(yīng)對能力閾值為“75 mm/h”。深圳市內(nèi)澇防治系統(tǒng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為50年，對應(yīng)的雨量閾值為“459.8 mm/d”或“95.9 mm/h”。內(nèi)澇防治系統(tǒng)應(yīng)對能力由“蓄”“排”兩部分組成，二者相互配合，協(xié)同增效。對于調(diào)蓄能力強(qiáng)、雨水管渠排水能力相對較弱的城市，道路行泄通道等規(guī)劃的大排水系統(tǒng)可能會出現(xiàn)短時(shí)的淹水和行洪過程，城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范[21]要求行泄通道上的積水時(shí)間不大于12 h，并根據(jù)實(shí)際需要縮短；同時(shí)居民住宅和工商業(yè)建筑物的底層不進(jìn)水，非超標(biāo)行泄通道的道路中一條車道的積水深度不超過15 cm。對于調(diào)蓄空間不足的高密度城區(qū)，要實(shí)現(xiàn)內(nèi)澇防治系統(tǒng)達(dá)標(biāo)，就要提升雨水管渠的排水能力，或增加地下調(diào)蓄設(shè)施。

基于以上分析，“不內(nèi)澇”閾值并不是要求城市所有道路和低洼地都不出現(xiàn)積水，而是積水被控制在一定的范圍和深度內(nèi)，不至于形成內(nèi)澇災(zāi)害。需要說明的是，由于城市大小排水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)可能與設(shè)計(jì)能力存在差異，并且不同城市的工程調(diào)度措施差異較大，城市耐受積水的“韌性”有所不同，在實(shí)際確定內(nèi)澇防治系統(tǒng)應(yīng)對能力閾值時(shí)，為了保障安全，應(yīng)在考慮內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合城市的具體情況，綜合考慮大小排水系統(tǒng)運(yùn)維狀況、調(diào)度措施和城市韌性等多種因素，綜合選取 “安全系數(shù)”，使計(jì)算得到內(nèi)澇防治系統(tǒng)應(yīng)對能力閾值處于“偏安全”的范圍內(nèi)。

2.3 應(yīng)急設(shè)施防御上限閾值應(yīng)急設(shè)施防御上限閾值是指城市大小排水系統(tǒng)加超標(biāo)應(yīng)急設(shè)施合力能夠應(yīng)對的降雨的上限，降雨超過此閾值，就面臨“失防”的危險(xiǎn)，需要緊急轉(zhuǎn)移人員和重要財(cái)產(chǎn)，并承受無法避免的財(cái)產(chǎn)損失。國家防辦要求各地要堅(jiān)持“寧可十防九空、不可失防萬一”的原則，做好暴雨洪澇災(zāi)害的防范工作。為避免“失防”，降低城市特大暴雨洪澇災(zāi)害的損失，必須對城市應(yīng)急設(shè)施防御上限閾值“心中有數(shù)”。相比前面的“不積水”閾值、“不內(nèi)澇”閾值而言，一個(gè)城市的“不失防”閾值是最難測算的，也沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可以遵循。日本東京政府2007年制定了三個(gè)防御級別[27]，其中第三個(gè)防御級別“144 mm/h”基本可以看作是東京的“不失防”閾值，在此閾值以下要確保人員生命安全。我國的絕大多數(shù)城市“不失防”閾值是缺失的，城市防汛排澇部門無法準(zhǔn)確知道排水防澇基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)急能力到底可以應(yīng)對什么量級的暴雨，應(yīng)急預(yù)案中也沒有明確降雨超過“不失防”閾值后，應(yīng)急策略該如何調(diào)整，這也是“7·20”特大暴雨災(zāi)害“應(yīng)急處置不當(dāng)”的原因之一。一個(gè)城市“不失防”閾值是由排水防澇基礎(chǔ)設(shè)施、智慧運(yùn)行調(diào)度能力、應(yīng)急處置裝備和應(yīng)急組織能力等多種因素決定的，它就像一個(gè)人的極限忍耐力一樣，是一個(gè)很難精確測算的值，具有模糊性。本研究擬通過鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害的事后復(fù)盤分析(圖1)，推算鄭州市的“不失防”閾值。

圖1 鄭州“7·20”特大暴雨及金水河紫金山路斷面水位變化過程

根據(jù)災(zāi)后調(diào)查分析，鄭州市“7·20”特大暴雨災(zāi)害的“失防”時(shí)間大體在16∶00—17∶00之間，與小時(shí)最大降雨發(fā)生的時(shí)間重合。如圖1所示，16∶00的小時(shí)雨量為60.6 mm，16∶00之前24小時(shí)的累計(jì)雨量為258.1 mm，說明鄭州市主城區(qū)的“不失防”閾值應(yīng)該大于“60.6 mm/h”，也大于“258.1 mm/d”；17∶00的小時(shí)雨量為201.9 mm，17∶00之前24小時(shí)的累計(jì)雨量為457.5 mm，這時(shí)城市已經(jīng)“失防”，說明鄭州的“不失防”閾值應(yīng)該小于“201.9 mm/h”，也小于“457.5 mm/d”。上述分析雖然給出了鄭州市主城區(qū)“不失防”閾值的上下限，但是這個(gè)區(qū)間依然太寬泛，難以滿足應(yīng)急決策調(diào)度的要求。根據(jù)國務(wù)院災(zāi)害調(diào)查組《河南鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害調(diào)查報(bào)告》[4]，鄭州市京廣快速路北隧道“直到16∶16才強(qiáng)制封閉”，可以推測之前的降雨量級下，如果應(yīng)急得當(dāng)，是可以“不失防”的。實(shí)際上，城市內(nèi)澇專項(xiàng)調(diào)查小組通過現(xiàn)場勘查和視頻資料調(diào)閱發(fā)現(xiàn)：16∶16京廣快速路北隧道水深約30 cm，尚在應(yīng)急設(shè)施的處置能力范圍內(nèi)，12 min后，16∶28隧道水深上漲至60 cm，積水危及隧道排水泵站設(shè)備；又過6 min后，16∶34排水泵站停止運(yùn)行，應(yīng)急設(shè)施“失防”。綜合以上分析，本次鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害主城區(qū)的“失防”時(shí)間大體在16∶30，用線性插值法可以計(jì)算得到鄭州市主城區(qū)的“不失防”閾值約為“131 mm/h”。

對于實(shí)際發(fā)生了超過“不失防”閾值降雨的城市而言，可以通過上述災(zāi)害過程復(fù)盤的方法推算應(yīng)急設(shè)施防御上限閾值。對于大部沒有經(jīng)歷類似鄭州“7·20”特大暴雨事件的城市，如何確定“不失防”閾值，一般來說，“不失防”閾值對應(yīng)的是城市常規(guī)工程措施和應(yīng)急工程措施難以有效應(yīng)對的降雨，“不失防”閾值有一個(gè)重要的特征指標(biāo)，就是地面集水深度超過應(yīng)急防淹擋板或沙袋的防控能力上限，這個(gè)上限值一般是0.6～0.8 m，可以通過城市洪澇水文水動力耦合模型進(jìn)行不同重現(xiàn)期序列的降水模擬，當(dāng)模擬得到城市易澇點(diǎn)的積水深度普遍達(dá)到0.6～0.8 m時(shí)，這時(shí)對應(yīng)的24小時(shí)雨量或雨強(qiáng)即可近似為該城市的“不失防”閾值。實(shí)際上，不同區(qū)域和城市應(yīng)對特大暴雨的應(yīng)急工程措施差異較大，各地可以根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況和歷史經(jīng)驗(yàn)，在保留安全余量的前提下，可采用應(yīng)急防淹擋板或沙袋的防控能力上限0.6～0.8 m或其他適合于當(dāng)?shù)氐难蜎]水深閾值作為“不失防”閾值的確定依據(jù)。

綜上所述，北京、深圳、鄭州和日本東京等典型城市排水防澇“三個(gè)閾值”統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 不同典型城市排水防澇“三個(gè)閾值”

3 不同閾值下的防控策略

各個(gè)城市所處的氣候帶的降水特征大不相同，排水防澇設(shè)施和應(yīng)急裝備水平有所差異，因此，每個(gè)城市“不積水”“不內(nèi)澇”“不失防”的閾值是不同的。在降雨量級處于不同的閾值區(qū)間時(shí)，對應(yīng)的城市洪澇防控策略應(yīng)有所差異。在實(shí)際內(nèi)澇防治過程中，由于城市空間較大、降雨不均等原因，同一城市并非僅采用一種策略，而可能是多種策略并存，但總體上有一項(xiàng)是主要的。因此，下述所提各項(xiàng)防控策略均為廣義的。

總體來看當(dāng)降雨低于“不積水”閾值時(shí)，防控策略以“蓄”為主，通過源頭調(diào)蓄，增加雨水利用；當(dāng)降雨大于“不積水”閾值，小于“不內(nèi)澇”閾值時(shí)，防控策略以“疏”為主，通過大小排水系統(tǒng)排出澇水，減輕內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)降雨大于“不內(nèi)澇”閾值，小于“不失防”閾值時(shí)，防控策略以“疏”“堵”為主，在科學(xué)排水的同時(shí)，采用應(yīng)急防淹擋板、沙袋等封堵地下室入口等重要部位，同時(shí)對下凹式橋區(qū)、下沉隧道的積水進(jìn)行強(qiáng)排；當(dāng)降雨大于“不失防”閾值時(shí)，防控策略以“撤”為主，重點(diǎn)是轉(zhuǎn)移高危險(xiǎn)地區(qū)的人口，避免人員傷亡?！靶睢钡姆椒ㄖ饕ê＞d城市源頭減排和過程蓄滯設(shè)施；“疏”的方法主要是管網(wǎng)清淤和提升改造；“堵”主要是安裝防淹擋板、儲備防汛沙袋和物資等；這些在以前研究有較為系統(tǒng)的成果，在此不再贅述。下面以鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害為例，說明為什么降雨超過“不失防”閾值時(shí)，必須改變傳統(tǒng)的應(yīng)急防控策略，以“撤”為主。

鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)后調(diào)查發(fā)現(xiàn)：當(dāng)日16時(shí)許，主城區(qū)各處降雨量陸續(xù)突破“不失防”閾值，多處嚴(yán)重內(nèi)澇區(qū)的積水深度超過應(yīng)急擋水設(shè)施高度上限，地下空間、交通隧道等關(guān)鍵部位應(yīng)急抗御措施失效，城區(qū)多處重點(diǎn)部位出現(xiàn)“崩潰”式災(zāi)難。例如京廣路北隧道隴海路匝道出口，當(dāng)時(shí)擺放了擋水板(0.60 m)和沙袋，15時(shí)許積水深0.20 m，16時(shí)許積水迅速超過0.60 m，漫過沙袋和擋水板，沖毀了應(yīng)急擋水設(shè)施，大量雨水灌入隧道。又如鳳凰臺街道英協(xié)鼎峰小區(qū)2號院，其地下空間入口的防淹擋板高度雖然有0.70 m，加上堆砌的防汛沙袋，總高度達(dá)到0.80 m，但是積水太深，最終還是被漫頂沖決。此類案例在“7·20”期間還有很多，事件復(fù)盤結(jié)果顯示本次降雨大大超出了城市排水防澇設(shè)施的應(yīng)對能力，同時(shí)也突破了應(yīng)急設(shè)施防御能力的上限。臺風(fēng)暴雨經(jīng)常登陸的浙江省在2014年頒布了《關(guān)于加強(qiáng)城市內(nèi)澇防治工作的實(shí)施意見》(浙政辦發(fā)〔2014〕11號)，要求城市建成區(qū)每平方公里應(yīng)急排澇能力不低于100 m3/h。鄭州“7·20”降雨過程主城區(qū)24 h面平均雨量415 mm，超過城市50年一遇設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的雨量達(dá)216 mm/d，平均每小時(shí)在1 km2上超標(biāo)降水9000 m3，是應(yīng)急排澇能力的90倍！本次地下空間的淹水量近3000萬m3，即使鄭州按照浙江省標(biāo)準(zhǔn)配備應(yīng)急抽排能力(鄭州主城區(qū)約1000 km2，每平方公里應(yīng)急排澇能力100 m3/h，合計(jì)約10萬m3/h)，排除地下空間的積水也要約300 h，即12.5 d。通過以上數(shù)據(jù)分析，當(dāng)預(yù)報(bào)或?qū)崪y城市降雨超過“不失防”閾值后，客觀上應(yīng)急防淹擋板和沙袋是擋不住的，應(yīng)急抽排裝備也是難以短時(shí)間排干的，所以在此情景下，應(yīng)急策略應(yīng)放棄傳統(tǒng)的“疏”“堵”等策略，立即通知低洼處或地下空間的人員轉(zhuǎn)移，避免人員傷亡。

4 城市排水防澇閾值協(xié)同提升途徑

圖2 “三個(gè)閾值”協(xié)同提升邏輯關(guān)系圖

城市排水防澇閾值的提升是一個(gè)協(xié)同作用過程，總體上“三個(gè)閾值”提升均有助于整體提升城市內(nèi)澇災(zāi)害應(yīng)對能力，其中，雨水管渠排水能力閾值和內(nèi)澇防治系統(tǒng)應(yīng)對能力閾值的提升是應(yīng)急設(shè)施防御上限閾值提升的基礎(chǔ)，而雨水管渠排水能力閾值和內(nèi)澇防治系統(tǒng)應(yīng)對能力閾值提升則存在相互促進(jìn)作用，“三個(gè)閾值”協(xié)同提升的邏輯關(guān)系如圖2所示。不同城市排水防澇閾值提升途徑和要求不同，但本質(zhì)和核心都是提升城市排水防澇協(xié)同應(yīng)對能力和暴雨內(nèi)澇減災(zāi)效益，本文針對不同城市排水防澇閾值，提出了相應(yīng)的提升途徑。

城市排水防澇閾值途徑涉及的具體措施如表2所示，不同閾值在不同階段應(yīng)采取不同措施進(jìn)行提升。對于雨水管渠排水能力閾值提升，主要是在規(guī)劃設(shè)計(jì)期落實(shí)海綿城市理念[28]，提升雨水管渠排水系統(tǒng)和綠色設(shè)施協(xié)同排澇能力，在運(yùn)行維護(hù)期要加強(qiáng)清淤改造等，在災(zāi)害應(yīng)急期應(yīng)根據(jù)小排水系統(tǒng)特點(diǎn)及時(shí)開展關(guān)鍵堵點(diǎn)疏通等作業(yè)。對于內(nèi)澇防治系統(tǒng)應(yīng)對能力閾值提升，主要是要在規(guī)劃設(shè)計(jì)期落實(shí)水生態(tài)文明城市建設(shè)理念，加強(qiáng)城市水域水系、河湖岸線等的管控，保護(hù)天然海綿體，加強(qiáng)大小排水系統(tǒng)銜接，在運(yùn)行維護(hù)期加強(qiáng)排水系統(tǒng)的科學(xué)調(diào)度，在災(zāi)害應(yīng)急期加強(qiáng)對調(diào)蓄設(shè)施的綜合運(yùn)用。對于應(yīng)急設(shè)施防御上限閾值提升，關(guān)鍵在于在加強(qiáng)全過程韌性城市設(shè)計(jì)和建設(shè)，全面提升全社會的城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)意識，構(gòu)建預(yù)警及時(shí)、反應(yīng)迅速、協(xié)調(diào)高效、應(yīng)對有力的城市內(nèi)澇應(yīng)急指揮和災(zāi)害應(yīng)對體系。

表2 城市排水防澇閾值提升途徑

5 結(jié)論與展望

城市洪澇防治是“十四五”期間必須重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問題。全球氣候變化和城市“雨島效應(yīng)”影響下，城市極端降雨的量級和強(qiáng)度均呈增加趨勢。城市排水防澇基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)對能力如何，不同暴雨情景下應(yīng)該采取什么樣的策略才能最大限度的減少人員和財(cái)產(chǎn)損失，是城市洪澇防治亟待解決的科技問題。本文提出了城市排水防澇基礎(chǔ)設(shè)施的“不積水”閾值、“不內(nèi)澇”閾值和“不失防”閾值，基于鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害調(diào)查報(bào)告和國內(nèi)外調(diào)研等，提出了三個(gè)閾值的測算方法，并以北京、東京、深圳、鄭州為例確定了四個(gè)城市對應(yīng)的閾值。針對不同的閾值區(qū)間的降雨事件，探討了對應(yīng)的城市洪澇防控策略及三個(gè)閾值的協(xié)同提升途徑。主要結(jié)論如下：

(1)“不積水”閾值對應(yīng)城市雨水管渠的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，閾值量化時(shí)采用的降雨歷時(shí)一般為1 h或2 h，東亞地區(qū)特大城市的“不積水”閾值大體在“60～70 mm/h”之間。例如：北京市的目標(biāo)為“65 mm/h”；日本東京為“60 mm/h”；深圳為“68.0 mm/h”。

(2)“不內(nèi)澇”閾值對應(yīng)城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)，閾值量化時(shí)采用的降雨歷時(shí)一般為24 h，也可轉(zhuǎn)換為1 h的雨強(qiáng)?！安粌?nèi)澇”閾值受氣候降雨特點(diǎn)的影響比較大，例如：北京為“299.0 mm/d”或“96.7 mm/h”，日本東京為“75 mm/h”，深圳為“459.8 mm/d”或“95.9 mm/h”。

(3)“不失防”閾值是指城市常規(guī)排水系統(tǒng)和應(yīng)急設(shè)施合力能夠應(yīng)對的降雨的上限，是本次新提出來的一個(gè)閾值，目前沒有對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，也沒有成熟的計(jì)算解析式?？梢酝ㄟ^歷史暴雨災(zāi)害事件或城市水文水動力耦合模型模擬推演得出。城市“不失防”閾值是由排水防澇基礎(chǔ)設(shè)施、智慧運(yùn)行調(diào)度能力、應(yīng)急處置裝備和應(yīng)急組織能力等多種因素決定，不同城市差異較大，閾值量化時(shí)采用的降雨歷時(shí)一般為24 h，也可轉(zhuǎn)換為1 h的雨強(qiáng)。鄭州市“不失防”閾值約為“131 mm/h”；日本為“144 mm/h”。

(4)城市洪澇防控策略主要包括“蓄”“疏”“堵”“撤”：降雨低于“不積水”閾值，以“蓄”為主；在“不積水”閾值和“不內(nèi)澇”閾值之間，以“疏”為主；在“不內(nèi)澇”閾值和“不失防”閾值之間，以“疏”“堵”為主；大于“不失防”閾值，以“撤”為主。

本文提出的城市洪澇防治閾值都是以降水為指標(biāo)進(jìn)行量化的，且降水指標(biāo)中的降雨歷時(shí)有1 h、2 h、24 h等。不同歷時(shí)的指標(biāo)在轉(zhuǎn)化時(shí)采用的是基于暴雨強(qiáng)度公式的同頻率近似轉(zhuǎn)換，可能存在一定的偏差。另外“不失防”閾值本身是一個(gè)城市對暴雨洪澇的極限防御能力閾值，受多重因素影響，客觀上難以準(zhǔn)確估計(jì)。本文提供的方法尚屬于探索階段，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證完善。本文提出的“不失防”閾值對于城市洪澇應(yīng)急決策十分關(guān)鍵，它決定了城市是采取常規(guī)的“蓄”“疏”“堵”措施，還是應(yīng)急避險(xiǎn)的“撤”策略，可以為城市極端暴雨的防控提供決策參考。