Page 32 - 水利学报2021年第52卷第6期

时空变异性、人工基础设施、下垫面空间变异性等三个方面，总结了城市水文与水动力过程对变化
环境与人类活动的响应机制。徐宗学等 ［16］ 详细总结了城市化水文效应、城市产汇流理论、城市雨洪
模型等方面的国内外研究进展，指出城市化水文效应与产汇流理论是当前和未来一段时间研究的重
点和难点之一。刘家宏等 ［17］ 考虑不同透水性地面的差别和地下建筑物对入渗过程的影响，将城市区
域细分为不透水、透水、半透水、伪透水、强透水等单元，建立了城市水文模型。李娜等 ［18］ 将 SCS
法降雨产流模型与地面二维水力学模型进行耦合，用于评估低影响开发措施内涝削减效果。戎贵文
等 ［19］ 提出了屋面雨水源头调控技术，为实现雨水就地积存、渗透提供了支撑。目前已有学者提出并
建立了河道-管网-地表耦合的城市洪涝模型 ［20-23］ 并用于城市洪涝治理，但是，基于流域系统整体
观，在考虑经济性和用地空间约束性条件下洪涝治理工程优化布局方面有待进一步研究。
针对传统城市洪涝治理模式存在的弊端，本文通过广州市城市洪涝成因分析，以高度城镇化的
小流域为对象，基于“流域树”结构，提出了“洪涝同源”的流域系统整体观，统一了市政和水利设计
雨型，建立了“城市海绵-市政小排水系统-水利大排水系统”耦合的城市洪涝模型，力求准确地模拟
城市洪涝过程，合理评估洪涝防治多元措施的效果，为城市洪涝灾害防治提供技术支撑。

2 城市洪涝的流域系统整体观

2.1 广州市城市洪涝成因分析 在广州 2020 年“5·22”特大暴雨洪涝灾害调研的基础上，本文把广州
城市洪涝成因归结为五个方面。（1）短历时强降雨是造成城市内涝的直接原因。“5·22”特大暴雨具有
强度大、范围广和面雨量大的特点。降雨强度远超广州市现状河涌排涝能力和城市排水管网排水能
力；（2）广州是高度城市化城市。在城市建设导致的“硬底化”影响下，广州的地面径流系数由 0.3 ~
0.5 增大到 0.6 ~ 0.9，暴雨汇流速度加快，“龙舟水”径流峰值出现时间提前了 1 ~ 2 h；同时城市建设
导致农田、池塘、河道、湖泊等“天然调蓄池”被填平、占用，城市的自然调蓄能力大幅下降；（3）排
水管网的排水能力不足。当降雨强度超过排水管网设计规模时，地下管道无法及时将地面雨水排
除，导致地表产生积水，发生内涝。目前，广州新城区排水管网按 3 年一遇标准设计，而老城区 83%
左右排水管网为 1 年一遇标准，仅 9%达到 2 年一遇标准。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，进一步降低了排水能力；（4）河道行洪能力不足。
城市河道承接上游山洪及两岸排水区汇水，排入外江河道。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，行洪能力不足。河道中的各类阻水桥涵以及垃圾倒弃等使得原本不足的行洪空
间被进一步占用，加大了两岸洪涝灾害发生的概率；（5）外江高水位的顶托。如强降雨遭遇外江天文
大潮或风暴潮，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度下降，出现内涝。在广州 2020 年“5·22”特大暴雨灾害调研基础上，本文提出
了城市洪涝治理的流域系统整体观，包括“流域树”、洪涝同源、洪涝共治等核心理念。
2.2 “流域树”结构 大的城市往往可以划分为若干流域分区，流域集雨面积一般都不大，流域大范
围同时发生暴雨的可能性很大，因此城市防洪排涝体系的研究要以流域为单元。传统的城市防洪排
涝体系由排水系统（又称小排水，包括排水管网、雨水泵站等）和排涝系统（又称大排水，包括城市河
网、水库、湖泊等）构成。地面降水通过排水系统汇入排涝系统，最终直排或泵排到外江。随着 2012
年海绵城市概念的提出，城市洪涝治理的理念发生了质的飞跃。城市海绵（如绿地、渗水道路、下凹
式广场等）也成为城市防洪排涝体系的有机组成部分，也就是说，现代城市的防洪排涝体系包括城市
海绵、排水系统和排涝系统三部分。城市防洪排涝体系是由“地-管-河”构成的“流域树”（如图 1 所
示），城市河网构成树干和枝杈，排水分区为树叶（地面、城市海绵、地下排水管网）。
2.3 洪涝同源 一般把地面雨水排除不及而成灾的积水称之为涝，河道水漫溢造成的水淹称之为
洪。洪涝同源有两个内涵：（1）城市小流域集雨面积一般都不大，大范围同时发生暴雨的可能性很
大，所以城市洪涝治理规划一般应考虑全流域同时降雨；（2）流域是一个有机的整体。从纵向看，城
市河网上中下游、干支流相互联系，上游流量大，则下游水位高，下游水位高又会顶托上游来水。

— 660 —