中国城市内涝中的主要水力学问题

邓 芳，李登波，张晓萍

（1.中国电建集团中南勘测设计院有限公司，长沙410014；2.四川大学 水力学与山区河流保护与开发国家重点实验室，成都610065）

1 中国城市内涝现状

城市内涝是由于强降雨或连续性降雨超越城市排水能力导致城市积水灾害的现象。根据调查发现：近几年来，我国500多个城市中，已发生过内涝的城市有300多个，且在内涝灾害严重程度上，南北方几乎相当。其表现为：影响范围广、持续时间长、破坏力强大。我国城市的内涝形势已十分严峻，目前城市内涝已成为政府和社会关注的热点。

特别是我国东南沿海城市， 汛期除了面临暴雨内涝、外来洪水潜在威胁外，还遭受来自西太平洋风暴潮的影响。沿海城市的水系多为感潮河道，若暴雨遭遇高潮顶托，极易造成排水不畅形成内涝。

2018年9月，台风“山竹”掠过广东，广州普降暴雨。 “山竹”带来了历史罕见的风暴潮，最大风暴增水达3m，广州多个潮位站水位超过历史极值，城区珠江干流发生倒灌现象，全市河流漫溢26处，浸水点27处。 由此可见，水力学问题在城市内涝问题中不容忽视。

2 中国城市内涝特点

2.1 路面受损影响交通秩序

若路面积水程度较深，道路淹没范围较大，则容易造成交通堵塞，交通事故发生率急速上升，终致人员伤亡。

2.2 影响居民的正常生活

内涝不仅严重妨碍了人们的生活、工作和学习，降低人们生活的幸福感，也使居民出行成为问题。

2.3 公共设施破坏严重

如果发生强降雨，因交通堵塞、网络、水、电、气等生活体系瘫痪，公共设施不能正常使用，致使社会经济活动中断。

2.4 导致城市污染加剧

一旦发生城市内涝，排水管和污水管排之不及，致使污水等污染物、垃圾滞留地面，随水流动，污染整座城市，破坏环境，影响生态。

2.5 造成财产损失

暴雨导致的城市内涝不只给人们的生活带来不便和危害，同时也带来极其严重的物质损失。

3 城市内涝的主要原因和水力学原因

城市化是目前中国发展的大背景，然而，城市的快速发展必然导致地面硬化。 迅速增多的钢筋混凝土建筑物和水泥、沥青路面，使城市地面渗透率严重降低［1，2］，导致地下径流量减少，地表径流量明显增加，远远超过城市排涝系统的排水能力。 此外，城市立体空间大范围的拓展，地下室、地下停车场、下穿式交通道、地下交通网的修建及地下商场的增加，严重削弱了城市对内涝灾害的抵抗能力。 又因为全球变暖，极端天气出现的频率时有升高，我国城市暴雨频率有显著上升。热岛效应、大气污染和极端天气等多重因素叠加与耦合，致使城市发生暴雨，从而引发城市内涝。 地势平缓、低洼的城市区域，更易遭受内涝灾害的影响。 再则目前中国城市雨水系统缺少立法与政策支持、城市规划理念落后、理论和技术发展缓慢、城市雨水系统管理方法落后。在目前的排水管理中，并未对城市排水标准进行立法约束。并在城市规划之前，应该把水环境系统（水循环过程、防洪演算和城市排水）进行模拟，规划排水系统。

城市洪涝产生过程受到地面条件 （水泥面、草面、树林等）、城市地形（桥、路、墙等）、管网排水系统、河道排洪能力（河道断面、闸坝调度等）、蓄滞工程（地表水库、滞洪洪区、地下水库等）等多种因素影响，城市洪涝形成与发展极为复杂。 近年来，国内学者对城市内涝建立暴雨模型进行研究，在模拟阶段，对排水管网建模分析时，大多考虑到城市地面渗透、腾发、植物截留，排水管网甚至明渠汇流到排水河道这样一个相对完整的过程， 认为排水口的水量能全部排往城市内部河道， 却忽略了城市内部河道对管网运行规律的动态影响， 造成排水管网与城市内部河道的运行调控不衔接。 如排水管道掺气、空蚀、气爆、臭气外溢等有害现象。排水管道发生明满流交替时对管道伤害、 在高地泄流时管道水流中所携巨大能量的消能问题、 暴雨期河道行洪水位升高对排水管道进行顶托，造成河水倒灌等现象。 因此，在城市洪涝排水中，会遇到许多水力学问题。

因此， 河水顶托对城市内涝造成的负反馈不容忽视，它对暴雨城市内涝模拟不准确有严重影响。宋娟［3］认为，常水位、警戒水位等固定水位边界的做法不能准确模拟排水口河道水位顶托和漫堤的情况，需建立以一维河网水动力模型为基础计算研究区域雨洪模型边界。不仅如此，河道排涝对管网排水还有破坏作用，李泓诺［4］引入破坏率的概念，根据管网设计标准，可大致确定河道排涝设计标准。

4 国外城市内涝水力学问题研究方法

在发达国家， 因为城市化和现代化进程远早于我国，已有较成熟的城市暴雨洪涝研究成果。国外城市排水方面近年来的研究方向主要是两个方面，一是城市暴雨模型阶段，二是暴雨管理体系阶段［5］。

4.1 暴雨模型阶段

英国水力研究中心 （HRWallingford Britain） 的沃林福特（Wallingford）程序，能进行较复杂的径流下渗过程的模拟和计算，优化排水管道设计。后研发的Info Works ICM 软件， 可对城市水循环进行完整模拟，还能将城市排水系统模型与河道模型进行耦合，更为真实地模拟出排水系统。 由美国陆军工程师兵团（USACE）研发的水文学中心（HEC），可以从蓄水、污水处理及溢流模型（STORM） 模拟水量与水质问题，主要应用于污水排水系统。 与Esri 公司合作的基于Arc Hydro 的河网分析系统 （River Analysis System） 和 水 文 模 拟 系 统 （Hydrology Modeling System） ，他们分别能模拟一维水流运动过程和降水径流过程。城市暴雨管理模型（SWMM）［6］由美国环保署（EPA）和加拿大水力计算中心（CHI）共同研发，它是一个动态模型， 可以模拟城市范围的水文循环过程，和污水处理问题。 除此之外，该模型最强大的功能是， 可以模拟雨水在渠道、 管网内的水流运动过程。 Mike模型应用也非常广泛， 是丹麦水力研究所（DHI）的系列软件之一，它可以对降雨、下渗、产流、汇流、蒸发等过程进行模拟，并且也适用于河道和海岸，甚至能在三维空间对水资源按既定规则分配。美国 Bentley 公 司 的 水 力 与 水 文 （Hydraulics and Hydrology Software）软件，它主要是能改善城市排水系统分布、污水处理和城市暴雨管理。

4.2 暴雨管理体系阶段

20世纪90 年代，美国最先提出“低影响开发理论”（Low Impact Development简称LID），LID 本质上是一种分散的、小型的雨水控制工程，例如通过修建透水路面、蓄水池或增加下渗措施等，控制地表径流以防发生内涝。 英国可持续排水系统（Sustainable Drainage Systems，简称SUDS）也可应用于排水过程，主要分析排水的水量和水质。 澳大利亚水敏感城市设计及日本地下雨水存蓄系统也应用较多。

对于城市内涝排水系统中所包含的水力学细节问题，例如明满流，国外也有研究。 明满流属于气液两相的一种非恒定流，是存在输水系统中的一种非常复杂的过渡水流流态。 早在1775年，法国数学家拉普拉斯和拉格朗日就对明满流有了初步的研究。 目前明满流研究最为常用的数值模拟方法有：激波拟合方法、刚性水柱方法、激波捕捉法［7，8］；常用的计算方法有：有限元法、有限体积法、有限分析法、有限差分法和特征线法等。 明满流、空蚀、消能、水锤现象等问题多应用于水利工程、大型水工建筑物等地， 应用于城市内涝排水系统相对还比较年轻，可深入研究。

5 城市内涝水力学问题防治对策

在过去的十年里， 许多国内专家学者针对城市洪涝问题提出了很多有效的治理措施。 提高排水管网系统设计标准，建设海绵城市，采取雨洪利用和低影响开发技术，建立并运用城市暴雨内涝预警系统，采取综合措施治理内涝。 加强城市内涝防治管理的法规建设，建立多层交叉监督管理体系，提升城市整体排涝能力。目前，国内对城市洪涝的治理已经从简单的排水系统改造工程转向生态化、 绿色化等城市改造项目。 夏军院士［9］提出，我国海绵城市的实质是现代城市雨洪管理和配套管网建设、 城市生态文明建设与绿色发展的系统建设， 它和美国推广的最佳管理措施（BMPs）、低影响开发（LID），英国等欧洲国家倡导的可持续排水管理（SUDS），澳大利亚提出的水敏感城市设计（WSUD）、新加坡实施的ABC水源计划等一脉相承，并且其所体现的城市绿色发展系统建设新理念与内涵又符合中国城市建设需求与实际。

然而，在城市洪涝排水系统中，依然存在许多水力学问题尚未得到解决。 例如空蚀问题， 空蚀发生时，机械剥蚀和化学腐蚀同时响应，会对管道造成材料破坏［10］；再则，空蚀发生时，会产生强烈的噪声和震动，对管道稳定性有极大影响。 对于空蚀现象，可依靠排水泵房控制压强有一个相对稳定的状态，避免机泵在同一频率下的流量的大幅增减， 保持水流温度恒定，将在一定程度上减少汽蚀现象。或者在管道易发生空蚀的部分，采用抗空蚀金属涂层［11］，有效防治空蚀问题。 我认为简单的处理办法是破坏空泡的汽化过程， 控制易发生汽化的局部管道的水流为有压流，形成高压，则破坏了空蚀形成的条件。

对于管道和河道排水流量的衔接问题，管道排水一般设计流量为3～5年一遇暴雨， 河道排水设计流量一般为10～20年一遇暴雨。 随着极端暴雨天气增多，城市管道排水能力显得越来越力不从心。 若遇上十几年、几十年一遇的暴雨，城市则完全沦为海城。 因此，要贯彻“渗、滞、蓄、用、排”五个方面，增加下渗、缓滞、蓄水、用水和排水。 提高管网标准是一定的，但我们也要考虑河道的排水能力。 防止河水排水能力不足，倒灌城市。 因此，排水管排水与河道排水最好的状态是，排水管既能大量排水进入河道，又不至于造成河水倒灌城市，那么排水管和河道的设计标准应存在一定联系， 研究找出该关系，宏观上就能解决该问题。 微观上，可采用接力泵站，是为提高河道过流能力人为设置的提水泵站，并且为防止泵排水量回流，必须设置节制闸［12］。 接力泵与节制闸配合运用，一般较小暴雨时，仍开闸自流，只有在遭遇较大暴雨洪水时，才会关闸开泵，用泵排代替自流［13，14］。

排水管道在运行过程中， 由于暴雨或洪水等原因， 导致管道内出现无压流向有压流转变的明满流现象， 明满交替流形成的脉动压力直接影响排水管道的稳定安全［15］。对于明满交替流动，主要是消除明满流发生的条件，避免明满流交替过程中时而有压，时而无压对管道产生破坏作用［16］。在隧洞中，可将圆形隧洞改变成城门形隧洞， 城门形隧洞比圆形能更好的改善隧洞水流流态、降低脉动压力，使隧洞中明满交替现象减弱。 还可以在进水口前顶部设置消涡结构，减少进口吸气旋涡，减小进口水流扰动，进而使隧洞中明满交替现象减弱。 对于钢筋混凝土管道或钢管，则可设置排水站，调节管内流量，使管道内一直为有压流， 避免出现时而有压、 时而无压的现象。

排水管道中水的流速突然发生变化时， 会引起管道内压强急剧变化，这种变化叫水锤现象。水锤会破坏管道内壁、水泵内壁、或管道连接件等，所以，消除或减小水锤危害在工程设计中极为重要。 水锤有两种类型：直接水锤和间接水锤［17-19］。 为了有效防治水锤，因此要尽量避免排水管道中流速突然变化：①尽量避免关闭排水通道闸门或缓慢关闭闸门；②在排水道与河道交界处， 排水道一定要高于河道洪水水位，以便消除或减小水锤冲击，保障主排水系统安全稳定运行。

在城市排水管网中， 往往也会存在高落差，水流携带大量能量。 这种能量一直存在管道中是十分危险的，因此，也要求我们对管道内的水流进行消能处理。 在水利工程中，我们常用消力墩、消力坎进行消能。 但在排水管网中，由于大小、形态等各种限制，一般采用消能井消能。 在消能井排水管道内设置消能格栅，可缩短有压管道段长度。 张羽等人设计了一种旋流式消能井，系统消能率可达80.2%［20］。认为，可以设计旋转对冲式消能井，将水流分为两股，通过消能井引导，分为从左、右两边向中间泄流而出，两股水流对冲而消耗能量。 如此对冲肯定会产生大量泡沫，大面积泡沫会对河面海面环境造成不良影响，因此可设置栅格阻挡泡沫，并设置水井，抽出泡沫。

河水顶托也会给城市内涝带来极大负效应。 经过苗小波［21，22］实验研究得出，河水顶托带给城市内涝的负效应是巨大的，且不容忽视的。为了更加准确模拟城市内涝的影响，可以使用工程和非工程措施，尽量解决河水顶托问题， 至少不会对城市内涝造成太大影响。工程措施方面：①排水管道出水口改为泵站形式，在出口设置闸站防止倒灌。由于原始出水口为自然出流，汛期容易发生洪水倒灌问题。②增设蓄水池： 在城市设置调蓄湖等蓄水场地， 以缓解出水口排水压力。③改造部分管道管径和坡度，使排水系统满足排水迅速、大流量、不冲刷的要求。 在非工程控制方面： 通过控制河道下游闸坝开启高度实现河道水位的调控， 分析不同河道控制水位对排水管网系统的影响。首先要对河道加强管理，严禁排放和堆置建筑垃圾和弃土等固体废弃物， 淤积泥沙要定期清排。河口挡潮闸和内河渠道防洪闸坝要完善管理，避免海水和干流洪水倒灌入城， 同时利于城区雨污水排泄。其次是提高城市排涝工程设计标准，遇到大暴雨和涨潮时，可以开动排涝泵站强力直排。最后是增加城市的渗透能力，保持过水通畅，并严格限制地下水开采， 避免地面沉降发生， 紊乱了排水管网系统。

在城市暴雨洪涝模拟方面， 由于城区河道与排水管网相连接， 排水入河会导致河道水位与流量改变，与此同时，河道水位和流量的变化又反向影响管网的排水能力， 因此需要将城市排水管网与内部河道进行耦合模拟［23］。 模拟时需考虑河道、断面、闸坝水位、流量、流速等河道水流过受河道横断面形状、河床和岸壁的地质与粗糙程度、水流流态、含沙量、闸门的开启情况， 大坝泄洪洞排水流量的等多种因素的影响。模型可导入水文监测情况，应用天气预报的雨量数据和降雨信息，对城区内涝进行仿真模拟，使城市内涝排水系统与河道流量、 气象预报三体结合的模拟，为相关部门提供防涝减灾的依据和参考。

6 结语

对于城市内涝中的主要水力学问题， 不得不引起重视。城市内涝发生有多方面因素，水力学问题是其重要原因之一。 内涝中的水力学问题还有许多值得关注和思考。比如，众多大坝的建立是否抬高了河水平面，进而影响到河道的排水能力？这些水力学问题在城市暴雨内涝模拟中，影响因子又是多大？中国水系情况复杂，常出现“超载流”“回流”等现象，现有恒定流公式不能解决此类问题。 如何建立一个符合中国水系情况的河道水流演进模型， 对城市洪涝模拟以及洪水问题都具有重要意义。

如今， 在预防方面， 可通过互联网技术收集水文、水利、市政等方面的有效信息，考虑水力学影响因素，用Info Works ICM、SWMM和Mike等软件，模拟出符合实际的城市暴雨洪涝模型， 可运用于生产实际，为公众提供详尽、准确的内涝预警信息，也可让公众积极参与到城市洪涝保护和防治中来。 但更重要的是采取经济有效、绿色生态的措施，彻底解决内涝水力学问题，让城市内涝不再发生，这是我们未来努力的方向。