超大城市排涝关键技术思考与探讨

林发永，李学峰，丁国川，闫 莉

(上海市水务规划设计研究院(上海市海洋规划设计研究院)，上海 200233)

近年来，我国城市洪涝灾害频发，特别是城市排水防涝问题引起社会广泛重视，北京“7·21”、郑州“7·20”、广州“5·22”等极端暴雨灾害，教训深刻。上海是我国社会主义现代化大都市，常住人口接近2500万，是我国经济、金融、贸易、航运和科创中心。上海属于河口冲积州平原，地势低平、感潮河网、东高西低，地面高程2～5m，平均不足4.0m，地面低于外围高潮水位。

由于上海特定的地理位置、地形条件，风暴潮期间，在外围高潮位和上游洪水位的共同作用下，暴雨产生的涝水难以及时排出，时常造成局部区域积水内涝，给城乡居民生产生活带来灾害，造成一定经济财产损失。2021年“烟花”台风期间，7月23—27日，上海普降暴雨到大暴雨，平均雨量283.8mm，持续时间105h。浦南东片内河最高水位达到3.9m，创历史新高。青松片内河最高水位达到3.81m，平历史最高。浦东片内河南桥站最高水位3.74m，创历史新高。“烟花”台风暴雨给上海西部低洼地区带来严重内涝，浦南东片大片农田、小区、厂房受淹，青松片朱家角古镇受淹。因此，深刻汲取河南郑州“7·20”特大暴雨灾害经验教训，加快超大城市排涝技术研究与思考，降低城市内涝风险，意义重大，任务紧迫。

1 城市排涝的新问题、新挑战

1.1 内涝防治标准高、水利排涝标准低，无法有效应对城市内涝风险

不协调好城市内涝防治的高标准和水利排涝的低标准之间的衔接问题，就无法有效应对城市内涝风险。根据上海最新的城镇排水标准，雨水排水设计重现期3～5年一遇，内涝防治标准为50～100年一遇，对应24h降雨量为240～275mm。而上海现行水利排涝标准为重点地区30年一遇、一般地区20年一遇，采用最大24h面雨量200～220mm，1963年雨型和相应实测潮型，能排出、不受涝。其中，潮位采用的1963年9月暴雨期间的实测潮位，其高潮位不到1年一遇，且低潮位较低。出现内涝防治标准高、雨量大、降雨过程、防涝边界条件不清的新问题。而水利排涝标准低、雨量小，但降雨过程、排涝边界条件清晰。内涝防治与水利排涝2个标准之间如何衔接，怎样配置相关内涝防治设施，未来如何认定城市内涝承载能力，尚无相关规范指导。

1.2 排涝基础设施规划实施困难，城市排涝能力不足

城市排涝设施建设，涉及资金投入、规划选址、防洪评价、用海审批，河道水闸用地落实等众多困难，导致规划排涝基础设施建设滞后，与高速发展的城市安全韧性保障要求不适应。以上海为例，截止到2021年底14个水利片外围排涝泵站规划实施率约44%，排涝水闸规划实施率约71%，排涝泵闸实施率明显偏低。全市骨干河网尚未完全形成，规划达标实施率偏低。据统计，全市226条骨干河道，总长度3687km，其中河口规模达标率在50%以下的占总长度的14.3%、50%～70%之间的占总长度15.6%、70%～90%之间的占总长度的34.8%、90%以上的占总长度的35.3%。中心城区浦西地区扣除黄浦江后，河湖水面率仅为2.49%，河道调蓄库容偏小，抗风险能力不高。上海市现状区域排涝能力仅为15年一遇，在遭受风、暴、潮、洪等多重袭击时，城市排涝能力严重不足，内涝防治能力亟待提升。

1.3 蓄排空间受城市建设挤兑，管网河网圩区片区协同调度不够精细

一方面超大城市土地资源紧缺、永久基本农田保护过于刚性，部分中小河道在城市开发建设中填堵，河道蓄排空间遭受城市建设挤兑。特别是中心城区，河湖蓄排空间、雨水调蓄空间难以有效增加。郊区河道建设受永久基本农田红线约束，规划用地难以落实，河道拓宽用地无法得到足够保障，近几年河道建设土地督察整改事件时有发生。城市规划为追求网格化的土地利用效率，保障道路红线，任意调整现状规划保留河道，占用河道改作道路情况时有发生。

另外一方面，城镇雨水排水系统设计标准大幅提升，雨水排水设计重现期由原来1年一遇逐步提高到3～5年一遇，城市地表硬化、雨水收集与排水能力增强，产汇流时间大幅缩短，导致河道水位上涨过猛。如2015年6月16—17日，上海出现梅汛期大暴雨，其中虹口区曲阳公园最大24h降雨量达到246.4mm，蕰南片沙泾港水位上涨过快，导致4辆卡车压桥防浮事件，沙泾港两岸雨水泵站被迫停机，同济大学内涝积水深度超过30cm，暴露出河网管网协同调度不够、河道蓄排空间不足的问题。2021年“烟花”台风期间，青松片圩区水位普遍在3.0m以下，圩外片内河道最高水位达到3.78m，黄浦江出现支流水闸越浪翻水情况。圩区水位较低、大片水位过高、黄浦江洪潮水位创历史新高等问题，暴露出圩区、水利片协同排涝调度不够精准、精细的问题。

2 城市排涝的主要特征

2.1 城市排涝模式

依据水情工情特点和区位自然地理条件，上海城市排涝形成了14个水利片综合治理的格局，并在长期的治涝实践中，形成了4种排涝模式。

(1)地面-圩区-泄洪通道。雨水经地面管网或沟渠收集汇水系统，纳入圩区河道，经圩区水网调蓄调节后，由圩区排涝泵站，动力直接抽排至泄洪通道。该排涝模式核心是控制圩区除涝最高水位，配置合理的河网结构规模和排涝泵站装机流量。这种排涝模式代表性水利片包括浦南西片、商榻片等敞开片。

(2)地面-水利片河网-泄洪通道。雨水经地面管网或沟渠收集汇水系统，直接汇入水利片河道，经水网调蓄调节后，由水利片排涝水闸或者泵站，水闸自排为主、动力抽排为辅，排入片外泄洪通道。该排涝模式核心是控制水利片除涝最高水位，保障水利片水面率和河道调蓄空间，布局合理的河网结构、规模和排涝水闸及泵站装机流量。这种排涝模式代表性水利片包括浦东片、蕰南片、崇明岛片等。

(3)地面-圩区河道-水利片河道-泄洪通道。雨水经地面管网或沟渠收集汇水系统，大部分先汇入圩区，由圩区河网调节调蓄后，经圩区排涝泵站抽排至水利片河道，通过水利片水网调蓄调节后，再由水利片排涝水闸或者泵站，水闸自排为主、动力抽排为辅，排入片外泄洪通道，即二级排涝模式。该排涝模式核心是既要控制水利片河道除涝最高水位，同时又要控制圩区除涝最高水位，且圩区除涝最高水位低于水利片除涝最高水位，保障圩区和水利片河湖水面率和河道调蓄空间，布局合理的河网结构、规模和排涝水闸及泵站装机流量。这种排涝模式代表性水利片包括青松片、浦南东片、太南片、太北片等。

(4)为排涝模式(2)和(3)的混合模式。部分区域地面雨水直接进入水利片河道，部分低洼区域设圩区控制，地面雨水经圩区调蓄排涝至水利片河道，然后由水利片河网调蓄调节后，再由水利片排涝水闸或泵闸，外排至片外泄洪通道。调控状况与(3)模式一致。这种排涝模式代表性水利片包括嘉宝北片、淀南片、嘉宝北片、长兴岛片等。

另外还有一种排水模式，即地面降雨，由雨水管网收集系统汇水后，通过雨水强排泵站，直接抽排至片外泄洪通道。这种模式，不是严格意义上的水利排涝模式，没有经过河道、泵闸等水利设施调蓄排涝，而是由城镇雨水系统，直接排入外海或片外行洪通道。

2.2 上海城市排涝的主要特征

(1)分片治理、外挡内蓄、蓄以待排、趁潮排海。上海地处长江流域、太湖流域下游，北濒长江口，东临东海，南临杭州湾，属平原感潮河网地区。地势低平，地面高程低于外围高潮位，因此城市排涝首先要根据水情工情和自然地理特点，实施分片治理，围起来打出去。建立14个水利分片防洪堤防封闭线，外挡洪潮，避免因洪致涝。同时由于地势低平、感潮河网特点，各水利片水力坡降小，河道水动力不足，降雨需先经河网调蓄，蓄以待排，趁潮入海。因此需要较高的河湖调蓄空间，以空间换时间，才能有效保障区域排涝安全。

(2)千里海塘、千里江堤、城镇排水、区域除涝。上海城市防汛安全已构建形成“千里海塘、千里江堤、城镇排水、区域除涝”4道防线。上海“一弧、三片”505km主海塘和506km黄浦江及上游主要支流江堤城市防洪工程已经形成。上海的城市排涝主要包括城镇排水、区域除涝2道体系。城镇雨水排水主要解决地面不积水问题。排水系统包括雨水收集、输送、汇水设施，雨水由地面汇入河道的过程，城镇雨水排水系统控制面积一般小于2km2。区域除涝主要为14个水利分片的河网蓄排系统，包括河道、湖泊和外围排涝泵闸，主要解决水利片河道水位不过高，城镇雨水能入河的问题。区域除涝系统主要包括城市水网和排涝泵闸组成。上海的区域除涝系统控制面积，达到100～2300km2。

3 城市排涝技术难点思考

3.1 城市内涝因素尚需全面梳理科学分析

城市内涝表现为河道水位高、地面积水深、涝水排除慢，影响城市交通与生产生活，甚至造成生命财产损失。造成城市内涝的因素异常复杂，既有自然气候灾害因素，也有人为调度与管理因素，还有排涝基础设施不足、城市规划布局不甚合理等多重因素。整个治涝体系由城镇雨水排水系统、河道水网系统、涝区排涝泵闸系统及外围防洪工程组成，又与自然地理地形条件、地表结构、地坪地面高程、流域及区域水利分区、河网结构、水域空间、设计高水位和外边界条件等紧密相关。

3.2 管网河网协同排涝技术尚未有效解决

管网、河网2网排水排涝耦合研究众多，但2网真正有效协同应用的系统缺乏相关案例，特别是雨水排水系统由1年一遇提标至5年一遇后，2网协同的问题会更加突出。近几年，管网、河网不匹配，城市管网排水能力强、河道水网蓄排能力弱的问题突出，城镇雨水管网和城市河道水网衔接技术尚需研究。雨水管网系统占地少，与城市路网紧密结合，主要为地下工程，呈现中心城密、郊区疏的特点。城市水网系统，需占用较多的城市用地，呈现中心城区稀疏、郊区密集的特点。中心城区地表硬化、雨水下渗少、产汇流大，河网空间不足、蓄排能力弱，管网河网协同排涝极为重要。反之，郊区河网密，农田旱地多，雨水下渗、调蓄、拦截多，产汇流慢而小，河网调蓄空间大，蓄排能力强，河网排涝起主要作用。

3.3 分片河网水位调控技术有待深化

城市排涝最大的技术难点是合理调控河网水位。降低城市河网除涝最高水位，是防止城市发生内涝灾害的关键，也是排涝调控的最大技术难点。地坪标高、河道水位、河网结构、排涝系统，四者关系紧密。河道水位调控，既取决于河道空间大小和高低水位控制，又与城市开发强度和产汇流状况紧密相关，还与外排能力、区域面积和排涝距离相关，与下边界排涝条件关系紧密。上海平原感潮河网的特征，决定了区域排涝与潮汐涨落关系密切，群闸排涝与河网调蓄成为调控水位最为重要的因素。

4 城市排涝关键技术探讨

4.1 加快建立城市产汇流模型

产汇流计算是城市排涝的关键。产水计算不准、水量计算不清，无法科学配置城市排涝设施，无法有效应对城市内涝问题。目前我国常用的新安江模型和蓄满产流模型均比较粗放，对城市而言，其计算成果不够精准精细。城市产汇流不同于农村和整个流域，属于人工强干预、地表强干扰下的产汇流状况。热岛效应、地表覆盖、下渗截断、洼蓄减少、排水人为调控等多种因素，影响城市产汇流形态。加强城市产汇流模型技术研发，把雨水系统，特别是强排区域的产汇流的影响，充分纳入模型，为科学计算产水量，配置蓄排设施奠定基础。

4.2 实行水域空间分片和分功能管控

目前上海分片分区河湖水面率统算管控的状况不够精细，无法区分行洪和排涝功能，无法准确计算各区和各水利片的蓄排空间，无法科学衡量各区排涝安全指数。比如杨浦区，如包含黄浦江面积，其2021年河湖水面率为10.37%，居全市第2位，但扣除黄浦江后，其参与区域蓄排的河湖水面率仅为3.15%。科学划分水域空间功能，实行分片分功能管控势在必行。流域及区域行洪通道，强化行洪泄洪功能，锁定空间布局，提高堤防防御能力，研究河道管理范围和保护范围，保障防洪安全。突出圩区河道蓄排功能，落实圩区河湖空间要求，加强圩堤封闭，科学设定除涝标准。同时需要合理设置圩区泵闸、河网结构、圩内水位，充分挖掘圩区蓄水能力，减轻大片压力。水利片治涝分区河湖，主要承担蓄排、生态等功能。需要分水利片，管控河湖水面率、预降水位和除涝最高控制水位，科学配置水利片排涝泵闸，充分利用河湖调蓄功能。

4.3 平原感潮河网闸河配套衔接技术

闸河配套必须建立时间、平面、竖向3个维度的排涝过程，准确分析上海14个水利分片分向排涝出路，充分利用黄浦江、长江口、杭州湾潮差特点，科学配置排涝设施。大陆片优化并加密排涝口门布局，加强北排东排长江口、南排杭州湾排涝泵闸建设。黄浦江及其上游主要支流两岸、苏州河两岸及桃浦河两岸合理规划排涝泵站规模，防止黄浦江洪潮上涨过快，避免因洪致涝。2021年“烟花”台风期间，芦潮港水闸全开，导致流速较大，芦潮港瓶颈段河岸冲毁，出现险情。进一步加强闸河配套衔接研究，扩大通江达海的河道规划规模，加大226条骨干河道118个断点打通，控制闸前河道的最大流速。

4.4 管网、圩区、大片和流域排涝协同调度研究

城市排涝系统非常复杂，涉及管网、圩区、大片和流域4网协同排涝调度问题。上海在2021年“烟花”台风期间，出现圩区水位偏低调蓄空间未充分发挥，而水利片水位超过除涝最高控制水位，局部区域内涝的状况，暴露出圩区与水利片调度不协同的问题。2005年“麦莎”、2012年“海葵”和2013年“菲特”等台风灾害性气候期间，已多次出现苏州河、虹口港、杨树浦港沿线泵站停机事件，导致中心城区大面积积水，暴露出雨水管网与河网排水排涝不协同问题。应加快研究雨水排水、圩区除涝、大片和流域排涝协同调度研究。充分挖掘圩区调蓄能力，适当减少圩区外排，制定圩区水利片协同防汛调度规则。进一步研究雨水排水系统、河网泵闸系统协同调度技术开发，做到管网、河网相互匹配，排水排涝标准合理衔接。同时加快流域河湖水域保护，分析流域行洪排涝对下游洪潮水位增高的影响。注重问题导向、目标导向，确定合理排涝标准，研究制定分区排涝模式，与小区城镇排水合理衔接。

4.5 海绵城市对城市排涝的贡献系数研究

我国已经大规模开展海绵城市建设，但降雨过程、降雨水量不同，海绵城市对城市排涝的贡献差异较大，短历时强降雨和长历时强降雨显然不同，要尽快开展海绵城市对城市排涝的贡献研究，科学分析判断海绵城市建设的作用。海绵城市建设，对区域防汛除涝的作用，必须进行科学论证，既不能过高估计，亦不能忽略不计。随着上海城市规模不断扩大，特别是中心城区建设用地连片蔓延增加、下垫面不透水性加剧，导致了降雨产流量增大、汇流加速、洪峰量增加，传统的市政雨水系统越来越难以满足雨水排水需求。海绵城市建设，有助于城市面源污染消减和水环境质量改善。增加绿色雨水调蓄设施建设，也有助于雨水排水系统提标。同时海绵城市建设，增加透水面积，有助于雨水下渗、滞蓄、缓排。如何正确看待海绵城市，在防汛安全保障方面的作用，核心是科学折算调蓄空间，换算调蓄能力，减少产流。初步判断，海绵城市对防小雨、改善水环境作用较大，但对长历时暴雨而言，防汛作用有限，仅起到弹性调蓄、增加安全韧性保障的作用。

5 结语

城市排涝是安全城市、韧性城市建设必须要高度重视的课题，各城市排涝问题、排涝条件不尽相同。上海对超大城市排涝难点问题的新思考，提出的相关排涝关键技术研究方向，尚需进一步针对性的深入研究，为全面有效解决城市内涝问题奠定基础。

必须注意到，超大城市排涝新问题层出不穷，新的排涝技术难点、痛点不断衍生。解决城市内涝问题，还涉及城市管理变革、空间管控机制优化，尽快扭转“以路定城”的旧城市规划思想，真正建立“以水定城”的城市发展新路径，以及城市竖向设计、气象预报预警、水文监测技术发展、数字孪生流域建设、社会综合治理等方面，对城市排涝能力提升亦有重大影响。