基于“9·7”特大暴雨的深圳河流域防洪能力分析

关键词：特大暴雨；暴雨洪水；防洪能力；深圳河流域

中图分类号：TV87 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）11-0034-09

洪水是全球危害最大的自然灾害之一，具有发生频率高、破坏力强及影响范围大等特点［1-2］。据统计，2000—2018年，全球共有2. 7亿人遭受到了洪水的影响，经济损失高达6 400亿美元，共造成约10万人死亡（全球紧急灾害数据库）［3］。作为全球受洪水影响最大的国家之一，中国约有三分之二的国土面积、人口和工农业生产值均遭受洪水威胁［4］，2000—2018年的洪灾共造成22293人死亡和33562. 22亿元的直接经济损失［5］。同时，随着全球气候变暖，海平面持续上升，极端暴雨及洪水的频率和强度均显著增强［6-7］，且随着城市化的迅速发展，不少城市防洪工程的防洪能力降低或已不能满足现有需求，洪灾问题日益严重［8-9］。如2021年郑州发生的“7·20”特大暴雨水灾，导致150个县、1 478 万人受灾［10］。因此，对现有防洪工程的防洪能力进行再评估显得尤为必要。

深圳河作为深圳和香港的界河，是深圳市最重要的排洪入海河流，具有重要的区位优势。1985年以来，经过1—4期的河道治理工程建设，深圳河流域的防洪标准已提升至50年一遇［11］。但在全球气候变化及人类活动的影响下，极端暴雨天气频发（如2018年“8·29”暴雨和2023年“9·7”暴雨），深圳河下游潮位极值上抬，城市化导致土地硬化加速了暴雨的产汇流速度，增加了流域内的洪水风险。同时，河道清淤后发生快速回淤，导致河道淤积并高于泄洪设计底高程，减小了深圳河的泄洪能力［12］。2023年9月7—8日，“海葵”台风残余环流、季风和弱冷空气的共同作用下，深圳河流域发生极端特大暴雨，强度超强、持续时间超长、范围超广，打破了1952年有气象记录以来的最大2、3、6、12、24、48、72 h共7项历史雨量极值，导致深圳河干流防洪压力剧增［13-14］。因此，亟需对深圳河流域现有防洪能力进行分析。本文通过对深圳河流域（图1）2023年“9·7”特大暴雨下的洪水模拟，对该流域的防洪能力进行复核分析，发掘深圳河流域防洪所面临的问题与挑战，从流域层面提出一套防洪能力提升的总体方案，以期为深圳河流域的防洪治理提供切实可行的参考方案。

1研究区域及水情概况

1. 1研究区域概况

深圳河流域（22°27'～22°39'N，114°～ 114°13'E）位于珠江口的东侧，发源于梧桐山牛尾岭，自东北向西南流入深圳湾，全长37 km，共有6条支流，其中干流为沙湾河与莲塘河汇合后的三岔河口至河口处，长18 km［15］，整个流域面积为312. 5 km²。深圳河流域多年平均降雨量为2 023 mm，主要集中在4—9月，约占全年降雨量的85%。深圳河干流主要以潮流动力为主，大潮潮差在2. 5 m以上，径流动力较弱，河口处多年平均径流量为4. 73亿m³。深圳河水系呈扇形分布，三岔河口以上的上游区域位于丘陵山地，坡度较陡，河床比降在2‰～4‰，中下游区域位于平坦的冲积平原，坡度较缓，河床比降仅在0. 10‰～0. 17‰。因此，支流河流短、比降陡，暴雨后约1 h洪峰即可到达干流，位于流域中心位置的鹿丹村干流河段的洪水风险增大。同时，由于城市化进程加剧引起的流域降雨产汇流速度进一步加快、气候变化导致的极端灾害频发导致的河道洪潮历史水位不断新高，深圳河流域面临着越来越显著的洪灾风险，对深圳及香港区域内的人民生命安全和社会经济造成巨大威胁［16］。

1. 2水情概况

深圳河流域“ 9·7”特大暴雨发生于2023年9月7日17时至9月8日15时30分，历时近23 h，主要集中在9月7日17时至9月8日7时，共14 h。流域降水总量为1. 4亿m³，全流域雨量均较大，最大24 h降雨暴雨中心位于小梧桐一带、布吉河笋岗滞洪区至香港梧桐河一带，1、6、24 h最大点雨强均超100年一遇洪水标准（表1）。

由于深圳河流域内城市化程度高，不透水表面面积占比大，径流系数大，且“苏拉”和“海葵”双台风间隔短，土壤含水饱和度高，同时降雨中心自流域上游向下游移动，洪峰与雨峰叠加，多重因素的共同作用导致本次暴雨具有产汇流时间短、产流量大、洪峰出现时间提前等特征。其中雨峰和洪峰间隔最近的为正坑水大望站附近，仅25min［ 13-14］。

“9·7”暴雨虽然发生在小潮的高潮位，受到的顶托作用较弱，但深圳河干流洪水位均超历史最大值，河口以上历史最高水位提升了0. 64～1. 43 m（表2）。深圳河的主要河流全部超警戒水位，其中鹿丹村断面由于主要支流集中汇入，最大流量达到了1 840 m³/s，超过了 50年一遇设计洪峰流量，为有实测资料以来的最大洪水。暴雨期间，深圳河沿程水位未超过防洪墙，但皇岗至罗湖口岸部分河段水位超出堤面，平均超堤面高程约0. 35m，深圳侧流域内水深超过0. 27m的淹没面积达13. 1 km²，超过1m的淹没面积达3. 7km²。

2结果与讨论

2. 1洪水模拟分析

为了对“9·7”暴雨期间深圳河流域的防洪能力进行分析，本研究基于Mike模型构建深圳河流域一维模型，模型采用2022年最新地形，上边界包含上游支流莲塘河（四期段）、梧桐河、布吉河和水库排洪河，下游边界为深圳湾赤湾断面（图2）。模拟时段为2023年9月7日18时至8日15时，共22 h。将流域划分图3a所示的汇水区，根据闸泵出流、单位线统计和径流系数等方法计算整个流域内的产汇流流量，其中闸泵出流为实测水库、闸泵出流流量数据，单位线统计为Guo等［17-19］提出的广义单位线汇流计算方法，计算支流流域面积大于10 km²的区域，径流系数为综合径流系数法［20］，计算支流流域面积小于10 km²的区域。计算得到该时段内进入深圳河道的总水量达9 850 万m³，平均径流系数为0. 69，各支流的流量过程见图3b。

模拟前根据清淤策略研究，将深圳河的糙率设置为0. 025。由于莲塘河香港侧存在大量树木，导致其糙率要高于设计糙率。因此根据模型率定及验证后，将该河段糙率定为0. 05，莲塘河的模拟水位与实测水位基本吻合。沿程模拟水位结果见图4，其中横坐标为距离赤湾断面距离，模拟水位与实测水位的平均误差在0. 10m以内，说明模拟结果可信。深圳河流域沿程各断面逐时水位变化的模拟值与实测值见图5。

模拟结果表明，“9·7”暴雨期间深圳河流量量级达到了50年一遇等级，其中莲塘河的莲麻坑以上流量接近200年一遇洪水等级，部分河段发生了漫堤，模拟水位比四期工程设计水面线高程平均升高0. 80 m，最高超高处为莲麻坑河段，超过1. 40m（图6）。深圳河干流水位未达到50年一遇等级，其中皇岗河口以下、布吉河口以上河段水位未达20年一遇等级，皇岗河口至布吉河口河段的平均水位比50年一遇低0. 32 m，比20年一遇高0. 18 m（图7）。

2. 2防洪能力分析

“9·7”暴雨期间，通过工程调度方法最大限度地发挥了深圳水库的调蓄滞洪错峰作用，以及笋岗滞洪区对布吉河洪峰流量的削减作用，最大程度地保证了深圳河流域的安全［12-13］。但此次洪水仍有暴露出防洪问题，如全线超警戒水位、部分河段出现漫堤，因此有必要对现深圳河防洪现状能力进行复核分析。深圳河流域的洪涝风险主要是由强降雨导致，但河道自身的地形变化及糙率变化在洪涝灾害的防御中不可忽视，且这两个因素更易受到人为影响。因此，本研究主要从深圳河的地形及糙率变化对防洪能力进行分析，以期对后续深圳河流域的防洪整治提供借鉴。

2. 2. 1地形变化对防洪能力的影响

2016—2022年，深圳河流域进行了两次大规模的清淤工程。2017年6月至2017年11月，实施了深圳河2016年度清淤工程，对深港两侧共计41个涵口及重点河段进行了清淤，累计清淤量约15. 68万m³。2018年7—12月，实施了深圳河梧桐河口至上步立交河段清淤工程，累计清淤量约49. 76 万m³。通过对比深圳河2016年和2022年的实测地形，发现相较于2016年，2022年深圳河淤积量减小了32. 7万m³，且以平原河口为界，河道下游以冲刷为主，上游以淤积为主，地形平均加深了0. 22 m。

基于2016、2022年的地形，分别模拟了不同地形下深圳河在50、200年一遇洪水情景下的沿程水位变化，见图8。结果表明，在两场洪水情景下，2022年地形下的深圳河在皇岗河口至平原河口的水位均低于2016年地形下的水位，其中福田河口至布吉河口降低了0. 04～0. 13 m，布吉河口至罗湖口岸降低了0. 11～0. 25m，罗湖口岸至沙湾河口降低了0. 22～0. 25 m。但在深圳河口至皇岗河口、平原河口至莲塘水文站则呈现相反的表现，即2022年地形下的深圳河水位高于2016年地形下的水位。其中两场洪水情景下2022年地形下的莲塘河口水位均比2016年地形下的水位高了0. 35 m左右，在50年一遇洪水情景下，2022年地形下的莲塘水文站水位比2016年地形下的水位高了0. 11m，而在200年一遇洪水情景下高了0. 21 m。造成该结果的原因考虑为主要与河道地形相关，在下游冲刷处水位以降低为主，在上游淤积处水位以抬高为主。

根据《海堤工程设计规范》计算，深圳河流域防洪标准需考虑防洪墙0. 4 m 超高。通过对深圳河2016年和2022年不同地形下的水位进行模拟后发现，基于2016年的地形，福田河口至沙湾河口总体上达不到50年一遇洪水标准，其他河段均能满足50年一遇的防洪标准，其中深圳河口至皇岗河口、四期蓄滞洪区的防洪能力达到了200年一遇洪水标准（图9）。而基于2022年的地形模拟发现，深圳河干流的整体防洪能力基本都能达到50年一遇洪水标准，但除了深圳河口至皇岗河口外，上游河段均未达到200年一遇洪水标准（图10）。

2. 2. 2糙率变化对防洪能力的影响

除了河床地形变化对防洪有影响外，河道糙率变化的作用也极为重要。本研究基于2022年的地形，对莲塘河河段设计糙率（0. 025）和推算糙率（0. 05）下50年一遇洪水及200年一遇洪水情景下的沿程水位变化进行了模拟（图11）。结果表明，糙率的增加会促使莲塘河上游水位壅高，壅高值在0. 4～0. 9m，其中在50年一遇洪水情景下，莲塘口岸和莲塘水文站的水位分别抬高了0. 48、0. 77m，在200年一遇洪水情景下，则分别抬高了0. 56、0. 87m。糙率的增加减缓了洪水的流速，增大了洪水的风险。在考虑防洪墙0. 4m超高的条件下，莲塘河上游河段已不能满足50年一遇的防洪标准，莲塘口岸至莲塘水文站河段的平均欠高为0. 24m，最大欠高达到了0. 58m。

3防洪挑战及治理建议

3. 1面临的防洪挑战

3. 1. 1不利的下垫面条件

a）扇形集雨地貌叠加城市化发展，导致暴雨产汇速度加快。从流域地貌来看，深圳河流域呈扇形，三面环山，支流坡降大，导致暴雨汇流速度快。同时叠加城市化进程加速的不利影响，下垫面硬化，暴雨汇水速度快且集中于深圳河中游。深圳河上游主要支流梧桐河、布吉河、沙湾河和莲塘河的集雨面积共占流域面积的75%，各支流的径流主要集中在布吉河口至梧桐河口约1 km的河段内，再通过下游约9 km的河道进行排洪。由于深圳河干流的河床比降小，且受海潮顶托作用及各支流的相互顶托作用，布吉河口河段极易形成高水位，成为防洪敏感区。此外，近几十年来，深圳市区城市化发展迅速，流域内的大量农田、植被等自然土地已被修建为房屋、混凝土/沥青道路等不透水面，加剧了暴雨的产汇流［13］。“9·7”暴雨期间，深圳河流域布吉站的雨峰与布吉河草埔断面的洪峰只相隔1 h 左右，产汇流时间短。在流域中下游的老城区内发生严重内涝，加剧受灾风险。

b）河道清淤后回淤明显，现有过洪断面面积远小于设计过洪断面。深圳河河道长期呈淤积趋势，虽经过几次大规模或局部清淤，但由于河道干流径流作用小，潮流作用明显，且深圳河口存在的大范围浅滩为深圳河提供了源源不断的淤积泥沙来源，导致河道清淤后泥沙回淤显著。通过对深圳河一二期河段多年淤积量分析发现，在2006—2007年大规模清淤和2017—2018年局部清淤工程结束后，深圳河河道均发生了快速回淤，并在长期保持缓慢淤积态势。深圳河干流多年平均径流量仅为15 m³/s，泥沙的回淤使得河道无法维持安全泄洪断面，无法保障近2 500 m³/s流量的安全宣泄。现有断面面积不足设计断面的1/2，计算得到的泥沙冲淤平衡断面面积仅能维持原设计断面的1/3，行洪能力与原设计目标差距大（表3）。

c）河口红树林不断扩张，严重挤占河口泄洪断面。近几十年来，深圳河口的红树林不断向下游扩张。2000年，香港侧红树林前沿位于分汊口以上900 m，目前已扩张至下游600 m。同时浅滩红树林的生长挤压河道，导致深圳河河口内平均河宽为200 m，而最窄处仅150 m，严重挤占河口泄洪断面。

3. 1. 2极端灾害天气频发

极端灾害天气频发导致深圳河流域面临更加严峻的防洪挑战，主要体现在超强台风、暴雨的频次及强度显著增加。2017年以来，连续发生天鸽、山竹台风以及“8·29”和“9·7”暴雨。极端天气迫使深圳河水位发生抬升，其中2场台风使得赤湾潮位抬升0. 48 m；“8·29”洪水期间深圳河水位超过了治理工程设计水位；相较于“8·29”洪水，“9·7”洪水导致深圳河水位又抬升0. 99～1. 46m。此外，海平面的持续上升将导致设计潮位的抬升。根据香港《暴雨排放系统手册》所示，2018年尖鼻咀200年一遇设计潮位较1995年抬升了0. 82 m，并预测在21世纪中期将抬升0. 23m，在21世纪末将抬升0. 49m。

3. 1. 3内涝风险严重

河道高水位的顶托作用是导致城市发生内涝的一个重要原因。由于周边区域地势低洼，深圳河干、支流的高水位顶托作用将导致城市内部难以排水。“9·7”暴雨期间，洪水将深圳河河口上游的最高水位提高了0. 99～1. 42 m。虽然深圳河干流未发生漫顶现象，但高水位顶托作用导致深圳河支流排洪和流域内的陆域排水不畅，导致两岸发生了严重内涝。此外，本次暴雨期间仅遭遇小潮，若遭遇大潮高潮位、更大量级暴雨或海平面升高变化，深圳市将面临更强的洪水顶托作用，城市内涝排水问题更加严峻。

3. 2治理思路

在以往对深圳河防洪治理过程中，实施了不少对流域防洪能力提升的措施，包括工程和非工程措施。目前已有的工程措施包括加高堤防和清淤清障。但加高堤防会导致束水归槽、抬高水位、加重内涝、影响景观等问题，而清淤清障则面临疏浚量大和快速回淤的问题。已有的非工程措施包括深圳水库挖潜，但目前起调水位已降低至26. 3m附近，调蓄库容仍有限［21-22］。因此，在海平面上升和极端天气频发的气候变化背景下，需要改变以往加高堤防、挡洪为主的治理对策，从流域层面对防洪能力的提升进行总体方案布局，可以采取蓄、滞、分、泄、挡等各项措施相结合的方法，进一步削减洪峰流量和增加河道行洪能力［23-25］。

4结论

本文通过对深圳河流域2023年“9·7”特大暴雨洪水的模拟，复核分析了深圳河流域的防洪能力，并探讨了深圳河流域防洪未来可能面临的挑战，提出了一套综合治理方案建议，主要结论如下。

a）2016年深圳河福田河口至沙湾河口河段总体上达不到50年一遇洪水标准，但经过清淤工程的开展，2022年深圳河干流的整体防洪能力基本都能达到50年一遇洪水标准。

b）由于河床淤积抬高和糙率的增加，深圳河支流莲塘河上游河段会发生雍高，已不能满足50年一遇的防洪标准，莲塘口岸至莲塘水文站河段的平均欠高为0. 24m，最大欠高达到了0. 58 m。

c）深圳河的防洪面临着汇流快、清淤后回淤明显、红树林挤压泄洪断面等不利下垫面条件，以及极端灾害天气频发、内涝风险严重等挑战。在海平面上升和极端天气频发的气候变化背景下，需要改变以往加高堤防、挡洪为主的治理对策，从流域层面对防洪能力的提升进行总体方案布局，采取蓄、滞、分、泄、挡等各项措施相结合的方法，进一步削减洪峰流量和增加河道行洪能力。