广州市中心城区洪涝治理对策与思考

2022-01-26吴文惠

水利技术监督 2022年1期

黄显，王琼，吴文惠

(广州市水务规划勘测设计研究院有限公司，广东广州 510640)

广州市地处珠江三角洲，地形复杂，气候多变。前汛期受龙舟水暴雨侵袭，后汛期受风暴潮影响，洪涝灾害现象时有发生。2020年5月22日，广州市普降特大暴雨，共计443处发生洪涝灾害，部分流域受淹范围广，深度大，历时长，损失惨重。其中，温涌流域受淹面积约1.31km2，受淹深度约0.8～3m，受淹时长约2～4h，流域内凤凰城、翡翠绿洲两个大型小区多处地下车库进水；雅瑶河流域广汽本田生产基地被淹，永和河流域官湖、新沙地铁站严重水浸导致13号线停运。

洪涝灾害已经成为各大城市的顽疾，不仅严重制约经济发展，甚至给人民带来生命和财产损失。本文将从洪涝成因分析入手，选取治理条件类似的城市进行对比，提出广州洪涝治理的对策与思考。

1 洪涝成因分析

1.1 极端天气

近些年，极端天气频发。国内外大量研究表明，一般百万人口城市城区平均气温比郊区高0.5～1.0℃。近20年来，城市热岛有加重的趋势，而且城市热岛与建成区存在相关关系[1]。研究上海城区及郊区1979—2007年降水序列，表明城区有明显的增雨效应，城市化使城区的强对流及灾害性天气增多，防洪排涝压力增大[2]。

广州近些年来暴雨频发，2018.06.08暴雨、2020.05.22暴雨录得的降雨量均超过了以往记录。2020年5月22日大暴雨，全市共有305个测站(占比48%)录得100mm以上的雨量，25个测站录得250mm以上的雨量，42个站次小时雨强超80mm，全市最大累积雨量378.6mm，最大小时雨量167.8mm，均远超百年一遇标准(322mm/24h，114mm/1h)。

除了前汛期的“龙舟水”，后汛期的风暴潮也变的越来越频繁，“天鸽”“山竹”接连而至，引起的风暴潮均远超过历史极值，这进一步增加了城市洪涝治理的压力。

1.2 下垫面硬化

城市化进程加快，下垫面硬化导致雨水下渗量减少，流速增大，滞蓄能力不足，径流系数加大，导致洪水峰量更大，径流峰型趋“尖瘦”形化。相关研究表明，广州城市化建设使得地面径流系数由0.3～0.5增大到0.6～0.9，增大了近1倍，“龙舟水”径流峰值出现时间提前了1～2h[3]。

1.3 管理不足、问题流域多

近年来，由于各地重视程度不一，基层管理人员配备不足，专业能力欠缺，造成许多基础水利设施维修养护不到位，设施损毁甚至无法发挥作用。由于行业受重视程度低，话语权相对较弱，导致日常监管不能落实到位，各种侵占水域现象时有发生，甚至填埋，河道淤积严重，严重影响行洪安全，形成一个个问题流域。

1.4 历史欠账多、标准低

由于较强的公益属性，资本介入度低，水利处于众多基础行业中较弱势的地位，直接影响就是投入低，历史欠账多，各种防洪排涝基础设施标准偏低，许多病库危闸仍在带病运行。

2 治理特点对比

杭州，城市化程度高，枯汛明显，地理以丘陵、平原为主，外侧受海潮影响，雨情、地理地形特征各方面与广州都高度相似，可以选作对比对象，下面从天时、地理两方面进行治理条件对比和分析。

2.1 天时

杭州年降雨1454.10mm，汛期3—9月，汛期降雨占比75.82%，最大降雨月份集中在6月梅雨季，按枯、汛、最大月平均降雨统计，比例大致为1∶2.24∶3.29。广州年降雨1768.70mm，汛期4—9月，汛期降雨占比81.21%，最大降雨月份集中在6月梅雨季，枯、汛、最大月平均降雨比例大致为1∶4.32∶5.51。杭州-广州降雨量月度分布对比如图1所示。

图1 杭州-广州降雨量月度分布对比

从降雨历时和降雨强度来看，杭州降雨历时长，代表流域典型洪水过程线较平坦，峰值呈现单峰、双峰等特征，规划设计多采用24h长历时。广州近年暴雨呈现明显的短历时(3～6h)、强度大的特征，洪水过程线呈现陡峭的单峰特征。杭州-广州代表流域典型洪水过程线如图2所示。

图2 杭州-广州代表流域典型洪水过程线[4]

从天时对比，广州降雨分布更不均匀，汛期降雨量大且集中，暴雨强度大历时短，治理难度稍大。

2.2 地理

浙江省浙江地形自西南向东北呈阶梯状倾斜，西南为山地，中部为丘陵，东北部为冲积平原，陆域面积为10.55万km2，其中山区和丘陵占70.4%，河流和湖泊占6.4%，平原和盆地占23.2%，素有“七山一水二分田”之说[5]。杭州位于钱塘湾，西高东低，西部属浙西丘陵区，东部属浙北平原，地势低平，河网密布。

广州位于珠江三角洲中北缘，北高南低，北部为丘陵山区，中部是丘陵盆地，南部为沿海冲积平原。

两者有着相似的地理形态，从水利角度两者都可以划分为为山区性河段、山区+感潮性流域、感潮河网区这三类。

广州水系流域分类如图3所示。

图3 广州水系流域分类

下面从地理角度分析对比洪涝治理的两个关键条件：水动力条件、排水下边界条件。

水动力条件：杭州主城区多位于感潮河网区，随着沿海围垦的发展，排水出口不断外移，排水距离进一步延长，很多骨干河道水面比降不足0.1‰。广州中心城区主要有两类流域，一类是感潮河网，河道比降小，还有很多双向流河道，同杭州类似；另一类是山区+感潮性流域，北部山洪来的快且量大，南边出口受潮位顶托，且距河口约3～4km范围地势平坦，河道比降小，约0.3‰～0.5‰，这类流域治理难度最大。

排水下边界条件：杭州由于受钱塘湾的地形影响，形成了远近闻名的钱塘江大潮，日常潮差一般5～6m，最高潮位8～10m。广州也是不规则半日潮，日常超差2～3m，最高4m左右。两者外江潮位都有不断上涨的趋势，杭州的年平均最高潮位以及由70年代的3.41m抬高至如今的4.02m[6]，广州目前使用的设计洪潮水面线为省水利厅2002年8月颁布的《西、北江下游及其三角洲网河河道设计洪潮水面线》(试用)成果，资料显示，南沙站200年一遇设计潮位为2.83m。2017年“天鸽”、2018年“山竹”风暴潮后，据未公开报告《广州市珠江堤防达标提升总体方案》分析复核：南沙站200年一遇设计潮位为3.39m，已呈现大幅抬升趋势。

从地理对比，杭州河道水动力条件差，潮差大，治理难度较大。据调研了解，很多骨干河道日常自排能力也很弱。

3 洪涝治理对策

从前述治理特点对比来看，两者相似性明显，可以借鉴浙江、杭州治水经验。建国以来，浙江省不断加强防洪工程规划和建设，在河流上游山区兴建水库，拦洪削峰，中下游固堤御洪，在平原地区拓浚河道，建修堤塘、排水闸站，逐步构建了“上蓄、中防、下排、外挡”的流域防洪排涝工程体系[6]。“上蓄、中防、下排、外挡”的治水思路同样适合广州治水。下面将从这几方面探讨一下存在的问题和解决思路。

3.1 上蓄

类似于碳中和要从源头节能减排，黑臭水体治理要源头截污纳管，洪涝治理也要贯彻源头治理的思想，那就是海绵城市理念。只不过这些年城市治理只注重地块局部的小海绵，缺乏系统性的流域海绵治理，以致大海绵缺乏利用、中海绵被侵蚀、小海绵缺硬措施和长效管理，城市看海现象依然年年出现。因此应从这三个痛点出发找对策：

有效利用大海绵。这些年城市化进程不断加快，耕地灌溉面积逐渐缩减，以致于许多水库功能丧失，进而降等，最终可能沦为开发建设用地。据广州市2020年度小型水库病险调查，75座小型水库有6座降等为山塘。能否有效利用现有水库对城市洪涝治理也有着关键作用，如将水库灌溉功能改变为调蓄功能，同时加强现有水库的自动化管理水平，结合水雨情预报系统，做好水库的控泄，那对于源头减量是大大有益。

大力管控中海绵占补平衡。如果说水系河网是气管，那么水库是绿肺，各种坑塘水面等小微水体就是一个个肺泡，是水系河网呼吸吐纳的地方，他们共同构成了大自然的呼吸系统。任何一个器官功能出现问题，就会生病。近些年城市开发，许多山塘水面逐渐被填埋。虽然小微水体开始着手登记造册，但漏登的比较多，甚至是列入地块开发计划不上报，另外小微水体占补平衡也缺乏强有力的政策和有效管理，导致小微水体逐渐消失，成为城市看海这种城市病的根源，然后反过来实施海绵城市。因此，强力管控水域的占补平衡极为关键。

落实小海绵硬措施，加大末端考核力度。海绵城市实施多注重“渗”“滞”等软措施，对“蓄”这类硬措施缺乏保障，如：用地紧张取消调蓄池；调蓄水体常年当作景观水体蓄水，没有发挥调蓄作用；调蓄池建高处，管控范围小；调蓄池容量小，下小雨就满，大雨缺乏应对能力。除缺乏硬措施外，海绵城市的考核目前偏重于前端指标，缺少最关键的末端考核措施，到底消减多少径流缺乏有效的手段监督，需要从源头治，末端考，倒逼海绵硬措施的落地和海绵设施的有效管理。

3.2 中疏

广州除了中防以外，更重要的是中疏。受历史原因，致富总是先修路，后通电、通水、通气、通网，供应都有了，排泄成了问题，要从一堆管网中给雨水、污水寻找出路就变的相当困难，出路不畅，便会导致了洪水出槽、污水横流、地面沉陷等各类问题。

自古大禹治水以疏代堵，最终取得了成功，因此疏通卡口，给洪水找出路是所有治水人的共识。中疏的难点在于如何评价和识别卡口，不准确的分析可能会引导错误的研判和对策。

某流域卡口众多，有两处关键桥涵成为整个流域的瓶颈。一处为中游一铁路下穿涵，箱涵净尺寸约5m×4m，所在河道宽约10m，坡降约3‰。另一处位于下游河网区，所在河道宽约25m，坡降约0.4‰，距离河口约2.5km，为一十字路口桥涵，单跨25m，顺水流长90m，梁高加上部铺装约2m高，为衔接道路，采取了顶平、压低桥梁的做法，由于梁底标高低，基本每日都会接触到高潮位水面，同时为满足过流断面要求，该桥桥底采用下挖处理，比上下游河道均低0.5～1m。根据物理模型试验结果，铁路涵壅水约0.8m，下游河网区桥壅水约0.18m。

如果将上述两个物模结果对照，很容易让人认为铁路涵壅水、下游河网区桥不壅水。这是一个相当危险的结论，按照这个结论，河网区桥梁建设是否不用再进行防洪影响评价，是否可以都采用这种下挖式的方法处理，答案是否定的。

上述错误认识关键在于卡口评价不能光看表面数字，得结合卡口所在区域特征分析。铁路涵壅水高度0.8m肯定属于严重壅水级别，放在所处河道来说，河道坡降仍能达到2.2‰，水力条件依然不差，只需要评价回水影响范围。河网区桥壅水高度，0.18m看数字也许会认为一般壅水，但其占到出口河段总坡降的约18%，由于河网区地势平坦，更有许多低洼地，18cm壅高很可能造成洪水出槽，同时桥底下挖式处理基本等于无用功，河段坡降小，流速小，同时位于感潮区，水流来回游荡，局部凹坑很快就会填平，填平后断面面积缩小，壅水高度会进一步加大，这种卡口的危害极大，只能通过常年清淤保障过流断面。

3.3 下排

下排可以从两方面考虑：一是排水通道，二是强排设施。

3.3.1排水通道

感潮区排水通道除了要满足过流断面外，最重要的如何改善水力条件。改善水力条件可以从河道比降、糙率、水力半径入手。

(1)改善河道比降在河床高差基本确定的情况下，只有缩短长度改道，这又会带来敏感的话题，改道后旧河涌是否要填埋，提及改道就如同犯罪一样，这种思想压力直接导致了工作难以开展。其实，截弯取直并不是人类使然，而是河道的天性，短时遇阻转个弯，终有一天会冲破阻碍，牛轭湖就是很好的例证。所以，对于落差较小的感潮河网区，尤其是山区+感潮性流域，适度改道是有益的，峰大汛急，让洪水尽快入海是最好的办法。以前述流域为例，下游片区一分为二有两条出口河道，从分叉点到河口水面高差约1m，A涌2.5km，水力坡降约0.4‰，B涌3.7km，水力坡降约0.27‰，在各项条件类似的前提下，过流能力与A涌差约18%。B涌具备改道条件，改道后缩短0.65km，水力坡降约0.32‰，过流能力与A涌差约10.2%，效果明显。

(2)根据明渠均匀流公式，流量与糙率的倒数成正比，还可以从改善糙率的思路出发改善水动力条件。重要输水设施基本都采用混凝土渠而非土渠，主要是水力条件好，损失小，可以减少提升设备，也说明糙率的重要性。目前的痛点在于“混凝土堤岸=不生态”这种思想“渠化”了。其实，这本身并不矛盾，地势平坦的平原区也大都位于都市核心区，采取硬质堤岸结构不仅节约用地，也能改善水力条件，便于管理，也符合都市型碧道定位。

(3)水力半径主要与水深和河道宽深比有关。宽深比在1～5时，变化较快，超过5后不敏感，还与水深有关系。以前述代表性流域为例，洪水时，末端水深基本都在5m左右，宽深比超过3时，水力半径约为2左右，继续加大变化已不敏感。

除了上述方法，浙江经验也值得学习，那就是接力泵。浙江省在布局强排成网的格局时，不仅在各排涝片区口门设泵，甚至在一些自排能力极差的河网设置接力泵，接力泵的本质就是改善水力坡降，增加水动力。

3.3.2强排设施

关于自排还是强排，在广州治水一直是一个争议话题，近些年正在实施的新市涌闸站、石井河闸站等大型排涝泵站，在前期论证阶段，对于是否必要强排一直是争议不断。

从浙江洪涝治理的经验来看，自排条件恶化，强排成网的格局已逐步验证和实施，并取得了良好效果。广州可以借鉴其经验，改变基本靠自排的格局，采取“自排+强排”结合的模式。下面从边界条件、泵站应对工况及其发挥作用等方面来论证强排的必要性。

从边界条件来说，出口边界条件渐趋恶化是明确的，出口边界抬高意味着水动力条件变差，泄流能力受限，进而壅水阻洪。以前述流域为例，下游2.5km水面坡降约1m，水力坡降0.4‰，下游出口抬高20cm都是致命的，河口以上2～3km的感潮区域都将受到影响。因此，从边界条件恶化来说，增设强排是一条必然之路。

从泵站应对工况及其发挥作用来看，一般采用以下两种极端工况进行设计：

(1)大洪碰小潮，洪潮标准选的是20年-多年平均高高潮组合(或5年一遇潮位)。

这种工况下，由于广州暴雨历时短，峰高汛急，河道涌容小，水位上涨迅速，1～2h内迅速涨超过外江水位，这时自排能力远远大于泵排能力，需要关泵开闸，泵排时间短，能力有限。如果河道水位持续上涨超过设防标准，这时候洪水出槽成灾，唯一办法就是增设调蓄区，在峰值承泄滞洪。以代表流域30～5年洪潮组合为例，泵按照5年标准设计，从计算可以看出，泵作用时间很短，泵排洪量占比较小。

那是否可以按照30年的标准去设计泵了，答案是不现实的，因为河道宽度、涌容不足以承载这么大流量的泵站，同样宽度的泵排能力也远比不上自排能力(某闸站，水闸和泵站净宽基本相当，闸过流能力约240m3/s，泵约80m3/s)。

(2)小洪碰大潮，目前采用的多是5～100、10～100等洪潮组合(10～100组合有发生过)。但笔者认为标准是偏低的，原因有三：①各标准潮位差太小，高标准对工程设计和造价影响很小，尤其闸站这类节点工程要提高一个等级；②排水下边界条件恶化，高标准设计是预防；③从天鸽、山竹等风暴潮来看，均伴有短时降雨，虽没有达到5年标准，但不可不防。综上，应该取5～天鸽/山竹、10—200年的组合设计。

这种工况下，以广州目前的水利设施来看，除了关闸，别无它法应对，内涌水无排除的可能。目前部分地区采取的是通过水闸调度，预腾空涌容，高潮期间利用涌容存水。这种方法对于纯河网区比较有效，纯河网区水系发达，洪水就近入河，涌容量大，通过预排确实能发挥巨大的作用。而山区性+感潮性流域就比较困难，往往流域面积大，洪水基本都归槽，河道涌容量小，预排作用有限。

A流域为位于纯河网区，集雨面积19.80km2，干流河长为5.756km，流域共有大、小河涌32条，河道加调蓄湖有效调蓄涌容约267.5万m3，调蓄涌容/集雨范围约为13.5万m2/km(约135mm净雨)。B流域为山区+感潮性流域，集雨面积44.56km2，干流河长约10km，有效涌容约70万m3，调蓄涌容/集雨范围约为1.57万m2/km(约15mm净雨)。

应对小洪碰大潮情况，除了预腾空，采用泵强排是山区+感潮流域的唯一方法。这种工况下，泵排时间主要看外江高潮位持续时间，越长泵的作用越明显。以某流域5—100年洪潮组合为例，总洪量远远超出河道涌容，预腾空作用有限，泵排量占比近半，效果明显。

综上，建泵是必要的，但是标准不宜太高，可按小洪(5—10年)碰大潮标准设计。