鄧 芳，李登波，張曉萍

（1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙410014；2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流保護(hù)與開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610065）

1 中國(guó)城市內(nèi)澇現(xiàn)狀

城市內(nèi)澇是由于強(qiáng)降雨或連續(xù)性降雨超越城市排水能力導(dǎo)致城市積水災(zāi)害的現(xiàn)象。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：近幾年來(lái)，我國(guó)500多個(gè)城市中，已發(fā)生過(guò)內(nèi)澇的城市有300多個(gè)，且在內(nèi)澇災(zāi)害嚴(yán)重程度上，南北方幾乎相當(dāng)。其表現(xiàn)為：影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、破壞力強(qiáng)大。我國(guó)城市的內(nèi)澇形勢(shì)已十分嚴(yán)峻，目前城市內(nèi)澇已成為政府和社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。

特別是我國(guó)東南沿海城市， 汛期除了面臨暴雨內(nèi)澇、外來(lái)洪水潛在威脅外，還遭受來(lái)自西太平洋風(fēng)暴潮的影響。沿海城市的水系多為感潮河道，若暴雨遭遇高潮頂托，極易造成排水不暢形成內(nèi)澇。

2018年9月，臺(tái)風(fēng)“山竹”掠過(guò)廣東，廣州普降暴雨。 “山竹”帶來(lái)了歷史罕見的風(fēng)暴潮，最大風(fēng)暴增水達(dá)3m，廣州多個(gè)潮位站水位超過(guò)歷史極值，城區(qū)珠江干流發(fā)生倒灌現(xiàn)象，全市河流漫溢26處，浸水點(diǎn)27處。 由此可見，水力學(xué)問(wèn)題在城市內(nèi)澇問(wèn)題中不容忽視。

2 中國(guó)城市內(nèi)澇特點(diǎn)

2.1 路面受損影響交通秩序

若路面積水程度較深，道路淹沒(méi)范圍較大，則容易造成交通堵塞，交通事故發(fā)生率急速上升，終致人員傷亡。

2.2 影響居民的正常生活

內(nèi)澇不僅嚴(yán)重妨礙了人們的生活、工作和學(xué)習(xí)，降低人們生活的幸福感，也使居民出行成為問(wèn)題。

2.3 公共設(shè)施破壞嚴(yán)重

如果發(fā)生強(qiáng)降雨，因交通堵塞、網(wǎng)絡(luò)、水、電、氣等生活體系癱瘓，公共設(shè)施不能正常使用，致使社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中斷。

2.4 導(dǎo)致城市污染加劇

一旦發(fā)生城市內(nèi)澇，排水管和污水管排之不及，致使污水等污染物、垃圾滯留地面，隨水流動(dòng)，污染整座城市，破壞環(huán)境，影響生態(tài)。

2.5 造成財(cái)產(chǎn)損失

暴雨導(dǎo)致的城市內(nèi)澇不只給人們的生活帶來(lái)不便和危害，同時(shí)也帶來(lái)極其嚴(yán)重的物質(zhì)損失。

3 城市內(nèi)澇的主要原因和水力學(xué)原因

城市化是目前中國(guó)發(fā)展的大背景，然而，城市的快速發(fā)展必然導(dǎo)致地面硬化。 迅速增多的鋼筋混凝土建筑物和水泥、瀝青路面，使城市地面滲透率嚴(yán)重降低［1，2］，導(dǎo)致地下徑流量減少，地表徑流量明顯增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)城市排澇系統(tǒng)的排水能力。 此外，城市立體空間大范圍的拓展，地下室、地下停車場(chǎng)、下穿式交通道、地下交通網(wǎng)的修建及地下商場(chǎng)的增加，嚴(yán)重削弱了城市對(duì)內(nèi)澇災(zāi)害的抵抗能力。 又因?yàn)槿蜃兣?，極端天氣出現(xiàn)的頻率時(shí)有升高，我國(guó)城市暴雨頻率有顯著上升。熱島效應(yīng)、大氣污染和極端天氣等多重因素疊加與耦合，致使城市發(fā)生暴雨，從而引發(fā)城市內(nèi)澇。 地勢(shì)平緩、低洼的城市區(qū)域，更易遭受內(nèi)澇災(zāi)害的影響。 再則目前中國(guó)城市雨水系統(tǒng)缺少立法與政策支持、城市規(guī)劃理念落后、理論和技術(shù)發(fā)展緩慢、城市雨水系統(tǒng)管理方法落后。在目前的排水管理中，并未對(duì)城市排水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行立法約束。并在城市規(guī)劃之前，應(yīng)該把水環(huán)境系統(tǒng)（水循環(huán)過(guò)程、防洪演算和城市排水）進(jìn)行模擬，規(guī)劃排水系統(tǒng)。

城市洪澇產(chǎn)生過(guò)程受到地面條件 （水泥面、草面、樹林等）、城市地形（橋、路、墻等）、管網(wǎng)排水系統(tǒng)、河道排洪能力（河道斷面、閘壩調(diào)度等）、蓄滯工程（地表水庫(kù)、滯洪洪區(qū)、地下水庫(kù)等）等多種因素影響，城市洪澇形成與發(fā)展極為復(fù)雜。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)城市內(nèi)澇建立暴雨模型進(jìn)行研究，在模擬階段，對(duì)排水管網(wǎng)建模分析時(shí)，大多考慮到城市地面滲透、騰發(fā)、植物截留，排水管網(wǎng)甚至明渠匯流到排水河道這樣一個(gè)相對(duì)完整的過(guò)程， 認(rèn)為排水口的水量能全部排往城市內(nèi)部河道， 卻忽略了城市內(nèi)部河道對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行規(guī)律的動(dòng)態(tài)影響， 造成排水管網(wǎng)與城市內(nèi)部河道的運(yùn)行調(diào)控不銜接。 如排水管道摻氣、空蝕、氣爆、臭氣外溢等有害現(xiàn)象。排水管道發(fā)生明滿流交替時(shí)對(duì)管道傷害、 在高地泄流時(shí)管道水流中所攜巨大能量的消能問(wèn)題、 暴雨期河道行洪水位升高對(duì)排水管道進(jìn)行頂托，造成河水倒灌等現(xiàn)象。 因此，在城市洪澇排水中，會(huì)遇到許多水力學(xué)問(wèn)題。

因此， 河水頂托對(duì)城市內(nèi)澇造成的負(fù)反饋不容忽視，它對(duì)暴雨城市內(nèi)澇模擬不準(zhǔn)確有嚴(yán)重影響。宋娟［3］認(rèn)為，常水位、警戒水位等固定水位邊界的做法不能準(zhǔn)確模擬排水口河道水位頂托和漫堤的情況，需建立以一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型為基礎(chǔ)計(jì)算研究區(qū)域雨洪模型邊界。不僅如此，河道排澇對(duì)管網(wǎng)排水還有破壞作用，李泓諾［4］引入破壞率的概念，根據(jù)管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可大致確定河道排澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 國(guó)外城市內(nèi)澇水力學(xué)問(wèn)題研究方法

在發(fā)達(dá)國(guó)家， 因?yàn)槌鞘谢同F(xiàn)代化進(jìn)程遠(yuǎn)早于我國(guó)，已有較成熟的城市暴雨洪澇研究成果。國(guó)外城市排水方面近年來(lái)的研究方向主要是兩個(gè)方面，一是城市暴雨模型階段，二是暴雨管理體系階段［5］。

4.1 暴雨模型階段

英國(guó)水力研究中心 （HRWallingford Britain） 的沃林福特（Wallingford）程序，能進(jìn)行較復(fù)雜的徑流下滲過(guò)程的模擬和計(jì)算，優(yōu)化排水管道設(shè)計(jì)。后研發(fā)的Info Works ICM 軟件， 可對(duì)城市水循環(huán)進(jìn)行完整模擬，還能將城市排水系統(tǒng)模型與河道模型進(jìn)行耦合，更為真實(shí)地模擬出排水系統(tǒng)。 由美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)（USACE）研發(fā)的水文學(xué)中心（HEC），可以從蓄水、污水處理及溢流模型（STORM） 模擬水量與水質(zhì)問(wèn)題，主要應(yīng)用于污水排水系統(tǒng)。 與Esri 公司合作的基于Arc Hydro 的河網(wǎng)分析系統(tǒng) （River Analysis System） 和 水 文 模 擬 系 統(tǒng) （Hydrology Modeling System） ，他們分別能模擬一維水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程和降水徑流過(guò)程。城市暴雨管理模型（SWMM）［6］由美國(guó)環(huán)保署（EPA）和加拿大水力計(jì)算中心（CHI）共同研發(fā)，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)模型， 可以模擬城市范圍的水文循環(huán)過(guò)程，和污水處理問(wèn)題。 除此之外，該模型最強(qiáng)大的功能是， 可以模擬雨水在渠道、 管網(wǎng)內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程。 Mike模型應(yīng)用也非常廣泛， 是丹麥水力研究所（DHI）的系列軟件之一，它可以對(duì)降雨、下滲、產(chǎn)流、匯流、蒸發(fā)等過(guò)程進(jìn)行模擬，并且也適用于河道和海岸，甚至能在三維空間對(duì)水資源按既定規(guī)則分配。美國(guó) Bentley 公 司 的 水 力 與 水 文 （Hydraulics and Hydrology Software）軟件，它主要是能改善城市排水系統(tǒng)分布、污水處理和城市暴雨管理。

4.2 暴雨管理體系階段

20世紀(jì)90 年代，美國(guó)最先提出“低影響開發(fā)理論”（Low Impact Development簡(jiǎn)稱LID），LID 本質(zhì)上是一種分散的、小型的雨水控制工程，例如通過(guò)修建透水路面、蓄水池或增加下滲措施等，控制地表徑流以防發(fā)生內(nèi)澇。 英國(guó)可持續(xù)排水系統(tǒng)（Sustainable Drainage Systems，簡(jiǎn)稱SUDS）也可應(yīng)用于排水過(guò)程，主要分析排水的水量和水質(zhì)。 澳大利亞水敏感城市設(shè)計(jì)及日本地下雨水存蓄系統(tǒng)也應(yīng)用較多。

對(duì)于城市內(nèi)澇排水系統(tǒng)中所包含的水力學(xué)細(xì)節(jié)問(wèn)題，例如明滿流，國(guó)外也有研究。 明滿流屬于氣液兩相的一種非恒定流，是存在輸水系統(tǒng)中的一種非常復(fù)雜的過(guò)渡水流流態(tài)。 早在1775年，法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯和拉格朗日就對(duì)明滿流有了初步的研究。 目前明滿流研究最為常用的數(shù)值模擬方法有：激波擬合方法、剛性水柱方法、激波捕捉法［7，8］；常用的計(jì)算方法有：有限元法、有限體積法、有限分析法、有限差分法和特征線法等。 明滿流、空蝕、消能、水錘現(xiàn)象等問(wèn)題多應(yīng)用于水利工程、大型水工建筑物等地， 應(yīng)用于城市內(nèi)澇排水系統(tǒng)相對(duì)還比較年輕，可深入研究。

5 城市內(nèi)澇水力學(xué)問(wèn)題防治對(duì)策

在過(guò)去的十年里， 許多國(guó)內(nèi)專家學(xué)者針對(duì)城市洪澇問(wèn)題提出了很多有效的治理措施。 提高排水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)海綿城市，采取雨洪利用和低影響開發(fā)技術(shù)，建立并運(yùn)用城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)，采取綜合措施治理內(nèi)澇。 加強(qiáng)城市內(nèi)澇防治管理的法規(guī)建設(shè)，建立多層交叉監(jiān)督管理體系，提升城市整體排澇能力。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)城市洪澇的治理已經(jīng)從簡(jiǎn)單的排水系統(tǒng)改造工程轉(zhuǎn)向生態(tài)化、 綠色化等城市改造項(xiàng)目。 夏軍院士［9］提出，我國(guó)海綿城市的實(shí)質(zhì)是現(xiàn)代城市雨洪管理和配套管網(wǎng)建設(shè)、 城市生態(tài)文明建設(shè)與綠色發(fā)展的系統(tǒng)建設(shè)， 它和美國(guó)推廣的最佳管理措施（BMPs）、低影響開發(fā)（LID），英國(guó)等歐洲國(guó)家倡導(dǎo)的可持續(xù)排水管理（SUDS），澳大利亞提出的水敏感城市設(shè)計(jì)（WSUD）、新加坡實(shí)施的ABC水源計(jì)劃等一脈相承，并且其所體現(xiàn)的城市綠色發(fā)展系統(tǒng)建設(shè)新理念與內(nèi)涵又符合中國(guó)城市建設(shè)需求與實(shí)際。

然而，在城市洪澇排水系統(tǒng)中，依然存在許多水力學(xué)問(wèn)題尚未得到解決。 例如空蝕問(wèn)題， 空蝕發(fā)生時(shí)，機(jī)械剝蝕和化學(xué)腐蝕同時(shí)響應(yīng)，會(huì)對(duì)管道造成材料破壞［10］；再則，空蝕發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲和震動(dòng)，對(duì)管道穩(wěn)定性有極大影響。 對(duì)于空蝕現(xiàn)象，可依靠排水泵房控制壓強(qiáng)有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，避免機(jī)泵在同一頻率下的流量的大幅增減， 保持水流溫度恒定，將在一定程度上減少汽蝕現(xiàn)象?；蛘咴诠艿酪装l(fā)生空蝕的部分，采用抗空蝕金屬涂層［11］，有效防治空蝕問(wèn)題。 我認(rèn)為簡(jiǎn)單的處理辦法是破壞空泡的汽化過(guò)程， 控制易發(fā)生汽化的局部管道的水流為有壓流，形成高壓，則破壞了空蝕形成的條件。

對(duì)于管道和河道排水流量的銜接問(wèn)題，管道排水一般設(shè)計(jì)流量為3～5年一遇暴雨， 河道排水設(shè)計(jì)流量一般為10～20年一遇暴雨。 隨著極端暴雨天氣增多，城市管道排水能力顯得越來(lái)越力不從心。 若遇上十幾年、幾十年一遇的暴雨，城市則完全淪為海城。 因此，要貫徹“滲、滯、蓄、用、排”五個(gè)方面，增加下滲、緩滯、蓄水、用水和排水。 提高管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是一定的，但我們也要考慮河道的排水能力。 防止河水排水能力不足，倒灌城市。 因此，排水管排水與河道排水最好的狀態(tài)是，排水管既能大量排水進(jìn)入河道，又不至于造成河水倒灌城市，那么排水管和河道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)存在一定聯(lián)系， 研究找出該關(guān)系，宏觀上就能解決該問(wèn)題。 微觀上，可采用接力泵站，是為提高河道過(guò)流能力人為設(shè)置的提水泵站，并且為防止泵排水量回流，必須設(shè)置節(jié)制閘［12］。 接力泵與節(jié)制閘配合運(yùn)用，一般較小暴雨時(shí)，仍開閘自流，只有在遭遇較大暴雨洪水時(shí)，才會(huì)關(guān)閘開泵，用泵排代替自流［13，14］。

排水管道在運(yùn)行過(guò)程中， 由于暴雨或洪水等原因， 導(dǎo)致管道內(nèi)出現(xiàn)無(wú)壓流向有壓流轉(zhuǎn)變的明滿流現(xiàn)象， 明滿交替流形成的脈動(dòng)壓力直接影響排水管道的穩(wěn)定安全［15］。對(duì)于明滿交替流動(dòng)，主要是消除明滿流發(fā)生的條件，避免明滿流交替過(guò)程中時(shí)而有壓，時(shí)而無(wú)壓對(duì)管道產(chǎn)生破壞作用［16］。在隧洞中，可將圓形隧洞改變成城門形隧洞， 城門形隧洞比圓形能更好的改善隧洞水流流態(tài)、降低脈動(dòng)壓力，使隧洞中明滿交替現(xiàn)象減弱。 還可以在進(jìn)水口前頂部設(shè)置消渦結(jié)構(gòu)，減少進(jìn)口吸氣旋渦，減小進(jìn)口水流擾動(dòng)，進(jìn)而使隧洞中明滿交替現(xiàn)象減弱。 對(duì)于鋼筋混凝土管道或鋼管，則可設(shè)置排水站，調(diào)節(jié)管內(nèi)流量，使管道內(nèi)一直為有壓流， 避免出現(xiàn)時(shí)而有壓、 時(shí)而無(wú)壓的現(xiàn)象。

排水管道中水的流速突然發(fā)生變化時(shí)， 會(huì)引起管道內(nèi)壓強(qiáng)急劇變化，這種變化叫水錘現(xiàn)象。水錘會(huì)破壞管道內(nèi)壁、水泵內(nèi)壁、或管道連接件等，所以，消除或減小水錘危害在工程設(shè)計(jì)中極為重要。 水錘有兩種類型：直接水錘和間接水錘［17-19］。 為了有效防治水錘，因此要盡量避免排水管道中流速突然變化：①盡量避免關(guān)閉排水通道閘門或緩慢關(guān)閉閘門；②在排水道與河道交界處， 排水道一定要高于河道洪水水位，以便消除或減小水錘沖擊，保障主排水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在城市排水管網(wǎng)中， 往往也會(huì)存在高落差，水流攜帶大量能量。 這種能量一直存在管道中是十分危險(xiǎn)的，因此，也要求我們對(duì)管道內(nèi)的水流進(jìn)行消能處理。 在水利工程中，我們常用消力墩、消力坎進(jìn)行消能。 但在排水管網(wǎng)中，由于大小、形態(tài)等各種限制，一般采用消能井消能。 在消能井排水管道內(nèi)設(shè)置消能格柵，可縮短有壓管道段長(zhǎng)度。 張羽等人設(shè)計(jì)了一種旋流式消能井，系統(tǒng)消能率可達(dá)80.2%［20］。認(rèn)為，可以設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)對(duì)沖式消能井，將水流分為兩股，通過(guò)消能井引導(dǎo)，分為從左、右兩邊向中間泄流而出，兩股水流對(duì)沖而消耗能量。 如此對(duì)沖肯定會(huì)產(chǎn)生大量泡沫，大面積泡沫會(huì)對(duì)河面海面環(huán)境造成不良影響，因此可設(shè)置柵格阻擋泡沫，并設(shè)置水井，抽出泡沫。

河水頂托也會(huì)給城市內(nèi)澇帶來(lái)極大負(fù)效應(yīng)。 經(jīng)過(guò)苗小波［21，22］實(shí)驗(yàn)研究得出，河水頂托帶給城市內(nèi)澇的負(fù)效應(yīng)是巨大的，且不容忽視的。為了更加準(zhǔn)確模擬城市內(nèi)澇的影響，可以使用工程和非工程措施，盡量解決河水頂托問(wèn)題， 至少不會(huì)對(duì)城市內(nèi)澇造成太大影響。工程措施方面：①排水管道出水口改為泵站形式，在出口設(shè)置閘站防止倒灌。由于原始出水口為自然出流，汛期容易發(fā)生洪水倒灌問(wèn)題。②增設(shè)蓄水池： 在城市設(shè)置調(diào)蓄湖等蓄水場(chǎng)地， 以緩解出水口排水壓力。③改造部分管道管徑和坡度，使排水系統(tǒng)滿足排水迅速、大流量、不沖刷的要求。 在非工程控制方面： 通過(guò)控制河道下游閘壩開啟高度實(shí)現(xiàn)河道水位的調(diào)控， 分析不同河道控制水位對(duì)排水管網(wǎng)系統(tǒng)的影響。首先要對(duì)河道加強(qiáng)管理，嚴(yán)禁排放和堆置建筑垃圾和棄土等固體廢棄物， 淤積泥沙要定期清排。河口擋潮閘和內(nèi)河渠道防洪閘壩要完善管理，避免海水和干流洪水倒灌入城， 同時(shí)利于城區(qū)雨污水排泄。其次是提高城市排澇工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，遇到大暴雨和漲潮時(shí)，可以開動(dòng)排澇泵站強(qiáng)力直排。最后是增加城市的滲透能力，保持過(guò)水通暢，并嚴(yán)格限制地下水開采， 避免地面沉降發(fā)生， 紊亂了排水管網(wǎng)系統(tǒng)。

在城市暴雨洪澇模擬方面， 由于城區(qū)河道與排水管網(wǎng)相連接， 排水入河會(huì)導(dǎo)致河道水位與流量改變，與此同時(shí)，河道水位和流量的變化又反向影響管網(wǎng)的排水能力， 因此需要將城市排水管網(wǎng)與內(nèi)部河道進(jìn)行耦合模擬［23］。 模擬時(shí)需考慮河道、斷面、閘壩水位、流量、流速等河道水流過(guò)受河道橫斷面形狀、河床和岸壁的地質(zhì)與粗糙程度、水流流態(tài)、含沙量、閘門的開啟情況， 大壩泄洪洞排水流量的等多種因素的影響。模型可導(dǎo)入水文監(jiān)測(cè)情況，應(yīng)用天氣預(yù)報(bào)的雨量數(shù)據(jù)和降雨信息，對(duì)城區(qū)內(nèi)澇進(jìn)行仿真模擬，使城市內(nèi)澇排水系統(tǒng)與河道流量、 氣象預(yù)報(bào)三體結(jié)合的模擬，為相關(guān)部門提供防澇減災(zāi)的依據(jù)和參考。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于城市內(nèi)澇中的主要水力學(xué)問(wèn)題， 不得不引起重視。城市內(nèi)澇發(fā)生有多方面因素，水力學(xué)問(wèn)題是其重要原因之一。 內(nèi)澇中的水力學(xué)問(wèn)題還有許多值得關(guān)注和思考。比如，眾多大壩的建立是否抬高了河水平面，進(jìn)而影響到河道的排水能力？這些水力學(xué)問(wèn)題在城市暴雨內(nèi)澇模擬中，影響因子又是多大？中國(guó)水系情況復(fù)雜，常出現(xiàn)“超載流”“回流”等現(xiàn)象，現(xiàn)有恒定流公式不能解決此類問(wèn)題。 如何建立一個(gè)符合中國(guó)水系情況的河道水流演進(jìn)模型， 對(duì)城市洪澇模擬以及洪水問(wèn)題都具有重要意義。

如今， 在預(yù)防方面， 可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)收集水文、水利、市政等方面的有效信息，考慮水力學(xué)影響因素，用Info Works ICM、SWMM和Mike等軟件，模擬出符合實(shí)際的城市暴雨洪澇模型， 可運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)際，為公眾提供詳盡、準(zhǔn)確的內(nèi)澇預(yù)警信息，也可讓公眾積極參與到城市洪澇保護(hù)和防治中來(lái)。 但更重要的是采取經(jīng)濟(jì)有效、綠色生態(tài)的措施，徹底解決內(nèi)澇水力學(xué)問(wèn)題，讓城市內(nèi)澇不再發(fā)生，這是我們未來(lái)努力的方向。