城市暴雨内涝形成机理及洪涝灾害防控技术研究

第八届水科学发展论坛城市暴雨内涝形成机理及洪涝灾害防控技术研究华南理工大学黄国如郑州大学.2014.4.19城市化水平提高及其水文效应195011.2%197817.9%199030.4%201151.3%202055.0%中国城市化率历年变化图[1][1]中国社科院,国际城市发展报告,2012[2]联合国城市研究机构,2005年世界各国城市化率排名,2005一、研究背景全球气候变化加剧强降水、洪涝极端事件的发生，直接威胁到我国的防洪安全强降水频次强度增加，暴雨日数增加10%。海平面上升（每年2.5mm)、台风和风暴潮机率及强度增大。洪涝频率和强度增加，尤以南方突出极端降水日数增加我国暴雨强度增加IPCC第四次和第五次报告全球气温继续增暖，近60年，我国地表平均升温幅度超过1℃。海口市2011年国庆广州市2010年6.7暴雨北京市2012年7.21暴雨济南市2007年7.18暴雨二、城市暴雨内涝形成机理长序列暴雨数据城市DEM数据内涝发生地点地下管网分布与排水能力数理统计与时间序列分析暴雨发生特征与规律内涝发生基本规律GIS空间分析技术暴雨发生空间规律暴雨与内涝发生空间相关大尺度气候变化（区域暴雨发生对大尺度水汽循环的响应）暴雨概率特征内涝发生条件概率内涝成因与发生机理城市化对汛期降雨特征的影响分析01503004506007509001977198219871992199720022007年份降雨量/mm济南城区多年汛期降雨量460.9528.9540.44505005501977-19851986-19951996-2007年份降雨量/mm济南城区三个阶段的汛期降雨量0300060009000120001500003000600090001200015000郊区降雨量(mm)城区降雨量(mm)城市化对汛期降雨量的影响0501001502002503003501956196019641968197219761980198419881992199620002004年份降雨量济南市年最大1日降雨量变化趋势0204060801001201401601802001956196019641968197219761980198419881992199620002004年份流量(m3/s)济南市年最大洪峰流量变化趋势最大2小时降雨量最大4小时降雨量最大4小时降雨量前期降雨量洪峰流量涨洪历时落洪历时19870826170.0205.0118.112310.7179.120070718147.5168.502055.5132城市化对洪水的影响从场次暴雨的降雨总量来看，1987年和2007年两场次暴雨相差无几，后者比前者大4.4mm；但从最大2小时和最大4小时降雨量来看，后者皆小于前者；从最大4小时之前的降雨量，后者也比前者少很多。但2007年的暴雨洪峰流量远远地大于1987年的暴雨，涨洪历时也短很多，反映出城市化后洪水洪峰流量增大的趋势非常明显，峰现时间提前的趋势也十分显著。（1）水文学方法：根据水量平衡原理，具有一定的物理意义，结构简单，效率高，无法给出特定位置水力特征要素。•蓄满产流•超渗产流•径流系数法产流•等流时线法•单位线法•水库法汇流•仅能提供计算单元出口流量过程输出三、城市暴雨内涝数值模拟数值模拟方法（2）水动力学方法：具有明确的物理意义，求解浅水方程，精度高；计算效率较低，基础资料要求高。水文学方法产流•地表：一、二维浅水方程•地下：动力波、运动波等汇流•流速•水位•流量输出（3）水文水动力学方法：地面产汇流采用水文学方法，地下管网采用水动力学方法；效率高于但精度不及水动力学方法产流•水文学方法汇流•地上：水文学方法•地下：水动力学方法输出•地上：仅各单元出口流量过程•地下：各计算单元流速，水深等城市雨洪管理模型SWMM基于水动力学方法的城市雨洪模型四、暴雨内涝预警预报系统开发（1）济南市城市暴雨洪水预警预报系统济南市子流域划分结果子流域不透水率分级处理结果子流域平均坡度分级处理结果排水系统信息提取及概化：1、确定排水节点空间位置及底部高程；2、提取排水管网、沟渠、河道以及路网的空间分布特征、长度、流向（坡度）、断面形状等属性数据。20070718次雨洪19：00排水节点淹没图20070718次雨洪19：00排水通道流速图预警结果模块用来提供各种降雨情况下，指定预警点处的淹没情况。结果以表格的形式显示，表格内容包括预警点名称、经纬度、所在区域、所属类型及最大淹没深度。雨洪分析模块可以动态地显示道路上各个节点的水深、流速、流量变化过程，统计受淹节点，确定易淹范围，使结果表达更为直观。民治街道位于深圳市龙华新区东南部，民治街道辖区总面积26km2，其中建成区面积13.56km2，地势东南高，中部及北部较低。民治街道所在地过去是典型的农村地区，有大量的农田、鱼塘，城市化过程中地表大面积硬化，水面率减小，导致片区径流量增大，汇流时间缩短。因排水管网等基础设施建设落后于城市化步伐，该区域经常发生洪涝灾害，造成严重的生命财产损失。（2）深圳市民治河流域城市内涝整治技术123456798将民治片区划分为2214个子汇水区，由ArcGIS计算几何工具计算各子汇水区面积，总面积：25.33km2;最大面积：1.65km2；（南部山林）最小面积：0.05ha；城区平均面积：0.68ha•不透水率：监督分类训练样本遥感影像设别土地利用类型模型参数优化研究区域内无水文站，因此缺乏流域出口实测流量数据，本模型主要根据民治片区内涝实地调查情况进行调参。片区内共有8个涝点，主要位于工业路与建设路交界、油联路与油松路交界、民治第一工业区、樟坑旧村、横岭旧村等。不同重现期暴雨雨模拟结果重现期（a）降雨量（mm）峰值流量（m3/s）最大溢流量(m3/s)最长溢流时间（min）1年一遇78.4996.4235.61792年一遇91.0399.8140.67935年一遇105.67102.6941.349610年一遇116.74105.2842.3910120年一遇127.81110.3943.89102油联路与油松路交界的泰明市场片区最先出现溢流，节点溢流峰值为0.4m3/s；民治大道与民旺路交界处、沙吓村前民治河出现溢流，溢流严重；涝点位置与实测涝点位置基本相符，总涝点达68个。20080613次降雨模拟结果该场暴雨管点溢流严重，总涝点达92个。2013.8.30涝点分布2008.6.13积水水深模拟结果民治大道积水水深分布图内涝积水水深计算及可视化1年一遇暴雨积水图2年一遇暴雨积水图5年一遇暴雨积水图10年一遇暴雨积水图20年一遇暴雨积水图工程措施整治河道改造地下管网增加排涝设施增加调蓄能力增加渗透能力城市内涝防治工程布局非工程措施城市内涝灾害风险评估研究城市内涝洪水风险图研究城市内涝预警预报与调度系统城市内涝洪水保险城市防洪减灾政策与法规建设建立城市排涝工程管理机制五、城市暴雨内涝防治技术改变排水规划设计理念，由以排为主改变为排蓄并重。吸取古代城市建设经验，把以人为本、人水和谐作为城市规划的重要原则。及时立法，对各类公共场所、开发区、小区的排水作出规定。制订政策鼓励个人、企业、单位的雨水调蓄和利用行为。加强城市雨水调蓄和利用的试点和研究。城市雨洪调蓄及利用未来城市的雨洪调蓄排水系统由管网、沟渠和排水泵站组成，提高排水标准不能彻底解决雨水汇流过程中造成的灾害。增大城市对雨洪的调蓄和利用能力，对市区运动场、绿地、花坛、路边绿化带进行改造，降低高程，使其具有蓄水、渗水和排水功能。由传统的点-线结构的排水系统扩展为点-线-平面-空间结构的排蓄结合的系统。修建大型地下河、深隧工程，蓄滞洪水绘制暴雨洪涝灾害风险图，进行风险管理。麓湖新河浦涌东濠涌泵站珠江东濠涌试验段北起东濠涌高架桥东风路以南，建设内容包括在30-40m地下新建直径5m的深层隧道排水管约1770m，直径3m的排水管道1390m以及排水泵站1座，工程总投资估算77252万元。东濠涌为老城区护城河之一，发源于白云山长腰岭之西，自北向南流动，于江湾大酒店东边注入珠江前航道，流域面积9.42km2，麓湖以下河长4.51km。利用公共场所蓄水增加地面渗透能力1、建立人工蓄洪池塘。在雨洪流量较大时储存一部分洪量，而流量下降时排出，以达到削减洪峰作用。2、设立等高绿地。在广场和住宅区周围沿等高线设置绿地，使雨水进入绿地后再排出，增加下渗量和降低汇流速度，减小地表径流，削减洪峰流量。3、采用透水铺面。可铺砌透水沥青公路，多孔混凝土广场，砖、砾石人行道和巷道，增加下渗量。排水综合治理措施4、利用屋顶蓄水滞水。采用屋顶蓄水池或屋顶花园；增大屋顶铺面糙率，如波状屋顶、砾石屋顶等，束狭落水管使屋顶雨水滞蓄。5、采用透水性排水管道。多孔的排水管道可以增加透水量，使排水流量降低。6、地下水回灌。利用枯井、深水井对雨水进行地下水回灌。降低土地开发对地表水循环（生态系统）的冲击和影响。通过分散的，小规模的源头控制机制和设计技术来达到对暴雨所产生的径流和污染的控制，使开发地区尽量接近于开发前的自然水文循环。美国、瑞典、新西兰、加拿大等国广泛采用。LID(低影响开发、低冲击开发)美国西雅图市社区改造(LID)－2011.7.25－2020/4/1753谢谢！