基金项目:国家自然科学基金(52009147)。
引用格式:柏平,刘业森,刘舒,等.极端大暴雨对昆明市城市洪涝防御的警示和思考[J].中国防汛抗旱,2021,31(9):25-29.
摘要:基于河南郑州市“2021.7.20”特大暴雨,将同等强度暴雨情景移植到云南昆明市,利用城市洪涝模型模拟计算昆明市区的洪涝情况。模拟结果显示,昆明市区主要河道均发生不同程度的漫堤情况,大部分城区发生0.15米以上深度的积水,积水点共821处,其中积水深度大于2.00米的89处,1.00~2.00米的195处;主要道路严重积水,部分主干道积水深度超过2.00米。郑州市“2021.7.20”特大暴雨远超过城市正常排水能力,洪涝灾害难以避免。根据模拟分析结果,结合洪涝工程现状,提出了以系统治理思路完善昆明市防洪排涝工程体系,突出“四预”(预报、预警、预演、预案),强化昆明市防汛应急响应体系建设,提升居民防灾意识和自救能力等超标准暴雨应对的警示和建议,相关分析和建议可为其他城市提供借鉴和参考。
关键词:“2021.7.20”郑州特大暴雨;洪涝模型;洪涝灾害;韧性城市;昆明市
单位:1.云南省昆明市防汛抗旱办公室;2.中国水利水电科学研究院;3.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心
作者:柏平1 刘业森2,3 刘舒2,3 李敏2,3
01
背景
随着城市化进程加快,人口资源持续向城市集中。目前,我国人口城镇化率已达63.9%,城镇常住人口高达9.02亿人,城市已经成为人民美好生活的主要承载地,城市在社会、经济发展中的地位越来越重要。人造地表大面积扩张所引发的环境效应日益突出,城市“雨岛”效应导致局部极端强降雨频发,极易在人口和资源密集的城市地区引发暴雨内涝灾害,造成重大损失。与此同时,全球气候变化以及台风登陆、副热带高压控制等天气现象,多次造成“黑天鹅”事件,如2021年7月初,副热带高压北移导致北美出现“千年难遇”热浪;同样是7月,欧洲遭受了有记录以来最大一次洪水侵袭,波及德国、法国、瑞士、比利时、荷兰和卢森堡等国家,多个国家的城镇出现了房屋倒塌、桥梁被毁、山体滑坡以及堤坝溃决,大量的居民被困,截至7月19日统计,有188人死亡,上千人失踪,数以万计的居民被疏散。2021年7月18日8时至21日8时,受202106号台风“烟花”外围影响,河南郑州市发生了历史罕见的持续特大暴雨过程,暴雨中心主要集中在郑州市区,郑州市最大小时降雨量201.9毫米,据中国气象局统计,此数据刷新了我国城市最大小时降雨量的纪录。
我国每年有超过百座城市发生内涝,2015-2018年,平均每年受淹或发生内涝城市的数量约占我国城市数量的1/5。我国还处于城镇化较快发展的时期,至2035年城镇化率达到70%以上之前,还有近1.5亿人口将进入城镇,较大规模的城镇建设仍将持续,我国的城市洪涝风险尚处于上升阶段。2021年4月,国务院办公厅印发《关于加强城市内涝治理的实施意见》,提出各阶段城市内涝治理目标。随着海绵城市建设、行洪河道疏浚、排水管网改造、易积水点治理等工程措施,以及城市洪涝模型、监测预警平台等非工程措施的实施,我国城市内涝治理取得积极进展。目前的各种措施,仅是应对设防标准内的暴雨,对于郑州“2021.7.20”特大暴雨,现有的工程和非工程措施无法应对,必然会影响城市基础设施正常运行,甚至导致整个城市运转瘫痪,造成人民生命财产重大损失。面对可能发生的超标准极端暴雨灾害,对其发生发展过程进行推演,提前制定预案及采取应急措施,可有效降低灾害损失。
本文基于郑州市“2021.7.20”特大暴雨特征,分析模拟了若昆明市发生同等强度降雨的城市洪涝灾害情况,根据分析结果提出了相应的建议措施。
02
超标准暴雨情景及洪涝过程分析
2.1 郑州市“2021.7.20”特大暴雨情况简介
受台风“烟花”外围影响,2021年7月17日8时至7月22日6时,郑州市平均面降雨量518.0毫米,相当于北京一年的降雨量。此次降雨最大1小时、3小时、6小时降雨量以及最大点降雨量都发生在郑州市,分别为201.9毫米、310.8毫米、389.7毫米和987.0毫米。据中国气象局统计,郑州市“2021.7.20”特大暴雨的最大小时雨强201.9毫米,超过了1975年8月上旬河南特大暴雨的最大雨强(198.5毫米每小时),以及北京“2012.7.21”特大暴雨的最大雨强(100.3毫米每小时),刷新了我国城市最大小时雨强的纪录。此次大暴雨无论是降雨量还是降雨强度都非常罕见,属于极端暴雨事件,远超过了城市的防洪承受能力。大暴雨造成地铁、地下通道等设施积水倒灌,道路、桥区隧道严重积水,车辆浸泡,人员伤亡和经济损失。
2.2 昆明市城市洪涝模型建设
昆明市城市洪涝模型建设平台为自主研发的水文水动力学模型构建平台,拟从降雨产流、地表坡面汇流、管网汇流、河道汇流、模型间物理机制耦合、防洪排涝工程调度等方面构建具有物理机制和概化处理相结合的昆明城区洪涝全过程模拟模型。
目前,已经初步完成地表降雨产汇流模型和河网汇流模型(包含水工程调度)及二者之间的耦合。地表降雨产汇流模型建模范围集中在主城区,面积约500平方千米。地表模型基于水文水动力学方法,以网格为地表产汇流最小计算单元,采用经验水文算法计算降雨产流过程,把降雨数据插值到每个网格计算净雨,再利用水动力学方法刻画地表坡面汇流过程。网格剖分基于高精度地形图和高分辨率影像图,并提取水系、堤防、道路、铁路等导水、阻水工程作为控制线,网格边长控制在20~50米,共生成了177万个不规则贴体网格。
河道一维水动力模型涵盖盘龙江、金汁河、明通河、枧槽河、大清河、东干渠、宝象河、新宝象河、老宝象河、新运粮河、老运粮河等流经主城区并注入滇池的38条主要河道,包括1438个计算断面、52座水闸、12座水塘和水库,建模河道总长356.1千米,可初步实现河道汇流和防洪排涝工程的调度计算。
针对管网排水,暂时采用基于排水分区的概化排水模式,针对各排水分区内地表网格,设置相应的排水能力,将地表积水概化排入河道。
2.3 超标准暴雨情景设置
模拟计算情景为:主城区最大雨强201.9毫米每小时,24小时累计降雨量594.0毫米,松华坝水库按城市安全泄量150立方米每秒控制下泄,滇池水位按照限制1 887.2米起调,各工程按照预案运行,各小时降雨分配情况如图1所示。
03
洪涝模拟结果及分析
利用已经初步建立的昆明城市洪涝模型模拟,结果如图2所示。从图2可以看出,基本淹没情况和直接用地形进行分析得到的淹没情况差别较大,这是由于洪涝模型考虑了汇流滞时、下游顶托等因素。模拟结果显示,昆明城区内大部分区域有0.15米以上的积水。经统计,流域内共有积水点 821处,其中积水深度大于2.00米的积水点89处,1.00~2.00米积水点195处,0.50~1.00米积水点218处, 0.50米以下积水点319处。主要道路严重积水,南绕城高速与星耀路交叉口、关锁下穿隧道、二环北路(金星立交段)、黎明路曙光小区段、云大西路(昆玉高速桥下段)、海源中路(滇缅大道至科医路段)等主干道积水深度超过2.00米。
经过主城区的主要入滇池河道均发生不同程度的漫堤,其中盘龙江干流自马溺河交汇口以下至玉带河交汇口发生严重漫堤,西边小河、新老运粮河、船房河、金汁河、明通河、大清河全线漫堤,宝象河(新)距离宝象河水库下游7千米处至河口发生漫堤,漫堤的主要河道如图3所示。
04
警示和思考
4.1 以系统治理的思路完善昆明市防洪排涝工程体系
(1)建立大排水系统。以洪涝防治工程设施建设为主,包括河道、水利设施(防洪堤、坝、闸等)、蓄洪区、排水渠道(隧道)、排水泵站、大型调蓄设施、行泄通道等基础设施建设。这些设施是洪涝防治的“主力军”,必须夯实基础,加大投入,完善短板,按高标准和高质量建设和维护,提高城市防洪防涝安全。根据2016年9月国务院批复的《昆明市城市总体规划(2011-2020)》,昆明中心城区的防洪标准为100年一遇,内涝防治标准为50年一遇,新建管渠设计重现期不低于5年,中心城区地下通道和下凹式广场等雨水管渠重现期不低于20年,需尽快排查、梳理并整治防洪排涝体系仍未达标的工程设施。
(2)渗蓄和截排相结合。郑州市的实际情况和昆明市的模拟分析结果都表明,即使在没有外来洪水影响的情况下,极端的本地降雨也会造成城市地表积涝排除不畅和防洪排涝河道的漫溢,因此,提出路面与河道同时行洪,拓展海绵城市的规划思路,在充分发挥小尺度的海绵措施解决中小雨的雨水资源利用和溢流污染控制作用的同时,仍需采用截排工程、疏通下泄通道,有可能的情况下增加大中尺度的蓄滞空间等流域治理手段进行综合治理。
(3)约束土地开发利用。以城市洪涝风险图为基础,规范和约束对洪涝风险地区的开发、利用和保护活动,提高社会的抗灾能力和减灾能力。建议国土规划部门依据城市洪涝风险图主导编制城市土地利用规划、区域开发利用和发展规划的空间规划。以城市规划为抓手调整不同风险等级区域的土地利用方式,将重要设施布置于低风险等级的区域内,将高风险等级区域规划为生态蓄滞区或限建区,避免土地的不合理开发利用。同时,注重土地利用开发过程中竖向标高管控,一方面防止人为制造洪涝风险隐患点,另一方面有利于维持原来自然地形的行泄通道。
4.2 突出“四预”,强化昆明市防汛应急响应体系建设
强化“四预”(预报、预警、预演、预案)措施,以超前的情报预报、精准的数字模拟、科学的调度指挥,坚决守住水旱灾害防御底线。
(1)提高预报精度。加强实时雨水情信息的监测报送和分析研判,利用以新一代天气雷达为主要手段的强降雨监测预报技术、水文气象耦合、大数据、人工智能等技术,努力提高预报精准度、延长预见期。
(2)完善预警发布机制。做好江河洪水、山洪灾害等的预警发布,水库、堤防一旦出现险情,及时向可能受影响的地区发布预警,提醒提前做好避险防范。依托昆明城市洪涝模型建设精准的城市内涝监测预报、预警与调度系统,实现内涝实时预警。
(3)做好洪涝预演工作。运用数字化、智慧化手段,根据雨水情预报情况,对水库、河道、蓄滞洪区蓄泄情况进行模拟预演,为工程调度提供科学决策支持,通过预演检验预案的可操作性与科学性。深化开展极端降雨事件在城区发生的预演分析,利用分析的结果细化提高超标准洪水应急预案的可操作性。
(4)切实发挥预案指导作用。细化完善江河洪水调度方案,编制流域、区域水工程联合调度方案,完善超标准洪水防御预案,提高指导性和可操作性。针对重点防洪区域制定防汛规划预案。重要地区或设施包括重要行政办公区、重要公共服务区、历史文化保护区、重要市政基础设施(如自来水厂、电厂、变电站等)、重要交通设施(如火车站、飞机场、交通换乘枢纽等)、重要道路积水路段(如下凹式立交桥)、危旧房屋、风险隐患高发区(如低洼地区)、地下空间(地下室、地下车库、地下商场、地铁口、地下市政设施、地下通道、地下人防工程等)、未出地面的在建工程、河道漫溢淹没区等。这些重要地区或设施设防标准要高于一般地区,要单独制定防洪防涝规划方案、预案及应急方案。
(5)强化应急联动,提高管理能力。应急管理涉及应急、气象、水务、交通、电力、通信等多个部门,应急联动、协同抢险救灾是一项复杂的系统工程,需要一个科学合理的城市内涝灾害应急联动与应急指挥机制。建议进一步研究昆明市洪涝应急联动机制和措施,加强资料、信息共享,提高各部门联动能力和响应速度,并及时向社会发布应急措施实施情况信息。
(6)重视灾后恢复与学习能力建设。在较大的洪涝灾害处置结束后要重视经验教训总结,及时进行应急管理绩效评估,明确应急管理问责机制。
4.3 提升居民防灾意识和自救能力
(1)大力推进防灾减灾知识和技能普及工作。大力宣传城市排水防涝常识,编制、出版符合昆明水旱灾害风险特点的防灾减灾知识读物、影视作品,充分发挥广播、电视、网络等媒体优势,推动防灾减灾知识和政策法规宣教深入人心。其次,积极开展防灾减灾文化宣传活动,充分发挥各类公共文化场所、重特大自然灾害遗址和有关纪念馆的教育、警示作用。开展形式多样的防灾减灾文化宣传活动,努力营造全民参与防灾减灾的文化氛围。
(2)加强法律和法规编制工作。适时建立和推广城市洪涝保险制度。通过社会化手段来分担灾害损失,利用市场经济杠杆来推动洪涝风险防治工作。
05
结语
2020年11月3日,新华社播发了党的十九届五中全会审议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》(以下简称《建议》),首次提出建设“韧性城市”。《建议》提出,“增强城市防洪排涝能力,建设海绵城市、韧性城市,提高城市治理水平,加强特大城市治理中的风险防控”。城市防洪防涝体系的韧性是指城市洪涝设防以及从洪涝灾害中恢复的能力。全球气候环境变化不可逆,极端气象事件趋于频发,很多从来没有发生过,原来不敢想象的小概率极端天气事件可能发生在任何城市,面对“更热、更旱、更涝”的气候趋势,提高城市防汛体系韧性,不仅要加强标准降雨防汛抢险工作,更需关注超标准暴雨下灾害规避、减轻与恢复。针对极端暴雨洪涝,要将防汛工程措施和非工程措施相结合,工程措施投入成本高,非工程措施投入相对低,如果配合得好,可以极大提升工程措施效益。非工程措施主要依赖于高效的应急响应体系与各部门的协调联动,也需要紧急动员全社会参与抢险救灾,保障基本城市生命线系统的运转。
昆明市的防汛工作应积极践行《建议》的指示,建立标准内降雨以结构性措施为主、超标准降雨以应急响应为主的思路,积极引导社会各界和公众牢固树立“韧性城市”的概念,理解灾害的不可避免性,加强防灾自救的教育,力争达到洪涝灾害时正常的生产生活能够持续、市民出行有序、因灾被困人数显著降低、城市防汛工作有序开展的目的。
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来源:《中国防汛抗旱》2021.9期
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