海口主城區內澇成因分析和治理措施
摘要：以海口市主城區為例，基于PCSWMM軟件構建一維、二維耦合內澇模型，根據多情景模擬結果，分析內澇災害特征及分類成因，并針對性地提出組合減災方案。結果表明，基于PCSWMM的內澇模型可提供支撐成因分析和防災決策的可靠信息。海口市主城區積水成因主要包括降雨量超標、潮位頂托、河道和管道排水能力不足以及地勢低洼和地形平坦。通過管道、河道改造結合增設蓄水池和排澇泵站的組合減災方案可以有效緩解區域內澇。
基于高精度的數值模擬模型進行城市內澇過程模擬和成因分析，是當前的主流思路。筆者基于PCSWMM軟件構建海口市主城區一維、二維耦合內澇模擬模型，獲得降雨和潮位組合情景下的主城區積水程度及內澇分布特征；在此基礎上，揭示內澇形成機制和關鍵影響因素，并從整體層面提出可行的整治方案，以期為海口市主城區的內澇防治提供科學可靠的決策支持。
01 研究區域概況
海口市地處低緯度熱帶北緣，屬于熱帶海洋氣候，全市多年平均降雨量為1827mm，其中5月—10月為雨季，降雨量占全年降雨量的78.1%；9月為降雨高峰期，平均降雨量為300.7mm，占全年的16.5%。海口市主城區位于海口市北部，瀕臨瓊州海峽，是海南省政治、經濟、科技、文化中心和最大的交通樞紐。受強降雨與風暴潮影響，海口市內澇呈突發、頻發和高危害的特征。
02 海口市主城區內澇模型構建
根據管網、檢查井與河道信息（來源于海口市水務局），以及下墊面利用信息和地形高程數據（遙感解析）等，構建海口市主城區一維、二維耦合內澇模擬模型。所構建模型共包含子匯水區139個、地表網格62920個、管段13122根、檢查井13073個、河道10條、排水口47處，其中在龍昆溝出海口等35處設置擋潮閘。擋潮閘運行方式：當閘上游水位高于閘下游潮水位時，開閘排水，反之關閘擋潮。
采用2014年威馬遜臺風期間海口市的降雨和潮位數據作為輸入邊界條件，以區域內各內澇點實測深度與模擬深度作為評判對象，對模型參數進行率定。實測與模擬結果的對比情況見圖1。實測積水深度范圍為20～80cm，模擬積水深度范圍為22～75cm，平均值分別為47.3、46.8cm，僅相差0.5cm。線性回歸決定系數（R2）、納什效率系數（NSE）以及相對誤差（Re）分別為0.80、0.796、0.9%，一般認為當R2>0.6、NSE>0.5、|Re|<20%時，模型的擬合精度即滿足要求。綜上可知，構建的內澇模型能較好地模擬海口市主城區的積水與排澇過程。
03 模擬研究及結果分析
利用所構建模型得出不同設計降雨耦合同頻率潮位情景下海口市主城區的內澇情況如下：當重現期分別為2、5、10、20、50 年時，積水面積分別為11.13、14.50、16.67、18.29、20.94km2，積水體積分別為227.90×104、348.68×104、419.68×104、491.22×104、620.21×104m3，平均積水深度分別為0.20、0.24、0.25、0.27、0.30m。50年一遇情景下的最大積水深度及其分布如圖2所示。
模擬結果表明，在2年一遇降雨情景下，研究區域的積水面積占總面積的12.7%；在50年一遇情景下，積水面積、積水體積、平均積水深度較2年一遇情景下分別增加了88%、172%、50%，積水體積的增加幅度明顯大于積水面積，表明積水產生后難以排出，內澇風險隨重現期的增加而顯著增加。海甸島及龍昆溝排水子系統內濱海大道、道客溝-龍昆溝、大同溝-大同分洪溝沿線區域為嚴重內澇區。海甸島與龍昆溝排水子系統是海口市主城區內澇災害高風險區域。
04 內澇成因分析
以內澇程度最嚴重的龍昆溝排水子系統為例，開展內澇成因分析。在50年一遇情景下，龍昆溝排水子系統的內澇分布如圖3所示。
4.1 區域積水與區域參數關聯性
采取Pearson相關性分析法，以子匯水區為單元，研究龍昆溝區域積水特征與區域參數之間的關聯性。區域參數共5個，其中積水面積占比是指最大積水時刻子匯水區內積水網格面積與子匯水區面積之比；積水體積是指最大積水時刻子匯水區內的積水量；平均積水深度是指最大積水時刻子匯水區內積水量與子匯水區面積之比；綜合積水程度是通過熵權法對積水面積占比、積水體積及積水時長求取權重后的歸一化加權值，其值越小，對應的積水程度越嚴重。關聯性結果如表1所示。可知，坡度與積水面積占比、綜合積水程度分別呈顯著相關、顯著弱相關關系；平均高程與積水面積占比、平均積水深度、綜合積水程度分別呈顯著強相關、顯著弱相關、顯著相關關系；積水情況與管道長度的相關關系較弱。因此，區域積水程度受平均高程與坡度的影響較大。
4.2 典型積水區域內澇成因分析
選取典型積水區域，按照雨水傳輸路徑分析積水區域的內澇成因。
4.2.1 降雨量超標和潮位頂托
相同潮位和不同降雨重現期組合情景下龍昆溝下游區域的內澇情況如表2所示。50年一遇重現期時下游積水面積與積水量較2年一遇分別增加了336%、654%。因此，降雨量超標是導致嚴重內澇的重要原因。
提取潮位頂托下龍昆溝、大同分洪溝出口排澇過程與大同溝水位，如圖4所示。可知，在08：45—11：30期間，受潮位頂托作用，河道排澇流量減小，出現間斷排澇或者無法排澇情況，導致水位快速上升，大同溝水位超過堤防高程（2.80m），造成漫溢，急劇降低了河道對后續來水的調蓄能力。
為研究潮峰與雨峰相對位置對排澇過程的影響，對比潮峰與雨峰時刻重合以及超前或滯后2h和4h共5種情景下龍昆溝排水子系統的總積水量，如圖5所示。可知，潮峰位置對排澇過程存在顯著影響，潮峰滯后雨峰時，將導致匯集澇水高峰與高潮位重疊，澇水無法自流排出，加劇內澇。最大影響對應的潮峰滯后時間與區域降雨產匯流過程和排水系統的排水特征均相關。
4.2.2 管道排水能力不足
濱河路某管道流量過程及管道周邊地表積水過程、管道與大同溝相交斷面水位過程見圖6（管道流量為負代表河道澇水倒灌進入管道）。可知，高潮位與強降雨時段，河道水位較高，管道流量較小甚至變為負值，而地表積水深度與河道水位變化趨勢一致。因此，當管道排水受河道頂托與倒灌影響時，區域內澇程度顯著增加。
龍昆南路沿線澇水漫溢嚴重，沿程最大流量如圖7所示。此段下游排水管道尺寸顯著減小且存在逆坡，使得澇水無法有效排出，中間段澇水匯入后反方向流向上游，產生沿程漫溢。
4.2.3 河道排水能力不足
大同溝周邊區域為內澇高風險區，其上游和下游斷面流量過程如圖8所示。可知，在降雨高峰時段，受河道排水能力制約，大同溝入口和出口斷面流量峰值相差26.9m3/s，導致澇水沿程漫溢至地表。道客溝下游段也存在相同問題。
4.2.4 地形地勢
地形地勢決定澇水擴散路徑，對內澇演變過程和分布格局具有重要影響。以下游區域子匯水區O2為例，其地形與內澇過程如圖9所示。可知，O2子匯水區地勢中間高、四周低。西南方向子匯水區地表積水到達圖中A點后順著高程低的龍昆北路與龍華路流入O2子匯水區，匯入量達62.06×104m3（未扣除O2子匯水區進入其他排水分區的澇水量），遠超管道漫溢水量。因此，地形平坦、地勢過低將加劇區域澇水匯入，加重內澇程度。
除O2子匯水區外，紅城湖西側子匯水區D13_2地勢明顯低于南部與西部相鄰區域，南部與西部澇水向地勢較低的北部和東部區域流動，導致大面積、長時間積水（見圖10），總積水量達16.6×104m3，中部地勢最低點積水深度達到1.7m。因此，區域如存在地勢較低情況，將極易形成嚴重內澇。
05 區域內澇治理方案
依據區域內澇成因，提出龍昆溝排水子系統整治方案，包括管道和河道改造及增設蓄水池和雨水泵站，具體見圖11。治理前后積水情況對比見圖12。
① 管網系統改造
具體措施：在濱河路、義龍東路、大同路等二級道路，改造管道76根、新建管道36根、設置管道拍門15個；在濱河路、華海路周邊各增設1座雨水泵站；在紅城湖管道沿線修建3處排水出口。
治理效果：下游管道改造所在子匯水區的積水面積與積水體積削減率分別為19.6%、33.0%；上游紅城湖管道沿線排水量較改造前增加111×104m3。
② 河道改造
具體措施：參考海口市藍線規劃，將大同分洪溝暗涵由8m拓寬為20m；大同溝部分斷面堤防高程提高至整體堤防高程即2.80m；道客溝下游段暗涵拓寬至10m。
治理效果：大同分洪溝最大排澇流量增加了33m3/s；道客溝排入龍昆溝的水量增加了20m3，上游D13_1子匯水區積水體積減少了30%。
③ 增設蓄水池
具體措施：在濱海新村附近、南大立交橋西南側、紅城湖與龍昆南路之間分別布設蓄水池。
治理效果：蓄水池周邊15個子匯水區的積水面積和積水體積分別減少了38.2%、62.2%；紅城湖周邊子匯水區的匯入水量減少了24.2%。
④ 增設排澇泵站
具體措施：在東西湖周邊、上游蓄水池3與道客溝之間分別布設排澇泵站，綜合考慮積水程度及成本，上、下游泵站規模分別設置為10、55m3/s。
治理效果：大同溝沿線及東西湖周邊7個子匯水區的積水面積和積水體積分別減少了47.6%、59.3%，蓄水池1和蓄水池3的規模分別降低了85.0%、29.1%。
模擬分析結果驗證了所提方案的有效性。方案如實施，龍昆溝排水子系統下游面狀積水程度將顯著降低，紅城湖周邊、道客溝-龍昆溝、大同溝-大同分洪溝沿線等內澇嚴重區域的積水深度及積水面積將明顯減少。據統計，積水面積和積水體積將分別減少30%和37%，內澇緩解效果顯著。
06 結論
① PCSWMM軟件滿足開展城市內澇精細化模擬分析研究的需求，在完善基礎資料的條件下，基于PCSWMM軟件的內澇模擬模型可提供支撐成因分析和防災決策的可靠信息。
② 受多方面因素影響，海口市主城區易發生內澇，且內澇程度隨降雨和潮位的提高而顯著增加。以下游區域為例，50年一遇情景的積水面積與積水量較2年一遇分別增加了336%、654%。應結合城市定位和發展，確定合理的內澇防治標準。
③ 海口市主城區的內澇成因包括：降雨量超標和潮位頂托、河道和管道排水能力不足、地勢低洼及地形平坦等。內澇高風險區域分布在海甸島及龍昆溝排水子系統內的濱海大道、道客溝-龍昆溝、大同溝-大同分洪溝沿線。區域間因河渠和道路連接而緊密聯系，應從整體考慮制定防災策略和方案才能達到預期效果。
④ 龍昆溝排水子系統分析結果表明，管道和河道改造結合增設排澇泵站和蓄水池的組合減災方案是沿海城市防災的優選，但應合理確定各類措施的布設位置和規模，同時還需考慮區域間澇水聯系來制定精細化調控方案，以達到最佳防災效果。
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