深圳市的城市化及城市洪涝灾害.pdf

深圳市的城市化及城市洪涝灾害仇劲卫 陈 浩 刘树坤( 中国水利水电科学研究院, 北京 100038)摘 要城市洪涝灾害是我国自然灾害中影响最严重的灾害之一, 城市化作为我国经济发展的结果, 使城市洪涝灾害损失日趋严重 本文针对我国城市化发展现状及趋势,在已有城市洪涝灾害研究成果的基础上, 将城市水文学的概念应用于水力学模型之中, 通过对深圳市洪涝灾害的数值模拟, 初步探明了城市化对洪涝灾害的影响主题词: 城市洪涝灾害 城市化 仿真模型 深圳市 中国图书分类号: T V1221 前言仇劲卫: 27岁, 工程师 陈浩: 29岁, 工程师, 中国水科院灾害研究室副主任 收稿日期: 1997-09-24城市化是社会经济发展的结果 发达国家城市化程度高, 城区面积可达集水区面积的80%～90% 如以此为指标, 我国城市化水平只有28%, 距发展中国家的40% 还有很大差距 随着经 济的发展, 我国的城市化速度也越来越快, 带来了许多负效应, 其中城市洪涝灾害的加剧就是突出的问题 加强城市化及其诱发的城市洪涝灾害的研究成为城市防洪减灾的重要任务深圳市是我国最早的经济特区, 是我国发展速度最快的现代化城市之一。

但是, 大规模的 建设与开发改变了地表产汇流特征, 加之水土流失造成河道淤积, 导致1993年、 1994年连续发生4次水灾 据估计, 累计损失可达十多亿人民币 本文利用城市洪涝灾害仿真模型, 模拟了深圳市在今后不同城市化条件下的洪涝灾害, 分析了城市化对洪涝灾害的影响2 城市化和城市洪涝灾害的基本特点城市化与城市洪涝灾害是城市发展不可回避的问题, 分析城市洪涝灾害的成因及其与城市化的关系是研究的首要问题城市化可广义地定义为城市扩展的影响过程 具体地说, 就是人口和资产向城市集中和城 市规模扩大的过程 大量人口流入城市, 城市规模不断扩大, 城市资产急剧膨胀, 城市功能越来越复杂 目前, 城市的发展程度已成为地区和国家经济发展的重要标志 我国幅员辽阔, 地形复杂, 气候变幅大, 气象灾害频繁, 年降水量的时间和空间分布严重不均, 使旱灾、 洪涝灾害等多种气象灾害往往同时出现[ 1] 我国城市洪涝灾害的主要成因可归纳为以下几点: ¹ 地理位置和 自然条件; º 城市防洪排涝标准偏低; » 城市防洪排涝规划和建设落后; ¼城市防洪排涝管理制度与体制不健全; ½ 城市防洪资金投入及科学管理不足; ¾城市化的影响。

其中城市化可造成城市气候改变, 城市降雨量和降雨强度增大, 雨时延长, 城市地物、 地貌、 地下水资源分布改·67·7卷2期 1998年5月 自 然 灾 害 学 报 JOURNAL OF NAT URAL DISASTERS Vol. 7, No. 2 May 1998变, 导致市区产汇流过程及城市防洪排涝系统适应能力的变化, 使城市发生洪涝灾害的几率增 加 城市化也导致洪涝灾害损失增大, 特别是与生命线系统关联的间接经济损失比重加大, 城市经济类型的多元化及资产的高密集性使城市的综合承灾能力变弱, 经济损失加重[ 2]不同学科采用不同的特征来描述城市化产生的影响, 城市面积的扩大是对城市洪涝灾害最显著的影响因子 因此, 本文将城市化程度描述为城市面积占城市所在集雨面积的百分比3 国内外城市洪涝灾害研究现状和趋势由于城市化问题越来越严重, 许多国家都先后开展了城市灾害对策研究 60年代中期, 日本开发了包括城市化模型、 城市水文学与水力学模型、 水灾损失模型等水灾分析模型, 使水灾研究成为科学决策的有力工具 70年代, 日本开始实行“ 城市综合治水对策” , 开始从水灾害预防、 水环境保护等几个方面综合治水, 取得了明显效果[ 3]。

英国在城市水文学研究方面取得了很大进展, 1974年提出了沃林福特程序的系列设计方法, 并在1976年编制了蓄洪调节池设计手册[ 4] 美国是高度城市化的国家, 也是受洪涝灾害影响较大的国家之一, 50～70年代, 开始建造雨水贮留设施以应付因城市化而增大的暴雨径流, 取得了明显的效果[ 5] 在理论研究上, 美国在自然灾害管理模式、 灾害风险分析与评价、 社会问题和公共政策对减灾的影响研究方面, 取得了很有价值的成果 随着“ 国际减灾十年” 活动的开展, 我国在自然灾害特别是洪涝灾害及其对策研究中取得了可喜的成绩 我国各流域管理机构相继开展了流域范围的洪涝灾害成因与规律、 减灾措施等多方面的研究 对于城市洪涝灾害的研究, 部分城市的水利研究和管理部门也已着手进行, 如深圳市的城市规划工程, 就将城市防洪( 潮) 规划作为其重要内容 在灾害理论研究方面, 我国的灾害研究工作者在多种灾害研究的基础上, 正探讨建立自然灾害综合防御系统工程 但对于 城市化及其对洪涝灾害影响方面的研究, 至今还没有系统的论述 本文针对城市化的特征及对洪涝灾害的影响进行模拟和分析, 可作为判断城市化对洪涝灾害影响的有效方法。

4 深圳市城市化及洪涝灾害仿真模拟4. 1 模型要解决的问题城市洪涝灾害仿真模型以城市洪水、 暴雨、 暴潮及内涝为研究对象, 对洪涝灾害过程进行动态模拟, 能反映城市化( 城市面积扩大、 市区建筑密度增加等) 对洪涝灾害的影响4. 2 模型原有基础与改进 4. 2. 1 模型的原有基础概述1984年, 刘树坤教授在国内首次将规则网格的二维非恒定流数学模型应用于城市洪涝灾害模拟 该模型利用有限差分法, 将城市内河道与街区划分为不同的计算网格分别考虑, 利用规则网格计算方向上的确定性, 将流量定义在网格的边界上, 将水位定义在网格的形心上, 水深与流量的计算在时间和空间上呈交错分布 该模型应用于沈阳、 广州、 海口等城市的洪涝灾 害模拟, 计算结果用于绘制城市洪涝风险图和城市防洪规划, 收到了很好的效果 本文开发和应用的城市洪涝灾害仿真模型对原有模型进行了改进, 使模型更加精确和便于应用·68·自 然 灾 害 学 报 7卷4. 2. 2 模型的改进与提高 ( 1) 城市水文学的应用城市水文学是研究受城市化影响的城市水文过程 英国水文学家 Carter 于1961年提出了一种确定城市水文学中产流系数的方法, 即认为日益增加的城市不透水面积与排水系统扩大造成的影响可以分开考虑, 其中不透水面积的影响可以借助于不透水系数来表征。

参考 Carter方法, 本文在模型中考虑了地表径流的产生以及它对城市洪水的影响 原有模型产流系数采用单一系数法, 即将每小时的降雨量乘以固定系数为该时段内的产流量 随着城市的发展, 城市水文条件发生了巨大变化, 产流系数也随之改变 本文将产汇流的计算方法进行了如下修改: ¹ 将产流系数按空间地表的不同情况线性内插: 设产流系数在基本不透水区域为0. 9, 天然植被集水区域为0. 5, 其余部分按不透水面积比例线性内插 º 考虑城市不透水面积与建筑面积的关系: 模型中建筑密度网格内房屋面积的百分比, 对城市而言, 不透水区域还包括街道、 广场等非建筑物区域 本文将建筑密度百分比乘以 A系数, 得到不透水 率 深圳市区的建筑物密度并不很大, 道路却十分密集, 因此, 考虑到深圳市的不透水面积比建筑物面积增加幅度大, A系数采用1. 5 2) 模型边界条件的处理本文考虑了城市的特殊边界条件, 包括: 城市建筑物, 城市上游水库或湖泊的控制闸门, 城市河网防潮闸门、 防潮泵站, 城市中尺度很小的排水明渠, 城市道路等阻水建筑物 此外, 参照 已有经验, 对网格赋予不同的糙率系数4. 2. 3 模型的基本方程二维非恒定流基本方程如下:连续方程5H 5t+5M 5 x+5N 5y= q( 1)动量方程5 M 5t+5( uM) 5x+5 ( vM) 5y+ gH5 Z 5x+ gn2uu2+ v2H1/ 3= 0( 2)5 N 5t+5( uN ) 5x+5( vN) 5y+ gH5Z 5 y+ gn2vu2+ v2 H1/ 3= 0( 3)式中: H 为水深; Z 为水位; q 为源汇项, 模型中代表有效降雨强度; M, N 分别为 x, y 方向的单宽流量; u, v 分别为流速在 x, y 方向的分量; n 为糙率系数; g 为重力加速度。

一维非恒定流基本方程如下:5Q 5t+5 5lQ2 A+ gA5H 5 t= - gA Sl( 4)式中: Q 为流量; A 为计算断面的过水面积; Sl为摩阻坡降[ 6]产汇流计算基本公式为CIM = 0. 5 + ( 0. 9 - 0. 5) × A XY( 5) 式中: CIM 为产汇流系数, AXY 为不透水面积百分比4. 3 深圳市城市化与洪涝灾害 4. 3. 1 模型的计算范围及验证结果深圳市位于珠江口东, 南与香港相邻, 北接东莞、 惠州两市, 东临大亚湾、 大鹏湾, 全市总面·69·2期 仇劲卫等: 深圳市的城市化及城市洪涝灾害图1 深圳市洪涝灾害仿真模型计算网格图计算范围包括: 罗湖区、 福田区、 布吉镇、 香港 新界; 计算主要河流包括: 深圳河、 布吉河、 沙湾河、 福田水、 莲塘水、 皇岗水、 笔架山水、 上水河积2020 km2, 其中特区面积325. 7 km2 深圳市所在深圳河流域包括深圳河主干及布吉河、 沙湾河等支流及香港新界汇入深圳河的支流 模型包括了以上各支流及产流区域, 同时考虑了深圳湾的潮汐作用 模型采用500 m×500 m 的规则网格, 全部模拟范围321. 25km2, 共分1285个网格( 图1) 。

模型验证了深圳市1993年9月26日的洪涝灾害, 证明深圳市洪涝灾害仿真模型的计算方法和精度是可靠的, 可用来研究深圳市城市化前后的洪涝灾害情况 4. 3. 2 深圳市城市化对洪涝灾害影响的模拟分析( 1) 模型的边界条件将布吉站百年一遇降雨过程( 图2) 与深圳河河口处平均高潮过程( 图3) 组合, 作为深圳市洪涝灾害模 拟的边界条件 2) 计算方案及结果分析图2 深圳市百年一遇降雨过程图图3 深圳河口潮位过程线用深圳市洪涝灾害仿真模型计算了六个方案 方案1: 设现有市区( 洪湖滞洪区至深圳河、福田区皇岗路至沙湾河) 面积约38. 0 km2不变, 网格不透水率由平均45%增至90% 方案2: 深圳市布吉河上游的布吉镇由现有城市面积6. 0 km2增至14. 5 km2, 以城区面积所占比例为标志的城市化水平由现有的21%增至25%( 深圳河流域面积约208. 75 km2) 方案3: 城区向西扩大至福田区全部范围, 西至香蜜湖, 北至北环路, 东与皇岗路相接, 南临深圳河, 扩大面积近27. 25km2, 设其网格不透水率达到50% , 全市面积达到65. 25 km2, 城市化达到34% 。

方案4: 将方案1～3各城市化情况相迭加, 城市面积共计79. 75 km2, 城市化达到38% 方案5: 将香港新界与深圳河交界一带建筑密度由0增至平均52%, 设计城市面积13. 0 km2 方案6: 前述方案中城市化水平最大值仅为38%, 小于目前发达国家大型城市近80% 的城市化水平 本方案设深圳水库南莲塘至沙头角、 布吉镇东部至深圳水库约51. 25 km2的面积城市化, 建筑密度为35%, 使深圳市城市面积达到126. 0 km2, 城市化达61%( 不包括香港新界) 六个计算方案的结果分别如下: 方案1: 市区浸水水深比现状城市下有大幅度增加, 增值幅度在0. 1～0. 5 m 之间, 增值较大的是布吉河下游、 深圳河沿岸及深南路两侧, 如西丽大厦水深值0. 488 m, 净增0. 301 m; 红岭大厦水深值0. 852 m, 净增0. 281 m; 人民体育场0. 705 m, 净增0. 263 m; 罗湖医院水深值1.·70·自 然 灾 害 学 报 。