近年來,極端天氣造成的內澇災害日漸成為社會關注的熱點,相應各地的排水系統提標建設不斷提速。然而針對超標降雨,一方面無法超標提標,另一方面,超標降雨事件發生概率低與設施平日效益難以發揮的矛盾也難以解決,因此平急兩用成為一種較為合理的技術手段。然而，針對平急兩用設施建設的工程標準,發揮效益的針對對象,啟用恢復的方式等相關研究較少,影響了平急兩用設施的規劃與建設。選取上海中心城區Z排水系統，探索采用“六步法”解決極端暴雨下平急設施的規劃問題，通過積水風險疊加重點對象，按照高風險對象200m范圍規劃平急兩用設施，可降低重點對象在極端事件的內澇風險，研究可為平急兩用設施規劃的編制提供一定參考。
一、事前提升韌性的六步法
平急兩用設施的建設不是目的,目的其實是提升區域應對暴雨事件的能力,在明確標準和保護對象后,提升區域韌性的方法可以總結為六個步驟。即按照“確定風險區域”“識別重要設施”“提升自身韌性”“挖掘平急空間”“分析啟用條件”“指導應急作戰”六步,提升區域應對極端暴雨的能力。
(1)第一步:確定風險區域。基于高分辨率數字高程模型及排水設施數據,在100年一遇(98mm/h)工況下,以積水深度為主要評價指標,判斷區域積水情況,并根據歷史積水情況進行校核。因為涉及建筑的積水深度,數字高程模型的精度對結果的影響較大。關于DEM的精度,劉天雪等研究了DEM分辨率對淹沒模擬影響,設置5種DEM分辨率方案(30、20、15、10、5m),認為DEM分辨率越高,模擬精度越高,但模型運行時間越長,模型運行效率越低。不過通常排水系統級別的模擬范圍一般遠小于流域范圍,特別對于靜態的風險評估,計算速度不是主要的考慮因素,可以認為DEM精度不宜低于5m。實際模擬一般采用區域地形圖反向生成DEM(根據《城鎮內澇防治系統數學模型構建和應用規程》(CECS647-2019),精細模型地面高程數據的測圖比例尺不宜小于1∶500),其空間分辨率較高,此外近年來也有采用基于無人機傾斜攝影測量技術生成下墊面所需數據驅動排水模型的案例。
(2)第二步:識別重要設施。將研究區域內對象按照重要性及在極端暴雨中的角色劃分為四個重要等級。Ⅰ級:不能淹,淹沒后造成重大生命、財產損失或嚴重影響城市運行的,即上文闡述的生命線工程及不能淹建筑。Ⅱ級:需要通過改造,減少極端工況受淹沒造成的損失的。例如,居民住宅地下室等。Ⅲ級:應急可淹,極端情況下可主動選擇性淹沒,為周圍待保護對象提供應急調蓄空間的。例如,符合耐淹標準的新建或改造后的地下空間、地下隧道、平急兩用公共空間等。Ⅳ級:可淹。例如,綠地、運動場、單條車道、待開發空地等。隨后,可根據區域GIS中的POI數據,通過與積水圖層的疊置分析,快速識別積水區域內需保護的重要設施信息。
(3)第三步:提升自身韌性。針對積水深度大的Ⅰ級、Ⅱ級對象,根據其特點,提出這些被保護對象自身韌性提升的策略,例如增加防洪擋板、提升關鍵電氣通訊設備標高、架空線入地、安裝分段開關控制饋線等。“自救”一定優于“他救”,國外已有專門針對此自身韌性提升的研究,較為詳細的是2013年美國紐約政府編制的《AStronger,MoreResilientNEWYORK》。2012年9月桑迪颶風襲擊美國紐約,造成43人死亡、6500名病人從醫院和療養院撤離、近9萬棟建筑被淹沒、110萬兒童一周無法上學、近200萬人斷電,經濟損失90億美元。2013年紐約政府在總結桑迪慘痛經驗的基礎上編制了此規劃,雖然這次災難的主因是風暴潮,但對于不同板塊的重要設施如何提升關鍵設施的韌性仍有較高的參考價值。《AStronger,MoreResilientNEWYORK》按照建筑、能源網、交通系統、公園、電信網絡、醫療系統以及水和食品供應等劃分八個板塊,每個板塊通過現狀情況、受災情況、未來情景和未來措施四小節闡述。例如為了減少極端天氣下“同情停電”的發生率,紐約將采取安裝分段開關(以允許對饋線關閉和隔離進行更精確的控制)的方式減少受關閉影響的客戶數量。愛迪生聯合公司的估計表明,在全市范圍內的架空環路和放射狀系統上可以安裝650個或更多的自動重合閘或開關,將受樹枝損壞架空線路等問題影響的客戶數量減少50%。此外,還需要評估每個變電站在系統可靠性、其服務的客戶數量和關鍵性,以及其故障的預計經濟影響,以紐約市為例,20%的輸電變電站承擔了80%的年度預期客戶損失,可以首先增強20%輸電變電站的防洪韌性。
(4)第四步:挖掘平急空間。針對高、中風險區的Ⅲ級、Ⅳ級對象,以“平急兩用”為原則,在“安全、適用、經濟、節約”的前提下,深度挖掘應急空間,根據技術經濟比較結果,確定區域新建或改造應急空間的順序,并對應急空間的使用對區域極端暴雨風險的改善程度進行效果評估(2023年9月,上海市水務局組織編制了《上海市平急兩用雨水調蓄設施規劃設計導則》,供各單位在相關工程設計中參考)。此處的平急兩用空間,不僅僅考慮通過高程的改造(城區高程改造相對復雜),也可以采用增設移動安裝的擋水設施(可采用密封防水膜、擋水板、高強度玻璃墻等),快速搭建生成“調蓄池”,后采用泵車泵送的方式將重要設施的積水轉移至臨時搭建的“調蓄池”,這樣可以避免埋設管道以及解決重力自流標高上的矛盾。但是,如采用泵車泵送的輸送方式,其輸送距離就將受到限制,一般不超過200m范圍(根據防汛搶險車可攜帶軟管的長度)。
(5)第五步:分析啟用條件。平急兩用設施與蓄滯洪區和商業洪水保險的特征具有顯著的差別。蓄滯洪區的啟用采用行政命令的手段,是相應的人民政府、防汛指揮部下達啟用命令,由蓄滯洪區所在地人民政府負責組織實施。特點是主動選擇淹沒,政府托底賠償。而洪水保險是洪水風險管理的重要手段,把不確定的和巨額的災害損失風險轉化為確定性的和小量的開支,其特點是被動淹沒,按標準保險公司進行賠償。平急結合設施的特點,使得其使用需要結合兩者的特點,更加復雜,是否能實現“主動被淹+保險公司賠付”的模式,本文也進行了初步的探索。與蓄滯洪區相比,平急結合設施補償對象相對明確、補償范圍比較清晰,補償目錄也相對簡單,主要是補償費用出處的問題。在種類上,排除海嘯等無規律性巨災后,我國目前的巨災保險主要分為政策性農業巨災保險、地震保險與洪水保險(與內澇不同),在城市內澇中的作用非常有限,賠付水平低、保障范圍窄。2020年4月,上海保交所上線了中國城鄉居民住宅洪水巨災保險產品,該產品的保障對象為城鄉居民住宅、門窗屋頂等室內附屬設施以及家庭室內財產,在發生洪水災害(在各省范圍內由省級防汛抗旱指揮部啟動防汛Ⅳ級或以上應急響應時的山洪暴發、江河泛濫、城市內澇、潮水上岸或倒灌等)及其引發的次生災害時,造成一定損失的,可以獲得賠償。但很顯然,國內現行的保險基本不適用于平急結合設施,因為保險承保的對象是居民住宅,而住宅基本不會考慮作為平急兩用的設施,其次平急結合設施如屬于政府有關部門征用,也不在保險標中。鑒于商業保險暫未覆蓋此類設施,其保險產品的出臺還有很長的道路,平急結合設施主動啟用目前最可能的模式是參照蓄滯洪區的管理、啟用和恢復,采用行政命令+財政出資的模式。
(6)第六步:指導應急作戰。形成各區域(系統)韌性提升“一張圖”,標明風險區域、重點對象、應急空間位置、應急調蓄規模、搭建時間、使用恢復費用等信息。并將“一張圖”融入智慧防汛系統,助力極端暴雨防汛應急作戰。
二、Z排水系統
Z排水系統位于上海市中部,是上海市區內泄水范圍最大的排水系統,總匯水面積約為7.38km2,現狀雨水設計標準為1年一遇,綜合徑流系數0.67,規劃范圍內雨水排水系統達到5年一遇排水能力,100年一遇內澇可控。Z排水系統所處地理位置十分重要,包括眾多駐滬使領館等敏感地區、商圈、高級商務樓和住宅區等。Z排水系統的地勢特點為北低南高,北部存在多處地勢低洼點;同時由于系統面積大、匯流時間長、部分總管沒有建成,其北部管網末梢的排水能力明顯不足、抗風險能力較低。由于上述不利的排水條件和較低的地面標高,該地區容易出現暴雨積水。
建立Z系統(含周邊五個排水系統,系統間存在管道連接)的ICM模型,包含7724個節點、8061根管道,二維計算網格約32萬個,并模擬百年一遇降雨強度(98mm/h)下,區域的積水情況(規劃5年一遇的工況作為對比)。可以看出100年一遇工況下最大積水深度、積水面積、積水時間等關鍵評判指標幾乎都為5年一遇的2倍。根據GIS中的POI數據,通過疊置分析,可以快速的識別積水區域內需保護的重要設施情況,統計區域內的重要設施數量并按照積水深度進行分類如表2所示。
根據《民用建筑設計統一標準》(GB503522019),民用建筑場地設計標高一般高出道路20cm,一層建筑踏步距離地面不宜超過15cm,加上路緣石15~20cm的高度,基本上高于道路最低處40cm以上。因此積水深度超過40cm時一層建筑有進水風險,需要對其提出相應的應急措施預案。進一步在49處敏感設施中,選取積水深度超過0.4m的受淹設施共計5處,列為高風險對象。
按照生命線工程與不能淹設施附近是否存在平急兩用空間,進行韌性提升策略的分類。如果存在滯蓄空間或安裝圍擋(調蓄深度0.5~1.5m)的空間,可形成臨時雨水調蓄空間,極端事件中可將來不及排放的雨水向就近臨時調蓄設施抽排。如果難以尋找臨時空間,則需要采取硬隔離措施提升自身韌性,保證暴雨預警前完成淹水深度標高的擋水防汛設施安裝。
根據對系統的踏勘調研,前期已初步篩選出25處地上設施(湖泊1處、公園綠地5處、廣場1處、操場15處、體育場3處)和87處地下設施作為平急兩用的可改造點位。針對5處高風險重要對象,在200m范圍,尋找系統內可用于平急兩用雨水調蓄的公共設施。高風險對象周邊調蓄空間的滿足程度及擬建議措施見表3。
表3 高風險對象周邊調蓄空間的滿足程度及擬建議措施
三、結語
針對上海中心城應對極端暴雨天氣下平急兩用設施應對標準,針對對象等方面做了初步探索,并以Z系統為例進行了案例闡述,區域49個重點對象中,有5個風險較高,可結合周邊平急兩用設施的建設降低風險。然而在城市建設和管理中樹立平急兩用、平急轉換的觀念,積極新建、利用或改造公共設施,提升城市應對極端天氣的能力是一個逐步探索的過程,本研究還存在一些不足,例如區域重點對象資料方面,燃氣增壓站、關鍵變電站等數據由于保密的原因很難獲取,影響了重要對象識別的全面性;在局部強對流天氣下,預警時間很短,迅速搭建臨時調蓄場地可行性較低;區域移動泵車的數量和規模同樣會限制方案的可操作性;一些結合標高控制的平急兩用設施,如下沉式籃球場等,使用后清理恢復的責任單位和費用出處不明確條件下,規劃方案難落地等。因此,平急兩用設施在建設標準、針對對象、啟用方式、后續維護等方面還需要更多的研究來支撐。(作者：李鵬程 龔曉露 譚瓊)
