海島地區(qū)小流域暴雨洪澇災害模擬研究

賀露露, 陳偉毅, 劉俊萍, 韓 偉, 宋 亮, 林常春

(1.浙江工業(yè)大學 土木工程學院, 浙江 杭州 310014; 2.浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院, 浙江 杭州 310012)

隨著全球氣候的變化以及我國城市化的快速發(fā)展，我國城市在洪澇災害方面發(fā)生的頻率、強度以及由此造成的國民經(jīng)濟損失不斷增加[1-2]。目前，我國有防洪任務(wù)的城市中，約有4/5都位于江河支流或其他中小河流上。在防洪建設(shè)方面，相對于大江大河流域較為完整的防洪規(guī)劃建設(shè)，中小流域較為薄弱，較為常遇的洪水就可造成較為嚴重的洪澇災害[3-4]。為了提高中小流域地區(qū)應(yīng)對洪澇災害的能力，減少其給社會和人民帶來的危害，國內(nèi)學者相繼通過多種方法進行了研究，并取得了良好的社會及經(jīng)濟效益[5-8]。從現(xiàn)有研究來看，研究對象主要為內(nèi)陸中小流域[9]，對于獨立的海島小流域研究較少。與內(nèi)陸中小流域相比，海島流域相對孤立，其災害類型較內(nèi)陸地區(qū)在空間、時間以及承災體等方面有較明顯的差異。海島地區(qū)流域面積小，河流大多是直流入海，入?？诘貐^(qū)地勢相對平坦，經(jīng)濟發(fā)達，人口稠密，一旦發(fā)生洪澇災害，損失巨大。海島小流域降雨易受季節(jié)及臺風影響。暴雨期間，蒸發(fā)下滲等損失較小，由于河床縱比降大，源短流急，匯流時間短，流域調(diào)蓄能力差，洪水暴漲暴落，洪枯變化懸殊，加之受潮水影響，河道水位受外海潮位頂托較為明顯，當暴雨恰逢天文大潮時，極易發(fā)生洪澇災害。為探究降雨與潮位組合作用對海島小流域洪澇災害的影響，本研究選取舟山市朱家尖島為研究對象，利用MIKE系列模型的MIKE FLOOD雨洪模型，根據(jù)設(shè)計暴雨及設(shè)計潮位和校核潮位資料，通過構(gòu)建一維河網(wǎng)模型、二維水動力模型以及一、二維耦合計算模型，建立朱家尖流域洪水演進數(shù)值模型，模擬兩種不同“降雨+潮位”方案下的朱家尖流域的淹沒特性，以得到島內(nèi)積水分布位置以及重點區(qū)域的洪水淹沒面積、淹沒深度以及淹沒歷時，比較分析其防洪能力。研究結(jié)果可為朱家尖島后續(xù)的開發(fā)建設(shè)以及防洪排澇治理提供相關(guān)的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

舟山群島地處浙江省東北部，杭州灣外緣的東海海面上，是我國最大的群島。朱家尖島位于舟山群島南部的北緯29°50′—29°27′，東經(jīng)122°19′—122°26′范圍內(nèi)。島嶼陸域面積74 km2，為舟山群島第五大島。朱家尖島整體呈南北向狹長型，南北長約13.48 km，北部東西最寬處約9 km，最窄處，約1.2 km。流域內(nèi)屬于典型的海島流域，流域面積小，其中近70%是山區(qū)。流域內(nèi)河流源短流急，歷年受臺風影響大，洪水暴漲暴落，洪峰持續(xù)時間短。

2 模型構(gòu)建

2.1 一維模型構(gòu)建

一維河網(wǎng)模型主要由河網(wǎng)文件、斷面文件、邊界文件以及參數(shù)文件組成。

(1) 河網(wǎng)文件。著重提取對洪水分析比較重要的河道來對研究區(qū)域內(nèi)的河網(wǎng)進行概化。概化后河道共有23條，主要分為3大區(qū)片，分別為石牛江(石榴江)區(qū)片、四丈河區(qū)片和南河區(qū)片，三大片區(qū)分別下含河道8條、6條以及9條，并分別通過位于石榴江北的新北塘閘、石榴江南的釣魚礁閘、四丈河的反帝2號閘以及南河的反帝1號閘4個閘門出海。

(2) 斷面文件。河網(wǎng)中共設(shè)置斷面120個，斷面間平均間距約400 m，斷面的設(shè)置充分考慮了研究目的以及沿程河道的變化情況。

(3) 邊界文件。模型上邊界為對應(yīng)河道洪水流量過程，下邊界為新北塘閘、釣魚礁閘、反帝2號閘和反帝1號閘入?？诘某蔽贿^程。

朱家尖城區(qū)排澇標準為30年一遇，據(jù)臨近的普陀氣象站提供的計算結(jié)果，1994年10月10日15：00至10月11日14：00，降水總量198.6 mm與30年一遇的降水總量非常接近，因此，該場降雨總量及過程作為設(shè)計暴雨(文中簡稱94降雨)。

應(yīng)用產(chǎn)匯流理論，結(jié)合《浙江省水文手冊》及《浙江省短歷時暴雨圖集》，由實測降水推算各主要河流的洪水流量過程作為模型的上邊界條件。因靠近山區(qū)，河道縱比降大，匯流時間短，四岙沙河僅在暴雨5 h后就迎來了洪峰，后塘中河、九礁河、中直河、順母片河、石榴江北次之，在8～10 h后迎來了洪峰，南河、四丈河、白山河、石榴江南因地勢相對平緩，河道縱比降小，匯流時間相對較長，洪峰在23～24 h后達到。

為模擬最不利條件下，即暴雨和外海高潮位同時發(fā)生時研究區(qū)域的洪澇災害情況，模型的下邊界條件設(shè)為兩種，即設(shè)計潮型和校核潮型，上邊界條件與這兩種下邊界條件組合，分別進行建模。選取94 a典型降雨過程對應(yīng)的潮位過程(1994年10月10—11日，1994年第30號臺風)作為設(shè)計潮型(文中簡稱實測潮位)，選擇1989年8月的典型潮位過程作為校核潮型(文中簡稱極限潮位)。兩種潮位數(shù)據(jù)對比如圖1所示。

(4) 參數(shù)文件。參數(shù)文件主要是對模擬的初始條件和河床進行設(shè)置，初始條件設(shè)置的目的是使模型能夠平穩(wěn)啟動。本研究不考慮風、浪、溫度及鹽度的影響，河道初始水位設(shè)為0 m，根據(jù)對所模擬河道的實際情況確定河床糙率n=0.03；模擬時間與來水時間段相一致，模擬時長43 h，時間步長為1 s。

圖1 研究區(qū)實測及極限潮位對比

2.2 二維模型構(gòu)建

2.2.1 網(wǎng)格剖分 研究區(qū)域二維地形采用1∶500的地形圖和測量圖利用Mesh Generator生成16151個三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。三角形網(wǎng)格的特點是對地形和邊界的自適應(yīng)性良好，靠近河流源頭或交匯網(wǎng)格較密，網(wǎng)格邊長約10～30 m，其余部分網(wǎng)格較大，邊長在100～200 m左右。

2.2.2 模型基本參數(shù) MIKE 21二維水動力模型參數(shù)分為基本參數(shù)和物理參數(shù)。基本參數(shù)主要包括邊界條件、時間步長以及干濕水深；物理參數(shù)主要包括糙率、初始條件、渦粘系數(shù)等參數(shù)。參數(shù)具體設(shè)置詳見表1。

表1 二維模型參數(shù)設(shè)置

3 洪澇災害模擬

3.1 模擬方案

根據(jù)調(diào)研，當遇到大暴雨時，河道管理部門為盡快降低河道中的水位，迎接洪水的到來，最大程度的減少洪水造成的洪澇災害，模型下邊界閘門采用統(tǒng)一的調(diào)度規(guī)則，即：排澇期，當閘上水位高于0 m時，若閘上水位高于閘下水位時開閘，否則關(guān)閘?？紤]設(shè)計與校核兩種下邊界條件，并結(jié)合閘門調(diào)度規(guī)則，本次研究考慮兩種方案，“94降雨+實測潮位”作為方案1，“94降雨+極限潮位”作為方案2，比較這兩種方案下朱家尖流域的洪澇災害情勢。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 不同方案下河道水位隨時間變化對比分析 石榴江南、石榴江北、四丈河以及南河作為流域內(nèi)4條主干河流，是防洪排澇的主干河道，河道水位的高低影響著朱家尖城區(qū)的受災情況。分別選取石榴江南、石榴江北、四丈河以及南河中下游的SLN-10，SLB-6，SZ-6以及NH-10這4個代表性斷面，對比、分析兩種方案中水位隨時間的變化情況。代表性斷面水位隨時間變化如圖2所示。由圖2可以看出，兩種方案中，河道水位總體變化趨勢相同，均呈現(xiàn)出先上升，后又在波動中逐漸降低的過程，但從水位增速、水位峰值以及模擬結(jié)束時水位3個方面來看，方案2均明顯高于方案1，表明方案2的洪澇災害情況比方案1嚴重。

這4條防洪排澇的主干河道在實測潮位條件下，根據(jù)閘門調(diào)度規(guī)則，閘門處于開啟狀態(tài)，河道水位受潮位頂托，其變化規(guī)律與潮位相一致，于10 h和24 h出現(xiàn)兩次峰值；在極限潮位條件下，根據(jù)閘門調(diào)度規(guī)則，在接近第一次高潮位之前，相繼出現(xiàn)了河道內(nèi)水位低于潮位的情況，閘門關(guān)閉，河道內(nèi)水排不出去，在約20 h后又遭遇洪峰，故河道內(nèi)水位保持在一個較高位置，受災較嚴重。

3.2.2 淹沒水深在空間上的分布 根據(jù)一、二維研究結(jié)果，本研究選取了兩種方案下相對高水位時刻(19941011—11∶00，第20 h；19941011—3：00，第12 h)來分析朱家尖島在不同方案下淹沒水深在空間上的分布趨勢。兩種方案下相對高水位時刻研究區(qū)域最大淹沒水深如圖3所示。

方案1中，淹沒水深范圍在0.6～1.8 m，淹沒面積約占研究區(qū)域總面積的19.0%。其中，主要淹沒深度在1.1～1.8 m，面積約占總淹沒面積的61.2%；受淹最嚴重區(qū)域為四丈河中游以下與南河圍成的中間區(qū)域，淹沒深度在1.5～1.8 m；相對于方案1，在方案2中，研究區(qū)域受洪水淹沒情況更為嚴重。淹沒水深范圍在1.2～2.4 m，淹沒面積約占研究區(qū)域總面積的23.6%，比方案1多4.6%。其中，淹沒深度在1.5～2.4 m的面積約占總淹沒面積的75.0%。兩種方案下的研究區(qū)域淹沒情況詳見表2。

圖2 代表性斷面水位隨時間變化對比曲線

圖3 相對高水位時刻研究區(qū)域最大淹沒水深

3.2.3 重點區(qū)域洪水演進過程分析 四丈河上、中游沿岸區(qū)域為朱家尖街道居民集聚區(qū)，是整個研究區(qū)域防洪排澇的重點區(qū)域。方案1，模擬至第1 h，重點區(qū)域開始進水，初始最大淹沒深度達到0.7 m，并在隨后的5 h內(nèi)保持這一淹沒深度不變；模擬至第7 h，最大淹沒深度升至0.9 m，至第9 h，最大淹沒深度達到近1.8 m；隨后淹沒深度逐漸降低，至第20 h，最大淹沒深度降至0.8 m。隨后淹沒深度再次增加，并于第24 h升至1.8 m；然后，洪水開始消退，至第31 h，最大淹沒深度降至0.8 m，并保持這一最大淹沒深度直至模擬結(jié)束。相對于方案1，方案2初始淹沒時間較晚，但淹沒深度大。模擬至第6 h，重點區(qū)域開始進水，初始最大淹沒深度達1.3 m，隨后淹沒深度繼續(xù)增大，于第7 h達到最大2.4 m，并保持這一淹沒深度至第12 h；在第13～32 h時間段內(nèi)，淹沒深度在波動中降低，并于第33 h又開始上升；至第35 h，洪水開始消退，于第42 h最大淹沒深度將至最低1.2 m，并保持這一最大淹沒深度直至模擬結(jié)束。重點區(qū)域最大淹沒深度隨時間的變化如圖4所示。最大淹沒深度出現(xiàn)峰值的時刻與上述河道水位過程出現(xiàn)峰值的時刻基本一致。

表2 兩種方案中研究區(qū)域淹沒情況

圖4 重點區(qū)域最大淹沒深度隨時間變化曲線圖

4 結(jié) 論

(1) 兩種方案四丈河中游以下與南河圍成的中間區(qū)域淹沒深度均較大，設(shè)計降雨與校核潮位的組合方案受災程度重于設(shè)計降雨與設(shè)計潮位的組合方案。該區(qū)域為朱家尖街道居民集聚區(qū)所在地，但原有居住區(qū)地勢較低，是朱家尖島防洪的重點區(qū)域。

(2) 研究區(qū)域現(xiàn)狀防洪能力較低，且暴雨與高潮位疊加明顯加重了研究區(qū)域的洪澇災害情況。針對海島地區(qū)小流域的暴雨及其產(chǎn)流匯特點，為了減少洪澇災害損失，需采取山塘水庫除險加固、提高堤防防洪標準、河道整治、建強排泵站等工程措施以有效防御山洪災害。