風(fēng)暴潮漫堤風(fēng)險(xiǎn)分析
——以茅洲河為例

侯 堋，王其松，彭 石

(1.水利部珠江河口動(dòng)力學(xué)及伴生過程調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510611；2.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州 510611；3.廣州市南沙明珠灣開發(fā)建設(shè)管理局，廣東廣州 510611)

0 引言

茅洲河流域位于珠江三角洲東南部，伶仃洋東岸，茅洲河干流全長41.61 km，其中下游11.40 km河段為深圳市與東莞市的界河，對深圳和東莞兩市影響重大[1]。

茅洲河兩側(cè)的深圳市和東莞市作為粵港澳大灣區(qū)的重要組成城市，具有重要的政治、經(jīng)濟(jì)地位。然而茅洲河兩岸未進(jìn)行過綜合整治[2,3]，當(dāng)發(fā)生影響較大風(fēng)暴潮時(shí)，茅洲河兩岸經(jīng)常被淹，對當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)及人民財(cái)產(chǎn)安全造成重大損失。隨著《粵港澳大灣區(qū)規(guī)劃綱要》[4]的公布，茅洲河作為深圳、東莞兩市的界河，得到政府高度重視。在此背景下，開展茅洲河風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)評估分析是進(jìn)一步深化流域綜合管理[5]，切實(shí)落實(shí)《粵港澳大灣區(qū)規(guī)劃綱要》[4]的當(dāng)務(wù)之急。

國內(nèi)外學(xué)者已對風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)評估開展了大量的研究，部分研究者采用風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型[6,7]研究風(fēng)暴潮的控制因子和發(fā)生機(jī)理，預(yù)測某一場風(fēng)暴潮的強(qiáng)度和范圍，評估風(fēng)暴潮造成的危險(xiǎn)，但不能對風(fēng)暴潮危險(xiǎn)性的長期趨勢做出預(yù)測。目前大部分地區(qū)歷史臺風(fēng)的信息記錄時(shí)間序列僅為數(shù)十年，對于百年一遇或者千年一遇歷史臺風(fēng)的記錄很少或者信息缺失嚴(yán)重，這就導(dǎo)致在應(yīng)用于實(shí)際的長期災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)會出現(xiàn)樣本不足的問題，而重現(xiàn)期風(fēng)暴潮的研究可以解決研究資料時(shí)間序列不足的問題[8]。受全球氣候變暖和海平面上升的影響，不同重現(xiàn)期的風(fēng)暴潮極值水位將發(fā)生很大變化，隨著近幾年超強(qiáng)臺風(fēng)的頻繁發(fā)生，臺風(fēng)引起的近海風(fēng)暴潮最大可能增水是防汛部門和海洋工程設(shè)計(jì)單位研究的熱點(diǎn)，也是近海風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)評估關(guān)注的重點(diǎn)[9]。開展基于頻率分析的典型重現(xiàn)期風(fēng)暴潮評估及最大可能風(fēng)暴潮預(yù)測，可兼顧短期危險(xiǎn)和長期危險(xiǎn)，有效識別重點(diǎn)區(qū)域未來可能遭遇風(fēng)暴潮的頻率和強(qiáng)度[10-12]。

本研究基于茅洲河風(fēng)暴潮實(shí)測資料的分析，將影響該水域的特大重現(xiàn)期風(fēng)暴潮及未來可能發(fā)生的最不利風(fēng)暴潮兩種尺度相結(jié)合，評估茅洲河遭遇風(fēng)暴潮的可能性風(fēng)險(xiǎn)，這不僅可以提供風(fēng)暴潮襲擊時(shí)的范圍和強(qiáng)度，而且可以為當(dāng)?shù)氐某鞘胁季忠?guī)劃和堤防建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 茅洲河口風(fēng)暴潮特征

通過統(tǒng)計(jì)1949-2017年共69 a的國家氣象局臺風(fēng)資料，總計(jì)有303個(gè)熱帶風(fēng)暴級以上的熱帶氣旋對茅洲河造成影響。主要影響是造成茅洲河口潮位急劇升高，對茅洲河水位造成頂托。69 a間，平均每年4.39個(gè)臺風(fēng)，其中超強(qiáng)臺風(fēng)41個(gè)，強(qiáng)臺風(fēng)67個(gè)，臺風(fēng)73個(gè)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，影響茅洲河的熱帶氣旋有珠江口正面登陸型熱帶風(fēng)暴33次，粵西登陸型熱帶風(fēng)暴102次，珠江口外以東登陸型熱帶風(fēng)暴111次，海南、廣西登陸型熱帶風(fēng)暴32次。此外，還有26次未在我國華南海岸登陸。由此可見，影響茅洲河口的臺風(fēng)類型以粵東及粵西登陸型占比較大。而以歷史統(tǒng)計(jì)資料來看，尤以在珠江口和粵西沿岸登陸的臺風(fēng)成災(zāi)最為嚴(yán)重[13-15]。

2 風(fēng)暴潮數(shù)值模型

風(fēng)暴潮是一種來自海上的巨大自然災(zāi)害，指由于強(qiáng)大的大氣擾動(dòng)，強(qiáng)風(fēng)和氣壓驟變所導(dǎo)致的海平面異常升高現(xiàn)象[16,17]。風(fēng)暴潮是海洋與大氣擾動(dòng)的大尺度運(yùn)動(dòng)而成，在構(gòu)建數(shù)學(xué)模型時(shí)需要考慮足夠大的海氣范圍才能擬合出較為準(zhǔn)確的風(fēng)暴潮大氣擾動(dòng)及海洋增水過程[18-22]。珠江河口槽灘相間，河網(wǎng)復(fù)雜，岸線曲折多變，水動(dòng)力條件十分復(fù)雜，需要較精細(xì)的網(wǎng)格才能高精度地模擬珠江三角洲的地形和岸線[23]。因此，本研究采用ADCIRC數(shù)學(xué)模型[24]，建立大尺度的南海潮汐風(fēng)暴潮耦合數(shù)學(xué)模型，在考慮風(fēng)暴潮作用的同時(shí)，考慮洪水、天文潮協(xié)同動(dòng)力機(jī)制。

2.1 模型構(gòu)建

南海潮汐風(fēng)暴潮模型覆蓋南海大部分海域，計(jì)算域?yàn)?2.7°-29.4°N，105.6°-124.5°E，深海處網(wǎng)格尺寸為2′×2′，水深起算基面為平均海平面，模型外邊界采用62個(gè)天文分潮調(diào)和常數(shù)控制。計(jì)算水深采用美國國家地球物理資料中心(NGDC)數(shù)據(jù)。

珠江河口上游邊界至珠江河口八大口門，茅洲河至上游15 km處，網(wǎng)格最小尺寸為5 m，近岸海域地形采用的是2013-2016年實(shí)測地形(圖1)。

圖1 南海潮汐風(fēng)暴潮模型網(wǎng)格布置圖Fig.1 Grid layout of large scale storm surge mode in South China Sea

2.2 疊加風(fēng)場

臺風(fēng)風(fēng)場是產(chǎn)生風(fēng)暴潮的決定因素，現(xiàn)有的國內(nèi)外風(fēng)暴潮模式一般都是采用臺風(fēng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砟M臺風(fēng)風(fēng)場[25-27]，受臺風(fēng)路徑、風(fēng)速、時(shí)間、海域等因素影響，經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場對臺風(fēng)中心模擬較為準(zhǔn)確，但對臺風(fēng)外圍的背景風(fēng)場模擬精度較差[28-31]。 本文采用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場與National Centers for Environmental Prediction (NCEP)再分析風(fēng)場相疊加的方式構(gòu)造一種疊加風(fēng)場，在距離臺風(fēng)中心較近處采用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場，準(zhǔn)確描述臺風(fēng)中心位置、中心風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑處風(fēng)場特征；在遠(yuǎn)離臺風(fēng)中心處采用NCEP再分析風(fēng)場，準(zhǔn)確描述風(fēng)場的背景風(fēng)速特征，中間采用平緩的過渡，保證兩種風(fēng)場銜接的連續(xù)性。從模擬的風(fēng)場計(jì)算結(jié)果來看，疊加風(fēng)場更接近于真實(shí)臺風(fēng)風(fēng)場的變化趨勢，風(fēng)速極值誤差為±15%[29]，該風(fēng)場已多次應(yīng)用于南海風(fēng)暴潮及臺風(fēng)浪預(yù)報(bào)，且均取得較好的計(jì)算成果。

2.3 模型率定與驗(yàn)證

天文潮率定主要采用2008年9月和2017年8月實(shí)測潮汐資料。風(fēng)暴潮驗(yàn)證選取對工程位置造成明顯影響的10場臺風(fēng)進(jìn)行驗(yàn)證，包括6903號超強(qiáng)臺風(fēng)、7908號強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、9107號臺風(fēng)、9316號臺風(fēng)、9504號強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、0104號臺風(fēng)“尤特”、0313號超強(qiáng)臺風(fēng)“杜鵑”、0814號強(qiáng)臺風(fēng)“黑格比”、1319號超強(qiáng)臺風(fēng)“天兔”及1713號強(qiáng)臺風(fēng)“天鴿”等。由于文章篇幅限制，僅提供部分工程附近水文站點(diǎn)驗(yàn)證圖(圖2)。

圖2 2017年8月天文潮驗(yàn)證成果圖

在各臺風(fēng)條件下，各主要潮位站模型與原型的潮位過程線吻合良好，模擬高潮位與實(shí)測值較為接近，相對誤差在13%以內(nèi)，該風(fēng)暴潮模型可用于茅洲河風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)分析(圖3)。

圖3 1713號強(qiáng)臺風(fēng)“天鴿”風(fēng)暴潮驗(yàn)證成果圖

3 茅洲河漫堤風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 重現(xiàn)期風(fēng)暴潮漫堤風(fēng)險(xiǎn)分析

重現(xiàn)期風(fēng)暴潮研究主要是預(yù)測一個(gè)區(qū)域在未來10-1 000 a發(fā)生風(fēng)暴潮災(zāi)害的可能性，它是一種長時(shí)間尺度的趨勢預(yù)測研究，對于沿海工程的設(shè)計(jì)及災(zāi)害評估意義重大[32-34]。由于茅洲河附近無長時(shí)間序列的水位監(jiān)測站，本研究采用南海潮汐風(fēng)暴潮耦合模型對連續(xù)20 a對茅洲河影響較大的106場風(fēng)暴潮進(jìn)行數(shù)值模擬，得到每年茅洲河口風(fēng)暴潮最高潮位。通過極值Ⅰ型統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對連續(xù)20 a風(fēng)暴潮最高潮位進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)(圖4)，得到茅洲河口百年一遇風(fēng)暴潮高潮位為2.98 m，五十年一遇風(fēng)暴潮高潮位為2.78 m(本文所采用的基面均為珠基)。

圖4 茅洲河口風(fēng)暴潮極值潮位頻率曲線圖

茅洲河左岸有多處地勢低洼處，最低處高程為2.17 m。從表1可以看出，當(dāng)發(fā)生超十年一遇風(fēng)暴潮時(shí)，即有漫堤風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生千年一遇風(fēng)暴潮時(shí)，左岸多處漫堤，漫堤總長度約為1 524 m，隨著風(fēng)暴潮設(shè)計(jì)頻率的降低，漫堤長度逐漸減少。

表1 重現(xiàn)期風(fēng)暴潮條件下茅洲河漫堤岸線統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics on the flood inundation line of Maozhou River under storm surge conditions in the return period

茅洲河右岸地勢較左岸高，高程為3.20-6.58 m。當(dāng)發(fā)生超百年一遇風(fēng)暴潮時(shí)即有漫堤風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)遭遇千年一遇風(fēng)暴潮時(shí)，右岸漫堤總長度為668.14 m，漫堤比例為5.08%。

3.2 最大可能風(fēng)暴潮漫堤風(fēng)險(xiǎn)分析

在沿海重大工程項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，應(yīng)充分考慮風(fēng)暴潮襲擊的頻繁程度和最大可能臺風(fēng)增水。深圳和東莞作為粵港澳大灣區(qū)的重要組成城市，為保障地區(qū)經(jīng)濟(jì)安全高效發(fā)展，防潮工程中適當(dāng)考慮可能最大臺風(fēng)增水是必要的[35]。本研究主要方法為根據(jù)歷史上在特定海岸地區(qū)發(fā)生最大持續(xù)風(fēng)速所選擇的氣象參數(shù)值的組合，以這些氣象參數(shù)值構(gòu)造可能最大臺風(fēng)，其主要參數(shù)包括臺風(fēng)中心氣壓、最大風(fēng)速半徑、臺風(fēng)移動(dòng)速度以及臺風(fēng)登陸時(shí)與海岸的交角。這些參數(shù)和臺風(fēng)可能移動(dòng)的路徑不是虛構(gòu)的，而是依據(jù)統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算后得到的，是可能發(fā)生的各種不利情況的組合。

3.2.1 統(tǒng)計(jì)法構(gòu)造可能最大臺風(fēng)

(1)臺風(fēng)中心氣壓

ΔP為臺風(fēng)外圍不受臺風(fēng)影響處的氣壓，或正常氣壓和臺風(fēng)中心氣壓兩者之差，取千年一遇的數(shù)值，P∞取我國沿海夏季海平面氣壓的平均值(1 008 hPa)。資料系列取1960-2017年共計(jì)58 a。對ΔP系列進(jìn)行PⅢ型頻率分析(圖5)，其中千年一遇中心氣壓為911 hPa，百年一遇中心氣壓為927 hPa。

圖5 氣壓差(ΔP)頻率曲線(PⅢ型)

(2)臺風(fēng)的移動(dòng)速度

臺風(fēng)中心的移動(dòng)速度VF是重要的臺風(fēng)參數(shù)之一。臺風(fēng)風(fēng)暴數(shù)值模式的研究成果表明，對于開闊水域，登陸臺風(fēng)或緊靠岸邊又平行于海岸移動(dòng)的臺風(fēng)，移動(dòng)速度越快，風(fēng)暴增水越大。對于茅洲河附近海域，上承徑流影響，外受海水頂托，臺風(fēng)增水情況要復(fù)雜得多，一般采用統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定該參數(shù)。根據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)，臺風(fēng)最大移動(dòng)速度為37 km/h，最小移動(dòng)速度為10 km/h，平均移動(dòng)速度為25 km/h。在進(jìn)行可能最大臺風(fēng)計(jì)算時(shí)，臺風(fēng)中心移動(dòng)速度取其平均值25 km/h。

(3)最大風(fēng)速半徑

臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑R是指臺風(fēng)中心到出現(xiàn)最大風(fēng)速處的半徑距離，是衡量臺風(fēng)尺度的重要參數(shù)之一，也是風(fēng)暴潮模式計(jì)算時(shí)所采用的臺風(fēng)氣壓場和風(fēng)場的重要參數(shù)之一。

最大風(fēng)速半徑采用經(jīng)驗(yàn)公式：

R=28.52th[0.0873(φ-28)]+

式中，VF為臺風(fēng)中心移動(dòng)速度，取25 km/h；地理緯度φ取22.73°N；P0為臺風(fēng)中心氣壓，取911 hPa。計(jì)算得最大風(fēng)速半徑R為29 km。

(4)最大可能臺風(fēng)移動(dòng)路徑

設(shè)計(jì)臺風(fēng)路徑時(shí)，需確定臺風(fēng)登陸地點(diǎn)和臺風(fēng)移動(dòng)方向兩個(gè)要素。為構(gòu)造假想臺風(fēng)，搜尋近70 a影響南海的臺風(fēng)，從臺風(fēng)強(qiáng)度和致災(zāi)嚴(yán)重程度來看，1713號臺風(fēng)、1208號臺風(fēng)及0814號臺風(fēng)造成舢板洲站超過180 cm的增水。在設(shè)計(jì)登陸點(diǎn)時(shí)，考慮1713號臺風(fēng)的珠海登陸點(diǎn)、1208號臺風(fēng)的臺山登陸點(diǎn)及0814號臺風(fēng)的電白登陸點(diǎn)，以及在1960-2017年間，共有13場臺風(fēng)登陸陽江，例如7610號臺風(fēng)、8404號臺風(fēng)、0218號臺風(fēng)及1311號臺風(fēng)等，表明陽江遭受臺風(fēng)侵襲的次數(shù)頻繁，因此，取1311號臺風(fēng)在陽江的登陸位置作為設(shè)計(jì)臺風(fēng)登陸點(diǎn)。珠江口西側(cè)的澳門是經(jīng)常受臺風(fēng)侵?jǐn)_的區(qū)域，其中登陸澳門的6411號臺風(fēng)“艾達(dá)”強(qiáng)度大，最低氣壓925 hPa，登陸時(shí)中心氣壓972 hPa，中心附近最大風(fēng)速33 m/s，取澳門作為登陸點(diǎn)之一。

研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致茅洲河口出現(xiàn)大幅增水的臺風(fēng)均為珠江口以西登陸。在臺風(fēng)路徑設(shè)計(jì)時(shí)，選取270°-350°、間隔10°共計(jì)8個(gè)臺風(fēng)行進(jìn)方向、5個(gè)登陸點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)暴潮增水?dāng)?shù)值實(shí)驗(yàn)，以獲取最大可能臺風(fēng)的路徑。數(shù)值試驗(yàn)方案見圖6，圖中紅色五角星為5個(gè)設(shè)計(jì)臺風(fēng)登陸點(diǎn)，不同計(jì)算方案下，茅洲河口臺風(fēng)增水?dāng)?shù)值試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖6 最大可能臺風(fēng)路徑設(shè)計(jì)方案(以陽江登陸點(diǎn)為例)

表2 不同計(jì)算方案下茅洲河口臺風(fēng)增水值數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果(m)Table 2 Numerical test results of typhoon water increment in Maozhou Estuary under different calculation schemes (m)

(5)最大可能臺風(fēng)增水?dāng)?shù)值模擬

根據(jù)以上研究，確定登陸地點(diǎn)為澳門，移動(dòng)方向?yàn)?40°是最大可能臺風(fēng)移動(dòng)路徑。設(shè)置臺風(fēng)的參數(shù)：P0=911 hPa，R=29 km，VF=25 km/h，登陸地點(diǎn)為澳門，移動(dòng)方向?yàn)?40°，進(jìn)行風(fēng)暴潮數(shù)值模擬，繪制最大可能臺風(fēng)期間茅洲河口臺風(fēng)增水過程線，結(jié)果如圖7所示，最大可能臺風(fēng)增水發(fā)生在臺風(fēng)登陸后2-3 h，茅洲河口最大可能增水達(dá)到3.64 m。圖7為最大可能臺風(fēng)登陸3 h珠江口內(nèi)臺風(fēng)增水分布圖。在臺風(fēng)推動(dòng)下海水向珠江口內(nèi)涌入，臺風(fēng)增水由伶仃洋1.0 m向珠江口內(nèi)遞增，口內(nèi)臺風(fēng)增水達(dá)到3.5 m以上。

圖7 最大可能臺風(fēng)增水水位分布(伶仃洋)

3.2.2 最大可能風(fēng)暴潮情況下茅洲河風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)最高潮位與洪水遭遇的分析結(jié)果，茅洲河口風(fēng)暴潮與大洪水遭遇的可能性不大[3]。因此，本次茅洲河沿程潮位計(jì)算組合采用最大可能風(fēng)暴潮與茅洲河上游2 a一遇設(shè)計(jì)洪水(550 m3/s)遭遇，基本能涵蓋茅洲河口最高潮位與上游洪水遭遇情況，是一種合理的遭遇組合。

通過計(jì)算，茅洲河口的風(fēng)暴潮極值潮位為4.78 m，沿程水位較高，現(xiàn)狀堤防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，茅洲河兩岸會發(fā)生大面積漫堤(圖8)。茅洲河左岸漫堤總長度為9 830 m，漫堤岸線比為74.68%；右岸漫堤總長度為7 310 m，漫堤岸線比為55.50%。茅洲河左岸最大漫水高度為2.79 m，最小漫水高度為0.04 m，其中利源石油—瑞云科技園段、海濱路南段、潤安汽車檢測站附近及洋涌路東段漫水高度超過1.00 m。茅洲河右岸最大漫水高度為1.97 m，最小漫水高度為0.02 m，其中麗城科技工業(yè)園—澳維力工業(yè)園段、基達(dá)利工業(yè)園段、松源樓工業(yè)園—碧頭平泰昌科技園段及大洋洲高新產(chǎn)業(yè)園—燕羅濕地公園段漫水高度超過1.00 m。

圖8 茅洲河最不利風(fēng)暴潮水位和堤防關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過實(shí)測資料分析，在南海潮汐風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證準(zhǔn)確基礎(chǔ)上，對影響茅洲河重現(xiàn)期風(fēng)暴潮及未來發(fā)生的最大可能風(fēng)暴潮進(jìn)行災(zāi)害計(jì)算分析。茅洲河口百年一遇風(fēng)暴潮高潮位為2.98 m，五十年一遇風(fēng)暴潮高潮位為2.78 m。茅洲河左岸有多處地勢低洼處，當(dāng)發(fā)生超十年一遇風(fēng)暴潮時(shí)，即有漫堤風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生千年一遇風(fēng)暴潮時(shí)，茅洲河多處漫堤，漫堤總長度約為1 524 m，隨著風(fēng)暴潮設(shè)計(jì)頻率的降低，漫堤長度逐漸減少。當(dāng)臺風(fēng)參數(shù)為P0=911 hPa，R=29 km，VF=25 km/h，登陸地點(diǎn)為澳門，移動(dòng)方向?yàn)?40°時(shí)，將發(fā)生最大可能風(fēng)暴潮，茅洲河口的風(fēng)暴潮極值潮位為4.78 m，茅洲河兩岸多處漫堤，左岸漫堤總長度為9 830 m，漫堤岸線比為74.68%。

從計(jì)算結(jié)果可得，重現(xiàn)期潮位的計(jì)算方法可以較好地解決無測潮站地區(qū)的設(shè)計(jì)水位推算問題，以及最大可能風(fēng)暴潮的設(shè)計(jì)，能最大可能估算特定區(qū)域的風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)情況，并在此基礎(chǔ)上制定風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)防范策略及減災(zāi)策略。本文研究成果可為茅洲河綜合治理提供重要技術(shù)支撐，同時(shí)也為海洋及水利防災(zāi)減災(zāi)部門應(yīng)急減災(zāi)提供決策參考。