城市精細化洪澇模擬及防控措施研究
——以昆山經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)為例

於家紅 黃袆靜 陳燕 雷瑤 鄧東升 劉增賢

引言

隨著全球氣候變化，強降水的發(fā)生概率逐漸增大。隨著城市化進程的加快，不透水面的增加和水面率的下降使城市面臨著更大的洪澇風險。僅2020年前三季度全國受洪澇等自然災(zāi)害影響，造成1.3億人受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失高達3135.5億元。2021年7月，河南省突發(fā)極端強降雨，導(dǎo)致特大洪澇災(zāi)害，直接經(jīng)濟損失高達1142.69億元。

針對城市洪澇問題，國內(nèi)外利用水文及水動力模型開展了大量研究，如美國的SWMM、丹麥的MIKE URBAN，英國的Infoworks ICM等。但是模型的計算是基于有限元方法繪制的不規(guī)則地形網(wǎng)格，在要求精度的同時，將導(dǎo)致巨大的計算量，往往不能將城市的復(fù)雜河道進行細化。本研究構(gòu)建了一維精細化河網(wǎng)模型，基于最新衛(wèi)星影像疊加下墊面信息，并根據(jù)現(xiàn)狀對排澇站閘進行設(shè)置，可精確高效地對研究區(qū)域進行洪澇模擬，為區(qū)域防洪工作的進一步開展提供技術(shù)支撐。

研究區(qū)與數(shù)據(jù)源情況

本文的研究區(qū)域選定為昆山經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)（以下簡稱“開發(fā)區(qū)”），開發(fā)區(qū)屬于長江三角洲太湖平原區(qū)，位于昆山市東部，面積約115km2（圖1）。

圖1 昆山開發(fā)區(qū)區(qū)位圖

開發(fā)區(qū)共有7個圩區(qū)，分別為西河圩、合興圩 —城南圩（開發(fā)區(qū)）、包橋圩、孔巷圩、婁江圩、北大圩和南大圩，圩外河道構(gòu)成片區(qū)的河網(wǎng)骨架，承擔區(qū)域引排水功能，圩內(nèi)河道負責圩區(qū)內(nèi)水量的調(diào)節(jié)及各圩區(qū)的引排水，圩區(qū)內(nèi)外水量的交換主要通過站、閘進行調(diào)度，形成了聯(lián)圩治水格局。

本研究的主要數(shù)據(jù)包括由昆山市水務(wù)局提供的研究區(qū)域河道、水利工程數(shù)據(jù)、高分一號（GF-1）于2020年4月28日攝取的8m和2m級分辨率衛(wèi)星遙感影像，以及其他氣象、水文、地理等數(shù)據(jù)。本文模擬和分析均基于7個聯(lián)圩開展，圩內(nèi)最高控制水位3.1m，汛期預(yù)降最低控制水位2.5m。

精細化洪澇模擬

（一）精細化河網(wǎng)模型構(gòu)建

為精確模擬開發(fā)區(qū)的河道水位情況，本研究構(gòu)建了精細化河網(wǎng)模型。其中水動力模型基本方程采用Saint-Venant方程組，數(shù)值離散方程采用Preismann四點隱式差分，通過聯(lián)立方程進行求解。研究將開發(fā)區(qū)所有河道以及相關(guān)外圍河道、圩口站閘全部納入，概化總河長約388km，河段398條段，站閘76座（圖2）。

圖2 昆山經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)河網(wǎng)水系概化圖

為進一步確保實現(xiàn)精準模擬分析，研究中排澇站、閘的控制方式是根據(jù)平原河網(wǎng)特征、水資源合理調(diào)度的客觀要求以及水利工程運行管理的實踐經(jīng)驗進行設(shè)置的。研究遵循汛期按照防汛安全要求調(diào)度、非汛期按照改善水質(zhì)和保障用水需要調(diào)度的原則，按照閘內(nèi)、外的水位控制，閘關(guān)聯(lián)水系的區(qū)域平均水位控制以及時間控制等多重要求運行閘站，結(jié)合精細化河網(wǎng)，對開發(fā)區(qū)進行精確的模擬。

（二）精細化下墊面分析

下墊面是影響地面徑流的最主要因素之一。為更精確分析開發(fā)區(qū)各圩區(qū)地面徑流情況，深入評估區(qū)域除澇能力，我們對各圩區(qū)的下墊面土地現(xiàn)狀分類進行了細致量化分析研究?；?020年4月28日高分一號（GF-1）衛(wèi)星攝取的多光譜影像和全色影像，研究進行了大氣校正和地理精度校正，并將坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為2000國家大地坐標系，通過影像融合生成分辨率為2m的融合多光譜影像，然后分別提取了NDVI和NDWI，構(gòu)建了分類決策樹，將開發(fā)區(qū)土地分為裸地、草地、農(nóng)田、林地、不透水表面及水體等6大類（圖3）?；诟髹讌^(qū)的土地分類數(shù)據(jù)，分析其下墊面情況，并利用模型對降雨期間不同類型土地的徑流系數(shù)等參數(shù)進行設(shè)定，模擬得到精確的產(chǎn)流結(jié)果，最終匯入河網(wǎng)。

圖3 昆山經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)各圩區(qū)土地覆被狀況

（三）暴雨情景設(shè)置

研究區(qū)域的洪澇風險主要來自于暴雨，因此雨型的分析及降雨事件的選取對于區(qū)域精細化模擬及防控措施的選取起著至關(guān)重要的作用。

1.雨型分析

據(jù)岑國平等的研究，降雨過程主要可以分為7種模式（圖4），包括單峰雨型（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）、雙峰雨型（Ⅴ型、Ⅵ型、Ⅶ型）及大致均勻分布雨型（Ⅳ型）。為選取典型的降雨設(shè)計雨型，以更真實、精確地模擬開發(fā)區(qū)在暴雨發(fā)生時的水位情況，分析其內(nèi)澇風險，本文對昆山市雨型及臨近的上海市雨型進行了大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析。

圖4 七種模式雨型示意圖

（1）選取昆山市2005—2013年期間的降雨，對歷時接近1h、2h、3h的47場降雨進行雨型分析，采用模糊識別法，得到單峰雨型的場次數(shù)，占總數(shù)的82.98%，而雙峰及多峰雨型較少。在單峰型降雨中，大部分降雨的雨峰在前部或中部，雨峰在后部的較少；單峰型降雨的雨量較為集中，對區(qū)域除澇和城區(qū)排水的影響較大，因此需要重點考慮單峰型降雨。

（2）選取近年來上海的暴雨進行雨型分析，其中徐家匯171場12h暴雨、80場24h暴雨，嘉定144場12h暴雨、69場24h暴雨，青浦150場12h暴雨、54場24h暴雨，采用目估法得到：歷時12h暴雨雨型和歷時24h暴雨雨型均以單峰型為主，雙峰型和均勻型降雨場次很少。在單峰型降雨中，大部分降雨的雨峰在前部，其次是雨峰在后部的和在中間的。在雙峰雨型中，雨峰在前后兩頭的所占比例最大，雨峰在中間的最少。總體而言，由于單峰雨型雨量集中，特別是雨峰集中在后部的暴雨，對區(qū)域除澇和城市排水的影響較大，容易引起城區(qū)大面積的積水。

2.降雨事件選取

根據(jù)《昆山市城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃》，開發(fā)區(qū)河道排澇標準為20年一遇最大24h暴雨24h排出，并確保每小時河道水位不超過最高控制水位。

因此，本研究選取了兩個24小時降雨事件，事件1的雨型選用了《昆山市城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃》中的24h設(shè)計暴雨雨型，按昆山市城市管道設(shè)計條件，選用1年一遇設(shè)計雨量38.26mm/h作為事件1的最大1h降雨量，計算得24h總雨量為135.12mm。事件2采用的是《上海市防洪除澇規(guī)劃（2020—2035年）》中與昆山相鄰的嘉定區(qū)域的降雨雨型，按照24h總雨量為210.8mm的標準確定降雨過程，其中最大1h降雨量為39mm/h，兩場事件降雨過程如圖5所示。

圖5 典型降雨事件雨量變化過程

模擬結(jié)果與分析

基于精細化河網(wǎng)模型及下墊面產(chǎn)流模型的構(gòu)建，在選取的兩場典型暴雨情景下，本文對開發(fā)區(qū)進行了精確的洪澇模擬計算及結(jié)果分析。

（一）各圩區(qū)平均水位過程變化

為研究暴雨中各圩區(qū)的防洪薄弱環(huán)節(jié)，本研究對各圩區(qū)的平均水位隨時間的變化過程進行了分析（圖6）。

圖6 暴雨情景下各圩區(qū)水位變化過程圖

采用降雨事件1進行的模擬結(jié)果顯示，雨峰與洪峰出現(xiàn)的時間較為一致。洪峰來臨時，婁江圩的水位高達4.26m，為各圩區(qū)中最高，遠超最高控制水位3.1m；包橋圩、合興圩—城南圩（開發(fā)區(qū)）、南大圩的最高水位分別為3.45m、3.47m、3.25m，均超過河道最高控制水位；西河圩、孔巷圩、北大圩的最高水位分別為3.04m、2.99m和3.08m，未超過圩內(nèi)河道最高控制水位。除西河圩、孔巷圩和北大圩，其他圩區(qū)的防洪能力均有待提高。

采用降雨事件2進行的模擬結(jié)果顯示，雨峰與洪峰出現(xiàn)的時間較為一致。洪峰來臨時，婁江圩的水位高達4.22m，為各圩區(qū)中最高，遠超最高控制水位3.1m；包橋圩、合興圩—城南圩（開發(fā)區(qū)）的最高水位分別為3.83m、3.82m，均超過河道最高控制水位，且水位下降所需的時間較長，從最高水位下降至最低控制水位2.5m需要10小時，排澇能力亟須提高；南大圩和北大圩的最高水位分別為3.44m和3.25m，超過河道最高控制水位，水位下降至最低控制水位需8小時；西河圩和孔巷圩的最高水位分別為3.07m和3.10m，未超過圩內(nèi)河道最高控制水位。除西河圩、孔巷圩，其他圩區(qū)的防洪能力均有待提高。

兩場降雨事件中，洪峰與雨峰到達時間較為一致。事件2由于降雨集中，圩區(qū)排水壓力大于事件1，特別是合興圩 —城南圩（開發(fā)區(qū)）和包橋圩區(qū)，排水時間高達10小時，河道內(nèi)水位長時間處于較高水平，洪澇風險較大；婁江圩防洪能力最差，水位處于全區(qū)最高水平，但排水較快；孔巷圩及西河圩的防洪除澇能力最好，兩場事件均保持在控制水位之下。

（二）最高水位空間分布情況

為找出研究區(qū)域的防洪薄弱區(qū)域所在，本研究分析了兩場事件中全區(qū)的最高水位的空間分布情況（圖7）。

圖7 暴雨情景下開發(fā)區(qū)水位空間分布圖

采用降雨事件1進行的模擬結(jié)果顯示，北大圩、孔巷圩和西河圩中部地區(qū)的水位較低，洪澇風險相對較??；南大圩的水位超最高控制水位，東部地區(qū)較西部地區(qū)更為薄弱；合興圩 —城南圩（開發(fā)區(qū)）、包橋圩區(qū)及西河圩南部地區(qū)的水位較高，均在圩內(nèi)最高控制水位以上，特別是合興圩 —城南圩（開發(fā)區(qū)）南部地區(qū)以及西河圩的南部地區(qū)，水位達到了3.5m以上，洪澇風險較大。婁江圩的水位最高，達到了4.26m，遠超控制水位，亟須提高防洪能力。

采用降雨事件2進行的模擬結(jié)果顯示，孔巷圩和西河圩中部地區(qū)的水位較低，洪澇風險相對較?。槐贝筵?、南大圩、西河圩南部的水位超最高控制水位，防洪能力有待提高；合興圩 —城南圩（開發(fā)區(qū)）和包橋圩水位大大高于最高控制水位，均在3.68m以上，特別是合興圩 —城南圩（開發(fā)區(qū)）南部地區(qū)，水位在3.86m以上，洪澇風險較大。婁江圩的水位最高，達到了4.22m，遠超控制水位，亟須提高防洪能力。

兩場降雨事件中，孔巷圩和西河圩中部地區(qū)的水位最低，洪澇風險相對最??；北大圩和南大圩存在一定的洪澇風險，特別是南大圩西部地區(qū)，需提高防洪能力；包橋圩、合興圩 —城南圩（開發(fā)區(qū)）、西河圩南部的水位高于控制水位較多，洪澇風險較大；婁江圩的水位最高，兩種情境下均達到4m以上，遠高于圩內(nèi)最高控制水位，洪澇風險極大。

（三）防洪措施選擇

基于本研究對開發(fā)區(qū)精細化的洪澇模擬，結(jié)合開發(fā)區(qū)各圩區(qū)河道及排澇站、閘現(xiàn)狀分析結(jié)果表明，婁江圩的洪澇風險主要來自于水面率低（僅為1.4%），河道調(diào)蓄能力不足，因此可進行河道疏通整治、拓寬等增大水面率，提高圩區(qū)的蓄洪能力，降低洪峰來臨時河道的水位；合興圩 —城南圩（開發(fā)區(qū)）和包橋圩的洪澇風險主要來自于排水能力不足（排澇模數(shù)分別為3.28m3/s/km2和3.33m3/s/km2），因此可增大排澇規(guī)模，加快暴雨期間圩區(qū)內(nèi)水位的下降速度，以防河道堤防壓力過大，在雙峰型降雨中可能產(chǎn)生較大的洪澇風險；西河圩南部、南大圩東部地區(qū)需進行進一步研究，分析高水位產(chǎn)生原因，并具有針對性地進行完善；開發(fā)區(qū)整體需要進行統(tǒng)籌規(guī)劃，階段性地增高圩堤、增大排澇規(guī)模等，提高抗風險能力，并在暴雨發(fā)生時進行系統(tǒng)、有序的調(diào)度，盡可能減小災(zāi)害損失。

結(jié)論

本文以昆山經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)為研究區(qū)域，通過精細化河網(wǎng)數(shù)值模型的構(gòu)建和高精度下墊面數(shù)據(jù)的分析，開展兩場典型暴雨情景下的精細化城市洪澇模擬，分析了區(qū)域的防洪除澇薄弱處，并具有針對性地提出了措施建議。

主要結(jié)論：（1）暴雨事件發(fā)生時，由于婁江圩的水面率低，河道蓄洪能力低下，洪澇風險最大，需疏通、拓寬河道，增大蓄洪能力，削減洪峰；（2）合興圩 —城南圩（開發(fā)區(qū)）、包橋圩的排澇模數(shù)較低，由于排水能力不足，河道內(nèi)水位下降緩慢，洪澇風險較大，亟須提高排水能力，加快排澇速度；（3）北大圩、西河圩南部、南大圩東部地區(qū)存在一定的洪澇風險，需進一步研究，并加以完善；（4）孔巷圩、西河圩中部的洪澇風險相對較小，但強降雨情況下仍需要系統(tǒng)地規(guī)劃與調(diào)度，持續(xù)提高防洪能力，以防范氣候變化背景下未來更頻繁的暴雨事件。