氣候變化對珠三角地區(qū)典型城區(qū)流域排水系統(tǒng)的影響

張 瀚，邱 靜，黃本勝，楊志峰，蔡宴朋

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635； 2.廣東工業(yè)大學環(huán)境生態(tài)工程研究院，廣東 廣州 510006)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布的第六次評估報告第一工作組報告指出，隨著進一步的全球變暖，每個地區(qū)都將在氣候影響驅(qū)動下經(jīng)歷更加頻繁的變化，例如暴雨會導致城市、道路、農(nóng)田、地鐵隧道和建筑物遭受洪澇災(zāi)害，城市交通和雨水排水系統(tǒng)被淹沒，給城市適應(yīng)能力帶來更大的挑戰(zhàn)[1]。

城市雨水排水系統(tǒng)是維護城市正常運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施，作為城市區(qū)域徑流輸送的主要方式，一旦降雨強度超過城市雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計標準，便可能會造成洪澇災(zāi)害。中國現(xiàn)行的排水系統(tǒng)通常被設(shè)計為在某一設(shè)計暴雨下表現(xiàn)良好，設(shè)計暴雨通過對歷史降雨進行統(tǒng)計推求后得出，一般總結(jié)為強度-歷時-頻率 (intensity-duration-frequency，IDF) 曲線或者暴雨強度公式的形式。在市政工程設(shè)計中，通常認為設(shè)計暴雨服從一致性假設(shè)，即在工程使用期間是不變的。氣候變化增加了城市地區(qū)極端降雨的頻率和強度，改變了設(shè)計降雨的一致性假設(shè)，這將會增加城市地區(qū)洪澇災(zāi)害的發(fā)生頻率，帶來更為嚴重的洪澇災(zāi)害[2-3]。因此，研究氣候變化條件下，城市極端降雨對排水系統(tǒng)的影響就變得越發(fā)迫切[4-6]。

水文水動力學模型是目前廣泛使用的研究洪澇過程的工具，建立適應(yīng)城市地區(qū)的一二維耦合模型是當今城市內(nèi)澇風險評估的重要一環(huán)[7-9]。InfoWorks ICM 模型作為優(yōu)越的城市雨洪模型，在城市內(nèi)澇模擬中得到了較為廣泛的應(yīng)用[10-11]，羅海婉等[12]基于InfoWorks ICM模型構(gòu)建了廣州市暴雨內(nèi)澇模型，研究不同降雨條件下城市淹沒面積、淹沒水深和災(zāi)害風險的變化情況；程濤等[13]基于高分辨率地表數(shù)據(jù)和InfoWorks ICM建立了適用于濟南市海綿城市示范區(qū)的城市雨洪模型，精細化描述研究區(qū)域的洪澇過程；葉陳雷等[14]以福州市江北城區(qū)及東北部山區(qū)為例，基于InfoWorks在城市尺度下建立水文水動力學耦合模型，提出了考慮水工建筑物及其調(diào)度規(guī)則的城市暴雨內(nèi)澇模擬方法。盡管近年來已有不少學者對城市內(nèi)澇問題進行了相關(guān)研究，但對于氣候變化對城市區(qū)域暴雨和排水系統(tǒng)影響的研究仍然較少[15-18]。一方面，由于城區(qū)地表的高不透水性和排水系統(tǒng)的布設(shè)會帶給城區(qū)特有的區(qū)域特性，這要求氣候變化的影響研究往往需要聚焦于更小的空間尺度(通常1～10 km2)和更精細的時間尺度(通常小于1 h)；另一方面，由于對氣候系統(tǒng)中復(fù)雜的非線性成分認識和描述的不足，對局部區(qū)域暴雨事件的描述和預(yù)估往往存在著很大的不確定性。

本文選取珠三角地區(qū)廣州市典型城區(qū)流域東濠涌流域為研究區(qū)，利用區(qū)域氣候模式預(yù)估未來時期(2030—2050年)輸出的年最大1 d降雨，結(jié)合Delta方法和年最大值法推求氣候變化情景下典型城市流域短歷時暴雨強度公式，利用Infoworks ICM城市雨洪模型分析未來時期城市排水系統(tǒng)承受的壓力，研究氣候變化可能對城市區(qū)域暴雨和排水系統(tǒng)帶來的影響，以期為未來城市規(guī)劃、城市防災(zāi)減災(zāi)、城市水資源規(guī)劃管理的科學決策提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

東濠涌流域位于廣州市越秀區(qū)，地勢北高南低，海拔高程在6～40 m之間，多年平均降水量約1 720 mm，降雨主要集中在6—8月，流域面積約12.39 km2。流域主要水系包括東濠涌和新河浦涌，其中東濠涌是珠江前航道廣州段的重要支流之一，發(fā)源于白云山南部山下的麓湖，流經(jīng)越秀區(qū)，在江灣大酒店旁匯入珠江前航道，河段全長約5 km[12]。

構(gòu)建城市洪澇仿真模型需要的資料主要包括管網(wǎng)、DEM數(shù)據(jù)、土地利用類型和河道斷面等基礎(chǔ)資料，率定與驗證模型主要需要雨量站數(shù)據(jù)、檢查井水位監(jiān)測數(shù)據(jù)和調(diào)研淹沒水深等[12]。研究區(qū)域雨量站、水位監(jiān)測點和典型內(nèi)澇點的分布如圖1所示。

圖1 東濠涌流域位置及典型內(nèi)澇點Fig.1 Location of the Donghaochong Watershed and typical waterlogging points

2 研究方法

2.1 未來短歷時降雨情景預(yù)估

城市設(shè)計暴雨是城市室外排水工程設(shè)計的重要依據(jù), 關(guān)系到工程的安全性和經(jīng)濟性，2000年以來，我國城市建設(shè)環(huán)境發(fā)生了較大變化, 加之氣候變化對城市降雨特性產(chǎn)生了較大影響，為此本文按照一般的城市設(shè)計暴雨制定方法，在氣候變化條件下推求未來設(shè)計暴雨[19-21]。

2.1.1區(qū)域氣候模式

采用國際理論物理中心發(fā)布的區(qū)域氣候模式RegCM4.6，該模式對中國區(qū)域的模擬能力較好[22-23]。RegCM4.6運行所需要的驅(qū)動場采用CMIP5模式GFDL-ESM2M的歷史時期(RF)、RCP4.5和RCP8.5情景。模式水平分辨率為20 km，垂直方向分為18層，模擬時間步長為45 s。歷史時期(RF)模擬時間為1979—2000年，未來時期模擬時間為2029—2050年，模擬第一年為模式預(yù)熱，不參與后續(xù)分析。模式參數(shù)化方案采用NCAR CCM3輻射傳輸方案、Grell積云參數(shù)化方案、BAT1e陸面參數(shù)化方案、Holtslag非局部邊界方案、Zeng海洋通量參數(shù)化方案、指數(shù)松弛邊界條件。

2.1.2年最大值法

根據(jù)GB 50014—2021《室外排水設(shè)計標準》暴雨強度公式編制方法的要求，暴雨強度公式編制采用年最大值法的基礎(chǔ)資料年限至少為20 a，有條件的地區(qū)可用到30 a以上系列[24]。本研究采用廣州市五山站1984—2013年的降水量數(shù)據(jù)，按照年最大值法，選取5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min共9個歷時作為有效暴雨資料樣本，樣本數(shù)據(jù)按從大到小的順序依次排列，計算每個歷時的降雨強度，推求暴雨強度公式。

2.1.3Delta方法

Delta方法是美國全球變化研究計劃推薦使用的未來氣候變化情景生成方法[2]。基本原理是首先計算未來情景下預(yù)估的降雨相對于基準期情景的改變，通常稱為改變因子(change factor，CF)，然后將得到的CF疊加到區(qū)域觀測的降雨序列上，得到區(qū)域未來降雨的預(yù)估值。CF和未來降雨的預(yù)估值計算公式為

PSk=POkC

(1)

其中

根據(jù)區(qū)域氣候模式動力降尺度輸出歷史時期與未來時期的年最大1d降水量結(jié)果，分別根據(jù)式(1)計算RCP4.5與RCP8.5情景下的CF，然后將CF值疊加在廣州市1984—2013年的降水量數(shù)據(jù)上，得到未來時期降水量的預(yù)估值。

2.1.4P-Ⅲ型分布模型

采用在水文頻率計算中廣泛應(yīng)用的皮爾遜Ⅲ型曲線進行水文頻率計算[25]，其密度函數(shù)為

(2)

其中

(3)

2.1.5氣候變化條件下暴雨公式參數(shù)求解及精度解析

GB 50014—2021《室外排水設(shè)計標準》暴雨強度公式的編制方法規(guī)定，在一般強度的地方，平均絕對方差不宜大于0.05 mm/min；在強度較大的地方，平均相對方差不宜大于5%。根據(jù)年最大值法及皮爾遜Ⅲ型適線得到的雨強-歷時-重現(xiàn)期(i-t-P)關(guān)系表，采用麥夸特優(yōu)化算法進行非線性回歸參數(shù)擬合，得到各情景暴雨公式參數(shù)及誤差值見表1。皮爾遜Ⅲ型適線在歷史時期(RF)和未來時期RCP4.5、RCP8.5情景下絕對均方差范圍為0.060～0.069 mm/min，相對均方差分別為3.35%、3.55%和2.77%，均不超過5%，總體擬合精度較好[24]。

表1 暴雨公式參數(shù)值及誤差Table 1 Parameter values and error of rainstorm formula

式(4)(5)(6)分別為RF、RCP4.5和RCP8.5情景下廣州市暴雨強度公式。根據(jù)芝加哥雨型，雨峰系數(shù)采用0.415，得到不同重現(xiàn)期下各情景設(shè)計暴雨過程見圖2。

(4)

(5)

(6)

由圖2可見，RCP4.5情景相對于RF情景，不同重現(xiàn)期下降雨強度峰值均呈現(xiàn)出增加的趨勢，增幅為0.073～0.319 mm/min，累積降水量增加4.37%～9.19%。RCP8.5情景相對于RF情景，降雨強度峰值在20 a重現(xiàn)期下增加1.591 mm/min，累積降水量在5種重現(xiàn)期下增幅為28.79%～33.15%。結(jié)果表明，未來時期在RCP4.5和RCP8.5情景下短歷時設(shè)計降雨強度和累積降水量均呈現(xiàn)出不同程度的增加趨勢，這將直接給排水系統(tǒng)帶來更大的壓力，從而導致洪澇災(zāi)害損失更為嚴重。

2.2 城市洪澇仿真模型構(gòu)建

2.2.1一維管網(wǎng)構(gòu)建

利用InfoWorks ICM城市雨洪模型構(gòu)建東濠涌流域排水系統(tǒng)模型時，需要對節(jié)點和管道連接進行概化處理[25]。一維模型主要包括檢查井、蓄水池、出水口3種，其中窨井、拐點、雨水篦子等概化為檢查井節(jié)點，湖泊和池塘概化為蓄水池，排水系統(tǒng)的末端出流口概化為出水口。模型概化后共得到2 997個節(jié)點、3 009條管道和38個出水口，普通管道的曼寧系數(shù)設(shè)置為0.013，河道曼寧系數(shù)設(shè)置為0.03。

2.2.2子匯水區(qū)劃分

子匯水區(qū)通過泰森多邊形法進行劃分，并根據(jù)實際情況調(diào)整，共劃分2 897個子匯水區(qū)。產(chǎn)流表面設(shè)定為房屋、道路和其他3種類型，不同類型產(chǎn)流表面相關(guān)屬性參數(shù)參照文獻[10]確定。

(a) P=1 a

2.2.3一二維模型耦合

東濠涌研究區(qū)域的一二維模型耦合涉及：①管道與河道的耦合，InfoWorks ICM河網(wǎng)模型與排水管網(wǎng)的耦合是將管道出水口移動至河道中心線；②管道與二維地面耦合，將處于2D區(qū)間內(nèi)的節(jié)點洪水類型設(shè)置為2D，將道路的網(wǎng)格進行加密處理，道路高程下降15 cm，房屋不劃分網(wǎng)格；③二維地面與河道的耦合，將2D區(qū)間和一維河道進行關(guān)聯(lián)。

2.2.4模型率定與驗證

采用實測降雨數(shù)據(jù)、檢查井水位和淹沒數(shù)據(jù)進行模型的驗證。兩場實測暴雨的降雨過程見圖3。20170715場次暴雨的降雨強度較小，調(diào)查沒有造成大范圍的淹沒，而20170915場次暴雨的降雨強度較大，產(chǎn)生的溢流節(jié)點較多，因此采用20170715場次暴雨進行節(jié)點水位校核，20170915場次暴雨進行地面淹沒水深校核。

采用納什效率系數(shù)ENS對構(gòu)建的東濠涌城市雨洪模型進行評價。圖4為20170715場次暴雨檢查井水位模擬結(jié)果，可見J1檢查井節(jié)點水位的ENS為0.690，J2檢查井節(jié)點水位的ENS為0.728，均大于0.6。對于20170915場次暴雨的地面淹沒水深進行模型驗證，結(jié)果見表2，可見澇點位置除黃華路誤差稍大外，其余位置的實測水深和模擬水深較為一致，說明模型的精度和可靠性較好，能夠用于后續(xù)研究。

(a) 20170715場次暴雨

(a) J1檢查井

表2 實測與模擬水深對比Table 2 Comparison of measured and simulated water depth

3 結(jié)果與分析

3.1 氣候變化對溢流節(jié)點的影響

圖5為重現(xiàn)期為2 a和20 a條件下RF、RCP4.5和RCP8.5情景下的溢流節(jié)點分布情況?？梢姡鄬τ赗F情景，RCP4.5和RCP8.5情景下東濠涌流域的溢流量和溢流節(jié)點數(shù)量均呈現(xiàn)出上升趨勢。在重現(xiàn)期為2 a的RCP4.5情景下，東濠涌流域溢流節(jié)點數(shù)量增加61個，增幅為2.049%，而在重現(xiàn)期為2 a的RCP8.5情景下，溢流節(jié)點數(shù)量增加330個，增幅為11.085%。由圖5(a)(b)(c)可見，重現(xiàn)期為2 a時，RF情景下溢流節(jié)點主要位于東濠涌東部(農(nóng)林下路區(qū)域)，節(jié)點溢流量大多在200 m3以下；RCP4.5情景下這一區(qū)域的最大溢流量和溢流節(jié)點數(shù)略有增加，但仍主要位于農(nóng)林下路區(qū)域；RCP8.5情景下，東濠涌流域普遍呈現(xiàn)出最大溢流量和溢流節(jié)點數(shù)增加的變化趨勢。重現(xiàn)期為20 a時，相對于RF情景，RCP4.5和RCP8.5情景下溢流量以及溢流節(jié)點數(shù)均呈現(xiàn)出顯著增加趨勢，溢流量節(jié)點增加百分比分別為2.217%和13.974%。結(jié)果表明，未來時期珠三角地區(qū)可能遭受更為不利的洪澇風險災(zāi)害，高排放情景會直接增加高風險地區(qū)洪澇風險的范圍。

(a) RF情景(2年一遇)

3.2 氣候變化對管道超載的影響

利用管道內(nèi)水深與管道深度的比值S來反映管道的超載狀態(tài)，S<0.5表示管道內(nèi)的水深小于管道深度的50%，處于完全不超負荷狀態(tài)；0.5≤S<0.8表示管道內(nèi)的水深為管道深度的50%～80%，處于基本不超負荷狀態(tài)；0.8≤S<1表示管道內(nèi)水深為管道深度的80%～100%；1≤S<2表示管道為滿載，水力坡度小于管道坡度，由于下游管道過流能力的限制而超負荷；S=2表示管道為滿載，由于管道本身過流能力限制而超負荷。表3、表4分別為RCP4.5情景和RCP8.5情景相對于RF情景下管道不同超負荷狀態(tài)長度和占管道總長度比例變化的情況。可見，相對于RF情景，在重現(xiàn)期為20 a、RCP4.5情景下，管網(wǎng)超負荷狀態(tài)為滿載的比例增幅為 1.59%，其中由于自身過流能力限制而超負荷的比例增幅為0.92%。在5種不同重現(xiàn)期、RCP8.5情景下，由于下游管道過流能力不足而滿載的管道增幅比例分別為3.13%、2%、2.14%、1.63%和2.17%，由于自身過流能力不足而導致管道滿載運行的比例均超過6%。這表明氣候變化將直接給排水管網(wǎng)帶來更大的負擔。

表3 RCP4.5情景相對于RF情景管道超負荷狀態(tài)Table 3 Pipeline overload status of RCP4.5 scenario compared with that of RF scenario

表4 RCP8.5情景相對于RF情景管道超負荷狀態(tài)Table 4 Pipeline overload status of RCP8.5 scenario compared with that of RF scenario

3.3 氣候變化對內(nèi)澇的影響

圖6為不同重現(xiàn)期及氣候情景條件下的內(nèi)澇空間分布，可以看出，在重現(xiàn)期為2 a時，RCP4.5和RCP8.5情景下淹沒深度增加，RCP8.5情景相比于RCP4.5情景更加顯著。在重現(xiàn)期為20 a時，內(nèi)澇事件更加顯著，尤其在RCP8.5情景下增加了一些新的內(nèi)澇點。

圖7(a)為RCP4.5情景相對于RF情景典型內(nèi)澇點最大積水深度變化情況，重現(xiàn)期為2 a時，最大積水深度增加幅度為0.005～0.055 m，增幅最大位于橫枝崗醫(yī)院；重現(xiàn)期為20 a時，最大積水深度增加幅度為0.003～0.034 m，增幅最大位于農(nóng)林下路。圖7(b)為RCP8.5情景相對于RF情景典型內(nèi)澇點最大積水深度變化情況，與RCP4.5情景相比，RCP8.5情景下最大積水深度增加更為顯著，其中農(nóng)林下路在重現(xiàn)期為1 a時最大積水深度增加最大，達到0.369 m，廣發(fā)銀行在重現(xiàn)期為5 a時最大積水深度增加最小，為0.020 m。結(jié)果表明，在氣候變化條件下，東濠涌城市排水系統(tǒng)會遭受更為嚴重的暴雨過程，由于排水管網(wǎng)過流能力的不足，出水口不能及時將雨水排出，雨水會積存在中下游河道附近，產(chǎn)生洪澇事件，而氣候變化造成降雨強度峰值和累積降水量均呈增加趨勢，使排水系統(tǒng)節(jié)點溢流量增加，超載管道比例增加，從而導致更不利的洪澇影響。

(a) RF情景(2年一遇)

(a) RCP4.5相對于RF情景

4 結(jié) 論

a.利用Delta法和年最大值法相結(jié)合，導出未來時期短歷時暴雨強度公式，結(jié)果表明，相對于RF情景，未來時期的RCP4.5和RCP8.5情景下短歷時設(shè)計降雨強度和累積降水量均呈現(xiàn)出不同程度的增加趨勢，這將直接給排水系統(tǒng)帶來更大的壓力，從而導致洪澇災(zāi)害損失更為嚴重。

b.利用InfoWorks ICM構(gòu)建了東濠涌流域排水系統(tǒng)模型，實現(xiàn)了管網(wǎng)一維水動力過程及地表二維水動力過程的耦合。利用實測降雨數(shù)據(jù)、檢查井水位和內(nèi)澇點淹沒數(shù)據(jù)對模型進行驗證，結(jié)果表明模擬的檢查井水位和內(nèi)澇點積水深度與實測較為吻合，模型的精度和可靠性較好，能夠反映東濠涌流域的水文過程。

c.RCP4.5和RCP8.5氣候變化情景相對于RF情景，在1 a、2 a、5 a、10 a和20 a 5種重現(xiàn)期條件下，溢流節(jié)點數(shù)量和溢流量呈現(xiàn)顯著的上升趨勢。氣候變化造成降雨強度峰值和累積降水量均呈增加趨勢，超載管道比例增加，而高排放情景將更顯著地增加溢流節(jié)點的數(shù)量、溢流量的幅度和超載管道的比例。

d.RCP4.5和RCP8.5情景下最大積水深度增加，RCP8.5情景相比于RCP4.5情景更加顯著。RCP8.5情景在重現(xiàn)期為2 a時，最大積水深度增加0.005～0.055 m；重現(xiàn)期為20 a時，最大積水深度增加0.003～0.034 m。這一結(jié)果表明未來時期珠三角地區(qū)可能遭受更為不利的洪澇風險災(zāi)害。