浙江典型濱海城市復(fù)合致災(zāi)因子洪澇模擬及淹沒分析

吳宗陽，吳曉翔，林源君，商華嶺

(1.龍游縣林業(yè)水利局，浙江 龍游 324400；2.浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心，浙江 杭州 310012；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

復(fù)合洪澇災(zāi)害是指洪、潮、暴雨等多個致災(zāi)因子同時或關(guān)聯(lián)出現(xiàn)而產(chǎn)生的災(zāi)害[1-3]。我國大多數(shù)濱海城市的洪澇損失呈明顯上升趨勢，防洪與減災(zāi)體系建設(shè)面臨城市型洪澇的壓力與挑戰(zhàn)，內(nèi)澇風(fēng)險顯著加劇[4]。在濱海城市內(nèi)部復(fù)雜空間分布下，如何精確模擬的洪水演進過程至關(guān)重要。

由于濱海城市坡面匯流流程縮短，水文響應(yīng)單元更加破碎化、水動力學(xué)特性發(fā)生改變，以及復(fù)雜的致災(zāi)機制、下墊面硬化、不透水面積增加等因素，使得產(chǎn)匯流過程模擬難度增大、模型計算效率不高[5]。付成威[6]、耿艷芬[7]、劉薇[8]、喻海軍[9]等構(gòu)建一、二維耦合水動力模型，引入隱式的雙時間算法等，顯著提升了模型的準(zhǔn)確性和計算效率。濱海城市雨水排水管網(wǎng)分布和流態(tài)、地面徑流和地下管流交換情況等方面十分復(fù)雜[10]，需要對濱海城市內(nèi)澇治理具有重要現(xiàn)實意義，需要考慮城市管網(wǎng)匯流過程，構(gòu)建完整的洪水分析模型模擬洪澇過程。因此，在洪水模擬和淹沒分析時，有必要構(gòu)建一維河網(wǎng)匯流模型、地下管網(wǎng)匯流模型和二維地表產(chǎn)匯流模型并耦合，實現(xiàn)更為精細、準(zhǔn)確的洪水演進過程模擬。本文利用地形數(shù)據(jù)、河網(wǎng)和管網(wǎng)數(shù)據(jù)等構(gòu)建濱海城市洪澇分析模型，研究臺風(fēng)暴雨、洪水、高潮位等復(fù)合情景下的內(nèi)澇淹沒情況，為濱海城市洪水風(fēng)險管理、抵御臺風(fēng)暴雨提供技術(shù)支撐。

表1 流域內(nèi)積水點及成因分析

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

杭州市錢塘區(qū)下沙片區(qū)臨近錢塘江入海口，研究區(qū)域(見圖1)總面積約為90 km2，地勢平坦，高程約為5～6 m，現(xiàn)狀河道縱橫交錯呈網(wǎng)格狀分布，共計36條，總長158.987 km，水域總面積19.22 km2，容積11 867.32萬m3。排澇系統(tǒng)相對獨立，主要依靠河道和地下排水管網(wǎng)，向錢塘江排泄。水利工程現(xiàn)狀分為沿江排澇口門工程和內(nèi)河水位控制工程兩大部分。其中沿江排澇口門工程主要有：四格排灌站、850排澇閘和下沙排澇閘站；內(nèi)河水位控制工程是各河道上建設(shè)的節(jié)制閘等工程。

圖1 研究區(qū)域范圍

隨著城市發(fā)展，近年來區(qū)域內(nèi)建筑物密度變大、河底高程偏高、河道淤積情況嚴(yán)重等原因，部分地段時常發(fā)生積淹水情況。通過歷史調(diào)查資料整理，對流域內(nèi)積水點分布與成因分析見表1。

1.2 水動力學(xué)模型原理

IFMS是國內(nèi)目前實用性、通用性較高的洪水分析軟件，集成了SWMM管網(wǎng)模型，基于自主研發(fā)的GIS平臺實現(xiàn)了一、二維模型的耦合[11]。在城市暴雨內(nèi)澇模擬、城市實時洪水風(fēng)險分析與監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)等方面均有較好的效果。因此，本文選用IFMS軟件構(gòu)建下沙區(qū)域洪水分析模型，能夠?qū)崿F(xiàn)河網(wǎng)匯流模擬、管網(wǎng)水流模擬、城市地表與地下管網(wǎng)的水流交互，準(zhǔn)確反映濱海城市洪水淹沒情況。

建立覆蓋研究區(qū)域90 km2范圍的一維河網(wǎng)模型，直觀反映下沙區(qū)域河道洪水演進過程；對排水管網(wǎng)資料進行概化，對主干管道、檢查井、排水口等進行處理，建立地下管網(wǎng)匯流模型；利用尺度精細的實測地形圖、高精度DEM構(gòu)建精細化二維地表模型，模擬地表水位、水流變化。將河道與地表模型進行耦合，應(yīng)用并行計算的模型技術(shù)，實現(xiàn)更為精確的洪水情景模擬。

(1)一維河網(wǎng)模型。采用圣維南方程組模擬河道水流運動，其連續(xù)方程及動量方程為

(1)

(2)

式中，q為旁側(cè)入流，(m3·s-1)/m；Q為河道斷面流量，m3/s；A過水面積，m2；B為河寬，m；Z為水位，m；g為重力加速度，m/s2；Vx為旁側(cè)入流流速在水流方向上的分量，一般可以近似為零；K為流量模數(shù)，反映河道的實際過流能力；α為動量校正系數(shù)，反映河道斷面流速分布均勻性。

(2)地下管網(wǎng)模型。地下管網(wǎng)排水系統(tǒng)由雨水口、管渠和排水口等組成。地下管網(wǎng)排水情況是城市遭遇洪水產(chǎn)生內(nèi)澇、淹沒的重要影響因素。IFMS模型是利用有限差分法，數(shù)值求解動力波法的圣維南方程組實現(xiàn)對管網(wǎng)匯流的計算，對管道的節(jié)點使用水量平衡方程，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬管渠的蓄變、有壓流動等的不同情景。管渠水流運動的連續(xù)方程與動量方程為

(3)

(4)

式中，Q為流經(jīng)管道的水量，m3/s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；t為時間，s；x為水流流經(jīng)管道的距離，m；H為管道的水深，m；Sf為摩阻系數(shù)，即

(5)

式中，K=gn2，n為曼寧系數(shù)；R為水力半徑，m；V為流速，絕對值是指阻力方向與水流前進方向相反，m/s。

(3)二維地表模型。采用水深平均的二維淺水方程描述水流在地表的演進與淹沒，將河道兩側(cè)堤防外區(qū)域按照地形地勢劃分為二維網(wǎng)格；而對于河道堤防則采用溢流單元來處理。水深平均的二維淺水方程可以簡寫為

(6)

(7)

(8)

式中，h為水深；u為x方向的流速；v為y方向的流速；sx，sy為源項。采用Godunov法[11]對上述的微分方程進行數(shù)值離散。

1.3 一維、二維模型耦合

一維河網(wǎng)模型、二維地表模型的耦合，分析并建立河道斷面和地表網(wǎng)格之間的關(guān)系，用于模擬沿河匯入或者漫溢。根據(jù)水流交換的方向，水平方向上耦合連接分為以下2種：側(cè)向連接和正向連接。側(cè)向連接使用的是堰流公式進行計算，正向連接是網(wǎng)格之間互相提供邊界進行計算，包括水位、流量、高程等。2種方式全方位地將河網(wǎng)模型和地表產(chǎn)匯流模型耦合，符合水流運動物理過程。

2 城市洪澇水動力學(xué)模型建模

基于下沙地區(qū)河道斷面信息、堤防高程數(shù)據(jù)，建立一維河道模型(見圖2)；以DEM數(shù)字高程模型為依據(jù)，充分考慮建筑物、道路等工程的阻水及導(dǎo)水影響，建立二維地表模型。一維、二維模型進行耦合的主要步驟有：

(1)地表建筑物及河道、管道概化。下沙區(qū)為高度城市化的區(qū)域，流域內(nèi)建筑密集，對水流有阻擋作用，在模型中的處理思路是先劃除建筑物再進行模擬。建立模型時劃出建筑物輪廓并在模擬范圍中將建筑物排除在外，只考慮建筑物對水流的阻擋作用，不考慮建筑物內(nèi)部淹沒作用；同時，河道作為重要的泄洪通道，道路作為通行通道，實際中不可積水。將管網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)學(xué)模型，檢查、修正并對缺失的數(shù)據(jù)進行合理化推斷，主要包含管道斷面形狀、材質(zhì)、長度、底高程和路面高程匹配等，見圖3。管網(wǎng)模型構(gòu)建完成后，需要進行拓撲關(guān)系檢查。對管道連接以及管網(wǎng)與河網(wǎng)連接的高程、位置等數(shù)據(jù)核對，保證模型關(guān)系準(zhǔn)確。

(2)邊界條件確定。設(shè)置二維模型的邊界為固邊界，雨水只能通過地下管網(wǎng)和內(nèi)河河道排到流域外。內(nèi)邊界是區(qū)域內(nèi)可人為調(diào)節(jié)水流運動的工程設(shè)施，包括閘、壩、泵的調(diào)度原則和運行方式；外邊界是設(shè)計暴雨或?qū)崪y暴雨過程，以及錢塘江水位過程。

(3)網(wǎng)格劃分。二維模型網(wǎng)格劃分的平均邊長約為31 m，網(wǎng)格數(shù)100 840個，在建筑物密集區(qū)域、道路區(qū)域等重要區(qū)域的網(wǎng)格根據(jù)建筑物邊界和道路邊界自動加密，最小邊長可達9 m，將地面高程賦值到劃分好的網(wǎng)格之中(見圖4)。以上的網(wǎng)格劃分方法既提高了道路、建筑物等重要區(qū)域的計算精度，又保證了模型整體的計算效率。

圖2 一維河網(wǎng)模型概化斷面

圖3 地下管網(wǎng)模型概化斷面

(4)參數(shù)率定。按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)選定參數(shù)范圍，選擇2020年、2021年3場有實測水位數(shù)據(jù)和淹沒調(diào)查報告的洪水，率定精細化多維耦合模型的有關(guān)參數(shù)，主要指河道糙率、管道糙率等。若某段河道或管道缺少實測數(shù)據(jù)，可以結(jié)合其他類似建造材質(zhì)和斷面形狀的河道的糙率，近似選取合理數(shù)值，地表網(wǎng)格面積系數(shù)和糙率按照土地利用類型確定。

模擬在20200917、20210723(臺風(fēng)“煙花”)、20210813歷史洪水發(fā)生時的河道水位變化及地表淹沒過程，根據(jù)選定的3個水位站實測水位進行對比，模擬結(jié)果滿足絕對誤差不超過±0.2 m，相對誤差不超過10%，納什效率系數(shù)(NSE)不低于0.70。率定洪水模擬效果分析見表2。

3 洪水情景模擬分析

洪水來源包括區(qū)域暴雨洪水和錢塘江高潮位。結(jié)合致災(zāi)因子、水利工程調(diào)度的影響，提出2大類情景方案，共計6組(見表3)。

3.1 洪潮組合情景模擬

3.1.1 水文計算

根據(jù)地理位置和權(quán)重分析，下沙地區(qū)水文分析計算的代表站是錢塘江倉前站。按年最大值選樣的方法，統(tǒng)計倉前站的1、3 d暴雨。倉前站暴雨系列選用1953年～2013年，進行經(jīng)驗頻率計算，按P-Ⅲ型曲線適線擬合，求得倉前各重現(xiàn)期設(shè)計暴雨。最大24 h設(shè)計雨量采用最大1 d設(shè)計雨量的1.13倍。

(1)設(shè)計暴雨，成果見表4。

圖4 二維地表模型網(wǎng)格劃分及高程賦值

表2 率定洪水模擬效果分析

表3 洪澇模擬方案設(shè)置

表4 倉前站設(shè)計暴雨成果

(2)設(shè)計潮位。選擇略高于多年平均年最高值的2013年10月“菲特”臺風(fēng)作為偏不利設(shè)計潮型，以倉前站多年平均年最高潮位為控制要素同倍比放大，作為設(shè)計洪水方案的潮位過程(見圖5)。

圖5 設(shè)計洪水方案下邊界潮位過程

3.1.2 淹沒結(jié)果分析

為了探究下沙區(qū)城區(qū)目前的防洪能力，根據(jù)耦合模型按照方案運行后的結(jié)果，分別對5年至100年一遇5種洪潮組合情景淹沒情況進行比較，統(tǒng)計分析各方案淹沒范圍及淹沒水深如表5所示。

表5 不同方案下淹沒情況對比及不同洪澇情景下河道預(yù)降水位建議

現(xiàn)狀工程水平下，當(dāng)?shù)貐^(qū)遭遇20年一遇暴雨，區(qū)域內(nèi)河道水位在5.12～5.16 m間，其中南部建成區(qū)最高水位5.16 m，基本滿足20年一遇排澇要求；當(dāng)?shù)貐^(qū)遭遇50年一遇暴雨，下沙片河道水位在5.42～5.57 m之間，其中南部建成區(qū)最高水位5.57 m，出現(xiàn)排水困難，不能滿足城市50年一遇排澇要求。

圖6為發(fā)生100年一遇設(shè)計暴雨+潮位淹沒時的情形。由圖6可以看出，下沙東部科技城、加工區(qū)等生產(chǎn)基地淹沒深度較大，附有倉庫、公寓等重要保護對象。遭遇較高標(biāo)準(zhǔn)暴雨時，存在洼地區(qū)域淹沒深度可達0.5 m以上，淹沒歷時3 h以上，極易產(chǎn)生財產(chǎn)損失和生命安全威脅。

圖6 發(fā)生100年一遇設(shè)計暴雨+潮位淹沒的情形

圖7 “菲特”臺風(fēng)情景下現(xiàn)狀淹沒情況

3.2 歷史洪水情景模擬

“菲特”臺風(fēng)帶來的降雨造成區(qū)域內(nèi)19個路段局部路面積水，影響車輛通行，但主干道路未出現(xiàn)嚴(yán)重積水(見圖7)。全區(qū)道路交通和生產(chǎn)生活受到了一定程度的影響。以“菲特”臺風(fēng)實際發(fā)生的降雨和錢塘江潮位作為邊界條件，模擬現(xiàn)狀工程及調(diào)度規(guī)則、下墊面條件下產(chǎn)生的淹沒情況。

根據(jù)模型模擬結(jié)果，金沙運河二通道橋下、金沙湖隧道、繞城高速下道路交叉橋涵淹沒深度達0.5 m以上，杭州科技園和大學(xué)城仍可能產(chǎn)生嚴(yán)重內(nèi)澇。這主要是由于地勢低洼、抽排能力不足導(dǎo)致長時間積水排泄不暢，也體現(xiàn)出了該地區(qū)防災(zāi)能力的不足。

3.3 洪澇防御建議

當(dāng)面臨暴雨洪水時，為預(yù)防城區(qū)內(nèi)可能產(chǎn)生的內(nèi)澇情況，應(yīng)當(dāng)提前對河網(wǎng)常水位進行控制。預(yù)報有較大暴雨發(fā)生時，下沙河道水位應(yīng)采取預(yù)排措施，控制降雨發(fā)生前河網(wǎng)水位不高于3.8 m。根據(jù)“菲特”臺風(fēng)淹沒情況分析，50年一遇及以上強降雨遭遇外江天文大潮，應(yīng)在暴雨來前預(yù)降水位至3.2 m；需在接到兩方面預(yù)報后，及時采取河道水位預(yù)降、開啟排澇泵站等預(yù)先防御措施(見表5)。

洪澇災(zāi)害具有突發(fā)性，較難準(zhǔn)確預(yù)知災(zāi)情，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)淹沒圖中的積水位置和淹沒深度，及時做好避險轉(zhuǎn)移預(yù)案，在重點保護對象學(xué)校、醫(yī)院等地區(qū)提前規(guī)劃好防洪避災(zāi)安置點；要持續(xù)優(yōu)化排澇通道和設(shè)施設(shè)置，定期整治；對淹沒點周邊的雨水口、排水管渠進行改造，也可以合理增設(shè)排水系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

我國濱海城市密集、人口眾多，海岸線廣闊，常年受太平洋臺風(fēng)影響，易產(chǎn)生大規(guī)模暴雨天氣；同時也是大多數(shù)河流的入?？?，潮汐對水位作用顯著，極易產(chǎn)生洪、潮、暴雨等造成的復(fù)合洪澇災(zāi)害。本文根據(jù)研究區(qū)域的致災(zāi)因子搭建城市洪水分析模型，設(shè)置不同情景方案進行洪水模擬，繪制洪水淹沒圖，預(yù)判現(xiàn)狀條件下的內(nèi)澇淹沒影響。因此，濱海城市需要依據(jù)水動力學(xué)模型繪制洪水淹沒圖，全面關(guān)注可能受災(zāi)地點，從外部防洪擋潮措施以及內(nèi)河整治與防洪常水位控制規(guī)劃，做好合理調(diào)度、人員避險轉(zhuǎn)移工作，為防洪排澇治理、城市發(fā)展規(guī)劃等提供指導(dǎo)，有效應(yīng)對洪水威脅，提高災(zāi)害防御能力。