南昌市城區(qū)極端暴雨洪澇應(yīng)對研究

孫建豪 SUN Jian-hao；王瑯瑯 WANG Lang-lang；粟一帆 SU Yi-fan

（①南京富賽安全技術(shù)有限公司，南京 210000；②南京瑞迪水利信息科技有限公司，南京 210029；③南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

0 引言

特殊地理位置和季風(fēng)氣候的影響，決定了我國是一個洪澇災(zāi)害嚴重的國家?！?020 年全球自然災(zāi)害評估報告》顯示：2020 年我國共發(fā)生較大洪水災(zāi)害193 次，直接經(jīng)濟損失515 億美元。進行城市洪澇災(zāi)害分析，對保障社會經(jīng)濟和居民生命財產(chǎn)意義重大。

南昌市地處我國南方洪澇災(zāi)害頻發(fā)區(qū)，局部暴雨洪澇災(zāi)害幾乎年年都有，且季節(jié)性強。為應(yīng)對南昌市洪澇災(zāi)害風(fēng)險，黃毅用多源數(shù)據(jù)對南昌市進行洪澇風(fēng)險等級評估[1]；程朋根，黃毅基于AHP-熵權(quán)法對南昌市洪澇風(fēng)險進行評估[2]；萬一帆研究城市化進程對暴雨內(nèi)澇的影響[3]；劉鑫對南昌市災(zāi)害風(fēng)險研判及對策建議[4]。

為貫徹執(zhí)行習(xí)近平總書記提出的新時代防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)“兩個堅持、三個轉(zhuǎn)變”新理念，總結(jié)“7·20 鄭州特大暴雨”洪澇災(zāi)害經(jīng)驗和教訓(xùn)，科學(xué)掌握極端暴雨發(fā)生時城市洪澇風(fēng)險，提高城市應(yīng)對極端暴雨洪澇災(zāi)害的能力。本文利用一二維耦合水文水動力數(shù)值模型，開展南昌市城區(qū)極端暴雨洪澇應(yīng)對研究，模擬不同場景下城市淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等風(fēng)險要素，明確極端暴雨情景下南昌市洪澇災(zāi)害高風(fēng)險地區(qū)，為南昌市洪澇災(zāi)害防控提供理論支撐。

1 區(qū)域概況

南昌市地處江西省中部偏北，贛江、撫河下游，鄱陽湖南岸濱湖尾閭地區(qū)。位于東經(jīng)115°27′～116°35′，北緯28°10′～29°11′，本文以南昌市城區(qū)防洪應(yīng)急總體預(yù)案涉及的城區(qū)排澇區(qū)劃范圍為研究對象，包含昌北治澇片區(qū)、昌南治澇片區(qū)，建設(shè)范圍約為832.67km2，研究區(qū)域范圍見圖1。探究區(qū)域在遭遇極端暴雨（初定標(biāo)準(zhǔn)：1 小時面雨量200mm，24 小時面雨量400mm，72 小時面雨量600mm）的洪水風(fēng)險。

圖1 研究范圍示意

2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建與率定

2.1 基本框架

本文通過構(gòu)建南昌市一二維耦合水文水動力數(shù)值模型，分析南昌市城區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險現(xiàn)狀。一二維耦合水文水動力數(shù)值模型主要包括產(chǎn)流模型、匯流模型、一維河網(wǎng)～管網(wǎng)模型及二維地面洪水驗算模型。

本項目選用Horton 模型進行南昌市城區(qū)產(chǎn)流計算。Horton 模型提出了著名的下滲公式，由小型集水區(qū)滲透計算得到，通常表達為時間的函數(shù)：

式中：f0為初始下滲率（mm/h）；fc為最終下滲率（mm/h）；k 為指數(shù)項參數(shù)（1/h），累計滲透量為：

選用SWMM 模型計算匯流。該模型為美國開發(fā)的非線性水庫模型，通常與Horton 模型連用。采用非線性水庫和運動波方程（非線性水庫方法）計算坡面流，該方法需定義子集水區(qū)寬度和地面曼寧粗糙系數(shù)。分別對子集水區(qū)的各個表面進行匯流計算。

一維河網(wǎng)～管網(wǎng)的洪水運動用St.Vennant 方程組描述，其上、下游邊界的控制條件一般采用水位過程控制、流量過程控制、流量～水位關(guān)系控制等形式。由基本方程St.Vennant 方程、邊界條件和初始條件共同組成一維水流運動的定解問題。描述河道水動力過程的一維圣維南方程組由連續(xù)方程和動量方程組成：

式中：x，t 分別為河道縱向坐標(biāo)及時間；n 為糙率系數(shù)；Q、Z 分別為斷面流量及水位；q 為單位河長的旁側(cè)入流量；A 為過水?dāng)嗝婷娣e；u、R 分別為過水?dāng)嗝嫫骄魉偌八Π霃?；g 為重力加速度；Bt=B+Bw，其中B 和Bw分別為河寬和附加灘地寬度。

這里，Z、v 分別為初始流場各點的水位和流速值，一般流速場取為靜止場，水位則取控制斷面的水位值。對于非恒定流計算，先按恒定流計算，得到一個恒定場，作為初始場。

二維模型采用二維有限體積法求解淺水流方程組。

2.2 模型構(gòu)建

本研究模擬的范圍包括灣里區(qū)、新建區(qū)、東湖區(qū)、西湖區(qū)、青云譜區(qū)和青山湖區(qū)，共6 個行政區(qū)，計算面積共832.67km2。

根據(jù)《水力學(xué)手冊》《南昌市城市防洪規(guī)劃》《河道整治規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)參考文獻，擬定河道糙率值為0.02～0.04。（圖2）

圖2 南昌市一二維耦合水文水動力模型

2.3 模型率定及驗證

選取2018 年7 月5 日～8 日南昌站的降雨過程進行模型率定，2020 年進行驗證。從結(jié)果來看，模型計算的水位變化過程與相應(yīng)站點實測水位基本一致，水文變化趨勢、最高洪水位到達時間基本一致。因此，模型采用此次調(diào)試的參數(shù)作為水動力學(xué)模型計算的參數(shù)。（圖3、圖4）

圖3 2018 年8 月降雨

圖4 2020 年7 月暴雨

3 內(nèi)澇風(fēng)險模擬

本項目計算南昌市發(fā)生極端暴雨時城市的洪澇風(fēng)險，設(shè)置1 小時200mm、24 小時400mm 與72 小時600mm 等3 類計算方案、6 組計算工況，計算方案情況見表1。

表1 計算工況表

基于南昌市城市洪澇風(fēng)險分析模型，采用上述工況計算邊界進行南昌市城區(qū)暴雨內(nèi)澇風(fēng)險計算。計算結(jié)果如表2 所示，城區(qū)淹沒面積分別為148.91km2（工況1），140.38km2（工況2），146.97km2（工況3），127.93km2（工況4），180.73km2（工況5）和176.49km2（工況6）。城區(qū)內(nèi)淹沒水深大部分小于0.3m，淹沒水深小于0.3m 的面積占總淹沒面積的40.20%（工況1），43.08%（工況2），33.44%（工況3），38.82%（工況4），30.81%（工況5）和32.05%（工況6）；工況5 高淹沒水深區(qū)域的面積范圍最大。

表2 暴雨內(nèi)澇風(fēng)險要素統(tǒng)計表

通過數(shù)值模擬計算及城市洪澇風(fēng)險分析發(fā)現(xiàn)，南昌市淹沒水深大的區(qū)域主要集中在臨空經(jīng)濟區(qū)、儒樂湖新城、經(jīng)開區(qū)、鳳凰洲、象湖排水片、吳公廟和航空城7 個區(qū)域，區(qū)域分布見圖5，對于風(fēng)險較大的區(qū)域在發(fā)生極端暴雨時可采取應(yīng)急強排措施。

圖5 南昌市城區(qū)淹沒水深較大區(qū)域

4 結(jié)論

①城市遭遇短歷時強降雨情況，城市內(nèi)排澇工程來不及外排贛江，短歷時強降雨應(yīng)對主要是加強應(yīng)急搶險。

②洪澇災(zāi)害高風(fēng)險地區(qū)均為：昌北經(jīng)開區(qū)排水區(qū)、昌北紅谷灘排水區(qū)、昌北鳳凰洲排水區(qū)、機場排水區(qū)以及昌南航空城排水區(qū)。