雨潮共同作用下濱海城鎮(zhèn)洪澇模擬研究
——以珠海市高新區(qū)為例

丁 燦，練偉航，何書琴，岑棟浩

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州 510641；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635)

1 概述

近年來由于氣候變化，由極端降雨引起的洪澇災(zāi)害日益頻繁。根據(jù)中國水旱災(zāi)害防御公報[1]，自2010年尤其是2015年以來，我國每年超過警戒水位的河流數(shù)量呈快速上升趨勢。伴隨著城市化進(jìn)程加速導(dǎo)致的下墊面改變以及極端天氣的日益頻繁，沿海區(qū)域城市的洪澇災(zāi)害威脅與日俱增[2]。導(dǎo)致沿海區(qū)域城市洪澇災(zāi)害主要有3種因素：一是外江洪水，沿海地區(qū)地勢平坦，同時受外海潮水頂托影響，導(dǎo)致河道行洪不暢，從而導(dǎo)致外江洪水漫溢或堤防潰決[3]；二是外海風(fēng)暴潮，以我國珠江三角洲為例，1949年以來直接在伶仃洋沿海登陸的臺風(fēng)就超過30次，風(fēng)暴潮嚴(yán)重威脅沿岸城市人民的生命財產(chǎn)安全[4]；三是暴雨引起的城市內(nèi)澇，隨著城市化的快速推進(jìn)，城市下墊面狀況發(fā)生顯著變化，不透水區(qū)域面積快速增加，導(dǎo)致城市產(chǎn)流進(jìn)程加快，匯流量增加，從而增加了城市內(nèi)澇的風(fēng)險[5-7]。

沿海地區(qū)人口稠密，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，日益嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害給世界各國沿海地區(qū)帶來了極大的財產(chǎn)損失[8]。近年來，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者針對沿海區(qū)域洪澇災(zāi)害展開了研究。Staneva等[9]利用WAM波浪模型研究了極端風(fēng)暴事件期間風(fēng)、波浪、潮汐力對德國沿海地區(qū)海平面變化的影響。Wahl等[10]以美國紐約市為例，研究了風(fēng)暴潮和強(qiáng)降雨共同作用下沿海低洼地區(qū)發(fā)生洪澇災(zāi)害的風(fēng)險性。王尚偉[11]通過MIKE軟件構(gòu)建一、二維耦合水動力模型模擬了雨潮共同作用下的城鎮(zhèn)內(nèi)澇。劉家宏等[12]利用TELEMAC-2D模型研究了福建省廈門市在不同降雨和潮位組合條件下的內(nèi)澇積水情況。趙昀皓[13]等以廣州市海珠區(qū)為例，基于洪澇風(fēng)險圖分析內(nèi)澇風(fēng)險情況并提出相應(yīng)措施。劉燦[14]基于SWMM軟件研究了城市下墊面改變對城市內(nèi)澇產(chǎn)生的影響。

本文以珠海市高新區(qū)為例，針對當(dāng)?shù)孛媾R的雨潮共同作用下的復(fù)雜洪澇態(tài)勢，構(gòu)建一、二維耦合的水動力學(xué)模型，根據(jù)不同雨潮組合工況模擬淹沒范圍及水深分布，并將模擬結(jié)果與歷史易澇點(diǎn)位置進(jìn)行比對以驗(yàn)證其合理性，以期為當(dāng)?shù)胤篮楸茈U預(yù)案的制定提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)域

珠海市地處西江下游濱海地帶，瀕臨南海，東隔伶仃洋與深圳、香港相望，西鄰新會、臺山，北與中山、新會接壤，南連澳門半島，陸地沿海岸線全長195 km，珠江八大出海口中的磨刀門、雞啼門、虎跳門、崖門自東向西依次分布；境內(nèi)河流眾多，西江諸分流水道與當(dāng)?shù)睾佑靠v橫交織，屬典型的三角洲河網(wǎng)區(qū)。珠海市為多雨地區(qū)，降雨充沛，平均年降雨日達(dá)130 ～150 d。水汽源地主要是西南方向的印度洋孟加拉灣和東南方向的太平洋以及南部的南海。4—9月為雨季，前期(4—6月)盛吹西南風(fēng)，水汽充沛，與南下冷空氣相遇，常出現(xiàn)強(qiáng)降雨過程，后期(7—9月)東南季風(fēng)占優(yōu)勢，太平洋及南海生成的熱帶氣旋帶來大量水汽，形成強(qiáng)暴雨。10月—次年3月盛行東北風(fēng)，為旱季。根據(jù)實(shí)測資料統(tǒng)計，珠海市域內(nèi)大陸地區(qū)多年平均降雨量變幅為1 760～2 325 mm，呈現(xiàn)由南向北遞減的地區(qū)分布特征。

本次研究區(qū)域位于珠海市高新區(qū)，面積約為71 km2，北邊界為珠海市與中山市行政區(qū)界，南邊界為正坑水庫，西邊界為廣澳高速公路，東邊界為情侶路海堤。區(qū)域東部臨海地勢較為平緩，隔海與淇澳島相望。研究范圍內(nèi)的線狀工程主要包括橋梁、涵洞、公路、鐵路等。其中，鐵路主要有廣珠城軌軌道動車鐵路；主要公路包括京珠高速公路廣珠段(G4W廣澳高速公路)、G105國道、S111省道、S268省道、S366省道(研究區(qū)域位置及地形分布見圖1)。

圖1 研究區(qū)域位置及地形分布示意

3 數(shù)值模型構(gòu)建

3.1 數(shù)值模型

本次研究采用MIKE11(一維)和MIKE21(二維)的動態(tài)耦合FLOOD水動力學(xué)模型進(jìn)行防洪保護(hù)區(qū)的洪水計算分析，其中MIKE11主要應(yīng)用于模擬防洪保護(hù)區(qū)圍內(nèi)城市排洪渠等內(nèi)河涌的行洪和排澇，MIKE21主要用于模擬防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)漫溢海水和暴雨內(nèi)澇洪水的傳播。

3.1.1一維數(shù)值模型

一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的基本方程為描述水流運(yùn)動的一維明渠非恒定流Saint-Venant方程組：

(1)

式中：

x、t——分別為距離和時間的坐標(biāo)；

A——過水?dāng)嗝婷娣e；

Q——流量；

h——水位；

q——旁側(cè)入流流量；

C——謝才系數(shù)；

R——水力半徑；

α——動量校正系數(shù)；

g——重力加速度。

3.1.2二維數(shù)值模型

平面二維水動力模型控制方程采用淺水方程組，包括水流連續(xù)方程和水流運(yùn)動方程：

(2)

(3)

(4)

其中：

h——水深；

u、v——x和y方向的流速，M=uh，N=vh；

zb——河床高程，

n——Manning糙率系數(shù)；

γt——紊動粘性系數(shù)。

3.2 一維斷面和二維網(wǎng)格劃分

研究范圍內(nèi)排洪渠一維模型的計算斷面間距控制在200～500 m之間，渠寬較小的河段斷面間距適當(dāng)縮小，使計算斷面間距與河寬相匹配，河道形態(tài)變化顯著的河段和有攔河工程(橋、閘、壩、堰等)的位置斷面適當(dāng)加密。

需要指出的是，由于需要考慮外海風(fēng)暴潮影響，因此對研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分時納入了外海部分區(qū)域(其中淇澳島不在計算范圍內(nèi))。采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格對研究范圍進(jìn)行剖分，網(wǎng)格劃分按照網(wǎng)格最大面積不大于0.01 km2設(shè)定。模型網(wǎng)格剖分時充分考慮公路線狀物走向，按道路實(shí)際高程對網(wǎng)格進(jìn)行插值，對其他基本與地面齊平或不超過地面高程0.5 m的，網(wǎng)格剖分不進(jìn)行特殊處理，僅考慮在該區(qū)域適當(dāng)增加糙率系數(shù)。本次非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)共計22 923個，最大三角形網(wǎng)格面積為10 000 m2，最小三角形面積為6 500 m2，平均每個三角形網(wǎng)格的面積為7 097 m2。網(wǎng)格插值采用的高程點(diǎn)由1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)提取。本次插值地形數(shù)據(jù)的散點(diǎn)間距為10 m。地形插值采用自然臨近法。插值后結(jié)合調(diào)研和補(bǔ)充測量數(shù)據(jù)對局部網(wǎng)格地形進(jìn)行修正(網(wǎng)格剖分結(jié)果見圖2)。對于研究范圍內(nèi)的排澇設(shè)施，本次研究工作利用一維模型考慮研究范圍內(nèi)的排洪渠，并根據(jù)各水閘的調(diào)度計劃利用Mike模型中的調(diào)度模塊模擬了各水閘的運(yùn)行。但由于缺乏資料，本研究未考慮地下排水管網(wǎng)。

圖2 研究區(qū)域網(wǎng)格劃分示意

3.3 計算組次及邊界條件

由于研究區(qū)域基本不受外江洪水影響，因此本研究考慮的洪水來源主要為外海風(fēng)暴潮和暴雨內(nèi)澇兩種。根據(jù)所搜集研究區(qū)域附近的竹仙洞雨量站和燈籠山潮位站1985—2014年間逐日降雨及潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行雨潮遭遇分析，結(jié)果表明，當(dāng)竹仙洞雨量站發(fā)生年最大24 h降雨量時，除2001年、2012年燈籠山站潮位頻率為28.87%、12.76%外，與其遭遇的燈籠山站潮位重現(xiàn)期基本不足2 a一遇(頻率>50%)，而當(dāng)燈籠山潮位站遭遇年最大高潮位時，除2001年遭遇的降雨頻率為45.99%外，與其遭遇的竹仙洞站降雨頻率也均不足2 a一遇(頻率>50%)?；谟瓿痹庥龇治鼋Y(jié)果，確定以下計算工況：以潮為主時，考慮外海分別發(fā)生50 a、100 a、200 a一遇潮位，研究范圍內(nèi)發(fā)生5 a一遇暴雨；以暴雨為主則考慮區(qū)域內(nèi)分別遭遇20 a、50 a、100 a、200 a一遇暴雨，同時外海遭遇5 a一遇潮位。表1為各計算方案組合情況。

3.3.1設(shè)計暴雨

根據(jù)《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》，查算研究區(qū)域內(nèi)各歷時設(shè)計暴雨，再根據(jù)《廣東省暴雨徑流查算圖表》設(shè)計暴雨時程分配、廣東省分區(qū)產(chǎn)流參數(shù)查算表等，結(jié)合排澇分區(qū)的特點(diǎn)，推求各排澇分區(qū)設(shè)計凈雨量。本次計算采用研究區(qū)域內(nèi)的正坑雨量站的設(shè)計暴雨過程，暴雨過程按《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊》中珠江三角洲最大24 h設(shè)計雨型(暴雨時程分配)分配得到(不同工況下24 h設(shè)計暴雨過程示意見圖3)。

圖3 設(shè)計暴雨時程分配示意

3.3.2設(shè)計潮位

本次研究外海潮位邊界采用2018年“山竹”風(fēng)暴潮潮位過程作為典型，采用同倍比放大法，得到各頻率的潮位過程(八大口門在各頻率條件下的潮位過程見圖4)。

3.4 模型參數(shù)率定與合理性分析

結(jié)合研究范圍內(nèi)土地利用情況，按下墊面情況選取糙率參數(shù)，參數(shù)選取情況見表2。

表2 下墊面分類及參考糙率系數(shù)

根據(jù)《珠海市內(nèi)澇點(diǎn)整治名錄》，高新區(qū)現(xiàn)有水浸點(diǎn)9個，分別是雞山公交車站人行道、山房路唐家市場前路段、金星路東側(cè)、金鼎廣場、港灣大道白埔路口至唐樂路口段、金鼎一小北側(cè)路段、京珠西輔道、下柵檢查站和二線公路。圖5為200 a一遇暴雨工況下保護(hù)區(qū)內(nèi)最大水深和內(nèi)澇點(diǎn)分布情況，由圖5可知，計算結(jié)果與歷時水浸點(diǎn)分布情況較為吻合。其中中珠排洪渠、中珠副渠、京珠西輔道排洪渠、6組排洪渠4條排洪渠交匯處積水較為嚴(yán)重，但未顯示此處為易澇點(diǎn)，根據(jù)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，此處開發(fā)程度較低，且地表有較大面積天然水體，因此未被列為水浸黑點(diǎn)。

圖5 保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒水深與歷史水浸點(diǎn)分布情況示意

4 計算成果

圖6(a)～(c)分別為外海遭遇200 a一遇、100 a一遇和50 a一遇潮位，研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生5 a一遇暴雨情況下最大淹沒水深分布結(jié)果。由圖可知，當(dāng)遭遇200 a一遇潮位情況下，研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重淹沒，且淹沒區(qū)主要集中于沿海區(qū)域，統(tǒng)計結(jié)果表明，此工況條件下淹沒總面積達(dá)16.79 km2，局部最大水深超過3 m。相較于200 a一遇潮位工況，100 a一遇潮位工況淹沒面積明顯縮小。由于珠海市高新區(qū)沿海堤防等級均達(dá)到50 a一遇，因此當(dāng)遭遇50 a一遇潮位條件時，沿海區(qū)域基本不受外海潮位影響。除沿海區(qū)域外，由于受5 a一遇暴雨影響，研究區(qū)域內(nèi)低洼地段也有明顯積水情況發(fā)生。

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)圖6 各計算工況最大淹沒水深分布示意(單位：m)

圖6(d)～(g)分別為研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生200 a一遇、100 a一遇、50 a一遇和20 a一遇暴雨，外海遭遇5 a一遇潮位情況下最大淹沒水深分布結(jié)果。由計算結(jié)果可知，由于保護(hù)區(qū)西部和南部區(qū)域主要為山地，海拔較高，因此基本不受暴雨影響。而保護(hù)區(qū)北部區(qū)域地勢較低，在暴雨災(zāi)害中受影響較為嚴(yán)重。此外，由于沿海堤防等級均達(dá)到50 a一遇，因此沿海區(qū)域并未遭到外海潮位影響。以受淹最為嚴(yán)重的200 a一遇暴雨工況為例，總淹沒面積達(dá)14.61 km2，其中淹沒水深超過1.5 m的區(qū)域面積為1.4 km2，占總淹沒面積的9.58%。

5 結(jié)語

本文以珠海市高新區(qū)為研究對象，通過構(gòu)建一、二維耦合的水動力模型，研究了不同雨潮組合工況下區(qū)域內(nèi)受淹情況。通過比對模擬淹沒范圍與實(shí)際易澇點(diǎn)分布情況，驗(yàn)證了模型的合理性。結(jié)果表明當(dāng)遭遇50 a一遇以上潮位時，珠海市高新區(qū)沿海區(qū)域?qū)⑹芡夂ｏL(fēng)暴潮影響，局部將發(fā)生淹沒，受淹沒最為嚴(yán)重區(qū)域?yàn)楹蟓h(huán)片區(qū)，最大淹沒水深超過2.5 m；當(dāng)遭遇20 a一遇及以上暴雨時，高新區(qū)內(nèi)低洼區(qū)域?qū)l(fā)生較嚴(yán)重內(nèi)澇，最大淹沒水深超過2 m，其中受淹沒較為嚴(yán)重的區(qū)域包括上柵檢查站附近區(qū)域、港灣大道沿線、金鼎廣場和金鼎第一小學(xué)附近區(qū)域以及山房路至沿海區(qū)域；