深圳市2023年“9·7”極端特大暴雨洪澇復(fù)盤模擬分析
——以深圳龍華區(qū)觀瀾河流域?yàn)槔?/h1>

2024-02-20 09:12:58宋利祥陳嘉雷劉壯添吳輝明

中國(guó)防汛抗旱訂閱 2024年1期 收藏

關(guān)鍵詞：觀瀾龍華區(qū)積水

宋利祥 陳嘉雷 劉壯添 吳輝明

（珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510610）

0 引 言

高度城鎮(zhèn)化帶來(lái)“熱島效應(yīng)”和“雨島效應(yīng)”顯著，加上全球氣候變化的影響，近年來(lái)城市極端暴雨頻發(fā)[1-3]。受2311 號(hào)臺(tái)風(fēng)“?？睔堄喹h(huán)流、季風(fēng)和弱冷空氣共同影響，2023 年9 月7 日17 時(shí)至8 日15 時(shí)30 分，深圳市出現(xiàn)超歷史紀(jì)錄的特大暴雨。此次暴雨具有強(qiáng)降雨時(shí)段集中、范圍超大、降雨持續(xù)時(shí)間超長(zhǎng)、暴雨強(qiáng)度超強(qiáng)的特點(diǎn)，打破了深圳市1952 年有氣象記錄以來(lái)最大2 h、3 h、6 h、12 h、24 h、48 h、72 h 滑動(dòng)雨量7 項(xiàng)歷史極值[4]。極端特大暴雨造成龍崗河、深圳河、觀瀾河等流域嚴(yán)重汛情，27 條主要河道發(fā)生超警戒水位以上洪水，城市遭遇嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。

為揭示深圳市2023年“9·7”極端特大暴雨洪澇災(zāi)害成因并提出相應(yīng)的防治對(duì)策，采用HydroMPM（Hydro Multi-Processes Modeling）洪澇數(shù)學(xué)模型對(duì)龍崗區(qū)觀瀾河流域暴雨洪澇過(guò)程進(jìn)行了復(fù)盤，模擬分析了河道漫溢水淹及城區(qū)積水等情況。

1 模型構(gòu)建

1.1 模型軟件簡(jiǎn)介

選用由珠江水利科學(xué)研究院自主研發(fā)的HydroMPM模型云平臺(tái)。該平臺(tái)基于瀏覽器/服務(wù)器模式（Browser/Server，B/S）研發(fā)，內(nèi)置HydroMPM 數(shù)值模型引擎，實(shí)現(xiàn)了一維、二維、一維和二維耦合水動(dòng)力模型的構(gòu)建、計(jì)算方案配置及成果可視化展示，形成了標(biāo)準(zhǔn)化、一體化的業(yè)務(wù)操作流程。HydroMPM 數(shù)值模型引擎能夠適應(yīng)零維（水庫(kù)調(diào)洪、水文產(chǎn)匯流）、一維（河道、管網(wǎng)）、二維（地表漫溢）及其耦合模型多種求解方式，可實(shí)現(xiàn)城市暴雨洪澇全過(guò)程模擬[5]。

1.2 暴雨洪澇模型構(gòu)建

1.2.1 建模范圍

本次建模范圍以深圳龍華區(qū)觀瀾河流域?yàn)橹鳌Ｓ^瀾河干流河寬50～130 m，發(fā)源于大腦殼山，自南向北流經(jīng)布吉街道、觀瀾街道、龍華街道、光明街道。觀瀾河全流域面積241.1 km2（其中龍華區(qū)175.6 km2），干流河道長(zhǎng)14.19 km，河床平均比降2.07‰。

1.2.2 一維河道模型構(gòu)建

一維模型建模河流包括龍華區(qū)范圍內(nèi)觀瀾河、龍華河、茜坑水、崗頭河、橫坑仔河、白花河等22條主要河道，建?？傞L(zhǎng)度105 km。為獲得穩(wěn)定的水位流量關(guān)系，將觀瀾河干流延伸至東莞市塘廈鎮(zhèn)。河流斷面間距按最大不超過(guò)300 m 控制，在跨河橋梁、水利工程（閘、水陂）、河涌轉(zhuǎn)彎、斷面變化劇烈等位置進(jìn)行斷面加密，最小斷面間距約為20 m。按上述原則共布置河涌斷面857個(gè)，平均斷面間距約120 m。一維河道模型示意圖如圖1所示。

圖1 一維河道模型示意圖

1.2.3 二維地表模型構(gòu)建

以龍華區(qū)建成區(qū)為邊界，根據(jù)數(shù)字高程模型（DEM）分析流域分水嶺并適當(dāng)外拓，得到包含所有可能淹沒(méi)區(qū)的二維模型范圍，共計(jì)237 km2。采用三角網(wǎng)格剖分計(jì)算域，河道兩側(cè)及主要道路網(wǎng)格邊長(zhǎng)按不大于30 m控制，城區(qū)網(wǎng)格邊長(zhǎng)按不大于50 m 控制，山區(qū)網(wǎng)格邊長(zhǎng)按不大于200 m 控制，二維模型共包含37.6 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。二維模型局部網(wǎng)格及地形示意圖如圖2所示。

圖2 二維模型局部網(wǎng)格及地形示意圖

1.2.4 管網(wǎng)模型

龍華區(qū)內(nèi)河道附近共有729 個(gè)主要雨水排口，排水能力強(qiáng)的管渠主要分布在觀瀾河干流附近，其他支流承接的排水管渠最大排水能力一般在5 m3/s 以下。根據(jù)各排水口上游連接的所有排水管渠分布及地形等確定各排水口的排水分區(qū)范圍。經(jīng)分析和劃分，各沿河排水口的排水分區(qū)劃分如圖3所示。排水分區(qū)劃分后，根據(jù)其與二維網(wǎng)格幾何中心點(diǎn)相交情況確定各排水分區(qū)內(nèi)的二維網(wǎng)格編號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)二維地表模型與管網(wǎng)模型的耦合。

圖3 沿河排水口的排水分區(qū)劃分圖

1.2.5 一維河道—二維地表—管網(wǎng)耦合模型

產(chǎn)匯流模型、一維河道模型、二維地表模型、管網(wǎng)模型通過(guò)以下過(guò)程進(jìn)行耦合：①根據(jù)水文方法計(jì)算得到的山地洪水作為一維河道和二維地表模型的流量邊界。②一維河道—二維地表模型通過(guò)堤岸進(jìn)行耦合，以模擬漫堤洪水演進(jìn)過(guò)程。耦合前，需根據(jù)一維河道堤岸高程對(duì)二維模型堤岸高程進(jìn)行修正。③一維河道—管網(wǎng)通過(guò)排水口進(jìn)行耦合，以反映管網(wǎng)的點(diǎn)源匯入及河道水位對(duì)管網(wǎng)的頂托作用。④二維地表—管網(wǎng)通過(guò)二維網(wǎng)格進(jìn)行耦合，以模擬積水點(diǎn)周邊內(nèi)澇及管網(wǎng)對(duì)地面積水的排水作用。

1.2.6 模型率定

采用各河道最新的初設(shè)報(bào)告、施工圖中的設(shè)計(jì)水面線對(duì)河道糙率進(jìn)行初步率定，然后結(jié)合調(diào)研中河道實(shí)際情況和重要卡口等對(duì)河道糙率、模型建筑物進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。最后對(duì)比河道實(shí)測(cè)易漫溢段與模擬淹沒(méi)情況驗(yàn)證模型合理性。經(jīng)率定，河道糙率取值為0.013～0.045。同時(shí)，采用龍華區(qū)內(nèi)53 個(gè)積水風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)實(shí)測(cè)淹沒(méi)水深和淹沒(méi)范圍資料對(duì)河道—地表—管網(wǎng)耦合模型進(jìn)行了率定，以確保耦合模型能滿足內(nèi)澇模擬的精度要求。

2 觀瀾河流域洪澇水淹分析

采用構(gòu)建好的城市暴雨洪澇模型，對(duì)2023 年深圳市“9·7”極端特大暴雨過(guò)程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)分析河道漫堤及城區(qū)積水情況（圖4）。

圖4 雨量站實(shí)測(cè)降雨過(guò)程圖

2.1 河道漫溢水淹情況

根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，2023 年深圳市“9·7”極端特大暴雨洪水造成龍華區(qū)觀瀾河流域多處出現(xiàn)漫堤，其中樟坑徑河、君子布河及白花河3 條支流的漫堤情況較為嚴(yán)重，共有7 處漫堤點(diǎn)，漫堤洪水淹沒(méi)范圍如圖5 所示。根據(jù)模擬結(jié)果可知：樟坑徑河民心橋段右岸漫溢段淹沒(méi)面積為7 629 m2，平均淹沒(méi)水深為0.41 m；樟坑徑河觀壹城段左右岸漫溢段淹沒(méi)面積為13 568 m2，平均淹沒(méi)水深為0.87 m；樟坑徑河豐南苑段左右岸漫溢段淹沒(méi)面積為5 791 m2，平均淹沒(méi)水深為0.65 m；君子布河君新路段左右岸漫溢段淹沒(méi)面積為2 434 m2，平均淹沒(méi)水深為0.81 m；君子布河德茂路段左右岸漫溢段淹沒(méi)面積為19 251 m2，平均淹沒(méi)水深為0.37 m；白花河美嘉美段左岸漫溢段淹沒(méi)面積為4 532 m2，平均淹沒(méi)水深為0.27 m；白花河竹山路段左右岸漫溢段淹沒(méi)面積為9 427 m2，平均淹沒(méi)水深為0.65 m。

圖5 河道漫溢情況模擬結(jié)果

經(jīng)模型分析及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，上述河道發(fā)生漫溢水淹，除了區(qū)域降雨超標(biāo)準(zhǔn)、下墊面硬化導(dǎo)致徑流系數(shù)增大等因素外，城市開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致河道行洪斷面縮窄也是一個(gè)重要因素。例如，樟坑徑河觀壹城段跨河橋梁阻水比較大，觀壹城至旭玫新村87 號(hào)樓部分河段斷面縮窄，導(dǎo)致過(guò)流能力不足；君子布河在德茂路橋上游河道斷面寬度由15.2 m 變?yōu)?.5 m×2.4 m 橋涵加2×DN2000 分流管道，河道過(guò)流斷面縮窄，阻礙河道行洪。

2.2 城區(qū)積水情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及模型模擬結(jié)果，龍華區(qū)內(nèi)積水深度達(dá)到0.15 m 以上且影響相對(duì)明顯的積水點(diǎn)共計(jì)46 個(gè)，其中，最大積水深度在0.50 m以上的積水點(diǎn)共有16個(gè)。積水區(qū)域模擬結(jié)果與調(diào)查結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。由模擬結(jié)果可知，模擬積水深度誤差為0.01～0.29 m，總體上與實(shí)際積水深度較為吻合，平均相對(duì)誤差約為32%，基本合理模擬了城區(qū)積水情況。

表1 積水區(qū)域模擬結(jié)果與調(diào)查結(jié)果對(duì)比

經(jīng)模型分析及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，上述地點(diǎn)發(fā)生積水，除了區(qū)域降雨超標(biāo)準(zhǔn)、區(qū)域管網(wǎng)排水能力不足等因素外，河道對(duì)排水管渠的頂托作用也是一個(gè)重要因素。本次暴雨過(guò)程中，白花河、上芬水、油松河等河道水位上漲較快，河道水位較高且箱涵接近滿流，造成局部區(qū)域排水不暢，形成了觀平路建材市場(chǎng)路口、民治大道萬(wàn)眾城（民治大道綠景香頌段）、工業(yè)路壹城中心等多個(gè)積水點(diǎn)。以民治大道萬(wàn)眾城（民治大道綠景香頌段）為例，該段區(qū)域雨水直排油松河，本次暴雨過(guò)程中油松河水位已接近漫堤，在高水位下雨水管渠已無(wú)法正常排水，造成積水水深達(dá)到1.00 m。

3 結(jié) 論

采用HydroMPM 模型云平臺(tái)構(gòu)建了深圳龍華區(qū)觀瀾河流域城市暴雨洪澇模型，對(duì)深圳市2023 年“9·7”極端特大暴雨進(jìn)行了復(fù)盤模擬分析，模擬了河道漫溢水淹及城區(qū)積水情況，主要結(jié)論如下。

（1）本次暴雨造成了部分河段漫溢水淹，其中，樟坑徑河、君子布河及白花河3條支流的漫堤情況較為嚴(yán)重，共有7處漫堤點(diǎn)，淹沒(méi)面積共計(jì)62 632 m2，平均淹沒(méi)水深0.27～0.87 m。水淹范圍模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況基本一致。

（2）本次暴雨導(dǎo)致積水深度達(dá)到0.15 m 以上且影響相對(duì)明顯的積水點(diǎn)共計(jì)46 個(gè)，其中，最大積水深度在0.50 m以上的積水點(diǎn)共有16 個(gè)。與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況相比，積水區(qū)域的模擬積水深度誤差為0.01～0.29 m，總體上與實(shí)際積水深度較為吻合，平均相對(duì)誤差約為32%，基本合理模擬了城區(qū)積水情況。

（3）河道發(fā)生漫溢水淹，除了區(qū)域降雨超標(biāo)準(zhǔn)、下墊面硬化導(dǎo)致徑流系數(shù)增大等因素外，城市開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致河道行洪斷面縮窄也是一個(gè)重要因素。

（4）城區(qū)發(fā)生較為嚴(yán)重的積水，除了區(qū)域降雨超標(biāo)準(zhǔn)、區(qū)域管網(wǎng)排水能力不足等因素外，河道對(duì)排水管渠的頂托作用也是一個(gè)重要因素。

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