全球变暖背景下太湖流域历史文化名镇洪涝灾害预测及减灾研究

乐志　许若菲　李新建

摘要：全球变暖加剧了中国东部突发极端暴雨的可能，使得气候要素成为建筑遗产重要的短期破坏要素。全球变暖背景下、太湖流域国家级、省级33处历史文化名镇在遭遇200年一遇极端降雨时，可能遭受洪涝灾害。分析指出，太湖流域整体可保证100年一遇降雨对应洪涝灾害防护，但在200年一遇降雨背景下，可能发生下游泄洪能力不足或太湖高位决堤，导致苏州、无锡，湖州、上海青浦，嘉兴等局部区域历史文化名镇淹没;受当前太湖蓄洪设计水位影响，降雨集中在上游和湖区时，上游苕溪、宜兴沿水系周边和至少一处省级历史文化名镇淹没;受重点城区200年一遇高标准防护区影响，淹没高度可能增加约0.1米等灾害。分析说明，太湖流域历史文化名镇有一定的洪灾受害风险，迫切需要全方位的合作研究和相关针对性措施出台应对。针对研究结论，提出六条涉及规划协作、镇区防洪调度协作措施、次生灾害防护等减灾建议。

关键词：遗产保护;全球变暖太湖流域;历史文化名镇;洪灾;减灾

气候条件是遗产自然降解破坏背后的重要因素，也是预防性保护下必须针对考虑的问题之一。目前对于海岸线周边遗产受海洋侵蚀[1]，气候变化引起的建筑材料破坏[2-5]，或是对整个自然遗产区生态系统的冲击[6][7]等气候破坏遗产的可能，已经得到一定重视和对应研究。而这些研究的共同预设和判断是，气候要素会破坏建筑遗产的环境或使得材料性能长期退化，成为影响遗产保护的重要和长期要素。此外，世界顶级期刊Nature已经连续多年，每月至少有两篇文章谈及固碳[6]，气候变化[9][10]和极端天气变化问题[11][12]，这些研究共同指向了不可逆的全球变暖及由此导致的极端气候变化。正如Abatzoglou等人在研究了1958-2017年全世界各国的气候记录后指出的，1987年之后，在世界范围内，干旱、水灾、极寒、极热天气往往同时出现，而且在过去十年，全球至少30%的区域的极端天气变化时长超过过往记录两个标准差，这种变化正在造成现有生态系统混乱，粮食减产、贫穷加剧等问题[13]。Cai Wenju等人针对太平洋局部地区的研究进一步指出，全球变暖导致海平面温度变化幅度加大，进而引发厄尔尼諾等极端天气更频繁出现[14]。对中国来说，全球变暖显著增加了东部和西北地区的极端降雨情况出现概率[15]。东南沿海是我国经济、历史文化荟萃之地，也是众多建筑遗产聚集之处，在全球变暖背景下，极端气候造成的极端降雨可能诱发洪水，而较高的城市化水平导致的地表硬质化会进一步加剧突发性洪水出现的概率。以太湖流域为例，已有研究指出，至2050年，太湖流域未来洪水风险增长4～15倍[16]。这种极端气候使得气候变化对遗产保护的影响不仅限于长期，而且也可能对建筑遗产造成短期影响或破坏，是我国东南沿海建筑遗产保护所必须面对的问题，但目前研究较少涉及。

一、太湖流域防洪概况与名镇保护

太湖流域是我国东南沿海重要的经济和历史文化聚集地之一，地处长江三角洲的南翼，三面临江滨海，一面环山，北抵长江，东临东海，南濒钱塘江，西以天目山、茅山等山区为界，其行政区划分属江苏省、浙江省、上海市和安徽省。这一区域既是我国国民生产总值较高的区域之一，也保留着数量众多的文化遗产。2013年该流域人口、GDP分别达到5971万人和57，957亿元，分别占全国的4.4%和10.2%，人均GDP接近10万元，是全国人均GDP的2.3倍[17]。在该流域范围内，国家级历史文化名镇34座，其中江苏19座①、浙江5座②、上海10座③，另江苏有3座省级历史文化名镇。这块富饶之地，同时也是易遭洪涝灾害的地方。根据历史资料统计，南宋以来的800多年间发生各种洪涝灾害共185次，平均4-5年一次，其中，特大水灾24次[18]。此外，由于整体高程较低，有一半地区高程低于汛期水位，还极易发生内涝（上海2.5～3.5米，苏州3.2～4.5米，无锡3～5米，嘉兴4米），仅1991年和1999年的两次洪涝灾害，造成的当年直接经济损失就超过了250亿元，GDP占比分别为6.7%和1.4%。同时也导致了部分建筑遗产损失，如宜兴在2016年夏被淹，省级历史文化名镇周铁镇也在其中[19]。

太湖流域的洪涝灾害主要由梅雨和台风雨造成。在全球变暖背景下，厄尔尼诺现象导致中国东部沿海的极端天气，尤其是极端降雨频繁出现。其中1999年局部暴雨7-90日超过历史最大值，1991年中心区达到100-150年一遇，1999年30日降雨超过200年一遇。最近的2016年洪灾也导致太湖水位上涨至历史第二高位[20]。为了减少太湖流域的洪涝灾害，国家编制了一系列的太湖流域防洪规划。按当前执行的《太湖流域防洪规划》，重要城市中心区可以满足200年一遇洪涝灾害防护标准，而非中心区和非重要城市则可以满足50-100年一遇的洪涝灾害防护标准[21]。但由于大量国家级、省级历史文化名镇不在中心城区，造成其防洪等级较低，有的甚至只有20-30年一遇的设防标准。在美国为了防止洪涝灾害，各州都规定任何河道工程与洪泛区开发项目，不得导致河道洪水位抬高超过1英尺，有的州甚至规定不能引起河道洪水位的抬高。我国因国情的不同，这样的规定是无法实现的，据此程晓陶提出

“风险分担、利益共享”的运作模式[22]，即以经济水准为基准，对重要地区，提高设防等级降低灾害风险，而非重要地区则保持低设防等级并伴随较高的灾害风险，受灾后再由重要地区“提供补偿资金”，从而分担风险。如果在这样的防护思路下，太湖流域的历史文化名城一般都在重点保护区中，而历史文化名镇、村则由于远离城市中心，很可能被纳入“低等级设防，淹没后提供补偿”的范围，导致洪灾风险进一步加强。这种经济上公平的风险管理，很有可能导致无法估量的文化遗产损失。

在极端气候导致的极端降雨下，太湖流域内的国家级及省级历史文化名镇因洪涝而可能遇到如下三种情况：（1）由于全流域设防等级低于100年一遇，当发生相当于全流域降雨超过100年一遇时，会导致除重点中心城区外，所有涉及历史文化名镇的区域设防不足而被淹;（2）局部发生200年一遇降雨，为保障中心城区而导致其他区域洪水水位升高，进而使得局部历史文化名镇被淹;（3）历史文化名镇自身的保护规划并未涉及有效防洪涝，局部发生内涝。第2、3种情况可以通过修编保护规划，提高历史文化名镇的设防等级与中心城区类似，并局部增设排水引流设施，加强汛期沟通及时行洪等措施解决。第1种情况为全流域问题，无法局部解决，需要特别关注。本文基于《太湖流域防洪规划》的公开数据，通过充分的地质、水文和高程数据和相应的计算模型支撑分析，对太湖流域历史文化名镇在极端降雨下的保护问题进行初步探讨。

二、分析

（一）分析方法和流程

如前文所述，最恶劣情况为全流域等效降雨超过100年一遇重现期后的洪涝灾害。本文选取了200年一遇这一和重点城市中心城区相等的设防等级计算，原因如下：（1）极端天气频繁出现，1999年已出现局部超200年一遇重现期降雨。未来极可能发生局部超200年一遇，太湖全流域相当于200年一遇降雨重现期的洪涝灾害;（2）高于当前太湖防洪规划一般区域相当于50-100年一遇的设防等级，并与当前历史文化名镇的设防实况对应，可验算在极端降雨中，当前设防条件下历史文化名镇被淹没危险;（3）等于重点城市中心区设防等级，可以推算极端情况下，为保护重点城区而增加的历史文化名镇被淹没风险。

计算分析参考一般淹没计算流程，包括降雨一汇流一洪量一淹没分析四个部分[23][24]，淹没分析采取有源淹没模型，以尽可能接近实际情况，具体见图1。

（二）水利分区和降雨推算

淹没计算的前提是洪量的推算，而洪量推算则有赖于降雨和径流计算。太湖流域有29，557平方公里的平原面积，如此大面域上的降雨不可能均匀。已有太湖流域的洪水分析一般都将这一流域分为八个水利分区，独立计算降雨和洪水。这八个水利分区分别为湖西区、浙西区、太湖区、武澄锡虞区、阳澄淀柳区、杭嘉湖区、浦西区和浦东区，其中湖西区、浙西区和太湖区为流域上游区，其他为下游区（图2）。

降雨量的重现期随年份变化并非线性，而是随着出现概率降低（50年一遇2%，100年一遇1%，）而大幅度增长。通常通过狄贝尔或对数曲线拟合统计数据推算，本文根据《太湖流域水文设计成果修订研究》给出的暴雨统计数据[25]，使用P3频率曲线和execl逆推了各区200年一遇（对应频率0.005），不同降雨时长下的降雨量。降雨时长分别选择了30日、60日、90日。

（三）各水利分区洪量推算

由于降雨时空分布的不均匀性和各分区防洪排涝能力的差异，重现期长、雨量大的局部降雨未必会导致洪涝灾害。只有当较大的降雨和较低的泄洪能力并现时，才会局部发生洪涝灾害，其中的組合可能性无数。一般太湖流域防洪规划重点考虑4种降雨组合，即54实况、91上游、91北部、99南部。其特征分别为长期降雨，上游降雨多，北部武澄锡虞和阳澄淀柳区降雨多，杭嘉湖降雨多。由上节推算得到的降雨参数，并以总降雨量保持200年一遇不变和各降雨时长同频率放大为原则，推算得到200年一遇不同时长下各分区降雨量见表1。

水文分析一般使用产汇流模型在降雨计算结果上推算洪量。产即工农业生产废水，汇流则是指降雨除蒸发外，在不同下垫面条件下，反映为不同径流系数形成径流，并在圩区蓄洪后汇入水网的总水量，因此其总量与降雨总量不等。由于缺少完整的产汇流基础数据，本研究使用线性回归拟合了50年一遇与100年一遇数据，并推算了在此基础上的200年一遇，30日、60日、90日洪量见表2，推算分区洪水量见表3。

（四）各水利分区河流泄洪量推算和城市高防洪标准区域的排除

太湖流域应对洪水一般分为三个阶段，首先是上游区来水，在优先排江和太湖水位在设防水位以下时，上游水入太湖;其次为太湖调蓄，理论最大蓄洪量35亿立方米，其他湖泊水库蓄洪极限11.3亿立方米;最后为下排，主要分为东排，入江，杭嘉湖三个相对独立的方向。共有十多条主干泄洪河流，在武澄锡虞区的有新沟河、新孟河等，在阳澄淀铆区为望虞河、吴淞江，在浦东浦西区为太浦河、黄浦江，在杭嘉湖平原则有长山河、海盐塘、盐官下河和上塘河等，上述河流均有一定的泄洪容量。只有当总洪水量大于泄洪量时，才会发生洪灾，并沿河网在低凹处淹没。结合已有的泄洪数据和太湖防洪规划河道改造工程数据[26-30]，推算各区域主要泄洪河流的泄洪量见表4。

另外，太湖流域是我国经济水平最高的区域之一，为了保护重要的城市人民生命财产，太湖流域城市普遍有较高的防洪等级，其中超过200年一遇的有苏州，无锡，常州、杭州的中心城区，上海黄浦江干、支流区。若防洪设施正常运作，则在200年一遇降雨中，防洪标准大于等于200年一遇的区域应从总淹没区中扣除。这可能导致其他低防洪标准区域洪水水位进一步增高。本研究考虑了计入高防洪标准区和不计人两种进行比较。

（五）不利工况的选择

由上述所有分析，得到各分区的200年一遇降雨重现期的对应洪水量。大多数不利情况中涉及的历史文化名镇均出现在太湖流域的中下游，故除特殊情况，不利工况中不考虑属于上游的湖西和浙西区。首先按现行太湖防洪规划防洪措施对各分区进行洪量分配，再逐个分区与泄洪量核算，将泄洪量大于洪水量的情况排除，最终剩余下述六种不利工况，可能导致历史文化名镇淹没，需要进一步分析如下：

（1）太湖蓄洪上涨，导致太湖内历史文化名镇的淹没;

（2）由太湖决堤导致的突发洪水和淹没;

（3）杭嘉湖区泄洪容量不足;

（4）浦东浦西区加阳澄淀铆区泄洪量不足;

（5）浦东浦西区加阳澄淀柳区泄洪量不足外加高设防区影响;

（6）太湖到达设防水位，上游无法排人太湖。

上述不利工况分析，除太湖蓄洪外，其余均采用有源淹没计算模型[31]，地形使用SRTM高程模型并插值至0.2米精度，高程由EGM推算至吴淞高程[32]。考虑到高程和河网的原始数据误差，判定古镇是否淹没，必须同时满足两个条件：（1）古镇的高程低于淹没深度，（2）古镇被河网联系的淹没区包围。（图3）

四、分析结果

（一）太湖蓄洪上涨

当前规划中，太湖设防水位最高4.8米，最高推算水位5.29米，凡低于该高程的太湖内古镇会被淹没，经研究发现不存在有淹没危险的古镇。

（二）太湖决堤

由《太湖流域防洪规划》可知，太湖环湖大堤存在四处有决堤可能的地段，分别为无锡新安、宜兴大浦口、湖州小梅口及东太湖戗港附近四处水毁较为严重的险工段。按决堤宽300米作分析计算，未考虑下游平原河网地区同时遭受一定标准洪水袭击的情况，因此，计算的损失值可能相对偏小。决堤高度分为4.8米、5.2米两档。由于淹没深度未知，故采用0.1步进试算并与太湖流域防洪规划人工核查，最终试算结果当太湖于 5.2米决堤时，可能的最大淹没深度接近4.8米。这时虽然下游上海高程更低，但是河网并未和决堤口相连河道联通，故主要会淹没苏州和无锡城区及苕溪入湖口附近，有危险的名镇包括周庄、沙家浜、金泽、古里。（图4）

（三）杭嘉湖区淹没

杭嘉湖平原高程较低，初步核算其泄洪量不足。通过试算，发现最不利的降雨情况为99南部，造峰期30日。该工况下，在入钱塘江的泵站前累计残余洪水14.6亿立方，泵站后累计残余洪水6.8亿立方。按最不利的泵站前计算，最大淹没深度5.6米，主要受害区域为湖州和嘉兴与上海交接区域。而该区域低高程的名镇较少，主要是双林镇。（图5）

（四）浦东浦西区与阳澄淀泖区淹没

浦东浦西、阳澄淀铆原本为不同的水利分区，但是这两者不能简单区分。首先属于阳澄淀泖区的吴淞江会与太浦河汇合后流入黄浦江，局部有上下游关系;其次，由于吴淞江附近高程较低，当太浦河流域周边淹没时，很容易侵人吴淞江附近流域。故两者合并洪量和泄洪量计算。最不利工况为按99南部降雨分配的200年一遇，造峰期30日。又可以细分为三种情况：（1）两区合并的总泄洪量不足，残余洪水9.3亿立方;（2）受海潮影响，黄浦江每日泄洪时间10-14小时，等價黄浦江泄洪流量减半，累积洪量27亿立方;（3）太浦河与吴淞江累计泄洪能力低于黄浦江，进入黄浦江之前的上游段累计洪水19.8亿立方。上述三种情况分别计算，最终发现第二类情况淹没面积最大，且涉及历史文化名镇数量最多。该情况下，淹没深度达4.8米。有危险古镇包括周庄、沙家浜、金泽、古里。（图6）

（五）重点城区设防影响

在第四种工况基础上，进一步考虑中心城区高设防等级对其他低等设防区的影响，即将重要城区200年一遇区域排除在淹没区外。该工况下最大淹没深度约4.9米，有淹没危险城镇不变。这主要是因为在第四种工况下，实际只有苏州的中心城区局部和上海青浦以下部分进入淹没区。对应的淹没面积、体积有限，故淹没深度上升不多。（图7）

（六）上游区淹没

2016年洪灾降雨量与1991年类似，但是降雨连续且集中在湖西区和太湖区，由于初期泄洪水口并未全开，继而导致湖区水位上涨超过太湖设计水位，导致湖西区泄洪不畅，进而引发局部洪灾。目前缺少对2016年降雨典型年的研究，但其降雨分布和总量接近1991年北部情况，只是造峰期更短，约30日。分析时按照91北进行，假设降雨为200年一遇，残余洪量21亿立方米，且均假定淹没范围局限于上游的湖西和浙西区。结果见图8，淹没深度6米，有危险名镇为周铁镇。此外，苕溪沿岸和宜兴东西氿周边大面积淹没。而如果允许洪水排入太湖泄洪，则最高将上升至5.39米，大大增加决堤危险和后续灾害。（图8）

五、分析结论与对策探讨

本研究提出了在全球变暖背景下，受厄尔尼诺和极端降雨影响，全太湖流域200年一遇降雨重现周期下，基于《太湖流域防洪规划》相关公开数据和SRTM高程数据，通过有源淹没模型，推算分析太湖流域历史文化名镇淹没危害的流程和初步探讨，相关洪灾风险预测结论如下：

1.太湖流域整体可保证100年一遇降雨对应洪涝灾害防护，但是在遭遇之上的突发降雨时，会在苏州、无锡、湖州、上海青浦、嘉兴、宜兴等局部区域形成淹没灾害，造成相关位置遗产的损失，合计可达5处。

2.受当前太湖蓄洪设计水位影响，遇100年至200年一遇降雨，且降雨集中在上游和湖区时，会导致太湖水位超设计水位和上游苕溪、宜兴沿水系周边淹没，可能造成至少一处省级历史文化名镇淹没。

3.在太湖高位决堤，200年一遇洪水情况下，会有多达4处历史文化名镇遭遇被淹没危险。而且由于是全流域泄洪量不足，故无法通过局部泄洪措施解决，需要专案研究对应情况下的抢险保护措施。

4.中心重点城区200年一遇高标准防护区的设立，会使得最不利情况下的淹没高度增加约0.1米，但是对历史文化名镇的被淹影响有限。

在全球变暖背景下，气候要素不仅可能是太湖流域大量珍贵建筑遗产的长期破坏要素，还可能成为短期损害来源，需要充分重视并研究相关对策。针对分析结论，结合建筑遗产的预防性保护，提议进一步研究如下对策的可能性。

1.遗产保护工作与太湖流域相关规划衔接。可能受灾的历史文化名镇总面积不超过30平方公里，仅占上述各工况分析中淹没区面积的不到1%，但一旦淹没受损，其损失难以用金钱衡量。因此应探讨发生重大突发洪灾时，在保证“保护重要城市核心区，支付灾害损失金给被淹地区”这一灾害管理框架同时，将重要的国家级、省级历史文化名镇逐步逐级纳入更高保护等级区域，提高局部防洪标准的可能，并逐步实施。

2.在防洪标准得到提高前，太湖流域的历史文化名镇、村相应规划应针对自身特征，考虑镇级防洪应急措施，包括但不限于镇区间突发洪水调度，村镇预设蓄水量更大的圩区，完善检查洪流导流措施，洪灾应急预案和预警机制等。

3.对上游区如宜兴、湖州局部，在当前的太湖蓄洪水位不可能大幅变更前提下，应重点考虑局部洪水调配方案，即通过更大区域协调，将洪水蓄积在更高高程的圩区或导流至入江水系。以周铁镇来看，应重点完善人江水系的沟通和应急水泵建设，提高遭遇洪涝时，快速向沿江水系排水的能力。

4.针对下游区苏州无锡低地区易受灾历史文化名镇，其高程相对较低且周边淹没区成片，洪涝水害无处可排。且当周边主干河流超过设计水位后，镇区河流泄洪速度进一步降低。除加强区域联动和局部导流外，可以考虑加设镇区向湖泊和更高等级河流的排水泵站，减轻局部被淹深度或缩短淹没时间。

5.在无法杜绝被淹没时，应做好短期防洪准备。包括禁止将有毒、有污染性、遇水易爆（如电石等）材料放在地面或标高较低处，而是要存放在耐水浸的建筑两层以上;保证重要基础设施如通讯、加油站、卫生院等不被水淹;保证预警系统和避险通道、场地;所有重要建筑周边加设排水设施和临时防洪沙袋墙并定期演习。

6.在无法避免被洪灾淹没时，要在早期及时做好珍贵可移动文物的登录和保护预案的编制。

本分析基于不完全数据源，使用的高程数据精度有限，洪量推导也可能局部计算分析误差，有待基于更高精度和完整数据源分析的验证和修订。但是已有分析说明，全球变暖背景下、太湖流域历史文化名镇的洪涝灾害风险较高，迫切需要全方位的合作研究和相关针对性措施出台应对。

[基金項目：国家自然科学基金面上项目“整合传统与现代技术的密集型历史聚落火灾蔓延仿真模拟及性能化防控设计方法”（编号：51678129）;江苏省文物局科研课题“建筑遗产预防性保护的国内经验和江苏省工作路径研究”（编号：2019SK03）]

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（责任编辑：张双敏）

①国家级历史文化名镇19座：周庄、同里、甪直、沙溪、木读、千灯、锦溪、沙家洪、东山、荡口、长泾、凤凰、黎里、震泽、孟河、周铁、古里、巴城、光福;省级历史文化名镇3座：金庭、平望、桃源。

②乌镇、南浔、双林、菱湖、西塘

③枫泾、朱家角、新场、嘉定、高桥、南翔、练塘、张堰、川沙新镇、金泽