基于风暴潮模拟的海滨城市内涝风险评估

张 楠，王 贺，吕永鹏

[1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092；2.中交上海航道勘察设计研究院，上海市200120]

0 引言

上海市临港新城位于长江口，其沿岸频受风暴潮威胁，城区内部还会受到短历时强降雨导致的内涝积水灾害[1]的威胁。对于沿海地区风暴潮灾害研究的评估，Zhenhua Pan[2-3]针对人类工程对长江口风暴潮的影响研究中提到台风会对长江口造成威胁，介绍了浦东国际机场附近的极端风暴潮存在的不同程度的淹没风险。段丽瑶[4]针对天津沿海地区搭建的城市内涝模型，是在沿海边界和河口处设置了时变水位，模拟了由于风暴潮侵袭造成的淹没情景。研究海域与陆域洪水采用的方法多数是将两个系统分开建模，风暴潮模型关注海岸线，城市内涝模型关注城区，需考虑潮位影响就添加边界条件。本研究的突破点是将海域与陆域整合为一个模型，多角度模拟强台风叠加强降雨时城区内涝的情况。

1 研究区概况

在国家新型城镇化战略下，临港新城是长三角滨江沿海发展廊道上的区域性节点城市，是上海的开放创新先行示范区。鉴于位置的特殊性，研究其由强降雨、台风等带来的潜在风险就十分重要。临港地处上海东侧沿岸，处于北亚热带平原感潮河网地区，外围系黄浦江、长江口与杭州湾水域环绕，具有明显的海洋性季风特征，雨量充沛，年降雨量为1 228.1 mm，但年内分配不均，6—8月汛期降雨量约占全年的41.9%。水位易受沿江沿海潮汐影响，外围水域潮汐特性为非常规浅海半日潮，一个太阳日（即24 h 50 min）有2 次高潮和低潮，且各不相等。

2 研究方法

2.1 模型介绍

MIKE 21 由丹麦国家水力研究所（DHI）研发，是一款二维水动力软件，在二维地表漫流模拟中应用广泛，这源于该软件在二维地形处理方面的优势，可用于三角形网格搭建海底地形，亦可用矩形网格搭建城市地形。以往多数研究是将风暴潮模型与城市内涝模型分开计算，相结合的应用研究却极少。本研究的特点就是将相关海域的海底地形与城市地形相结合，在强降雨和台风情况下，模拟海域加陆域系统的行洪过程，以期为内涝防治系统的完善提供辅助支持，并在为后续使用二维水动力模型在海域与陆域相结合的城市内涝风险研究中提供借鉴。

2.2 模型构建

临港新城的二维水动力模型研究区域主要包含了海域部分和陆域部分。其中海域范围边界参考了Zhenhua Pan[2-3]研究的长江口模型，取东边界至东经123°30′，北边界至北纬32°15′，南边界至北纬29°33′，包括黄浦江、杭州湾和舟山群岛在内，东西长约550 km，南北宽约340 km；陆域范围包括上海市区、长兴岛、横沙岛和崇明岛。其中，临港新城的主海塘长约34 km，堤顶高程为10.4 m（吴淞零点），该一线海塘可以防御200 a 一遇高潮位加12 级风正面袭击。该模型的计算域及水下地形分布图参见图1。

图1 地形图（单位：m）

2.3 模型率定

模型通过历史上两次降雨事件进行率定，即2018年的“9·17”暴雨事件与2019年的“利奇马”台风事件。

2.3.1 “9·17”暴雨事件

从上海浦东惠南站监测点的数据来看，暴雨从2018年9月17 日凌晨02:48 开始，约至中午12：00结束，历时约10 h，降雨总量达139.2 mm，最大1 h降雨量为102.5 mm。该暴雨已超过100 a 一遇标准。图2 为临港新城“917”暴雨事件淹没水深图，严重区域积水深度在0.15～0.18 m，积水长度约50～200 m，积水时间为1～2.5 h。积水严重区域总面积约0.076 km2，“9·17”暴雨时间模拟结果的积水结果与实际积水率定点基本保持一致，红色星号处为率定点位。

图2 “9·17”暴雨事件内涝积水点（单位：m）

“9·17”暴雨期间未有台风过境，当时湖水闸外海未退潮，河道水位低于外海水位，因此无法开闸排水。图3 给出了临港“9·17”暴雨事件期间芦潮港实测潮位（中国水务信息网）和计算潮位的对比过程线。天文潮潮位计算值的波动情况与实测值基本一致，潮位计算值与实测值吻合良好。

图3 “917”暴雨事件芦潮港实测潮位与计算潮位的对比过程线（单位：m）

2.3.2 “利奇马”台风事件

2019年8月9 日的“利奇马”台风给上海带来明显的风雨影响，全市普降暴雨到大暴雨。从9 日12：00 至11 日早6：00，台风降雨历时42 h，台风过境期间，长江口区及沿海地区达到9～11 级大风，沿江沿海地区出现0.5～1.3 m 的风暴潮增水，由于天文潮整体不高，因此未出现超警戒水位情况。图4 给出了“利奇马”台风过境期间芦潮港实测潮位（中国水务信息网）和计算潮位的对比过程线。风暴潮潮位计算值的波动情况与实测值基本一致，潮位计算值与实测值吻合良好。

图4 “利奇马”台风芦潮港实测潮位与计算潮位的对比过程线（单位：m）

综上率定过程和结果表明建立的海域加陆域的二维水动力模型搭建合理，确保了能较精确地预测现状条件下台风过境叠加强降雨的情况，可用于后续的内涝计算分析工作。

3 海域憎水与陆域内涝模拟

3.1 模拟工况

为了研究临港新城最严重的内涝灾害，本文在风暴潮的基础上考虑极端降雨事件。首先选取9711台风(Winnie)期间的潮位为极端风暴潮，因9711 号台风是近年来影响我国强度和范围最大的强台风之一，所谓强台风就是指底部中心附近平均最大风速为41.5～50.9 m/s 的台风，属于14～15 级台风。该台风登陆时,正值天文大潮期，它所引起的风暴潮使得浙江、上海和江苏等沿海堤坝损坏严重，故本研究模拟工况选取9711 号台风过境。根据《上海市排水防涝综合规划》的要求，上海市新区的内涝防治标准为100 a 一遇，故本研究将100 a 一遇设计降雨的峰值与9711 号台风造成的最大增水时刻进行重合模拟。模拟时段定为1997年8月17 日0∶00—1997年8月20 日0:00，采用上海市100 a 一遇24 h 设计雨型，24 h 降雨量为279.1 mm，最大1 h 降雨量为68.9 mm。

3.2 评估分析

3.2.1 最大积水深评估

二维水动力模拟计算结果显示9711 号台风过境期间芦潮港最高水位可达4.10 m（85 高程），与历史实测数据较为接近；同时并未造成沿海漫堤现象发生，即现状条件下的临港一线海塘可防御历史上强度较大级别台风，上海临港沿海地区处于安全状态。图5 展示了台风过境后城区范围内的积水图，积水深随着蓝色深浅逐渐加，最大积水深达2.02 m。

图5 “9711”过境叠加百年一遇降雨的最大淹没水深图（单位：m）

3.2.2 内涝风险评估

参考《临港试点区海绵城市专项规划》确定的试点区水灾害治理的量化指标，即内涝防治按照《室外排水设计标》（GB 50014—2021）内涝重现期评价提出的100 a 一遇，及城市防洪提出的沿江、沿海主海塘防御能力达到200 a 一遇高潮位，本研究拟定了评判临港内涝风险等级的规则，即积水深度在0.15 m，积水时间不到1 h 的区域为低风险区；积水深度范围在0.15～0.3 m，积水时间在1～2 h 的区域为中风险区；积水深在0.3～0.5 m，积水时间在2～3 h 的区域为高风险区。

根据该规则，绘制了内涝风险等级图6，统计淹水面积约0.1 km2，占比0.1%（临港新城面积约79 km2），蓝色低风险区约0.014 km2，黄色中风险区约0.026 km2，红色高风险区约0.056 km2。

图6 内涝风险等级图

研究结果表明，9711 号台风过境期间沿海海堤越堤不明显，造成的最大积水深约2.02 m，淹水面积约0.1 km2，城区内涝主要集中在北部未开发区域。

4 结论

本研究通过搭建海域和陆域相结合的二维水动力模型，模拟了9711 号台风叠加百年一遇设计降雨工况，重点分析了沿海地区与城市范围内的内涝情况。总结有以下几点：

现状条件下的临港沿海堤防等级较高，9711 号台风过境期间沿海海堤可防御200 a 一遇高潮位加12 级风袭击，临港区域较为安全。

临港新城范围内的高风险区主要集中在北部未开发区域及沿海区域。

用MIKE 搭建的二维海域与陆域模型在内涝模拟方面又拓展了一步，实现了可能达到的潮位、大风、波浪、降雨同时发生时产生的淹水问题，较以往设置单一潮位边界模拟，更具有实际参考价值。

各相关管理与建设部门可以根据分析得出的内涝风险等级图作为决策参考，本研究可为后期城市开发提供数据支持，并为城市洪水风险图的编制及行泄避险通道的制定提供强有力的理论依据。