浙江典型滨海城市复合致灾因子洪涝模拟及淹没分析

吴宗阳，吴晓翔，林源君，商华岭

(1.龙游县林业水利局，浙江 龙游 324400；2.浙江省水利水电工程质量与安全监督管理中心，浙江 杭州 310012；3.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210024)

0 引 言

复合洪涝灾害是指洪、潮、暴雨等多个致灾因子同时或关联出现而产生的灾害[1-3]。我国大多数滨海城市的洪涝损失呈明显上升趋势，防洪与减灾体系建设面临城市型洪涝的压力与挑战，内涝风险显著加剧[4]。在滨海城市内部复杂空间分布下，如何精确模拟的洪水演进过程至关重要。

由于滨海城市坡面汇流流程缩短，水文响应单元更加破碎化、水动力学特性发生改变，以及复杂的致灾机制、下垫面硬化、不透水面积增加等因素，使得产汇流过程模拟难度增大、模型计算效率不高[5]。付成威[6]、耿艳芬[7]、刘薇[8]、喻海军[9]等构建一、二维耦合水动力模型，引入隐式的双时间算法等，显著提升了模型的准确性和计算效率。滨海城市雨水排水管网分布和流态、地面径流和地下管流交换情况等方面十分复杂[10]，需要对滨海城市内涝治理具有重要现实意义，需要考虑城市管网汇流过程，构建完整的洪水分析模型模拟洪涝过程。因此，在洪水模拟和淹没分析时，有必要构建一维河网汇流模型、地下管网汇流模型和二维地表产汇流模型并耦合，实现更为精细、准确的洪水演进过程模拟。本文利用地形数据、河网和管网数据等构建滨海城市洪涝分析模型，研究台风暴雨、洪水、高潮位等复合情景下的内涝淹没情况，为滨海城市洪水风险管理、抵御台风暴雨提供技术支撑。

表1 流域内积水点及成因分析

1 研究方法

1.1 区域概况

杭州市钱塘区下沙片区临近钱塘江入海口，研究区域(见图1)总面积约为90 km2，地势平坦，高程约为5～6 m，现状河道纵横交错呈网格状分布，共计36条，总长158.987 km，水域总面积19.22 km2，容积11 867.32万m3。排涝系统相对独立，主要依靠河道和地下排水管网，向钱塘江排泄。水利工程现状分为沿江排涝口门工程和内河水位控制工程两大部分。其中沿江排涝口门工程主要有：四格排灌站、850排涝闸和下沙排涝闸站；内河水位控制工程是各河道上建设的节制闸等工程。

图1 研究区域范围

随着城市发展，近年来区域内建筑物密度变大、河底高程偏高、河道淤积情况严重等原因，部分地段时常发生积淹水情况。通过历史调查资料整理，对流域内积水点分布与成因分析见表1。

1.2 水动力学模型原理

IFMS是国内目前实用性、通用性较高的洪水分析软件，集成了SWMM管网模型，基于自主研发的GIS平台实现了一、二维模型的耦合[11]。在城市暴雨内涝模拟、城市实时洪水风险分析与监测预警系统研发等方面均有较好的效果。因此，本文选用IFMS软件构建下沙区域洪水分析模型，能够实现河网汇流模拟、管网水流模拟、城市地表与地下管网的水流交互，准确反映滨海城市洪水淹没情况。

建立覆盖研究区域90 km2范围的一维河网模型，直观反映下沙区域河道洪水演进过程；对排水管网资料进行概化，对主干管道、检查井、排水口等进行处理，建立地下管网汇流模型；利用尺度精细的实测地形图、高精度DEM构建精细化二维地表模型，模拟地表水位、水流变化。将河道与地表模型进行耦合，应用并行计算的模型技术，实现更为精确的洪水情景模拟。

(1)一维河网模型。采用圣维南方程组模拟河道水流运动，其连续方程及动量方程为

(1)

(2)

式中，q为旁侧入流，(m3·s-1)/m；Q为河道断面流量，m3/s；A过水面积，m2；B为河宽，m；Z为水位，m；g为重力加速度，m/s2；Vx为旁侧入流流速在水流方向上的分量，一般可以近似为零；K为流量模数，反映河道的实际过流能力；α为动量校正系数，反映河道断面流速分布均匀性。

(2)地下管网模型。地下管网排水系统由雨水口、管渠和排水口等组成。地下管网排水情况是城市遭遇洪水产生内涝、淹没的重要影响因素。IFMS模型是利用有限差分法，数值求解动力波法的圣维南方程组实现对管网汇流的计算，对管道的节点使用水量平衡方程，能够实现模拟管渠的蓄变、有压流动等的不同情景。管渠水流运动的连续方程与动量方程为

(3)

(4)

式中，Q为流经管道的水量，m3/s；A为过水断面面积，m2；t为时间，s；x为水流流经管道的距离，m；H为管道的水深，m；Sf为摩阻系数，即

(5)

式中，K=gn2，n为曼宁系数；R为水力半径，m；V为流速，绝对值是指阻力方向与水流前进方向相反，m/s。

(3)二维地表模型。采用水深平均的二维浅水方程描述水流在地表的演进与淹没，将河道两侧堤防外区域按照地形地势划分为二维网格；而对于河道堤防则采用溢流单元来处理。水深平均的二维浅水方程可以简写为

(6)

(7)

(8)

式中，h为水深；u为x方向的流速；v为y方向的流速；sx，sy为源项。采用Godunov法[11]对上述的微分方程进行数值离散。

1.3 一维、二维模型耦合

一维河网模型、二维地表模型的耦合，分析并建立河道断面和地表网格之间的关系，用于模拟沿河汇入或者漫溢。根据水流交换的方向，水平方向上耦合连接分为以下2种：侧向连接和正向连接。侧向连接使用的是堰流公式进行计算，正向连接是网格之间互相提供边界进行计算，包括水位、流量、高程等。2种方式全方位地将河网模型和地表产汇流模型耦合，符合水流运动物理过程。

2 城市洪涝水动力学模型建模

基于下沙地区河道断面信息、堤防高程数据，建立一维河道模型(见图2)；以DEM数字高程模型为依据，充分考虑建筑物、道路等工程的阻水及导水影响，建立二维地表模型。一维、二维模型进行耦合的主要步骤有：

(1)地表建筑物及河道、管道概化。下沙区为高度城市化的区域，流域内建筑密集，对水流有阻挡作用，在模型中的处理思路是先划除建筑物再进行模拟。建立模型时划出建筑物轮廓并在模拟范围中将建筑物排除在外，只考虑建筑物对水流的阻挡作用，不考虑建筑物内部淹没作用；同时，河道作为重要的泄洪通道，道路作为通行通道，实际中不可积水。将管网数据导入数学模型，检查、修正并对缺失的数据进行合理化推断，主要包含管道断面形状、材质、长度、底高程和路面高程匹配等，见图3。管网模型构建完成后，需要进行拓扑关系检查。对管道连接以及管网与河网连接的高程、位置等数据核对，保证模型关系准确。

(2)边界条件确定。设置二维模型的边界为固边界，雨水只能通过地下管网和内河河道排到流域外。内边界是区域内可人为调节水流运动的工程设施，包括闸、坝、泵的调度原则和运行方式；外边界是设计暴雨或实测暴雨过程，以及钱塘江水位过程。

(3)网格划分。二维模型网格划分的平均边长约为31 m，网格数100 840个，在建筑物密集区域、道路区域等重要区域的网格根据建筑物边界和道路边界自动加密，最小边长可达9 m，将地面高程赋值到划分好的网格之中(见图4)。以上的网格划分方法既提高了道路、建筑物等重要区域的计算精度，又保证了模型整体的计算效率。

图2 一维河网模型概化断面

图3 地下管网模型概化断面

(4)参数率定。按照规范标准选定参数范围，选择2020年、2021年3场有实测水位数据和淹没调查报告的洪水，率定精细化多维耦合模型的有关参数，主要指河道糙率、管道糙率等。若某段河道或管道缺少实测数据，可以结合其他类似建造材质和断面形状的河道的糙率，近似选取合理数值，地表网格面积系数和糙率按照土地利用类型确定。

模拟在20200917、20210723(台风“烟花”)、20210813历史洪水发生时的河道水位变化及地表淹没过程，根据选定的3个水位站实测水位进行对比，模拟结果满足绝对误差不超过±0.2 m，相对误差不超过10%，纳什效率系数(NSE)不低于0.70。率定洪水模拟效果分析见表2。

3 洪水情景模拟分析

洪水来源包括区域暴雨洪水和钱塘江高潮位。结合致灾因子、水利工程调度的影响，提出2大类情景方案，共计6组(见表3)。

3.1 洪潮组合情景模拟

3.1.1 水文计算

根据地理位置和权重分析，下沙地区水文分析计算的代表站是钱塘江仓前站。按年最大值选样的方法，统计仓前站的1、3 d暴雨。仓前站暴雨系列选用1953年～2013年，进行经验频率计算，按P-Ⅲ型曲线适线拟合，求得仓前各重现期设计暴雨。最大24 h设计雨量采用最大1 d设计雨量的1.13倍。

(1)设计暴雨，成果见表4。

图4 二维地表模型网格划分及高程赋值

表2 率定洪水模拟效果分析

表3 洪涝模拟方案设置

表4 仓前站设计暴雨成果

(2)设计潮位。选择略高于多年平均年最高值的2013年10月“菲特”台风作为偏不利设计潮型，以仓前站多年平均年最高潮位为控制要素同倍比放大，作为设计洪水方案的潮位过程(见图5)。

图5 设计洪水方案下边界潮位过程

3.1.2 淹没结果分析

为了探究下沙区城区目前的防洪能力，根据耦合模型按照方案运行后的结果，分别对5年至100年一遇5种洪潮组合情景淹没情况进行比较，统计分析各方案淹没范围及淹没水深如表5所示。

表5 不同方案下淹没情况对比及不同洪涝情景下河道预降水位建议

现状工程水平下，当地区遭遇20年一遇暴雨，区域内河道水位在5.12～5.16 m间，其中南部建成区最高水位5.16 m，基本满足20年一遇排涝要求；当地区遭遇50年一遇暴雨，下沙片河道水位在5.42～5.57 m之间，其中南部建成区最高水位5.57 m，出现排水困难，不能满足城市50年一遇排涝要求。

图6为发生100年一遇设计暴雨+潮位淹没时的情形。由图6可以看出，下沙东部科技城、加工区等生产基地淹没深度较大，附有仓库、公寓等重要保护对象。遭遇较高标准暴雨时，存在洼地区域淹没深度可达0.5 m以上，淹没历时3 h以上，极易产生财产损失和生命安全威胁。

图6 发生100年一遇设计暴雨+潮位淹没的情形

图7 “菲特”台风情景下现状淹没情况

3.2 历史洪水情景模拟

“菲特”台风带来的降雨造成区域内19个路段局部路面积水，影响车辆通行，但主干道路未出现严重积水(见图7)。全区道路交通和生产生活受到了一定程度的影响。以“菲特”台风实际发生的降雨和钱塘江潮位作为边界条件，模拟现状工程及调度规则、下垫面条件下产生的淹没情况。

根据模型模拟结果，金沙运河二通道桥下、金沙湖隧道、绕城高速下道路交叉桥涵淹没深度达0.5 m以上，杭州科技园和大学城仍可能产生严重内涝。这主要是由于地势低洼、抽排能力不足导致长时间积水排泄不畅，也体现出了该地区防灾能力的不足。

3.3 洪涝防御建议

当面临暴雨洪水时，为预防城区内可能产生的内涝情况，应当提前对河网常水位进行控制。预报有较大暴雨发生时，下沙河道水位应采取预排措施，控制降雨发生前河网水位不高于3.8 m。根据“菲特”台风淹没情况分析，50年一遇及以上强降雨遭遇外江天文大潮，应在暴雨来前预降水位至3.2 m；需在接到两方面预报后，及时采取河道水位预降、开启排涝泵站等预先防御措施(见表5)。

洪涝灾害具有突发性，较难准确预知灾情，还应当根据淹没图中的积水位置和淹没深度，及时做好避险转移预案，在重点保护对象学校、医院等地区提前规划好防洪避灾安置点；要持续优化排涝通道和设施设置，定期整治；对淹没点周边的雨水口、排水管渠进行改造，也可以合理增设排水系统。

4 结 语

我国滨海城市密集、人口众多，海岸线广阔，常年受太平洋台风影响，易产生大规模暴雨天气；同时也是大多数河流的入海口，潮汐对水位作用显著，极易产生洪、潮、暴雨等造成的复合洪涝灾害。本文根据研究区域的致灾因子搭建城市洪水分析模型，设置不同情景方案进行洪水模拟，绘制洪水淹没图，预判现状条件下的内涝淹没影响。因此，滨海城市需要依据水动力学模型绘制洪水淹没图，全面关注可能受灾地点，从外部防洪挡潮措施以及内河整治与防洪常水位控制规划，做好合理调度、人员避险转移工作，为防洪排涝治理、城市发展规划等提供指导，有效应对洪水威胁，提高灾害防御能力。