平原水网区圩垸防洪引发的城市洪涝风险转移研究

王跃峰,崔婷婷 ,许有鹏 ,王 强

(1.南京水利科学研究院水利部水旱灾害防御重点实验室,江苏 南京 210024;2.重庆师范大学地理与旅游学院,重庆 401331;3.南京大学地理与海洋科学学院,江苏 南京 210023)

洪涝是全球最常见的破坏性自然灾害,随着城市化发展、人口迅速集中,城市洪涝风险日益加剧,破坏性也越发严重[1-3]。据统计,中国洪水引起的经济损失快速上升,其中2011—2020年均损失2 236亿,较2000—2010年增长了78%。近年来,中国很多城市纷纷上演“城市看海”“逢大雨必涝”,如2012年北京“7·21”、2015年常州“6·26”、2019年深圳“4·11”、2021年郑州“7·20”等洪水,严重阻碍城市经济发展和威胁生命财产安全[4-5]。因此,加强城市洪涝问题研究是中国城市防灾减灾的现实需要,尤其对于在地势低平的平原水网地区更显迫切。

圩垸是平原水网区常见且有效的防洪手段之一,旨在保护区域内的城市社会免遭洪水侵袭。近些年,为缓解城市洪涝灾害及损失,地方政府相继扩大城市圩垸规模,增加圩垸防洪排涝的能力,给区域和流域防洪带来巨大挑战[6-8]。从上海来看,92%的地区都进行了不同规模的圩垸建设,其中闸门和泵站设施共计1 836个[9]。针对城市圩垸建设带来的洪水问题,学者们也开展了深入研究。王静等[10]建立了考虑圩区分布的水位-蓄水量关系模型,认为考虑圩区的模拟结果与实际调查的淹没范围分布一致性更好;Gao等[11]以秦淮河流域为例,指出圩垸式防洪能有效降低单峰洪水的洪涝风险,可削减洪量超10%,且对小规模的洪水影响尤其显著。也有学者认为,城市圩垸防洪能力增强,可降低圩内洪水水位,一定程度上缓解其洪涝灾害[12-14]。总的来看,当前城市圩垸防洪模式日益盛行,现有研究主要分析了圩内洪水的缓解效应,鲜有研究对圩垸防洪引起的洪涝风险转移和洪涝矛盾协调进行定量揭示。研究这一问题,有助于构建“风险分担、利益共享”的城市防洪模式,有利于城市可持续发展[15-16]。

常州水网区位于太湖流域,是中国城市化最快的区域之一,也是洪涝灾害高发区。二轮治太工程(2001—2010)实施以来,圩垸建设加强,特别是运北防洪大包围的建成,成为常州城区防洪的有效屏障,同时也造成排涝格局变化,给城市防洪带来新挑战[17-18]。2014年以来,运北大包围运行对区域洪水过程及风险转移有直接影响,其运行明显降低了城区河道洪水位,缓解了城区洪涝灾害,同时也在一定程度上增加了城郊地区的防洪压力。围绕这一现象,借助水文学和水力学方法,构建城市洪涝耦合模拟模型,定量分析圩垸防洪引起的洪涝风险转移,以期为城市防洪减灾提供参考。

1 研究区概况

常州市河网纵横且地势低平,经济发达且人口密集,是中国洪涝灾害频发区。从图1来看,随着城市化发展,闸、泵等防洪设施大量建设,改变了原有的河网水系连通,形成防洪排涝新格局。图1b为运北防洪大包围,是常州规模最大的圩垸防洪工程,于2014年全面建成,在“20150616”“20150626”等多次洪水过程中发挥重要作用。它包含18座闸泵工程,总排涝能力374 m3/s,其运行分别以包围内、外的三堡街和常州(三)水位为参考依据。图1c为基于“欧氏距离”法划分的子汇水区,综合考虑了地形、河网分布及水利片区等特点,按照水量就近分配原则,将小区产流量分配到最近的河道,共划分了104个子汇水区。

图1 研究区基本概况及子汇水区划分

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

主要收集了河网水系、河道断面、暴雨洪水、地形和圩垸防洪工程及其调度等资料。其中,河网水系和河道断面是基于常州市水系数字线画图 (DLG),并根据Google高分辨率影像和野外实地调查进行校正,暴雨洪水资料源自常州水文局水情遥测系统,地形资料根据常州万分之一高程点插值得到,圩垸防洪工程源自常州市水利普查资料。选取“20161018”“20150602”“20150616”和“20150626”4场典型场次洪水,对模型进行参数率定、验证及洪涝模拟。与此同时,还收集了与典型洪水场次相应的13个雨量站、14个水文站和1个流量巡测点的资料,时间分辨率为15 min。从表1来看,4场典型洪水降水量度较大,洪涝淹没和损失逐渐增加,其中“20150626”洪水期间,首次启用I级防洪调度,直接经济损失约9.42亿元[19]。

表1 典型场次洪水的基本情况

2.2 城市洪水耦合模拟模型

平原水网区水文条件复杂,概括来看可分为地表产汇流、河道行洪、防洪调度和地表漫流等过程,各过程通过水量交换相互影响。采用DHI MIKE平台的MIKE Flood将上述过程进行耦合,形成相对完整的城市洪水耦合模拟模型,其中MIKE NAM水文模型用于计算各子汇水区的产汇流过程,MIKE11和MIKE21水力学模型用于计算河道行洪和地表淹没过程,模型构建流程见图2。DHI MIKE平台充分考虑了实际河道还原和防洪工程运行调度等,适合于平原水网地区建模,在太湖流域已得到广泛应用[7,20]。

图2 城市洪水耦合模拟模型构建示意

首先采用“20150602”和“20161018”洪水对耦合模型进行参数率定,然后利用“20150616”洪水进行模型验证。选取运北大包围内、外的三堡街站和常州(三)的洪水过程进行模型参数校验,选择决定系数(R2)、峰值水位相对误差(PE)及Nash-Sutcliffe效率系数(ENS)等定量指标对模拟结果进行评价。从表2来看,代表水文站的R2和ENS均在0.90以上,峰值水位误差除验证期的三堡街站稍大外,其余均低于2%,且峰现时间误差在1 h内。图3为“20150616”洪水过程的模拟与实测对比,2个代表水文站的模拟水位与实测过程吻合较好,且较好地模拟了运北大包围内启用后三堡街站水位的变化过程。总的来看,构建的城市洪水耦合模拟模型能较好地模拟常州平原水网地区的洪水过程。

表2 城市洪水耦合模拟模型参数率定和验证结果评价

图3 “20150616”洪水过程的模拟值与实测值对比

2.3 城市洪涝风险评价分析

基于城市洪涝成因和下垫面特征,参考相关文献,从致灾因子危险性、承载体易损性和防灾减灾能力薄弱性三方面构建了指标体系[21-22]。表3为城市洪涝风险评价指标体系,其中危险性指标来源于模型模拟的淹没水深、地形及土地利用资料,易损性指标主要源自《常州市社会统计年鉴》,薄弱性指标来自常州市水利普查资料,采用层次分析法对各指标进行权重计算。

表3 城市洪涝风险评价因子及其权重

基于上述各指标的标准化结果及其权重,通过式(1)、(2)计算洪涝风险指数:

(1)

Rj=P1,j×P2,j×P3,j

(2)

3 结果分析

3.1 典型城市洪涝过程模拟

选取“20150626”典型洪水,分析圩垸防洪对城市洪涝的影响,本次降雨过程持续了5 d,总雨量383 mm,最大12 h、最大24 h和最大3 d雨量均为1951年以来的最高值[19]。期间,首次启动防汛I级响应,关闭了钟楼防洪控制工程,城区圩垸防洪工程悉数启用,排涝量约6 120万m3,防洪包围内受涝面积和受淹时间明显减少,但同时引起外河洪水水位快速上涨。表4统计了4个区域(A、B、C、D)的洪水调查与模型模拟的结果,位置见图4。从淹没水深和分布范围来看,除新闸街道的淹没水深明显偏低外,其余地区的模拟的淹没水深与洪水调查结果吻合较好。模型模拟的淹没面积比实际调查的淹没面积总体偏小,这可能是由于洪涝淹没模型中仅未考虑规模较小(低于3.33 km2)的圩区排涝情况。

表4 “20150626”洪水调查和模型模拟结果对比

a)S1

3.2 圩垸防洪对城市洪涝过程的影响

分别设置了S1(不启用圩垸防洪)、S2(仅关闭圩垸闸门)和S3(全面启用圩垸防洪)3种情景,来揭示圩垸防洪对城市洪涝过程的影响。图4为3种情景下的洪涝淹没情况。在S1情景下,淹没范围位于京杭运河、新京杭运河和扁担河沿岸,主要分布在奔牛、邹区、牛塘和新闸街道等区域,淹没水深多为0.02～1.50 m。相比来看,关闭闸门(S2)时,运北大包围内的洪涝淹没面积有所降低,尤其当全面启用圩垸防洪(S3)时,包围内的淹没面积明显减少,仅在包围沿线出现少量淹没,新闸街道附近缓解最显著;但是包围外的牛塘、邹区和戚墅堰地区淹没面积和水深均明显增加。表5统计了3种情景下包围内、外不同淹没深度的面积。从包围内来看,随着大包围的启用,总淹没面积可减少56%～64 %,各深度的淹没面积也均表现出不同程度下降,水深大于1.0 m的淹没面积减幅达到70.2 %;而包围外的淹没面积均表现出不同程度的增加(14.1%～26.8%)。对整个区域而言,全面启用大包围(S3)时,各深度的淹没面积均有增幅(0～8.3%),表明启用圩垸防洪在保护城区安全的同时,还在一定程度上加剧了全区洪涝淹没。

表5 各情景下不同淹没深度的面积统计 单位:km2

图5从子汇水区尺度,统计了两种圩垸防洪情景(S2、S3)相较于S1的最大淹没水深变化情况。从空间上来看,关闭闸门(S2),淹没水深发生较大变化 (±0.20 m) 的小区主要集中在大包围周边地区,大包围内淹没水深降低的小区明显多于大包围外,大包围内水深增加的区域主要集中在天宁区和新北区,而大包围外集中在湖塘和丁塘港附近。这表明,关闭闸门在缓解城区防洪压力的同时,将会引起大包围东部和南部的防洪压力进一步加剧。全面启用圩垸防洪(S3),包围内子汇水区的淹没水深多呈现下降趋势,同时包围外大多数子汇水区的淹没水深也得到了一定缓解,但更多的洪水风险被转移到了局部地区 (湖塘镇附近),这表明圩垸防洪在缓解包围内洪涝的同时,其相对均匀分布的泵站排涝也起到了分解局部洪涝压力的作用,但会将这些洪涝压力传递到了局部地区。

a)S2-S1

3.3 圩垸防洪对城市洪涝风险的影响

以子汇水区为单元进行洪涝风险评估,图6为不启用圩垸防洪(S1)时的洪涝风险空间分布,从空间上来看,洪涝风险值较高的子汇水区主要位于运北大包围内部及其周边,其中洪涝风险值大于0.60的3个小区均在大包围内,这与该小区域淹没深度大,且人口密度高、经济发达有关。相比之下,东北部和南部子汇水区的洪涝风险值较小,洪涝风险值均低于0.30,这与其地势相对较高有关。综合来看,在不启用圩垸防洪时,城区将面临较严重的洪涝风险,这也是近些年政府斥资提高圩垸防洪能力建设的重要原因。

图6 S1情景下各子汇水区洪涝风险的空间分布

采用同样方法,计算S2和S3情景的洪涝风险,将其分别与S1情景进行对比,获得各子汇水区的洪涝风险值变化,见图7。具体来看,仅关闭闸门(S2),洪涝风险值变化较大的子汇水区主要分布在大包围内及其南北两侧,其中大包围内有5个小区的洪涝风险值下降超50%,这也包括图6中风险值较高的2个小区,大包围外则有4个小区的风险值上升超50%,位于潞横街道和湖塘地区。这表明,闸门挡水在一定程度上缓解了大包围内的洪涝风险,将洪涝风险主要转移到了下游的潞横街道和南部的湖塘地区。全面启用圩垸防洪(S3),大包围内有8个小区洪涝风险值表现为下降,其中4个超50%;大包围外的北部小区风险值有所下降,东部地区风险值有所上升,但变化幅度均低于50%,而南部的湖塘-遥观一带有3个小区风险值增加超50%。总的来看,启用圩垸防洪后,会将洪涝风险向大包围以外的南部和东部地区转移。因此,在进行防洪调度时,相关部门应着重关注这些发生较大洪涝风险转入的区域。

a)S2-S1

3.4 城市洪涝风险协调分析

根据常州市防洪调度预案,大包围防洪运行设有3个特征水位:警戒水位 (4.30 m)、控制水位 (4.50 m)、保证水位 (4.80 m)。其中,警戒水位为闸门启闭的控制条件,控制水位为泵站启闭的条件。因此,基于“风险共担”原则,并结合《常州市城区防洪大包围工程优化调度研究》,在兼顾大包围内防洪需求的同时,试图通过抬升大包围泵站开启的控制水位来减少外排水量。在大包围现状调度预案(S3)基础上,增设4种圩垸防洪调度的情景,见表6,即在保证其他控制条件不变的前提下,依次增加泵站开启的水位控制条件,在现有调度规则基础上,探寻有利于城市洪涝协调的圩垸防洪运行规则。

表6 基于洪涝风险协调的圩垸防洪优化方案情景

与现状调度预案(S3)相比,优化情景下各子汇水区淹没水深和洪涝风险变化,见图8、9。S31情景下全部子汇水区淹没水深较现状调度未出现明显变化,变化幅度小于0.03 m,其对应的洪涝风险也未表现出明显变化。S32情景,在一定程度上降低了大包围外部分小区的淹没深度,主要位于潞横街道和遥观镇,但缓解幅度有限,淹没深度的降低均未超过0.05 m,大包围内也仅有一个小区的淹没水深增加了0.07 m;从洪涝风险变化来看,包围内未出现明显变化,包围外主要向南部地区转移,但风险值增加不大。从S33情景来看,包围内的淹没深度较现状调度发生较大变化,多个小区的淹没水深增加超过0.10 m,包围外仅有遥观镇附近的小区淹没情况得到缓解,也有个别小区出现淹没水深增加;从洪涝风险变化来看,大包围内钟楼区附近洪涝风险增加明显,大包围外西部和东部小区的风险值则表现出下降,而南部的部分小区依然表现为明显增加现象。S34情景与S33类似,且进一步加剧了大包围内新北区附近的淹没情况。

a)S31-S3

a)S31-S3

对比新增4种情景,S31和S32分别将泵站开机控制水位抬升了0.05、0.10 m,2种情景在保障大包围内基本安全的前提下,还能使包围外东部一些小区的洪水淹没和洪涝风险有所缓解。而S33和S34虽然使包围外的洪涝风险得到一定下降,但却未能有效保障大包围内的防洪安全。综合来看,在原有调度预案基础上,适当地抬高大包围各泵站开启的水位控制条件 (0～0.10 m),将有助于缓解城市与区域的洪涝矛盾。

4 结论

基于实测数据,在平原水网区构建了考虑圩垸防洪排涝及运行调度等影响的城市洪涝模拟模型。将洪涝模拟与风险评估相结合,分析了圩垸防洪引起的城市洪涝风险转移及协调优化。主要结论如下。

a)圩垸防洪对区域洪涝格局影响显著。不启用时,淹没区域主要分布在流域骨干河道沿线,大包围内洪涝明显,淹没面积约占总淹没面积的20 %。启用时,城区内总淹没面积显著减少,降幅约56%～64%,严重淹没区域(>1.0 m)的下降比例最大(70.2 %),有效保障了城区安全;与此同时,大包围外的洪涝过程加剧,淹没深度和淹没面积均表现出不同程度增加,主要加剧了南部和东部的洪涝灾害。

b)圩垸防洪加快了洪涝风险从城区向郊区的转移。启用时,能有效缓解城区内的洪涝风险,多个子汇水区的洪涝风险值呈现下降,4～5个人口密集且经济较发达的子汇水区洪涝风险值下降超过50%;但同时加剧了大包围以外南部和东部地区的洪涝风险,有3个子汇水区洪涝风险值增加超过50%。

c)基于“风险共担”原则,将各泵站开启的水位控制条件增加0～0.10 m时,能降低包围内外的水位差,且未明显增加包围内的洪涝淹没及风险,可作为今后常州圩垸防洪调度的备选方案。