基于降雨情景模拟的长江中下游流域淹没风险

张洪云,王永强,王大胜,王 伟

(1.安徽省交通勘察设计院有限公司,合肥 230011; 2.长江科学院 水资源综合利用研究所,武汉 430010;3.河海大学 港口海岸与近海工程学院,南京 210098)

0 引 言

极端强降雨诱发区域性洪涝现象是气象灾害中发生频繁、危害严重的灾害之一。据统计,中国每年洪涝灾害产生的经济损失占气象灾害经济总损失的37.2%,死亡人数占11.7%[1]。长江中下游地区因受梅雨和台风等天气活动的影响,区域内暴雨灾害频发,几乎每年都会面临着不同程度的洪涝灾害损失。联合国政府间气候变化专门委员会IPCC第五次评估报告[2]中指出:开展气象灾害事件的风险评估是减轻气象灾害损失最有效的途径,特别是针对暴雨洪涝灾害建立风险评估框架,已成为相关学者研究的热点。如张会等[3]、Adrianto等[4]、秦年秀等[5]、张菡等[6]针对洪涝灾害形成的重要影响因素,选取不同的研究方法探究洪涝灾害的分布特性。近年来,流域水文模型快速发展,使得洪涝灾害过程模拟成为了可能。如Sahu等[7]、徐刘凯等[8]、甘衍军等[9]、王倩雯等[10]基于地表径流模型(Soil Conservation Service Hydrologic Model,SCS)模拟了小流域范围内暴雨洪涝灾害的产汇流过程,陈思[11]将SCS模型与基于GIS的局部等体积淹没方法相结合,探究城市暴雨内涝过程的模拟方法,并在武汉汤逊湖流域取得了较好的模拟效果。上述研究方法思路清晰,在一定程度上再现了流域洪涝灾害过程,但研究对象通常为小流域,且对于大尺度的长江中下游流域的淹没风险研究较少。再加上近年来江淮流域极端天气异常突出,短时间高强度的暴雨引发局部或大范围的淹没风险将有明显的上升趋势。鉴于此,本文将SCS产汇流模型与泰森多边形法、河网密度法相结合模拟大尺度流域内产流过程,开展长江中下游地区淹没水深和分布范围的相关分析,以期为流域洪涝灾害风险管理奠定基础,为地区防洪减灾工作提供科学依据。

1 研究区概况及建模思路

1.1 研究区概况

长江中下游地区位于秦岭—淮河以南、南岭以北,经纬度为111°E—119°E、26°N—33°N。区域内丘陵山地和平原盆地相间,湖泊河网众多,水系发达。其中江汉、两湖平原是我国重要的商品粮发展基地,长江三角洲则是地区经济发展的中心。该流域属典型的亚热带季风气候,年内降雨不均,夏季多雨,占全年降雨量的70%以上。每年6—8月份易出现长时间的连绵阴雨天气,俗称“梅雨”,持续数天的区域性强降雨易导致流域江河湖泊水位偏高,城市排水不畅,地区遭受洪涝损失严重。

1.2 数据来源

研究区数据主要包括降雨量数据、高程(DEM)地形数据、土地利用以及土壤类型数据。其中降雨量数据来自中国国家气象信息中心网站(http:∥data.cma.cn/),剔除资料不全和长度不够的站点后,选取研究区内63个气象站点的逐日降雨量数据。由于每年的6—8月份是流域洪涝灾害多发季,因此时间序列上选择1961—2018年的6、7、8这3个月份的逐日降雨量计算面降雨量。高程数据采用SRTMDEM 90 m 分辨率原始高程数据(http:∥www.gscloud.cn/),土地利用和土壤类型数据从中国科学院资源环境数据云平台(http:∥www.resdc.cn/)获取。

1.3 建模思路

本文将对不同降雨情景下长江中下游流域洪涝现象进行淹没模拟,其过程主要包括降雨、产流以及汇流淹没等3个方面,流域洪涝过程模拟流程见图1。

图1 流域洪涝模拟流程

2 不同降雨情景下流域淹没模拟分析

2.1 流域面雨量模拟

流域面雨量是指某一特定时段内该流域的平均雨量,也被定义为单位面积上的降雨量。传统面雨量的计算方法主要分为算术平均法、泰森多边形法和等雨量线法。其中算术平均法简单易行,适用于小流域且测站分布较为均匀的情况;等雨量线法充分考虑降雨的时空分布情况,对地形异变适应性较强,但其精确度多依赖于分析技能,操作复杂。

泰森多边形法将流域通过气象站点划分成若干个多边形加权计算面雨量,此种方法较为简单,计算精度较高,现已被用于多种领域中。徐晶等[12]研究了各种七大江河流域的面雨量计算方法,指出泰森多边形法比较适用于长江流域。方慈安等[13]运用多种面雨量计算方法来研究洞庭湖流域降雨,指出泰森多边形法在计算日面降雨量上与实况差异最小。陈光舟等[14]指出在流域内站点分布均匀,且空间降雨分布差异较小的情况下,泰森多边形法计算淮河流域面雨量较为精准。考虑到长江中下游地势较为平坦,流域内水文气候相差不大,因而流域面雨量采取泰森多边形法计算,其面雨量计算见式(1)。

(1)

本文将依托ArcGIS10.8的空间分析能力,综合63个气象站数据集,使用Thiessen命令生成泰森多边形。长江中下游流域共划分为63个雨量分区,其划分单元见图2。

图2 泰森多边形雨量分区

本文通过编程分析各水文年内6—8月份的降雨数据,采用经验频率曲线法推求各雨量分区重现期为0、50、100、200、500、1 000 a的降雨量,并将结果导入泰森多边形内。图3为流域不同重现期下降雨量分布,由此看出,流域降雨量的高值中心主要位于两湖水系。

图3 流域不同重现期下降雨量分布

2.2 流域产流模拟

径流曲线法(SCS)是美国水土保持局针对小农业流域的大量实测降雨、径流等资料的分析,总结而来的数学水文模型。SCS模型将产流过程划分为下渗、填洼、蒸发和径流4个部分,同时考虑土壤地质、土地利用类型等下垫面因素和前期含水量对径流的影响,其结构简单、所需参数少,因此在缺乏水文资料的地区运用较多。其原理基于水量平衡方程以及降雨径流与损失量比例相等、损失与滞留量呈线性关系的两大基本假设,模型各种参数关系见式(2)。

(2)

式中:Q为流域径流量;P为降雨量;s为流域最大滞留量,代表着后期损失量的上限。

流域最大滞留量(s)与土壤湿润程度、坡度、植被覆盖度以及土地利用状况等有关,因此引入无因次参数CN值(Curve Number)反映流域降雨前的综合特性。s与CN值的关系为

(3)

理论上CN值越大,土地的饱和储水量越小,越容易产生径流。本文从下垫面因素出发,着重考虑土壤地质和土地利用类型,参考美国农业部的SCS手册和相关学者对CN值的修订,总结出长江中下游流域CN值的空间分布情况(图4),CN高值区(颜色偏蓝区域)即产流量较大的区域是水体和城市用地区域,主要集中在江汉两湖平原以及长江三角洲。

图4 长江中下游流域CN值空间分布

根据SCS产流模型的计算公式和流域CN值分布情况可得到不同降雨情景下流域径流深空间分布情况,见图5。从径流深的空间分布来看,径流深的高值中心主要集中在两湖水系以及长江三角洲地区。

图5 径流深空间分布

2.3 流域河网及集水区构建

2.3.1 河网构建

河网水系是指由河流、湖泊等河道形态所形成的网状结构,其分布特征反映着流域的综合水文特性,如集水区面积、河流流向、河网密度以及河系发育程度等。河网的提取方法主要分为地貌学方法[15]和水文学方法[16],前者主要基于河流形态的地貌特征,后者着重于径流运动的物理过程。目前,水文学原理是ArcGIS10.8软件中提取河网的主要方法。其中,所应用的数字高程模型(DEM)包含流域地形坡度、坡向及地表形态等特征,是提取流域水网的关键性数据。本文将基于ArcGIS10.8中的水文工具箱对研究区DEM数据进行河网提取。为得到精度较高的河网水系,本研究采用如图6所示的流程提取河网水系。

图6 河网提取流程

2.3.2 集水面积阈值确定

集水面积阈值(Critical Source Area)是支撑一条河道永久性存在所需的面积[17],其分布影响着水道汇流的特征,其结果决定了模拟结果的准确性。因此,河网提取的前提应是确定一个比较合理的集水面积阈值。关于集水面积阈值的确定方法众多,其中河网密度法的物理机制明确,对于湿润区的提取效果最佳,已成为河网提取的主流方法。

河网密度法[18]是指随着集水面积阈值的增大,汇流累计量越大,满足阈值的河流数目越少,河流长度就越短,同时流域河网密度就越低。当阈值达到某一临界状态时,河网密度变化趋于平缓,此时所有的非实际河网消失,可根据此种变化提取合适的集水面积阈值。因而采用河网密度法确定最佳集水面积阈值的前提是拟合出集水面积阈值-河网密度的关系曲线,并找出其临界转折点。

本文基于数理统计方法,采用试错的方式提取不同集水面积阈值下的河网水系,绘制流域集水面积阈值-河网密度关系曲线(图7)。

图7 河网密度与集水面积阈值的关系

通过集水面积阈值与河网密度的关系可以看出当集水面积阈值达到240 km2,非实际河网消失,河网密度变化趋于平缓,河网密度以及集水面积呈现一定的相关关系。因而,在本文中以240 km2作为研究区域的集水面积阈值。在ArcGIS10.8平台上对研究流域的河网水系进行提取,最终生成了长江中下游集水区河网分布,见图8,其中1～6为不同等级的河道,共划分出1 193个子集水区。

图8 流域集水区河网分布

2.4 流域汇流模拟

地表产生径流后需汇集到单元断面出口处,此过程称为汇流。由于研究区地形复杂,湖泊河网众多,本文将基于局部等体积法模拟流域汇流过程。局部等体积法的基本思路是基于流域水系分布情况,进一步将研究区划分成若干块小的集水区,在每一个小的集水区内某段时间步长下径流量与淹没区域的积水量相等。径流先在这些小的集水区进行汇流,然后在集水区的出水口处汇合,最终可反映流域的淹没状况。

该模拟认为小的集水区内降雨均匀,低洼地带均有可能产生积水,并且将降雨视为无源淹没状态,不考虑汇流的实际过程,只是依靠水流的重力特性由高到低填充至各个洼地。具体的计算公式为

(4)

式中:W为积水淹没区内的积水量;A为积水淹没区的面积;EW(x,y)为积水区域的水面高程;Eg(x,y)代表地面高程;dδ表示淹没面积的单元。

实际情况的降雨积水面是一个复杂曲面,考虑到流域日降雨过程中,径流的速度较慢,相对简单,因此形成的水面可近似看作一个平面,地面高程可离散至地形网格DEM数据表示,式(4)可简化成

(5)

式中:EW为集水区的积水水面高程;Δδ为栅格单元的面积;N为淹没区域的栅格总数;Eg(i)为第i个栅格单元的高程。

基于二分法思想,利用地形高程区间平分以及无限逼近的数学求解水面高程,具体过程见图9。

图9 水面高程计算流程

针对不同降雨重现期的降雨分布,采用局部等体积法和ArcGIS10.8的空间分析工具进行淹没分析计算,得到不同降雨重现期下长江中下游流域的淹没水深(图10),并对流域降雨量、径流量、淹没面积及高程进行统计汇总(表1)。

表1 不同重现期下内积水量汇总

由图10可知,开始淹没的区域集中在江汉、两湖平原和长江三角洲等地势平坦的区域,并呈面状扩散到周边区域。从降雨量与淹没面积的近似线性关系来看,当降雨量<80 mm/d,降雨量每增加1 mm,淹没范围增加947 km2;当降雨量>80 mm/d时,淹没范围增加644 km2。

3 流域淹没风险分析

为进一步分析淹没风险,本文综合参考《城镇内涝防治技术规范》(GB51222—2017)[19]和《暴雨灾害等级》(GB/T 33680—2017)[20]标准,考虑人群失稳风险[21]将淹没水深划分成4个等级,其中<0.15 m的水深因对交通不造成影响,被定义为轻微积水;当水深处于[0.15,0.40)m时,建筑物内会雍水,对行人和交通皆有影响,但不会造成人员伤亡,此时可定义为一般洪涝;当水深处于[0.40,1)m时,行人失稳跌倒风险极具加大,因而定义为较重洪涝;而当水深≥1 m时,区域内人群、建筑物、农作物都将会受到严重损害,将其定义严重洪涝。依据上述标准将淹没水深分成4个等级,并对各风险等级赋予权重,淹没水深风险值划分见表2,不同降雨情景下致灾因子危险性的分布见图11。

表2 淹没水深权重

图11 不同降雨情景下流域致灾因子危险性分布

由图11可知,江汉平原、洞庭湖平原、鄱阳湖平原、长江三角洲地区以及沿长江干线分布的皖南平原是洪涝灾害的易发区。且随着降雨重现期的增长,区域内的洪涝严重程度也在不断加剧。为更好地分析流域的洪涝灾害风险与降雨重现期的关系,提取不同洪涝等级下的淹没面积(图12)。

图12 不同降雨重现期下洪涝淹没面积

由图12可知,研究区内降雨重现期越长,遭受积水的淹没范围越广。其中轻微积水和一般洪涝的总面积稳定在7 000 km2左右,较重洪涝淹没面积稳定在10 000 km2。严重洪涝面积随重现期增大而增大,其增幅与总淹没面积保持一致,这表明随着降雨重现期的增加,陆域的淹没程度加剧,对区域造成的影响加重。从总淹没面积的近线性关系来看,当降雨重现期<100 a时,重现期每增加10 a,淹没范围增加786 km2;当降雨重现期>100 a时,重现期每增加10 a,淹没范围增加1 450 km2。

3.1 各市淹没陆域面积分析

以市为单位划分不同降雨重现期下流域洪涝淹没范围结果,通过进一步分析确定不同降雨重现期下洪涝灾害的易淹没区域。其中“20 a一遇”的降雨不对整体区域产生洪涝风险,故本文不作具体分析。在对比各市淹没情形后选取19个淹没风险较为严重的市进行分析,图13为不同降雨重现期下各市淹没陆域与区域总面积的比值(皆不含原水体面积)。

图13 不同降雨重现期下各市淹没陆域占比

常德市的西北部、益阳市的北部是湖南省主要的淹没风险区,“100 a一遇”降雨情景下的淹没面积分别约为1 745.73、504.51 km2(不含水体)。荆州市的水域面积约1 400 km2,在遭遇暴雨(50 a一遇)、大暴雨(500 a一遇)情景时其淹没面积分别可达2 972.32、4 924.44 km2(含水体),是各市中淹没陆域面积最大的市。湖北省直辖三市是流域中淹没陆域占比最高的地区,遇大暴雨情景时,区域将有近一半的陆域被淹没。武汉沿江两岸的地区易受洪涝影响,暴雨、大暴雨情景下淹没面积分别约1 773.47、3 479.05 km2(含水体)。

芜湖和马鞍山是皖南地区受淹面积最为严重的市,暴雨情景下其淹没面积分别约为1 151.93、587.01 km2。南昌市东部紧邻鄱阳湖地区,易发生淹没,暴雨情景下其淹没陆域占比为18%。苏州是江苏省内积水范围最广的市,暴雨、大暴雨情景下淹没面积分别约3 277.3、4 530.1 km2,淹没陆域占比分别高达19%、40%。常州、镇江、扬州三市在不同重现期下的淹没占比近似,暴雨、大暴雨下淹没占比分别为17%、36%。南京市遇“100 a一遇”降雨时,淹没面积达1 215.49 km2,占比在20%以上。上海市是长江流域的经济中心,遇“1 000 a一遇”降雨时,全市有近1/2的陆域被淹没,是流域中淹没陆域占比最大的市。

3.2 各市淹没风险分析

综合考虑淹没陆域范围和水深,同时结合表2洪涝风险等级划分,以市级为单位计算不同降雨重现期下淹没陆域的风险值大小。选取其中风险值分布较高的19个市进行分析,图14为不同降雨重现期下各市淹没陆域风险均值统计。

图14 各市淹没陆域水深风险均值统计

整体上来看,所取各市的淹没陆域的风险均值分布较为相近,其大小随着降雨重现期的增高而增大。各市“50 a一遇”降雨的淹没陆域风险平均值在0.73左右,“500 a一遇”降雨淹没风险均值在0.79左右。各市淹没陆域风险均值的分布趋势与淹没陆域占比相反,即对于淹没陆域占比较小的市,其平均淹没水深往往较高。

湖南省常德市的西部和益阳市的北部是降雨致灾风险的高发地,暴雨(50 a一遇)情景下,其淹没陆域平均水深在0.4 m以上。武汉、荆州和鄂州是湖北省内淹没陆域风险值最高的3市,也是长江中游地区降雨危险性最高的地区,暴雨情景下其淹没陆域的风险均值达0.79,大暴雨情景下其风险均值达0.83,严重洪涝面积占淹没区域的一半以上。

长江下游的淹没风险主要集中在干支流两侧和鄱阳湖周围,其中九江市的淹没区域在遭遇暴雨、大暴雨情景下风险均值分别近0.83、0.86,是流域的淹没风险最高的地区。南昌市东部紧邻着鄱阳湖地区,易发生淹没,遇大暴雨时,淹没陆域平均积水在0.4 m以上。安庆市是安徽省淹没陆域危险性的高值中心,遇暴雨及以上情形,风险均值近0.8。整体来看,江苏省的各市降雨风险均值不高,苏州、无锡、常州3市在相同降雨重现期下的淹没陆域危险性较为类似,50 a一遇风险均值0.67,100 a一遇风险均值0.72,1 000 a一遇风险均值达0.74。南京市遭遇100 a一遇降雨时,淹没陆域风险均值达0.78,是长江三角洲地区降雨风险均值最高的城市。上海市是流域经济的核心,遇暴雨时洪涝灾害淹没范围广,但其风险均值较低,主要因为区域有近1/5的淹没陆域处于轻微积水状态。

综上,益阳、常德、安庆、上饶和九江5市内淹没陆域小,积水深的区域分布在江河湖的周围,因而需重点规划和加强江河湖库的堤防建设;而武汉市、南京市、南昌市以及孝感市,积水程度较深,淹没陆域面积较广且集中在经济发达地段,因而洪涝灾害风险较高,需重点关注与防御。除合理规划城市排水管网外,低洼地区应合理设置泵站,建设城市雨洪调蓄设施,尽可能地保护天然湖泊和建设人工湖以增加城市对雨水的调蓄能力。对于上海、苏州、芜湖以及荆州等9市,其淹没陆域范围广,而淹没水深不高,主要因有一半以上的区域处于轻微积水,因而需要加快健全城市排涝系统,对于经济较为发达的市,可采用国内外的低花坛、地下蓄水池以及透水路面和渗水井等措施减轻城市涝灾。

4 结 论

本文通过对长江中下游流域的降雨径流进行模拟,分析出不同地区的淹没范围和水深,并以市为单位探究其洪涝风险的分布情况,主要结论如下:

(1)流域产流量较大的区域是水体和城市用地区域,径流深的高值中心主要集中在两湖水系以及长江三角洲地区。

(2)降雨量与淹没面积近似呈线性关系,当降雨量<80 mm/d时,降雨量每增加1 mm,淹没范围增加947 km2;当降雨量>80 mm/d时,淹没范围增加644 km2。

(3)随着降雨重现期的增长,遭遇积水的淹没范围越广,陆域的洪涝程度加剧。其中江汉平原、洞庭湖平原、鄱阳湖平原、长江三角洲地区以及沿长江干线分布的皖南平原是洪涝灾害的易发区。

(4)共有19个市受淹风险较为严重,集中分布在沿长江干线和两湖周边,其中武汉市、南京市、南昌市以及孝感市的淹没水深和范围均较大,是流域的高风险区;上海、苏州、荆州等市的积水面积较广,但积水程度不高,是流域的次高风险区。