应对极端暴雨洪水与提升防洪安全韧性研究——以太湖流域为例

吴 娟，钱傲然，林荷娟

（太湖流域管理局水文局（信息中心），200434，上海）

一、研究背景

太湖流域属于亚热带季风气候区，位于长江三角洲核心区域，总面积为36 895 km2，滨江临海，地势低洼，雨量充沛，洪涝灾害频繁。太湖流域历史上多次遭遇长历时梅雨、短历时台风暴雨洪涝灾害，特别是台风、暴雨、高潮、洪水“风暴潮洪”四碰头现象，具有突发性强、不确定性大、叠加性强、破坏性大等特点。受全球气候变暖与城镇化进程加快的共同影响，气温升高，蒸发加快，水汽含量增加，流域土地利用变化致使产流量增加，汇流速度加快，进一步加剧了流域极端暴雨洪水突发、频发、重发。随着流域经济社会快速发展，水利工程建设与调度运行方式发生了较大变化，缩短了暴雨与洪水峰值响应时间，加快了水位上涨速率，洪涝灾害已成为严重威胁人民群众生命财产安全、制约流域经济社会发展的重要顽疾，是防灾减灾领域的研究重点与热点。

2021年7月20日，河南郑州国家气象站最大日降雨量为624.1 mm，接近郑州年平均降雨量，16—17时，郑州站发生极端暴雨，最大小时降雨量为201.9 mm，突破了我国大陆气象观测历史极值（198.5 mm，1975年8月5日河南省林庄），造成了重大人员伤亡和经济损失。2021年郑州“7·20”暴雨属于历史罕见的极端暴雨，为应对类似暴雨可能带来的灾害风险，保障极端暴雨条件下的太湖流域防洪安全，提升流域防洪韧性，亟须开展太湖流域相关研究，特别是评估超标暴雨条件下的洪水风险，掌握超标暴雨洪水条件下不同水利工程调度运行方式对流域、区域、城市防洪情势的可能影响。

韧性指系统及时抵御、适应与恢复灾害影响的能力，防洪韧性指对设防标准内洪水有效防御、对超标准洪水能够承受而无毁灭性破坏。为提升防洪韧性，需要准确判断洪涝灾害发生的可能性与影响，提高经济社会对极端暴雨洪水的防御和恢复能力，以保障人民群众生命财产安全、保障社会经济的可持续发展。本文将郑州“7·20”特大暴雨移植到太湖流域，采用水文水动力学耦合模型，推演现有工程体系、防御洪水方案以及洪水调度方案条件下，太湖流域、水利分区与城市代表站应对极端暴雨洪水的响应情况，开展太湖流域防洪韧性提升研究，有助于提升流域、区域与城市应对超标暴雨洪水的应急处置能力，减轻暴雨洪水灾害造成的损失，为今后更好地应对太湖流域极端暴雨洪涝事件提供参考，为落实防洪预报、预警、预演、预案“四预”措施，强化洪涝灾害风险感知、预报预警、风险研判、调度决策、响应联动等关键环节提供技术支撑和科学依据。

二、暴雨移植

暴雨移植和洪水模拟分析作为情景预演方法，能够有效分析流域在现状工况条件下对极端暴雨的响应，从而提高对灾害的认识和应对能力。郑州“7·20”特大暴雨是在北上台风“查帕卡”、西进台风“烟花”、西伸加强的副热带高压及中心位置稳定少动的蒙古高压共同作用下，同时遭遇了伏牛山、太行山地形抬升形成的极端暴雨事件。太湖流域2020年流域性超标洪水的天气形势与郑州“7·20”特大暴雨有一定的相似性，属于中高纬度经向环流发展、偏强的副高对水汽输送引导作用偏强，中高层较强的干冷空气向大湿区侵入、低层东南暖湿急流和偏北急流的暖式切变线形成了对流不稳定暴雨。从地形特征来看，太湖流域浙西区与湖西区西部多为山丘区，与郑州“7·20”特大暴雨郑州市西侧和西北侧的高山地形一样，均有利于底层气流辐合抬升，加上从太湖流域上游山丘区到平原区过渡段较短，导致洪水源短流急，汇流较快，洪峰形成的时间较短。

本次模拟背景设定为2020 年太湖及区域河网处于梅雨期结束后的退水阶段，降雨时空分布既要结合太湖流域历史暴雨中心位置，也要考虑郑州站发生最大日降雨过程的时段。考虑到太湖流域武澄锡虞区圩区排涝动力与骨干河道行泄洪能力、流域与区域及城市防洪矛盾较突出，将暴雨中心移植至武澄锡虞区，3天累计降雨量达398.0 mm（远超历史极值279.7 mm），降 雨 过 程 分 配 见 表1。考 虑 到1991 年7 月1 日—3 日实况暴雨中心位于武澄锡虞区，以其他分区实况降雨量与暴雨中心实况降雨量的比值作为放大依据，先将郑州“7·20”特大暴雨中心移植到武澄锡虞区，其他分区移植后的降雨时空分布与历史典型场次保持一致。从降雨时空分布来看，第一天流域面平均降雨量为37.0 mm，主要集中在流域北部，其中武澄锡虞区最大，为85.0 mm，其次是湖西区82.0 mm；第二天流域面平均降雨量为三天中最大的一天，达到104.0 mm，主要集中在流域北部，其中武澄锡虞区最大，为260.0 mm，其次是湖西区155.0 mm；第三天流域面平均降雨量为93.0 mm，主要集中在流域南部，浙西区最大，为124.0 mm，其次是杭嘉湖区118.0 mm。前期计算条件以2020年8月12日实况为基准，采用太湖流域水文水动力学耦合模型，以现状调度方案为依据，分析太湖流域、水利分区与城市代表站应对极端暴雨洪水的响应情况，探究可能形成的外洪内涝与洪水防御重点。

表1 太湖流域与水利分区降雨量

三、模型构建

太湖流域水文水动力学耦合模型对流域各类供水、用水、耗水、排水进行合理概化，对流域平原河网、湖泊、闸泵及其调度运行方式进行模拟。太湖流域水文水动力学耦合模型由产汇流模型与水动力学模型共同组成，产汇流模型为水动力学模型提供河流侧向入流与上游山区来水流量边界。除浙西区山丘区采用新安江三水源模型、马斯京根法计算产汇流以外，16个平原计算分区分4 种下垫面计算产水量，然后按各分区的汇流单位线汇入周边河道。太湖流域既有山区又有平原河网，平原河网地区又分为圩区和非圩区，山区汇流计算采用传统的水文学方法，所得的出流断面流量过程为平原河网的入流过程；非圩区坡面汇流模拟采用分布式汇流单位线法，圩区汇流综合考虑最大调蓄水深、枯水水位上限以及泵站排涝模数等进行计算。平原河网地区水动力学模型由太湖二维湖流与一维河网共同组成，通过“联系”耦合联立求解，模型概化了全流域1793条河道、863座闸泵，共10 112个断面。

模型采用圣维南方程组求解断面水位、流量，计算步长为15 min，采用Preissmann 四点隐式格式离散方程组，利用追赶法消元，得到河道首末断面水位、流量表示的河段方程，结合边界条件，求解出节点水位后，回代到各河道，求出各段的流量和水位。描述一维水流运动的圣维南方程组如下：

式中：第一个方程为水流连续方程，第二个方程为水流动量方程；Q为断面流量（m3/s）；Z为断面水位（m）；B为河宽（m）；A为过水面积（m2）；q为旁侧入流（m3/s）；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；Vx为旁侧入流流速在水流方向上的分量，一般可以近似为0。

目前，太湖流域已形成流域防洪、区域防洪和城市防洪三个层次相协调的防洪工程体系，流域现状县级及以上城市防洪包围圈共有圩区4160座，圩区面积1.64万km2，圩区总排涝动力达到1.68万m3/s。本模型对圩区进行分级模拟。5 万亩（1 亩=1/15 hm2，下同）以上圩区，按照圩内骨干河道和周边闸泵工程直接概化，闸泵工程可编辑调度原则直接参与河网水动力计算。5万亩以下圩区，首先建立圩区图层，明确流域范围内圩区分布情况，对于位置明确的单个圩区，可单个设置圩区面积、调蓄水深及排涝模数；对于位置不明确的圩区，面积通过各水利分区范围内的下垫面总控信息与位置明确的圩区面积差值获得，假定在各水利分区面上平均分布，设置各分区面上调蓄水深与排涝模数。圩区启用条件目前仍按水利计算分区内某个代表站的枯水位上限统一设置，该代表站水位超过枯水位上限时，水利分区内的圩区启用，否则认为圩区敞开，圩内河道与圩外连通。5万亩以下圩区通过产汇流计算得到圩内外排水量，作为河道侧向入流与概化河网进行水量交换。在模型率定上，采用2016年4—11月、2012 年5—9 月、2010 年10 月—2011 年4 月分别代表丰水年、平水年、枯水年，2019 年5—9 月为验证期。结合《水文情报预报规范》（GB/T 22482—2008）与防汛实际要求，太湖水位模拟许可误差为±0.03 m，河网水位模拟许可误差为±0.10 m，定义计算误差小于许可误差为合格，要求合格率（合格次数占总次数的比例）不低于85%，根据计算可知，率定期水位平均合格率为87%，验证期合格率为85%。精度符合要求，可以用于模拟。

太湖流域为典型的平原感潮河网地区，本研究选择了2020 年太湖及区域河网处于梅雨期结束后的退水阶段（8月12日—14日）遭遇极端暴雨情形，综合郑州市降雨量与流域雨水情特征给定边界条件。模型模拟范围为太湖流域，选择8 月12 日8 时太湖与区域实况水位、初始流量为0 作为初始条件。边界条件包括沿长江、沿杭州湾潮位，沿长江潮位以大通流量为上边界、高桥天文潮为下边界，沿杭州湾潮位为天文潮，再根据各概化河道出口与各潮位站的相对距离，用拉格朗日三点插值得到各河口的潮位边界，模型模拟区域见图1。

图1 模型模拟区域概况图（蓝线为概化河网）

8月12日之前，降水、蒸发、潮位均采用2020年实况，常熟水利枢纽、太浦闸、望亭水利枢纽调度规则以《太湖流域洪水与水量调度方案》为依据。沿长江与无锡环太湖口门及苏南运河蠡河船闸调度规则以《苏南运河区域洪涝联合调度方案（试行）》为依据，沿杭州湾口门调度规则以2016 年核准的控制运行计划为依据。望虞河西岸福山船闸、东岸（张桥—长江）口门调度规则以《太湖流域2016年超标准洪水应对方案》为依据。模型计算情景设计思路见表2，在所有计算情景中，情景1为现状调度，情景2为外圈（流域）全力排水调度，情景3为外圈与内圈（环太湖）全力排水调度；太浦闸、常熟水利枢纽情景1～3 全力排水；望亭水利枢纽情景1全力排水，情景2～3关闸；沿长江、沿杭州湾情景1 为现状排水（采用8 月11 日实况排水），情景2～3全力排水；无锡环太湖口门、苏南运河蠡河船闸、望虞河西岸福山船闸、望虞河东岸（张桥—长江）口门情景1～2关闭，情景3开启。

表2 水文水动力学耦合模型计算情景

四、结果分析

根据降雨与调度，采用水文水动力学耦合模型，计算得到太湖及地区河网最高水位与出现时间，见表3。结果可知，所有情景下无锡（大）水位均超过了有记录以来的历史最高水位5.32 m（2017 年9月25日），琳桥水位均超过了有记录以来的历史最高水位4.71 m（2016年7月3日），王母观水位均超过了有记录以来的历史最高水位6.55 m（2016 年7 月5 日），陈墅水位均超过了有记录以来的历史最高水位5.52 m（1962 年9月6日），青阳水位均超过了有记录以来的历史最高水位5.43 m（2017年9月25日）。

表3 不同情景下洪水特征值

情景1的太湖最高水位为4.50 m，北部分区无锡（大）、琳桥、王母观、陈墅、青阳最高水位分别为6.06 m、4.86 m、6.76 m、6.40 m、6.15 m，分别较有记录以来的历史最高水位偏高0.74 m、0.15 m、0.21 m、0.88 m、0.72 m，超历史最高水位时长分别为40 h、33 h、23 h、57 h、38 h，水位上涨速率分别为4.4 cm/h、1.4 cm/h、3.7 cm/h、5.0 cm/h、4.3 cm/h。常州（三）、苏州（枫桥）、平望、嘉兴最高水位分别为6.21 m、4.70 m、4.12 m、4.13 m，均超保证水位，未超过有记录以来的历史最高水位。太湖最高水位出现在8月18日16时，发生在主雨峰以后5天，北部分区河网最高水位出现在8月14日—15日，南部分区河网最高水位出现在8月15日—16日。

情景2的太湖最高水位为4.51 m，较情景1升高0.01 m；北部分区无锡（大）、琳桥、王母观、陈墅、青阳最高水位分别为5.99 m、4.78 m、6.75 m、6.28 m、6.13 m，分别较有记录以来的历史最高水位偏高0.67 m、0.07 m、0.20 m、0.76 m、0.70 m，分别较情景1降低0.07 m、0.08 m、0.01 m、0.12 m、0.02 m，超历史最高水位时长分别为37 h、25 h、22 h、49 h、36 h，水位上涨速率分别为4.2 cm/h、1.2 cm/h、3.7 cm/h、4.8 cm/h、4.3 cm/h。常州（三）、苏州（枫桥）、平望最高水位分别为6.19 m、4.65 m、4.11 m，分别较情景1降低0.02 m、0.05 m、0.01 m，均超保证水位。太湖最高水位出现在8月19日2时，发生在主雨峰以后6天，北部分区河网最高水位出现在8月14日—15日，南部分区河网最高水位出现在8月15日—16日。除了太湖水位，情景2中多数河网代表站的洪水特征值较情景1有所降低。

情景3 的太湖最高水位为4.52 m，较情景1 升高0.02 m；北部分区无锡（大）、琳桥、王母观、陈墅、青阳最高水位分别为5.78 m、4.71 m、6.73 m、6.25 m、6.00 m，分别较有记录以来的历史最高水位偏高0.46 m、0 m、0.18 m、0.73 m、0.57 m，分别较情景1 降低0.28 m、0.15 m、0.03 m、0.15 m、0.15 m，超历史最高水位时长分别为28 h、1 h、22 h、45 h、33 h，水位上涨速率分别为3.8 cm/h、1.2 cm/h、3.7 cm/h、4.7 cm/h、4.0 cm/h。常州（三）、苏州（枫桥）、平望、嘉兴最高水位分别为6.11 m、4.49 m、4.11 m、4.12 m，分别较情景1 降 低0.10 m、0.21 m、0.01 m、0.01 m，均超保证水位；太湖最高水位出现在8 月18 日23 时，发生在主雨峰以后5 天，北部分区河网最高水位出现在8 月14 日—15 日，南部分区河网最高水位出现在8 月15 日—16 日。除了太湖水位，情景3 中多数河网代表站的洪水特征值较情景2 有所降低。

假设无锡市全域堤防不出现漫溢、溃堤且所有闸泵工程稳定运行，采用太湖流域水文水动力学耦合模型计算河网代表站的水位过程，如图2所示。受圩区排涝影响，情景1（现状调度）、情景2（外圈全力排水调度）的无锡（大）站水位峰值分别高达6.06 m、5.99 m，而无锡市各骨干河道现状堤顶高程介于6.00～6.50 m，部分河段无法达到这一标准，在遭遇本次特大暴雨情景时可能会出现部分河道漫溢现象，情景3（内外圈全力排水调度）无锡（大）站水位峰值将会降至5.78 m，低于现状江南运河无锡段堤顶高程，现阶段水利工程能力可以应对本次特大暴雨情景。情景1、情景2、情景3的常州（三）站水位峰值分别为6.21 m、6.19 m、6.11 m，而常州市江南运河得胜河段到运河改线出口段堤防高程介于6.10～6.30 m，说明常州（三）站现状调度、外圈全力排水调度在遭遇本次特大暴雨情景时可能会出现部分河道漫溢现象，内外圈全力排水调度可使得常州（三）站洪峰水位降低到堤顶高程。情景1、情景2、情景3的苏州（枫桥）站水位峰值分别高达4.70 m、4.65 m、4.49 m，苏州市江南运河浒关至大龙港段堤防高程介于5.80～6.20 m，苏州市现阶段水利工程能力可以应对本次特大暴雨情景。

图2 不同情景下太湖与河网代表站水位过程

常州（三）、无锡（大）、苏州（枫桥）为太湖流域典型的圩外代表站。截至2020年，太湖流域共有圩区3195座，面积17 717 km2，约占流域平原面积的60%，圩区总排涝动力20 664 m3/s，流域排涝模数约为1.6 m3/(s·km2)。随着圩区排涝能力不断增强，圩内洪涝水向圩外排，导致圩外代表站洪峰水位抬升，洪水上涨速率加快，圩内洪水风险向圩外转移，加上流域、区域外排洪水通道建设相对滞后，导致流域、区域行洪能力低于圩区排涝动力，已成为威胁太湖流域防洪安全的主要矛盾。

为有效提升流域防洪韧性，针对圩区排涝与流域区域防洪矛盾大、水利工程调度不协调等问题，一方面亟须针对防洪薄弱环节，尽快完善流域防洪工程体系，加快流域骨干工程建设，提高抵御洪水的工程标准；在深化区域治理工程方案研究基础上，进一步加强扩大流域外排、增加太湖调蓄等工程方案的研究，完善流域防洪总体布局。另一方面，要强化防洪“四预”非工程措施，辅助发挥防洪工程效益，强化城市大包围与流域、区域工程协同调度，特别是强化圩区管控、洪水风险管理、应对超标洪水对策等非工程措施研究，制定新时期流域防洪减灾和风险管理措施，进一步提升流域防洪减灾和风险管理能力。

五、结 论

基于太湖流域水文水动力学耦合模型，探讨了太湖流域遭遇郑州市“7·20”特大暴雨情景下的洪水形势，并对比了太湖与河网代表站的水位，主要结论有：

①本次模拟背景设定为2020年太湖及区域河网处于梅雨期结束后的退水阶段，将暴雨中心移植至武澄锡虞区，3 天累计降雨量达398.0 mm（远超历史极值279.7 mm）。

②受峰值雨量影响，情景1北部分区代表站无锡（大）、琳桥、王母观、陈墅、青阳站最高水位分别较有记录以来的历史最高水位偏高0.15～0.88 m，超历史最高水位时长23～57 h，水位上涨速率为1.4～5.0 cm/h；情景2北部分区代表站最高水位分别较有记录以来的历史最高水位偏高0.07～0.76 m，超历史最高水位时长22～49 h，水位上涨速率为1.2～4.8 cm/h；情景3 北部分区代表站最高水位分别较有记录以来的历史最高水位偏高0.03～0.28 m，超历史最高水位时长1～45 h，水位上涨速率为1.2～4.7 cm/h。

③现状调度、外圈全力排水调度的无锡（大）站在遭遇本次特大暴雨情景时可能会出现部分河道漫溢现象，内外圈全力排水调度的无锡（大）站水位峰值将会降至5.78 m，现阶段水利工程能力可以应对本次特大暴雨情景。常州（三）站情现状调度、外圈全力排水调度在遭遇本次特大暴雨情景时可能会出现部分河道漫溢现象，内外圈全力排水调度可使常州（三）站洪峰水位降低到堤顶高程。苏州市现阶段水利工程能力可以应对本次特大暴雨情景。

④针对防洪薄弱环节，建议尽快完善流域防洪工程体系，加快流域骨干工程建设，提高抵御洪水的工程标准；强化防洪“四预”非工程措施及城市大包围与流域、区域工程协同调度，特别是强化圩区管控、洪水风险管理、应对超标洪水对策等非工程措施研究，提升流域防洪韧性。