深圳河湾流域城市洪涝模型研究与应用

冷玉波 刘舒 郑敬伟 张扬 刘训平 王峥

摘 要：受强降雨频发和城镇化高度发展的双重影响，深圳市为提高遭遇强降雨时的预警预报和防汛应急决策能力，提升强降雨下的防汛处置前瞻性和准确性，以深圳河湾流域为试点片区，开展深圳河湾流域城市洪涝模型研究和应用。在此背景下，收集深圳河湾流域地形、管网、下垫面、河网、暴雨洪涝过程等资料，结合应用场景，构建了水文＋河道的流域快速洪水预警调度模型及水文＋河道＋管网＋地表的精细化城市洪涝模型。目前，深圳河湾流域洪涝模型基于流域不同时空尺度雨情、水（潮）情、工情等边界条件，已在“四预”、洪涝风险分析、应急事件分析、极端暴雨分析等方面取得了良好的应用效果，为高度城市化的洪涝风险精细化管理提供了重要技术支撑。

关键词：城市洪涝模型；洪水预警调度；“四预”；应急事件分析；深圳河湾流域

中图分类号：TV877 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）05-0075-13

Research and Application of Urban Flood Model in Shenzhen River and Bay Basin

LENG Yubo1， LIU Shu2， ZHENG Jingwei2， ZHANG Yang3， LIU Xunping3， WANG Zheng3

（1. Shenzhen River and Bay Basin Management Center， Shenzhen 518712， China;2. China Institute of Water Resources andHydropower Research， Beijing 100038， China;3. Shenzhen Guanghuiyuan Environmental Water Co.， Ltd.， Shenzhen 518018， China）

Abstract： Affected by the frequent occurrence of heavy rainfall and the high development of urbanization， Shenzhen has carried out urban flood model research and application with the Shenzhen River and Bay Basin as the pilot area to improve the early warning and forecasting and flood control emergency decision-making ability in the event of heavy rainfall and enhance the forward-looking and accurate flood control treatment under heavy rainfall. In this context， this paper collects the topography of the Shenzhen River and Bay basin， pipe network， underlying surface， river network， rainstorm and flood process， and other data. Combined with application scenarios， it builds a rapid flood early warning and dispatch model of hydrology + river channels and a refined urban flood model of hydrology + river channels + pipe network + surface. At present， based on the boundary conditions of rain， water （tide）， and construction conditions at different temporal and spatial scales of the basin， the flood model of Shenzhen River and Bay Basin has achieved good application results in the "four pre"， flood risk analysis， emergency event analysis， extreme rainstorm analysis and other aspects. This study provides important technical support for the refined management of flood risk in highly urbanized areas.

Keywords： urban flood model; flood warning scheduling;"four pre"; emergency event analysis; Shenzhen River and Bay Basin

随着极端天气日益频繁，城镇化使得城市下垫面发生显著变化，暴雨引发的洪涝灾害问题凸显，城市雨洪模型是研究解决城市洪涝灾害的重要手段［1］，国外20世纪60年代城市雨洪模型取得较大进展，其中适用性较好的模型包括 SWMM、InfoWorksCS、MOUSE等［2］。中国关于城市雨洪模型研究起步较晚，但发展迅速，模型模拟内容也更趋于精细化。1990年，岑国平［3］提出中国首个城市雨水管道计算模型 SSCM；周玉文等［4］提出可用于设计、模拟和排水管网工况分析的城市雨水径流模型 CSYJM；徐向阳［5］提出适用于中国平原城市的水文计算，注重河网调蓄计算的平原城市水文过程模拟模型；2016年，刘佳明［6］提出基于遥感数据和地理信息系统，可支持地理信息系统的分布式城市雨洪模型 SSFM。

深圳市地处广东南部低纬度滨海台风频繁影响地区，属于海岸山脉地貌带，汛期受锋面雨、台风雨影响，暴雨频发导致洪、涝、潮灾害时有发生，严重威胁深圳的城市安全，造成巨大的社会影响和经济损失［7-8］。近年来，随着大量防洪工程设施不断完善［9］，深圳市抵御洪水的能力不断增强［10］。但是，在应对极端强降雨造成的城市洪涝时，仍然存在预报预警能力不足、预报不及时等问题。为提高防汛处置工作的前瞻性和准确性，本研究通过海量数据标准化处理技术，研发了具有物理机制的城市洪涝全过程精细化模拟模型，开展城市雨洪模拟分析工作。

1研究区域概况

1.1流域概况

建设区域位于深圳市南部，包括深圳河和深圳湾流域，简称深圳河湾流域，流域总面积596 km2，其中香港侧256 km2，深圳侧340 km2，包括南山区、福田区、罗湖区和龙岗区布吉、吉华、南湾等街道。深圳河是深圳市和香港特别行政区界河，发源于梧桐山牛尾岭，由东北向西南流入深圳湾，水系分布呈扇形。深圳湾为半封闭海湾，东接深圳河，西连珠江口内伶仃洋，主要河流包括大沙河、新洲河等。建设区域地理位置见图1，深圳河湾流域水系见图2。

1.2防洪排涝工程概况

1.2.1闸坝调度工程

深圳河流域内建设的河道水闸主要有7座，分别为沙湾截排闸、布吉河河口水闸、笋岗水闸、笔架山河口水闸、罗雨水闸、福田水闸、皇岗水闸。深圳湾流域内建设有4座水闸，分别为新洲水闸、大沙河口水闸、后海南河河口水闸以及后海北河河口水闸。

1.2.2水库及蓄滞洪区

深圳河流域主要水库共计12座，其中中型水库1座，小型水库11座；3处城市雨水滞蓄空间分别为笋岗滞洪区、中心公园滞洪区和荔枝湖。深圳湾流域已建小（2）型以上水库工程共6座，其中中型水库3座，小型水库3座。

1.2.3雨水泵站

深圳河湾流域已建雨水及排涝泵站工程20座（图3），总抽排能力为165.36 m3/s，设计重现期在1～20 a。其中，深圳河流域的主要泵站有13个，深圳湾流域主要泵站有7个，规模最大的泵站为深圳河流域内的罗雨排涝泵站，其设计流量为48 m3/s。

1.3洪涝灾害情况

据统计，深圳市近40 a来共发生洪、涝、潮灾害30余次。例如，2012年4月29日凌晨全市出现持续强降雨，造成深圳市约120处区域、路段出现不同程度的内涝、积水；2013年8月13日，受台风“尤特”影响，全市发生120多处积涝；2014年3月30日受持续雷雨云团影响全市出现强降雨，导致全市约200处不同程度积水及内涝；2016年5月10日，受强雷雨云团影响出现强降雨，造成全市内涝积水约100处，积水最严重的区域深度最高达80 cm。洪涝灾害对城市交通、工业生产、出行等影响显著。

1.4数据收集情况

协调收集深圳河湾流域的基础地理数据、排水管网数据、防洪排涝工程数据、气象水文数据等数据支撑模型构建。梳理深圳河湾实测暴雨场次资料、水位流量资料，进行模型参数率定及验证。

a）基础地理数据。收集深圳市规划和自然资源局2017—2022年土地利用数据和2 m 分辨率的DEM数据。

b）排水设施数据。收集到2018年排水公司的管网数据约3500 km，并根据每年管网变更进行更新。

c）水务设施数据。共计考虑25条河道，长度128 km（包含布吉河、大芬水、罗雨干渠等暗涵），共收集断面1202个，加上补充测量的断面共计1325个，收集了研究区域全部18座水库调度预案及2座滞洪区调度方案。

d）水文气象数据。2008—2022年63个气象站5 min 的雨量数据、2004—2022年深圳河水文测验成果、1957—2022年深圳市水文资料年鉴等。

2深圳河湾流域城市洪涝模型

2.1模型概况

城市洪涝过程涉及降雨产流、河道、地表、管网等［11-12］，针对深圳河湾流域防洪排涝特点，以及收集处理基础数据的情况，选择使用合适的概化方式，深圳河湾流域洪涝模型采用中国水科院自主研发的分布式模型 DHMUrban，模型构建包含地表模型、管网模型、河道模型3个模块［13］，上述模型两两之间相互耦合。其中地表模型，包含了基于地表网格的全分布式水文模型［14］，可以统一进行降雨产汇流模拟和地表积水淹没模拟，地表与管网之间基于雨水篦子和检查井之间的耦合，用以计算地表与管网之间的水流交换，模型耦合具有实际物理含义。模块之间的关系见图4。

对于深圳河湾流域建成区，包括福田、罗湖、南山的城市中心区和龙岗区的布吉、南湾街道的建成区，采用以水力学为主的模拟方法，以地表剖分的若干网格为计算单元，模拟降雨产流、地面汇流，以管段为单位模拟管网汇流，以河道断面为单位模拟河道汇流，以水工建筑物的水力学计算方式模拟水工建筑物的调度，并进行耦合计算。深圳河湾流域香港部分主要为非建成区，主要通过概化水文和河道水动力模型，考虑香港侧来水对深圳河的影响。所以，对于深圳河湾流域内非建成区和深圳河流域香港部分，采用水文为主的概化模拟方法，以水利工程为控制断面划分子流域，以子流域为计算单元模拟降雨产流、地面汇流、河道汇流等水流过程，计算流域出口断面的流量过程。

考虑到建设区域范围较大，涉及工程较多，建模范围涉及上百平方千米，同时河流水系工程复杂，数据量大，但局部模拟要求分辨率较高，为了平衡两者之间的问题，采取2种策略，将不同模块耦合为流域快速洪水预警调度模型和精细化城市洪涝模型两类模型组合。

2.2水文模型

以排水口汇水范围为单元，结合流域水系、地形、管网分布等条件，将流域划分为483个排水分区。在此基础上，结合18个水库调度模型共同组成流域水文模型。深圳河湾流域排水分区分布见图5。本模型将降雨扣除前损（填洼、植物截留及蒸发）和下渗后的数值直接加载于地表二维网格用于汇流计算。

2.3河网一维模型

对深圳河湾流域防洪排涝河道及其重要支流建立河网一维水动力学模型，构建过程中充分考虑河网上重点闸泵工程调度作用，依据洪水调度预案，对模拟的闸泵设置调度规则，以实现城市水系及防洪工程调度模拟计算。一维模型构建范围包括深圳河湾流域的25条河流及相关调蓄设施，构建河湾流域一维模型的河道分布见图6。

2.4地表二维模型

考虑模型运行效率，在充分考虑主要市政道路边界和中线、铁路边界、小区边界、水体边界、河道堤防、桥涵、以及重点保护对象等下垫面信息基础上，针对不同类型和等级下垫面开展河湾流域建成区+非建成区的地表网格剖分工作。重点区域细化网格并进行微地形单独处理，其他区域粗网格化处理，网格边长控制在5～20 m，共剖分网格约468万个。借助地形、土地利用等数据资料对模型的产汇流参数进行赋值，河湾流域地表分区分布见图7。

2.5管网模型

管网模型根据地表模型分区的情况进行分区。在对排水设施数据分析、复核、修订、标准化等处理的基础上，根据管网数据之间的属性和拓扑关系规则，进一步填充、完善属性缺失信息，修订错误的拓扑关系。深圳河湾流域城市洪涝模型构建管网长度约2200 km 的13万管段的管网模型。深圳河湾排水管网分布见图8。

2.6模型耦合

由于地表模型网格剖分数量极大，在实际计算过程中耗时长。结合工作场景需要，构建不同功能模块耦合流域快速洪水预警调度模型和精细化城市洪涝模型。

2.6.1流域快速洪水预警调度模型

流域快速洪水预警调度模型［15］采用水文＋河道模型耦合，主要用于水库、河道洪水的实时模拟，并利用精细模型内涝方案库。管网对雨水的限制作用通过精细模型计算的相应内涝方案库体现，见图9。

2.6.2精细化城市洪涝模型

精细化城市洪涝模型［16-17］采用水文+地表+管网+河道模型耦合，模型模拟精度高，但运行慢、效率低，用于深圳河湾流域在多种设定情景下的风险分析，解决洪涝风险图编制以及防洪排涝能力评估等方面工作。河湾流域耦合模型见图10a，罗芳立交河湾流域地表模型局部见图10b。为解决工作过程中对内涝管理需求，可通过精细化洪涝模型模拟内涝方案库，供流域快速洪水预警调度模型使用。

2.7模型合理性分析

选择2022年深圳河湾流域内发生的“5·12”大暴雨及“6·07”大暴雨进行模型合理性分析。2022年5月11日23：59至12日23：59深圳河湾流域各区平均降雨量167 mm，日最大降水量212.8 mm，暴雨主要集中在12日2：00—8：00，最大小时降雨量达到83.8 mm；2022年6月6日22：00至7日22：00流域各区平均降雨量98.7 mm，日最大降水量145.3 mm，暴雨主要集中在6日23：30至7日5：00，最大小时降雨量达到97.7 mm。

河道洪水方面，选择深圳河流域内站点较多的深圳河与布吉河干流罗湖、草埔等11个重要断面作为验证断面（图11），将实河道测情况与模拟情况进行对比分析，断面最高水位误差在8%以内（表1）。地表内涝方面，选取湖南立交、布沙路大芬油画村等易涝区作为验证点，将实际内涝情况和模拟情况进行对比分析，模拟与实测水深误差在±0.1 m 以内（表2）。

3深圳河湾流域城市洪涝模型应用

2018年8月，深圳河湾流域洪涝模型项目组开展模型构建工作，历经1 a建设期，1 a完善期，2020年模型进入运行维护期。在运行维护期，深圳河湾流域城市洪涝模型结合流域内河道、管网、地形等关键要素，从流域管理中心职责出发，在日常管理、“四预”和应急管理等方面提供技术服务，取得了较好的效果。截至2023年6月，共提供200余期水雨情研判简报、针对河湾流域重点防护对象和重点区域，开展洪涝模拟分析工作，并重点结合深圳水库和笋岗滞洪区等流域内关键调度设施开展优化调度研究工作，为极端天气情况下实现错洪错超削峰提供技术支持。

3.1强化“四预”措施

在预报预警方面，利用深圳河湾流域快速洪水模型，基于当前河道水库实时水位并结合气象、潮汐预报数据，根据台风暴雨预警信号，实现雨前雨中分钟级别预报预警，并发布水情简报，在水库、河道和内涝等三方面进行模拟预测，为河湾洪涝风险预警及调度［18］提供决策支持。

在预演方面，2022年6月开展了深圳水库与深圳河联合调度演练［19］，根据深圳水库不同调度工况下模拟其对深圳河水位影响，见图12，以及深圳河上步码头、笋岗滞洪区等防汛应急演练，初步建立了深圳水库、笋岗滞洪区和深圳河联合调度会商研判决策机制，通过深圳河湾流域城市洪涝模型模拟可为深圳水库和笋岗滞洪区调度提供决策支撑。

在预案方面，编制了深圳河湾流域防洪排涝联合调度方案，深圳河防御洪水方案、水库防汛防风应急预案、深圳河湾流域水闸泵站防汛抢险预案等。

3.2洪涝风险分析

利用建立的精细化洪涝模型，模拟降雨过程，同时考虑匹配最高潮位过程的最不利的情况，开展城市内涝风险分析，绘制内涝风险图［20］。利用建立的深圳河湾流域的精细化洪涝模型对已拟定方案进行计算，对各个情景方案下的模拟结果提取整理，开展洪涝风险分析，包括河道现状行洪能力分析、地表积水分析、排水管网能力分析等。采用不同重现期降雨利用精细化洪涝模型评估流域内排水管网能力，1 h 60 mm设计降雨下排水管网能力评估分析见图13。

3.3应急事件分析

利用建立的精细化洪涝模型，针对发生的应急事件，搜集实际降雨和上报洪涝风险或灾情情况，从地形、管网、淤堵、河道洪水顶托、闸泵调度等方面模拟分析致灾原因，对防汛应急事件开展事后复盘分析，做了大量细致、深入的技术分析工作，科学分析事件成因、合理还原事件经过，为水利和应急相关部门制定措施提供技术决策支撑。以深圳2022年“6·22”暴雨为例，暴雨导致龙岗区甘李二路与平吉大道交汇处内涝致人员被困，事后通过精细化洪涝模型复盘分析降雨情况、内涝点情况、汇水情况及致涝原因，见图14。

3.4极端暴雨分析

利用建立的精细化洪涝模型，以典型极端降雨郑州“7·20”暴雨为例，对模型进行应用分析。据统计，2021年7月17日至23日郑州最大降水量达728 mm，单日最大降水量552.5 mm，暴雨主要集中在20日12：00至21日12：00，最大小时降雨量达到201.9 mm，最大3 h 降雨量310.8 mm，最大6 h 降雨量389.7 mm，24 h 累计降雨量594.4 mm。暴雨过程采用24 h 累计降雨量594.4 mm，见图15。

a）水库险情。深圳河湾流域内共有水库18宗，根据水库模拟成果，6宗水库超校核洪水位（分别为禾镰坑水库、横沥口水库、仙湖水库、人工湖水库、银湖水库和金湖下库），9宗超设计洪水位（在6宗水库超校核洪水位水库数量上增加深圳水库、莲塘尾水库和小坑水库），15宗超汛限水位（在9宗超设计洪水位水库数量上增加西丽水库、香蜜湖水库、黄牛湖水库、鸡公坑水库、三联水库和金湖上库）。

b）城市内涝情况。深圳河湾流域面积343.44 km? ， 其中非建成区118.93 km? ， 建成区224.51 km?。流域内淹没面积为52.35 km2，占建成区23.3%，不同水深分级对应淹没面积统计见表3。

c）重要防护对象受灾情况。根据模拟结果，郑州市“7·20”特大暴雨情况下，深圳市罗湖火车站、东湖水厂、布吉站（深圳东站）、福田站、市民中心、证券交易所等重点防护对象发生不同程度险情，因此应重点保护。深圳河湾流域24 h 累计降雨594 mm（郑州“7·20”暴雨）内涝风险见图16。

4结论

在近3 a 的业务化应用中，深圳河湾流域城市洪涝模型从防汛应急决策与日常管理、规划设计等方面，针对城市暴雨内涝问题进行分析，为深圳水旱灾害防御及应急工作提供了技术支撑。模型经逐年运行维护及率定完善，能够更为准确识别洪涝风险，已初步在“四预”、内涝成因分析、内涝风险分析、极端暴雨分析等实际应用中发挥了突出作用，成为深圳河湾流域水灾害应急管理的重要科技支撑。

未来，深圳河湾流域城市洪涝模型将不断在速度、准度和精度方面不断进行优化完善，通过 GPU 并行计算和超算提升算力，通过不断更新地表信息、水务工程设施信息、管网信息等实现更准确的概化，通过对局部重点片区的精细化等方式达到更精准的模拟。未来，深圳河湾流域城市洪涝模型还可与城市 CIM 智慧平台进行结合，实现城市精细化、智慧化建设和管理。

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（责任编辑：高天扬）