張玉蘭，張衛(wèi)國，陳瑞祥

(寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 寧波 315192)

我國地處亞洲季風(fēng)區(qū)，是世界上暴雨最為頻發(fā)的國家之一，有研究表明我國極端降水發(fā)生強度和頻率都呈現(xiàn)增加趨勢，洪澇災(zāi)害也趨于增多。頻繁發(fā)生的暴雨洪澇災(zāi)害給我國造成了嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失，據(jù)統(tǒng)計資料顯示，僅在2016年，全國因洪澇災(zāi)害受災(zāi)人口10095.41萬人，直接經(jīng)濟損失3643億元，占當(dāng)年GDP的0.49%。在我國城市化快速推進的大背景下，城市洪澇問題尤為突出。近年來，城市暴雨洪澇災(zāi)害頻發(fā)。2012年，北京市及其周邊地區(qū)遭遇61年來最強暴雨及洪澇災(zāi)害。2013年，寧波余姚市遭受100年一遇強降雨，導(dǎo)致城區(qū)70%以上地區(qū)受淹7天以上。2015年上海暴雨導(dǎo)致同濟大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)被淹[1- 3]。這些事件一方面暴露了城市在應(yīng)對洪澇災(zāi)害時的脆弱性，另一方面也對深入思考城市洪澇問題提出了更高要求。

城市化是人類社會和自然環(huán)境之間相互作用的典型過程。城市擴張使得區(qū)域不透水面積迅速增多，造成區(qū)域性微氣候，改變了城市水循環(huán)過程，暴雨產(chǎn)流系數(shù)和產(chǎn)流量增加，形成洪澇災(zāi)害的風(fēng)險增大。作為現(xiàn)代文明的集中地，城市集中了大量人口、基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟財富，一旦發(fā)生洪澇災(zāi)害極易造成巨大的生命財產(chǎn)損失。因此，深入研究在城市化發(fā)展進程中人類活動對寧波市洪澇災(zāi)害產(chǎn)生的影響，對于認識和應(yīng)對區(qū)域洪澇災(zāi)害具有重要意義。

本文以寧波市鄞州城區(qū)為研究對象，具體闡述近年來人類活動對于區(qū)域下墊面的改變，以及對區(qū)域防洪治澇能力的改變。以2012年“甬江流域防洪治澇規(guī)劃”(以下簡稱“規(guī)劃”)開始實施到2018年前后的時間端點為切入點，借助河網(wǎng)水動力模型定量分析計算“規(guī)劃”實施前后兩個時間節(jié)點上區(qū)域內(nèi)相應(yīng)洪澇風(fēng)險的變化，從而對人類活動的影響進行客觀評價。

1 研究區(qū)域介紹

1.1 流域簡介

研究區(qū)鄞州城區(qū)面積176km2，處于鄞東南平原之內(nèi)，該平原片區(qū)所在流域為甬江流域。甬江流域位于我國東部沿海，流域面積4518km2。流域處在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，易遭遇暴雨侵襲。隨著氣候的變化，短時強降雨帶來的災(zāi)害趨于頻繁，據(jù)2000年后資料統(tǒng)計，本流域平均每年會受4場臺風(fēng)影響，而產(chǎn)生較大災(zāi)害的平均1.21次/年。臺風(fēng)暴雨分布面廣、歷時長、量多、強度大。特別是遇到大潮汛，如果臺風(fēng)增水過程的峰值與天文高潮相遇，就會出現(xiàn)沿海潮位迅猛高漲而使江河下泄洪水受到頂托而不易排出，加重洪澇災(zāi)害的風(fēng)險。

1.2 流域防洪排澇工程建設(shè)情況

制定防洪排澇規(guī)劃和建設(shè)防洪排澇工程是應(yīng)對城市洪澇災(zāi)害的重要措施[4]。根據(jù)“規(guī)劃”的指導(dǎo)和要求，近年來，流域防洪減災(zāi)治理工作積極推進，先后實施整治了奉化江、東江、剡江等重要區(qū)域的防洪工程，同時還進一步開展了鄞東南沿山干河、小浹江、大石碶泵、印洪碶泵等一系列平原骨干排澇工程的治理工作，流域防洪排澇工程體系不斷完善，應(yīng)對洪澇風(fēng)險的能力進一步增強。期間，研究區(qū)內(nèi)防洪排澇工程實施情況主要如下。

(1)干支流防洪工程

方橋三江口至鄞州大橋的奉化江堤防工程基本建設(shè)完成，剡江、東江堤防工程整治完成，各大干支流防洪標(biāo)準(zhǔn)和能力獲得提升。

(2)鄞東南平原排澇工程

新建甬新泵站，規(guī)模60m3/s；沿山干河排水系統(tǒng)的環(huán)湖河、高錢河、界牌碶河及界牌碶閘完成整治；小浹江排水系統(tǒng)下游段河道及水閘工程完成整治，并擴建了王家洋閘；印洪碶排水系統(tǒng)上游段河道工程完成整治；楊木碶排水系統(tǒng)河道出口處碶閘工程亦整治實施完成；大東江-陳郎橋江排水系統(tǒng)中對鄞東閘實施改建。這些平原排澇工程的實施確保了區(qū)域內(nèi)澇水外排能力大大加強。

1.3 研究區(qū)域下墊面變化情況

鄞州社會經(jīng)濟發(fā)達，城市建設(shè)等人類活動劇烈。為分析研究區(qū)由于城市化引起的土地利用變化，根據(jù)遙感數(shù)據(jù)提取了研究區(qū)2012年與2018年建設(shè)用地和非建設(shè)用地分布情況，其占比統(tǒng)計見表1。

表1 研究區(qū)建設(shè)用地面積統(tǒng)計表

表1中從2012到2018年建設(shè)用地增加10.7km2，占研究區(qū)總面積的6.1%。這種變化將導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)不透水面積增加，而透水面積相應(yīng)減少，一增一減大大改變了區(qū)域內(nèi)的排水條件，使得暴雨入滲減少，而匯集成流的速度加快，且容易聚集在相對低洼的位置不易排出，從而增加了局部地區(qū)形成洪澇災(zāi)害的風(fēng)險。

土地利用變化是下墊面橫向上的變化，為更全面分析下墊面變化情況，再從縱向上分析研究區(qū)地坪高程的變化。研究區(qū)大部分地坪高程在10m以下，2012—2018年，相當(dāng)一部分地區(qū)高程由1～3m變?yōu)?～5m。研究區(qū)平均地坪高程在2012年為2.81m，2018年變?yōu)?.91m，平均抬升了0.1m，這與研究區(qū)內(nèi)土地利用的變化是相一致的。大量城市建設(shè)活動引發(fā)了城區(qū)地坪高程的抬升，但這只是局部抬升，高程未明顯變化的區(qū)域就成為了相對低地，高地和低地之間重力勢增大，這就增加了水流向低地匯聚的幾率，從而加深低地的洪澇風(fēng)險。

2 洪澇風(fēng)險評估

本文采用河網(wǎng)水動力模型，分別模擬“甬江流域防洪治澇規(guī)劃”實施之初(2012年)及現(xiàn)階段(2018年)研究區(qū)內(nèi)的暴雨洪澇情況，以平原淹沒特征值和代表站水位特征值為評價指標(biāo)，定量分析時間節(jié)點前后洪澇風(fēng)險的變化。

2.1 河網(wǎng)水動力模型

計算洪水演進及洪水淹沒通常以一維或二維的水動力學(xué)方法為基礎(chǔ)[5- 6]，平原河網(wǎng)的水利計算也需要建立相應(yīng)的水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型。河網(wǎng)水利計算的數(shù)學(xué)模型大體可以分為節(jié)點-河道模型、單元劃分模型、混合模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、基于蒙特卡洛方法和圖論建立起來的隨機游動模型等[7]。根據(jù)研究區(qū)所在的甬江流域的河網(wǎng)特征和防洪排澇工程情況，計算模型宜采用混合模型。將流域內(nèi)水系概化為由河網(wǎng)和水域組成的體系，河網(wǎng)由流域內(nèi)骨干河道和重要連接河道等一系列主要河道組成，是輸送水流的載體；水域主要由支流小溪、水塘等水體概化而來，主要起水量調(diào)蓄作用。對河網(wǎng)采用節(jié)點-河道模型，對成片水域劃分單元，這部分單元僅起到蓄水調(diào)節(jié)作用，不起動力輸水作用。

河網(wǎng)水動力學(xué)模型的求解歸根結(jié)底是對描述河道一維非恒定流的數(shù)學(xué)方程的求解。圣維南方程組是描述明渠一維非恒定流運動的經(jīng)典方程，它包括一個連續(xù)方程和一個動力方程：

(1)

式中，B—河面寬，m；Z—斷面水位，m；Q—斷面流量，m3/s；q—河道旁側(cè)入流，m3/s；A—過水?dāng)嗝婷娣e，m3/s；K—相應(yīng)水位下的流量模數(shù)，m3/s。

以上是天然河道或是人工渠道的水流運動方式，是水流在流域內(nèi)運動的一般性情況。針對特殊的防洪排澇工程節(jié)點，水流運動又有其相應(yīng)的特點。

其中，堰閘出流由堰流公式和閘口調(diào)度方式?jīng)Q定。當(dāng)碶閘的泄流方式為自由出流時：

(2)

泄流形式為淹沒出流時：

(3)

式中，m—閘孔自由出流流量系數(shù)；B—閘孔寬度，m；φ—閘孔淹沒出流系數(shù)；H—閘前水頭，m；Hs—閘后水頭，m；Zu、Zd—閘前、閘后水位，m。

泵站出流由泵站設(shè)計泵排能力和泵站實際調(diào)度方式?jīng)Q定。此外，天然河道的斷面往往是不規(guī)則的，在實際處理過程中，將天然河道斷面概化為梯形斷面或復(fù)式梯形斷面進行模擬計算。

2.2 工程建成前后洪澇情況對比

采用上述河網(wǎng)水動力學(xué)模型，分別模擬“規(guī)劃”推進建設(shè)的一系列防洪排澇工程建成前后，研究區(qū)在不同的水利工程和下墊面條件下，遭遇10年一遇、20年一遇暴雨和5年一遇外海潮位時的洪澇災(zāi)害情況，并對研究區(qū)代表點最高水位和研究區(qū)淹沒情況進行對比分析。

研究區(qū)內(nèi)設(shè)計暴雨參數(shù)見表2。統(tǒng)計工程建成前后研究區(qū)內(nèi)主要代表最高水位特征值見表3。

由表3可知，2012—2018年大部分代表點水位下降。10年一遇暴雨條件下，除五鄉(xiāng)、小港以外，其他各站水位均有所下降，下降范圍在0.03～0.1m之間；20年一遇暴雨條件下，小港站水位略有上升但上升幅度不大，其他各站水位均有較大下降幅度，下降范圍在0.12～0.25m之間。河網(wǎng)水動力模型模擬所得研究區(qū)最大淹沒水深網(wǎng)格圖如圖4所示。不論是遭遇10年一遇還是20年一遇暴雨，相比于2012年，2018年城區(qū)受淹沒情況均有明顯改善。

表2 研究區(qū)設(shè)計暴雨成果表

表3 研究區(qū)代表點水位對比表

2012年遭遇10年和20年一遇暴雨時，淹沒水深的最大值分別為1.65m和1.81m；而到2018年遭遇10年和20年一遇暴雨時，最大淹沒水深的最大值分別只有1.12m和1.30m。淹沒水深的極值顯著下降。并且，2018年各計算標(biāo)準(zhǔn)下的淹沒面積都小于2012年，遭遇10年一遇暴雨時受淹面積下降14.53%，遭遇20年一遇暴雨時受淹面積下降26.03%。在不同淹沒深度范圍內(nèi)的淹沒面積，2018年均小于2012年，見表4。

不論是代表點水位還是淹沒面積，各項指標(biāo)均表明，相比于2012年，2018年研究區(qū)的洪澇風(fēng)險顯著降低了。雖然下墊面的改變加重的部分地區(qū)形成洪澇災(zāi)害的可能，但是建成的防洪排澇工程卻發(fā)揮了更加積極的影響，使得整個區(qū)域抗災(zāi)能力增強，普遍降低了區(qū)域的洪澇成災(zāi)幾率。

表4 研究區(qū)淹沒面積統(tǒng)計表

3 結(jié)語

分析表明，2012—2018年，研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地面積有一定幅度提升，這在一定程度上改變了區(qū)域內(nèi)產(chǎn)匯流條件，加重了暴雨成洪的可能；并且，城區(qū)建設(shè)使部分地區(qū)地坪高程抬升，造成相對低地的存在，引起水流向其匯聚，會增加洪澇災(zāi)害的風(fēng)險。從模型計算結(jié)果的定量分析來看，不同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下的暴雨遭遇計算結(jié)果表明，相比2012年，在“規(guī)劃”推進的多項防洪排澇工程建成之后，2018年各個洪澇風(fēng)險指標(biāo)均呈現(xiàn)一定幅度的降低。

雖然城市建設(shè)引起的土地利用變化和局部地坪高程變化會引起洪澇風(fēng)險的變化甚至加劇，但是防洪排澇工程的建設(shè)運行加快了澇水入江入河、洪水外排的速率，將洪澇風(fēng)險消弭到最低。所以，盡管人類建設(shè)活動造成了相對低地形成，但防洪排澇工程發(fā)揮的巨大效用使得洪澇風(fēng)險較大程度下降。因此，“規(guī)劃”和實施系統(tǒng)的防洪排澇工程對降低城市洪澇風(fēng)險具有重要意義。