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(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092; 2.江蘇省蘇州市吳江區(qū)水利局,蘇州 215200)
平原感潮河網(wǎng)地區(qū)地勢低洼,人口眾多,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),受內(nèi)澇災(zāi)害影響嚴(yán)重,制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。太湖流域?qū)俚湫偷钠皆谐焙泳W(wǎng)地區(qū),是中國村鎮(zhèn)分布最為密集的地區(qū)之一,也是受內(nèi)澇災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[2]。自1991年大洪水以來,流域已建成一套包括流域防洪、中心城市防洪排澇和區(qū)域防洪3個(gè)層次的防洪排澇系統(tǒng)工程。同時(shí)該地區(qū)村鎮(zhèn)也大力開展圩區(qū)建設(shè),區(qū)域內(nèi)圩區(qū)的防洪排澇能力明顯提升。相關(guān)研究成果以及1991年以來流域數(shù)次洪水的損失數(shù)據(jù)證明上述防洪排澇系統(tǒng)工程能夠明顯降低流域整體的洪水風(fēng)險(xiǎn)[3]。
然而,近年來城市化快速發(fā)展導(dǎo)致下墊面發(fā)生劇烈變化,不透水面積比例增大導(dǎo)致流域的地表產(chǎn)流明顯增加[4],圩區(qū)排澇能力的大力建設(shè)增加了圩區(qū)的排澇水量,而河網(wǎng)退化與水面率降低導(dǎo)致河流、湖泊的調(diào)蓄能力下降[5],上述因素的共同作用導(dǎo)致太湖流域河道泄洪能力明顯不足,行洪河道洪水水位呈現(xiàn)逐年上升趨勢[6],導(dǎo)致河道沿岸堤防破壞風(fēng)險(xiǎn)上升[7],村鎮(zhèn)的洪澇風(fēng)險(xiǎn)增大。由于潰堤洪水所造成災(zāi)害的嚴(yán)重程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)澇災(zāi)害的嚴(yán)重程度,因此在洪水水位逼近堤頂高程,堤防破壞風(fēng)險(xiǎn)急劇上升時(shí),河道沿岸村鎮(zhèn)應(yīng)關(guān)閉排澇泵站來抑制河道水位的持續(xù)上漲[8],規(guī)避堤防破壞風(fēng)險(xiǎn)。上述措施雖然能夠適度降低洪水期間村鎮(zhèn)的潰堤洪水風(fēng)險(xiǎn),卻會(huì)導(dǎo)致村鎮(zhèn)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)增大,因此在河道泄洪能力不足的條件下,村鎮(zhèn)勢必面臨洪澇風(fēng)險(xiǎn)增大的嚴(yán)峻形勢[9]。不同于中心城市,平原感潮河網(wǎng)地區(qū)村鎮(zhèn)堤防的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期明顯偏低[9],同一重現(xiàn)期洪水對(duì)村鎮(zhèn)堤防的影響明顯大于城市,洪水水位上漲對(duì)村鎮(zhèn)的影響更明顯。此外隨著村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)與城市化快速發(fā)展,村鎮(zhèn)工業(yè)用地、住宅用地面積比例增大,內(nèi)澇積水導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失越發(fā)嚴(yán)重,內(nèi)澇災(zāi)害對(duì)村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響愈發(fā)明顯。因此,有必要對(duì)平原感潮河網(wǎng)地區(qū)行洪河道洪水過程對(duì)村鎮(zhèn)內(nèi)澇的影響展開研究。
目前對(duì)平原感潮河網(wǎng)地區(qū)洪澇風(fēng)險(xiǎn)的研究已非常廣泛。葉愛民等[10]將MIKE FLOOD模型應(yīng)用于嘉興市的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制中,模擬平原河網(wǎng)地區(qū)的水位變化及暴雨情況下洪水淹沒情況。羅福亮等[11]利用SWMM水文模型和MIKE11水動(dòng)力模型模擬平原感潮河網(wǎng)地區(qū)的降雨徑流和河道洪水過程。胡昌偉[12]開發(fā)了適用于太湖流域的水動(dòng)力學(xué)河網(wǎng)模型,定量分析了防洪排澇關(guān)系變化、抽排能力提高等影響因素對(duì)太湖流域洪水風(fēng)險(xiǎn)的影響。曹宇航等[13]利用MIKE11模型對(duì)比海門市防洪規(guī)劃實(shí)施前后研究區(qū)域內(nèi)主要河道的水位變化情況。譚瓊等[8]構(gòu)建管網(wǎng)、河網(wǎng)水動(dòng)力耦合模型研究平原感潮河網(wǎng)地區(qū)城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。上述研究主要利用水動(dòng)力模型模擬平原感潮河網(wǎng)地區(qū)洪水淹沒情況,模型模擬效果較好,但在研究中大多認(rèn)為洪水過程中泵站的排澇水量是一個(gè)定值,對(duì)因河道洪水導(dǎo)致的排澇水量減少對(duì)村鎮(zhèn)內(nèi)澇的影響考慮較少。
本文以平原感潮河網(wǎng)地區(qū)典型村鎮(zhèn)——盛澤鎮(zhèn)為例,利用一二維耦合水動(dòng)力模型模擬行洪河道中洪水演進(jìn)以及村鎮(zhèn)內(nèi)部地面水體流動(dòng),在考慮河道洪水對(duì)村鎮(zhèn)泵站排澇水量影響的基礎(chǔ)上,研究該地區(qū)行洪河道洪水對(duì)村鎮(zhèn)內(nèi)澇的影響,為該地區(qū)的洪澇風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考。
本研究選取太湖流域杭嘉湖地區(qū)東南部的盛澤鎮(zhèn)作為研究對(duì)象(圖1),該鎮(zhèn)境內(nèi)河網(wǎng)密布且河道水位受潮汐影響,地勢低洼,全境被圩區(qū)覆蓋,水工建筑物數(shù)量眾多,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),歷史上多次遭受嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害,具有平原感潮河網(wǎng)地區(qū)村鎮(zhèn)的典型特征,適合作為典型案例展開分析。
杭嘉湖地區(qū)位于太湖流域中部,河流、湖泊密布,地勢低洼。整個(gè)區(qū)域的土地被堤防包圍,形成數(shù)十個(gè)圩區(qū)。氣候濕潤,年平均降雨量為1 097.9 mm,降雨集中在每年6—9月份。該地區(qū)位于蘇州南部,是中國最發(fā)達(dá)地區(qū)之一。盛澤鎮(zhèn)位于杭嘉湖地區(qū)東南部,境內(nèi)河流密布,京杭運(yùn)河、清溪河、嘉興塘等主要行洪河道穿境而過。境內(nèi)地勢低洼,全境由圩區(qū)所覆蓋,圩區(qū)堤防高程在4.5~5.5 m之間。圩區(qū)內(nèi)外水量交換通過水閘、泵站等水工建筑物實(shí)現(xiàn),村鎮(zhèn)的排澇受水工建筑控制。
圖1 研究區(qū)域Fig.1 Map of the study area
本研究所涉及的數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、水工建筑物的規(guī)模與調(diào)度資料、水文數(shù)據(jù)以及斷面數(shù)據(jù)。
基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括水系分布、數(shù)字高程模型、土地利用、水工建筑物、資料。水文數(shù)據(jù)包含水位、降雨數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)洪水水位與潮位數(shù)據(jù)選擇了洪峰水位較高,對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)造成了較大經(jīng)濟(jì)損失,具有較高代表性的2009年“莫拉克”臺(tái)風(fēng)期間河道水位過程作為典型水位過程,利用1970—2013年的歷史實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率分析,獲得不同重現(xiàn)期的高水位值,采用同倍比放大的方法獲得不同重現(xiàn)期的水位過程。降雨數(shù)據(jù)選取距離盛澤鎮(zhèn)最近的平望雨量站1967—2013年實(shí)測降雨資料分析獲得不同重現(xiàn)期最大24 h凈雨過程。斷面數(shù)據(jù)采用2013年實(shí)測河道斷面數(shù)據(jù),斷面間隔2 000 m,河勢突變處進(jìn)行加密測量。
圖3 率定驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Calibration and verification results
本文利用MIKE系列模型構(gòu)建盛澤鎮(zhèn)水動(dòng)力模型,模擬行洪河道中的洪水演進(jìn)及村鎮(zhèn)的內(nèi)澇情況。
為準(zhǔn)確模擬洪水演進(jìn)過程,模型考慮了長度超過200 m的河道、溝渠以及所有的泵站和水閘。為模擬河道洪水的特性,研究區(qū)域內(nèi)太湖流域的主要行洪河道延伸到了鄰近的測站。一維模型包括105條河道、869個(gè)計(jì)算點(diǎn)、18個(gè)泵站和17個(gè)水閘,模型河道見圖2。行洪河道延伸至太浦閘站、平望站、金澤站、王江涇站、烏鎮(zhèn)站和南潯站,泵站和水閘按照實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)度。
圖2 一維模型河網(wǎng)概化圖Fig.2 Simplified channels in one-dimensional model
堤防失事的綜合風(fēng)險(xiǎn)率與計(jì)算上限洪水位間呈非線性單調(diào)遞增關(guān)系[14],可通過設(shè)置泵站開啟上限水位的措施來控制村鎮(zhèn)在洪水演進(jìn)期間的排澇水量,從而規(guī)避堤防破壞風(fēng)險(xiǎn)。本研究參考近年來盛澤鎮(zhèn)的潰堤事故,取堤頂高程以下0.2 m作為本研究行洪河道的控制水位,行洪河道水位達(dá)到控制水位則關(guān)閉沿岸泵站。
選擇盛澤、震澤和桃源3個(gè)測站作為率定驗(yàn)證站對(duì)模型進(jìn)行率定驗(yàn)證。模擬2009年6月3日—8月2日時(shí)間段內(nèi)的河道水位過程來進(jìn)行率定,比較各測站計(jì)算水位過程和實(shí)測水位過程之間的差異(圖3),校準(zhǔn)河道的曼寧系數(shù)在0.025~0.030之間。選用2009年“莫拉克”臺(tái)風(fēng)暴雨(2009年8月2—17日)來驗(yàn)證模型,比較各測站計(jì)算水位過程和實(shí)測水位過程之間的差異。驗(yàn)證結(jié)果顯示各站點(diǎn)計(jì)算水位過程與實(shí)測水位過程之間差值不超過12 cm;桃園站水位的模擬值與觀測值相比整體偏高,模型能夠較好地模擬村鎮(zhèn)在暴雨條件下河道洪水演進(jìn)過程。
構(gòu)建二維水動(dòng)力模型以模擬村鎮(zhèn)內(nèi)部的地表水體流動(dòng),考慮盛澤鎮(zhèn)整個(gè)鎮(zhèn)區(qū)大包圍區(qū)域,面積34.35 km2,模型包括108 361個(gè)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,平均網(wǎng)格面積314 m2。利用DEM數(shù)據(jù)考慮地面坡度對(duì)地表洪水演進(jìn)的影響,利用不同的糙率考慮不同土地利用類型對(duì)地表洪水演進(jìn)的影響。
受“莫拉克”臺(tái)風(fēng)暴雨影響,盛澤鎮(zhèn)多處地勢低洼地農(nóng)田,房屋受淹。本研究二維模型同樣選用“莫拉克”臺(tái)風(fēng)來進(jìn)行驗(yàn)證,模型模擬的淹沒范圍如圖4所示。模擬結(jié)果顯示暴雨導(dǎo)致村鎮(zhèn)內(nèi)部多處低洼地受淹,模擬結(jié)果較為合理。
圖4 二維模型高程及“莫拉克”臺(tái)風(fēng)淹沒圖Fig.4 Elevations in two-dimensional model and inundated area caused by typhoon Morakot
完成一維模型與二維模型構(gòu)建后,建立一維、二維耦合模型來模擬河道與地面之間的水量交換。耦合模型中河道與地面的水量交換通過側(cè)向連接實(shí)現(xiàn),側(cè)向連接以兩側(cè)的水位差為依據(jù)確定水體的流向。
考慮到平原感潮河網(wǎng)地區(qū)河道洪水受上游來水、流域的降雨量、潮汐、水工建筑物調(diào)度等因素的影響,區(qū)域的洪水水位與區(qū)域內(nèi)某個(gè)村鎮(zhèn)降雨量之間的關(guān)系并不明顯。本研究為分析河道洪水對(duì)村鎮(zhèn)內(nèi)澇的影響,將不同重現(xiàn)期的暴雨和洪水過程相互組合,共設(shè)計(jì)16組計(jì)算方案,見表1。
表1 計(jì)算方案列表Table 1 Computational schemes
為研究行洪河道洪水水位對(duì)沿岸村鎮(zhèn)排澇水量的影響,研究10 a一遇,50 a一遇及100 a一遇區(qū)域設(shè)計(jì)洪水過程3種工況。模擬結(jié)果見表2。
表2村鎮(zhèn)排澇水量降低比列
Table2Reductionsofdischargesinvillagesandtowns
水位重現(xiàn)期/a運(yùn)行泵站/個(gè)可用排澇水量/(m3·s-1)減少排澇水量/(m3·s-1)下降比例/%10181430050151073625.1710010647955.24
由表2可知行洪河道過高的洪水水位導(dǎo)致村鎮(zhèn)排澇水量明顯減少,50 a一遇河道洪水導(dǎo)致村鎮(zhèn)南部清溪河水位超過控制水位,3座泵站關(guān)閉導(dǎo)致村鎮(zhèn)排澇水量減少25.17%;100 a一遇河道洪水導(dǎo)致村鎮(zhèn)南部清溪河、東部東大港水位超過控制水位,8座泵站關(guān)閉導(dǎo)致排澇水量減少達(dá)55.24%,大部分與村鎮(zhèn)內(nèi)部骨干河道相連的泵站關(guān)閉導(dǎo)致村鎮(zhèn)的排澇形勢更加嚴(yán)峻。50 a一遇和100 a一遇洪水條件下,村鎮(zhèn)泵站關(guān)閉情況見圖5;不同工況下的行洪河道水位過程見圖6。
圖5 村鎮(zhèn)泵站關(guān)閉情況Fig.5 Closed pump stations in villages and towns
圖6 行洪河道水位過程Fig.6 Water level processes in flood channels
排澇水量減少會(huì)導(dǎo)致村鎮(zhèn)內(nèi)部河道洪水水位上漲及洪水歷時(shí)延長,且除少數(shù)與主要河道距離較遠(yuǎn)的河道外,影響程度隨著排澇水量減少幅度的增大變得越來越明顯。由于村鎮(zhèn)內(nèi)部河網(wǎng)密集,河道之間的聯(lián)通性好,因此當(dāng)村鎮(zhèn)某一側(cè)排澇水量減少后會(huì)導(dǎo)致村鎮(zhèn)內(nèi)大部分河道的水位升高。圩內(nèi)河道分布見圖7,100 a一遇、50 a一遇、10 a一遇暴雨條件下村鎮(zhèn)內(nèi)部河道的水位過程見圖8。
圖7 圩內(nèi)河道分布示意圖Fig.7 River channels in the embankment surrounded region
圖8 村鎮(zhèn)內(nèi)部河道水位過程Fig.8 Processes of water level of rivers in villages and towns
本研究根據(jù)長三角地區(qū)村鎮(zhèn)建筑的特點(diǎn)確定造成當(dāng)?shù)貎?nèi)澇災(zāi)害的淹沒水深[15]。對(duì)長三角地區(qū)而言,當(dāng)內(nèi)澇積水深度分別超過0.1 m和0.4 m時(shí)會(huì)對(duì)建筑造成一定損失與嚴(yán)重?fù)p失[16],本研究分別統(tǒng)計(jì)>0.1 m水深和>0.4 m水深的淹沒面積,分析在相同降雨、不同河道洪水過程下村鎮(zhèn)的內(nèi)澇情況。各方案的內(nèi)澇淹沒情況如圖9所示。
根據(jù)各方案的模擬結(jié)果可知,10 a一遇降雨條件下排澇水量減少并未造成村鎮(zhèn)內(nèi)部淹沒范圍明顯增大,僅在排澇水量降低55.24%情況下導(dǎo)致村鎮(zhèn)中部一處低洼地受淹。20 a一遇降雨條件下,排澇水量減少25.17%對(duì)村鎮(zhèn)內(nèi)澇淹沒面積的影響依然不明顯,但排澇水量減少55.24%導(dǎo)致村鎮(zhèn)中部部分河流沿岸低地淹沒范圍擴(kuò)大。50 a一遇降雨條件下排澇水量減少25.17%導(dǎo)致村鎮(zhèn)中部2處低洼地淹沒范圍擴(kuò)大,排澇水量減少55.24%導(dǎo)致村鎮(zhèn)中部和東部的主要河道沿岸淹沒范圍擴(kuò)大。100 a一遇降雨條件下排澇水量減少25.17%導(dǎo)致村鎮(zhèn)中部2處低洼地淹沒范圍擴(kuò)大及西北部一處低洼地淹沒水深增大,排澇水量減少55.24%導(dǎo)致村鎮(zhèn)內(nèi)部各主要河道沿岸受淹范圍明顯擴(kuò)大,整個(gè)村鎮(zhèn)的受淹情況加重。
模擬結(jié)果顯示,降雨重現(xiàn)期越大,行洪河道洪水導(dǎo)致的排澇水量減少對(duì)淹沒范圍的影響越明顯。各方案的內(nèi)澇淹沒面積統(tǒng)計(jì)如圖10所示,在10 a一遇、20 a一遇的降雨過程下,盡管遭遇100 a一遇洪水過程,排澇水量減少55.24%,村鎮(zhèn)因此導(dǎo)致的內(nèi)澇淹沒范圍擴(kuò)大情況也不明顯;而在50 a一遇、100 a一遇降雨條件下,遭遇50 a一遇洪水過程即會(huì)導(dǎo)致淹沒范圍小幅度增大,如果遭遇100 a一遇洪水則會(huì)導(dǎo)致淹沒范圍明顯增大。造成這一結(jié)果的原因主要是在降雨量較大條件下,村鎮(zhèn)的排澇能力富余量相對(duì)較小,在這種情況下遭遇50 a一遇、100 a一遇洪水過程,排澇水量減少則更容易導(dǎo)致村鎮(zhèn)排澇水量不足,進(jìn)而造成村鎮(zhèn)內(nèi)澇淹沒面積擴(kuò)大。
圖9 村鎮(zhèn)內(nèi)澇淹沒圖Fig.9 Inundated area of waterlogging in villages and towns
圖10 淹沒面積統(tǒng)計(jì)Fig.10 Statistics of inundated area
行洪河道發(fā)生50 a一遇洪水條件下,沿岸村鎮(zhèn)的排澇水量受到洪水高水位限制,若此時(shí)村鎮(zhèn)出現(xiàn)重現(xiàn)期達(dá)到或超過50 a一遇的降雨則會(huì)導(dǎo)致村鎮(zhèn)內(nèi)澇淹沒面積出現(xiàn)小幅度擴(kuò)大。而在行洪河道發(fā)生100 a一遇洪水條件下,沿岸村鎮(zhèn)的排澇水量受限情況明顯加重,若此時(shí)村鎮(zhèn)出現(xiàn)降雨則會(huì)導(dǎo)致村鎮(zhèn)內(nèi)澇淹沒面積明顯擴(kuò)大,且淹沒范圍擴(kuò)大的比例隨著降雨重現(xiàn)期的增大而明顯升高,在50 a一遇、100 a一遇降雨條件下導(dǎo)致村鎮(zhèn)內(nèi)澇淹沒面積分別擴(kuò)大7.99%,21.98%,村鎮(zhèn)內(nèi)部沿河低洼地受淹情況明顯加重。
平原感潮河網(wǎng)地區(qū)河網(wǎng)密集,行洪河道之間相互連通,區(qū)域內(nèi)河道泄洪會(huì)導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域的行洪河道水位升高,使整個(gè)行洪河道沿線甚至整個(gè)區(qū)域的村鎮(zhèn)排澇受到限制。若同時(shí)區(qū)域內(nèi)突降暴雨,則會(huì)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)絕大部分村鎮(zhèn)出現(xiàn)上述內(nèi)澇淹沒范圍擴(kuò)大的情況,整個(gè)區(qū)域的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)增大。若區(qū)域內(nèi)同時(shí)發(fā)生100 a一遇的洪水和50 a一遇的降雨會(huì)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)絕大部分村鎮(zhèn)內(nèi)澇淹沒范圍擴(kuò)大近8%,若同時(shí)發(fā)生100 a一遇的洪水和降雨,則會(huì)導(dǎo)致絕大部分村鎮(zhèn)內(nèi)澇淹沒范圍擴(kuò)大接近22%,整個(gè)區(qū)域的內(nèi)澇受淹情況明顯加重,整個(gè)區(qū)域?qū)⒃馐車?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
本文以盛澤鎮(zhèn)為例研究平原感潮河網(wǎng)地區(qū)行洪河道洪水對(duì)周邊村鎮(zhèn)內(nèi)澇的影響,得出不同洪水、降雨條件下村鎮(zhèn)的內(nèi)澇淹沒范圍分布圖。
受50 a一遇與100 a一遇河道洪水影響村鎮(zhèn)排澇水量分別減少25.17%,55.24%,在100 a一遇洪水條件下大部分與村鎮(zhèn)骨干河道相連的泵站關(guān)閉導(dǎo)致村鎮(zhèn)的排澇形勢更加嚴(yán)峻。因村鎮(zhèn)內(nèi)部河流密集且相互連通,所以降雨期間村鎮(zhèn)的排澇水量減少導(dǎo)致內(nèi)部主要河道水位整體升高,退水歷時(shí)延長。降雨重現(xiàn)期越大,排澇水量減少對(duì)淹沒范圍的影響越明顯。平原感潮河網(wǎng)地區(qū)行洪河道之間相互連通,受極端洪水影響易導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域的河道水位上漲,進(jìn)而對(duì)區(qū)域內(nèi)大多數(shù)地勢低洼的村鎮(zhèn)排澇造成影響,受100 a一遇洪水影響可能導(dǎo)致區(qū)域的淹沒面積擴(kuò)大接近22%,區(qū)域的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)明顯增大。因此,極端河道洪水會(huì)加劇村鎮(zhèn)在暴雨期間的內(nèi)澇受災(zāi)情況。
本文分析了平原感潮河網(wǎng)地區(qū)河道洪水對(duì)村鎮(zhèn)內(nèi)澇的不利影響,為深入理解該地區(qū)村鎮(zhèn)受多種因素影響的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)及其管理提供了參考。此外,應(yīng)系統(tǒng)地考慮平原感潮河網(wǎng)地區(qū)的河道泄洪與村鎮(zhèn)排澇。