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        城市精細(xì)化洪澇模擬及防控措施研究
        ——以昆山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)為例

        2021-10-11 01:28:20於家紅黃袆靜陳燕雷瑤鄧東升劉增賢
        城市與減災(zāi) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:雨型圩區(qū)西河

        於家紅 黃袆靜 陳燕 雷瑤 鄧東升 劉增賢

        引言

        隨著全球氣候變化,強(qiáng)降水的發(fā)生概率逐漸增大。隨著城市化進(jìn)程的加快,不透水面的增加和水面率的下降使城市面臨著更大的洪澇風(fēng)險(xiǎn)。僅2020年前三季度全國(guó)受洪澇等自然災(zāi)害影響,造成1.3億人受災(zāi),直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)3135.5億元。2021年7月,河南省突發(fā)極端強(qiáng)降雨,導(dǎo)致特大洪澇災(zāi)害,直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1142.69億元。

        針對(duì)城市洪澇問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外利用水文及水動(dòng)力模型開(kāi)展了大量研究,如美國(guó)的SWMM、丹麥的MIKE URBAN,英國(guó)的Infoworks ICM等。但是模型的計(jì)算是基于有限元方法繪制的不規(guī)則地形網(wǎng)格,在要求精度的同時(shí),將導(dǎo)致巨大的計(jì)算量,往往不能將城市的復(fù)雜河道進(jìn)行細(xì)化。本研究構(gòu)建了一維精細(xì)化河網(wǎng)模型,基于最新衛(wèi)星影像疊加下墊面信息,并根據(jù)現(xiàn)狀對(duì)排澇站閘進(jìn)行設(shè)置,可精確高效地對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行洪澇模擬,為區(qū)域防洪工作的進(jìn)一步開(kāi)展提供技術(shù)支撐。

        研究區(qū)與數(shù)據(jù)源情況

        本文的研究區(qū)域選定為昆山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“開(kāi)發(fā)區(qū)”),開(kāi)發(fā)區(qū)屬于長(zhǎng)江三角洲太湖平原區(qū),位于昆山市東部,面積約115km2(圖1)。

        圖1 昆山開(kāi)發(fā)區(qū)區(qū)位圖

        開(kāi)發(fā)區(qū)共有7個(gè)圩區(qū),分別為西河圩、合興圩 —城南圩(開(kāi)發(fā)區(qū))、包橋圩、孔巷圩、婁江圩、北大圩和南大圩,圩外河道構(gòu)成片區(qū)的河網(wǎng)骨架,承擔(dān)區(qū)域引排水功能,圩內(nèi)河道負(fù)責(zé)圩區(qū)內(nèi)水量的調(diào)節(jié)及各圩區(qū)的引排水,圩區(qū)內(nèi)外水量的交換主要通過(guò)站、閘進(jìn)行調(diào)度,形成了聯(lián)圩治水格局。

        本研究的主要數(shù)據(jù)包括由昆山市水務(wù)局提供的研究區(qū)域河道、水利工程數(shù)據(jù)、高分一號(hào)(GF-1)于2020年4月28日攝取的8m和2m級(jí)分辨率衛(wèi)星遙感影像,以及其他氣象、水文、地理等數(shù)據(jù)。本文模擬和分析均基于7個(gè)聯(lián)圩開(kāi)展,圩內(nèi)最高控制水位3.1m,汛期預(yù)降最低控制水位2.5m。

        精細(xì)化洪澇模擬

        (一)精細(xì)化河網(wǎng)模型構(gòu)建

        為精確模擬開(kāi)發(fā)區(qū)的河道水位情況,本研究構(gòu)建了精細(xì)化河網(wǎng)模型。其中水動(dòng)力模型基本方程采用Saint-Venant方程組,數(shù)值離散方程采用Preismann四點(diǎn)隱式差分,通過(guò)聯(lián)立方程進(jìn)行求解。研究將開(kāi)發(fā)區(qū)所有河道以及相關(guān)外圍河道、圩口站閘全部納入,概化總河長(zhǎng)約388km,河段398條段,站閘76座(圖2)。

        圖2 昆山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)河網(wǎng)水系概化圖

        為進(jìn)一步確保實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)模擬分析,研究中排澇站、閘的控制方式是根據(jù)平原河網(wǎng)特征、水資源合理調(diào)度的客觀要求以及水利工程運(yùn)行管理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置的。研究遵循汛期按照防汛安全要求調(diào)度、非汛期按照改善水質(zhì)和保障用水需要調(diào)度的原則,按照閘內(nèi)、外的水位控制,閘關(guān)聯(lián)水系的區(qū)域平均水位控制以及時(shí)間控制等多重要求運(yùn)行閘站,結(jié)合精細(xì)化河網(wǎng),對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)進(jìn)行精確的模擬。

        (二)精細(xì)化下墊面分析

        下墊面是影響地面徑流的最主要因素之一。為更精確分析開(kāi)發(fā)區(qū)各圩區(qū)地面徑流情況,深入評(píng)估區(qū)域除澇能力,我們對(duì)各圩區(qū)的下墊面土地現(xiàn)狀分類(lèi)進(jìn)行了細(xì)致量化分析研究。基于2020年4月28日高分一號(hào)(GF-1)衛(wèi)星攝取的多光譜影像和全色影像,研究進(jìn)行了大氣校正和地理精度校正,并將坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系,通過(guò)影像融合生成分辨率為2m的融合多光譜影像,然后分別提取了NDVI和NDWI,構(gòu)建了分類(lèi)決策樹(shù),將開(kāi)發(fā)區(qū)土地分為裸地、草地、農(nóng)田、林地、不透水表面及水體等6大類(lèi)(圖3)?;诟髹讌^(qū)的土地分類(lèi)數(shù)據(jù),分析其下墊面情況,并利用模型對(duì)降雨期間不同類(lèi)型土地的徑流系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,模擬得到精確的產(chǎn)流結(jié)果,最終匯入河網(wǎng)。

        圖3 昆山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)各圩區(qū)土地覆被狀況

        (三)暴雨情景設(shè)置

        研究區(qū)域的洪澇風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于暴雨,因此雨型的分析及降雨事件的選取對(duì)于區(qū)域精細(xì)化模擬及防控措施的選取起著至關(guān)重要的作用。

        1.雨型分析

        據(jù)岑國(guó)平等的研究,降雨過(guò)程主要可以分為7種模式(圖4),包括單峰雨型(Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型)、雙峰雨型(Ⅴ型、Ⅵ型、Ⅶ型)及大致均勻分布雨型(Ⅳ型)。為選取典型的降雨設(shè)計(jì)雨型,以更真實(shí)、精確地模擬開(kāi)發(fā)區(qū)在暴雨發(fā)生時(shí)的水位情況,分析其內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn),本文對(duì)昆山市雨型及臨近的上海市雨型進(jìn)行了大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析。

        圖4 七種模式雨型示意圖

        (1)選取昆山市2005—2013年期間的降雨,對(duì)歷時(shí)接近1h、2h、3h的47場(chǎng)降雨進(jìn)行雨型分析,采用模糊識(shí)別法,得到單峰雨型的場(chǎng)次數(shù),占總數(shù)的82.98%,而雙峰及多峰雨型較少。在單峰型降雨中,大部分降雨的雨峰在前部或中部,雨峰在后部的較少;單峰型降雨的雨量較為集中,對(duì)區(qū)域除澇和城區(qū)排水的影響較大,因此需要重點(diǎn)考慮單峰型降雨。

        (2)選取近年來(lái)上海的暴雨進(jìn)行雨型分析,其中徐家匯171場(chǎng)12h暴雨、80場(chǎng)24h暴雨,嘉定144場(chǎng)12h暴雨、69場(chǎng)24h暴雨,青浦150場(chǎng)12h暴雨、54場(chǎng)24h暴雨,采用目估法得到:歷時(shí)12h暴雨雨型和歷時(shí)24h暴雨雨型均以單峰型為主,雙峰型和均勻型降雨場(chǎng)次很少。在單峰型降雨中,大部分降雨的雨峰在前部,其次是雨峰在后部的和在中間的。在雙峰雨型中,雨峰在前后兩頭的所占比例最大,雨峰在中間的最少??傮w而言,由于單峰雨型雨量集中,特別是雨峰集中在后部的暴雨,對(duì)區(qū)域除澇和城市排水的影響較大,容易引起城區(qū)大面積的積水。

        2.降雨事件選取

        根據(jù)《昆山市城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃》,開(kāi)發(fā)區(qū)河道排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇最大24h暴雨24h排出,并確保每小時(shí)河道水位不超過(guò)最高控制水位。

        因此,本研究選取了兩個(gè)24小時(shí)降雨事件,事件1的雨型選用了《昆山市城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃》中的24h設(shè)計(jì)暴雨雨型,按昆山市城市管道設(shè)計(jì)條件,選用1年一遇設(shè)計(jì)雨量38.26mm/h作為事件1的最大1h降雨量,計(jì)算得24h總雨量為135.12mm。事件2采用的是《上海市防洪除澇規(guī)劃(2020—2035年)》中與昆山相鄰的嘉定區(qū)域的降雨雨型,按照24h總雨量為210.8mm的標(biāo)準(zhǔn)確定降雨過(guò)程,其中最大1h降雨量為39mm/h,兩場(chǎng)事件降雨過(guò)程如圖5所示。

        圖5 典型降雨事件雨量變化過(guò)程

        模擬結(jié)果與分析

        基于精細(xì)化河網(wǎng)模型及下墊面產(chǎn)流模型的構(gòu)建,在選取的兩場(chǎng)典型暴雨情景下,本文對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)進(jìn)行了精確的洪澇模擬計(jì)算及結(jié)果分析。

        (一)各圩區(qū)平均水位過(guò)程變化

        為研究暴雨中各圩區(qū)的防洪薄弱環(huán)節(jié),本研究對(duì)各圩區(qū)的平均水位隨時(shí)間的變化過(guò)程進(jìn)行了分析(圖6)。

        圖6 暴雨情景下各圩區(qū)水位變化過(guò)程圖

        采用降雨事件1進(jìn)行的模擬結(jié)果顯示,雨峰與洪峰出現(xiàn)的時(shí)間較為一致。洪峰來(lái)臨時(shí),婁江圩的水位高達(dá)4.26m,為各圩區(qū)中最高,遠(yuǎn)超最高控制水位3.1m;包橋圩、合興圩—城南圩(開(kāi)發(fā)區(qū))、南大圩的最高水位分別為3.45m、3.47m、3.25m,均超過(guò)河道最高控制水位;西河圩、孔巷圩、北大圩的最高水位分別為3.04m、2.99m和3.08m,未超過(guò)圩內(nèi)河道最高控制水位。除西河圩、孔巷圩和北大圩,其他圩區(qū)的防洪能力均有待提高。

        采用降雨事件2進(jìn)行的模擬結(jié)果顯示,雨峰與洪峰出現(xiàn)的時(shí)間較為一致。洪峰來(lái)臨時(shí),婁江圩的水位高達(dá)4.22m,為各圩區(qū)中最高,遠(yuǎn)超最高控制水位3.1m;包橋圩、合興圩—城南圩(開(kāi)發(fā)區(qū))的最高水位分別為3.83m、3.82m,均超過(guò)河道最高控制水位,且水位下降所需的時(shí)間較長(zhǎng),從最高水位下降至最低控制水位2.5m需要10小時(shí),排澇能力亟須提高;南大圩和北大圩的最高水位分別為3.44m和3.25m,超過(guò)河道最高控制水位,水位下降至最低控制水位需8小時(shí);西河圩和孔巷圩的最高水位分別為3.07m和3.10m,未超過(guò)圩內(nèi)河道最高控制水位。除西河圩、孔巷圩,其他圩區(qū)的防洪能力均有待提高。

        兩場(chǎng)降雨事件中,洪峰與雨峰到達(dá)時(shí)間較為一致。事件2由于降雨集中,圩區(qū)排水壓力大于事件1,特別是合興圩 —城南圩(開(kāi)發(fā)區(qū))和包橋圩區(qū),排水時(shí)間高達(dá)10小時(shí),河道內(nèi)水位長(zhǎng)時(shí)間處于較高水平,洪澇風(fēng)險(xiǎn)較大;婁江圩防洪能力最差,水位處于全區(qū)最高水平,但排水較快;孔巷圩及西河圩的防洪除澇能力最好,兩場(chǎng)事件均保持在控制水位之下。

        (二)最高水位空間分布情況

        為找出研究區(qū)域的防洪薄弱區(qū)域所在,本研究分析了兩場(chǎng)事件中全區(qū)的最高水位的空間分布情況(圖7)。

        圖7 暴雨情景下開(kāi)發(fā)區(qū)水位空間分布圖

        采用降雨事件1進(jìn)行的模擬結(jié)果顯示,北大圩、孔巷圩和西河圩中部地區(qū)的水位較低,洪澇風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較?。荒洗筵椎乃怀罡呖刂扑?,東部地區(qū)較西部地區(qū)更為薄弱;合興圩 —城南圩(開(kāi)發(fā)區(qū))、包橋圩區(qū)及西河圩南部地區(qū)的水位較高,均在圩內(nèi)最高控制水位以上,特別是合興圩 —城南圩(開(kāi)發(fā)區(qū))南部地區(qū)以及西河圩的南部地區(qū),水位達(dá)到了3.5m以上,洪澇風(fēng)險(xiǎn)較大。婁江圩的水位最高,達(dá)到了4.26m,遠(yuǎn)超控制水位,亟須提高防洪能力。

        采用降雨事件2進(jìn)行的模擬結(jié)果顯示,孔巷圩和西河圩中部地區(qū)的水位較低,洪澇風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較?。槐贝筵?、南大圩、西河圩南部的水位超最高控制水位,防洪能力有待提高;合興圩 —城南圩(開(kāi)發(fā)區(qū))和包橋圩水位大大高于最高控制水位,均在3.68m以上,特別是合興圩 —城南圩(開(kāi)發(fā)區(qū))南部地區(qū),水位在3.86m以上,洪澇風(fēng)險(xiǎn)較大。婁江圩的水位最高,達(dá)到了4.22m,遠(yuǎn)超控制水位,亟須提高防洪能力。

        兩場(chǎng)降雨事件中,孔巷圩和西河圩中部地區(qū)的水位最低,洪澇風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)最??;北大圩和南大圩存在一定的洪澇風(fēng)險(xiǎn),特別是南大圩西部地區(qū),需提高防洪能力;包橋圩、合興圩 —城南圩(開(kāi)發(fā)區(qū))、西河圩南部的水位高于控制水位較多,洪澇風(fēng)險(xiǎn)較大;婁江圩的水位最高,兩種情境下均達(dá)到4m以上,遠(yuǎn)高于圩內(nèi)最高控制水位,洪澇風(fēng)險(xiǎn)極大。

        (三)防洪措施選擇

        基于本研究對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)精細(xì)化的洪澇模擬,結(jié)合開(kāi)發(fā)區(qū)各圩區(qū)河道及排澇站、閘現(xiàn)狀分析結(jié)果表明,婁江圩的洪澇風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于水面率低(僅為1.4%),河道調(diào)蓄能力不足,因此可進(jìn)行河道疏通整治、拓寬等增大水面率,提高圩區(qū)的蓄洪能力,降低洪峰來(lái)臨時(shí)河道的水位;合興圩 —城南圩(開(kāi)發(fā)區(qū))和包橋圩的洪澇風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于排水能力不足(排澇模數(shù)分別為3.28m3/s/km2和3.33m3/s/km2),因此可增大排澇規(guī)模,加快暴雨期間圩區(qū)內(nèi)水位的下降速度,以防河道堤防壓力過(guò)大,在雙峰型降雨中可能產(chǎn)生較大的洪澇風(fēng)險(xiǎn);西河圩南部、南大圩東部地區(qū)需進(jìn)行進(jìn)一步研究,分析高水位產(chǎn)生原因,并具有針對(duì)性地進(jìn)行完善;開(kāi)發(fā)區(qū)整體需要進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃,階段性地增高圩堤、增大排澇規(guī)模等,提高抗風(fēng)險(xiǎn)能力,并在暴雨發(fā)生時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)、有序的調(diào)度,盡可能減小災(zāi)害損失。

        結(jié)論

        本文以昆山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)為研究區(qū)域,通過(guò)精細(xì)化河網(wǎng)數(shù)值模型的構(gòu)建和高精度下墊面數(shù)據(jù)的分析,開(kāi)展兩場(chǎng)典型暴雨情景下的精細(xì)化城市洪澇模擬,分析了區(qū)域的防洪除澇薄弱處,并具有針對(duì)性地提出了措施建議。

        主要結(jié)論:(1)暴雨事件發(fā)生時(shí),由于婁江圩的水面率低,河道蓄洪能力低下,洪澇風(fēng)險(xiǎn)最大,需疏通、拓寬河道,增大蓄洪能力,削減洪峰;(2)合興圩 —城南圩(開(kāi)發(fā)區(qū))、包橋圩的排澇模數(shù)較低,由于排水能力不足,河道內(nèi)水位下降緩慢,洪澇風(fēng)險(xiǎn)較大,亟須提高排水能力,加快排澇速度;(3)北大圩、西河圩南部、南大圩東部地區(qū)存在一定的洪澇風(fēng)險(xiǎn),需進(jìn)一步研究,并加以完善;(4)孔巷圩、西河圩中部的洪澇風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小,但強(qiáng)降雨情況下仍需要系統(tǒng)地規(guī)劃與調(diào)度,持續(xù)提高防洪能力,以防范氣候變化背景下未來(lái)更頻繁的暴雨事件。

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