張 楠，王 賀，呂永鵬

[1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；2.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院，上海市200120]

0 引言

上海市臨港新城位于長(zhǎng)江口，其沿岸頻受風(fēng)暴潮威脅，城區(qū)內(nèi)部還會(huì)受到短歷時(shí)強(qiáng)降雨導(dǎo)致的內(nèi)澇積水災(zāi)害[1]的威脅。對(duì)于沿海地區(qū)風(fēng)暴潮災(zāi)害研究的評(píng)估，Zhenhua Pan[2-3]針對(duì)人類工程對(duì)長(zhǎng)江口風(fēng)暴潮的影響研究中提到臺(tái)風(fēng)會(huì)對(duì)長(zhǎng)江口造成威脅，介紹了浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)附近的極端風(fēng)暴潮存在的不同程度的淹沒風(fēng)險(xiǎn)。段麗瑤[4]針對(duì)天津沿海地區(qū)搭建的城市內(nèi)澇模型，是在沿海邊界和河口處設(shè)置了時(shí)變水位，模擬了由于風(fēng)暴潮侵襲造成的淹沒情景。研究海域與陸域洪水采用的方法多數(shù)是將兩個(gè)系統(tǒng)分開建模，風(fēng)暴潮模型關(guān)注海岸線，城市內(nèi)澇模型關(guān)注城區(qū)，需考慮潮位影響就添加邊界條件。本研究的突破點(diǎn)是將海域與陸域整合為一個(gè)模型，多角度模擬強(qiáng)臺(tái)風(fēng)疊加強(qiáng)降雨時(shí)城區(qū)內(nèi)澇的情況。

1 研究區(qū)概況

在國(guó)家新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略下，臨港新城是長(zhǎng)三角濱江沿海發(fā)展廊道上的區(qū)域性節(jié)點(diǎn)城市，是上海的開放創(chuàng)新先行示范區(qū)。鑒于位置的特殊性，研究其由強(qiáng)降雨、臺(tái)風(fēng)等帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)就十分重要。臨港地處上海東側(cè)沿岸，處于北亞熱帶平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，外圍系黃浦江、長(zhǎng)江口與杭州灣水域環(huán)繞，具有明顯的海洋性季風(fēng)特征，雨量充沛，年降雨量為1 228.1 mm，但年內(nèi)分配不均，6—8月汛期降雨量約占全年的41.9%。水位易受沿江沿海潮汐影響，外圍水域潮汐特性為非常規(guī)淺海半日潮，一個(gè)太陽(yáng)日（即24 h 50 min）有2 次高潮和低潮，且各不相等。

2 研究方法

2.1 模型介紹

MIKE 21 由丹麥國(guó)家水力研究所（DHI）研發(fā)，是一款二維水動(dòng)力軟件，在二維地表漫流模擬中應(yīng)用廣泛，這源于該軟件在二維地形處理方面的優(yōu)勢(shì)，可用于三角形網(wǎng)格搭建海底地形，亦可用矩形網(wǎng)格搭建城市地形。以往多數(shù)研究是將風(fēng)暴潮模型與城市內(nèi)澇模型分開計(jì)算，相結(jié)合的應(yīng)用研究卻極少。本研究的特點(diǎn)就是將相關(guān)海域的海底地形與城市地形相結(jié)合，在強(qiáng)降雨和臺(tái)風(fēng)情況下，模擬海域加陸域系統(tǒng)的行洪過程，以期為內(nèi)澇防治系統(tǒng)的完善提供輔助支持，并在為后續(xù)使用二維水動(dòng)力模型在海域與陸域相結(jié)合的城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)研究中提供借鑒。

2.2 模型構(gòu)建

臨港新城的二維水動(dòng)力模型研究區(qū)域主要包含了海域部分和陸域部分。其中海域范圍邊界參考了Zhenhua Pan[2-3]研究的長(zhǎng)江口模型，取東邊界至東經(jīng)123°30′，北邊界至北緯32°15′，南邊界至北緯29°33′，包括黃浦江、杭州灣和舟山群島在內(nèi)，東西長(zhǎng)約550 km，南北寬約340 km；陸域范圍包括上海市區(qū)、長(zhǎng)興島、橫沙島和崇明島。其中，臨港新城的主海塘長(zhǎng)約34 km，堤頂高程為10.4 m（吳淞零點(diǎn)），該一線海塘可以防御200 a 一遇高潮位加12 級(jí)風(fēng)正面襲擊。該模型的計(jì)算域及水下地形分布圖參見圖1。

圖1 地形圖（單位：m）

2.3 模型率定

模型通過歷史上兩次降雨事件進(jìn)行率定，即2018年的“9·17”暴雨事件與2019年的“利奇馬”臺(tái)風(fēng)事件。

2.3.1 “9·17”暴雨事件

從上海浦東惠南站監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)看，暴雨從2018年9月17 日凌晨02:48 開始，約至中午12：00結(jié)束，歷時(shí)約10 h，降雨總量達(dá)139.2 mm，最大1 h降雨量為102.5 mm。該暴雨已超過100 a 一遇標(biāo)準(zhǔn)。圖2 為臨港新城“917”暴雨事件淹沒水深圖，嚴(yán)重區(qū)域積水深度在0.15～0.18 m，積水長(zhǎng)度約50～200 m，積水時(shí)間為1～2.5 h。積水嚴(yán)重區(qū)域總面積約0.076 km2，“9·17”暴雨時(shí)間模擬結(jié)果的積水結(jié)果與實(shí)際積水率定點(diǎn)基本保持一致，紅色星號(hào)處為率定點(diǎn)位。

圖2 “9·17”暴雨事件內(nèi)澇積水點(diǎn)（單位：m）

“9·17”暴雨期間未有臺(tái)風(fēng)過境，當(dāng)時(shí)湖水閘外海未退潮，河道水位低于外海水位，因此無(wú)法開閘排水。圖3 給出了臨港“9·17”暴雨事件期間蘆潮港實(shí)測(cè)潮位（中國(guó)水務(wù)信息網(wǎng)）和計(jì)算潮位的對(duì)比過程線。天文潮潮位計(jì)算值的波動(dòng)情況與實(shí)測(cè)值基本一致，潮位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好。

圖3 “917”暴雨事件蘆潮港實(shí)測(cè)潮位與計(jì)算潮位的對(duì)比過程線（單位：m）

2.3.2 “利奇馬”臺(tái)風(fēng)事件

2019年8月9 日的“利奇馬”臺(tái)風(fēng)給上海帶來(lái)明顯的風(fēng)雨影響，全市普降暴雨到大暴雨。從9 日12：00 至11 日早6：00，臺(tái)風(fēng)降雨歷時(shí)42 h，臺(tái)風(fēng)過境期間，長(zhǎng)江口區(qū)及沿海地區(qū)達(dá)到9～11 級(jí)大風(fēng)，沿江沿海地區(qū)出現(xiàn)0.5～1.3 m 的風(fēng)暴潮增水，由于天文潮整體不高，因此未出現(xiàn)超警戒水位情況。圖4 給出了“利奇馬”臺(tái)風(fēng)過境期間蘆潮港實(shí)測(cè)潮位（中國(guó)水務(wù)信息網(wǎng)）和計(jì)算潮位的對(duì)比過程線。風(fēng)暴潮潮位計(jì)算值的波動(dòng)情況與實(shí)測(cè)值基本一致，潮位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好。

圖4 “利奇馬”臺(tái)風(fēng)蘆潮港實(shí)測(cè)潮位與計(jì)算潮位的對(duì)比過程線（單位：m）

綜上率定過程和結(jié)果表明建立的海域加陸域的二維水動(dòng)力模型搭建合理，確保了能較精確地預(yù)測(cè)現(xiàn)狀條件下臺(tái)風(fēng)過境疊加強(qiáng)降雨的情況，可用于后續(xù)的內(nèi)澇計(jì)算分析工作。

3 海域憎水與陸域內(nèi)澇模擬

3.1 模擬工況

為了研究臨港新城最嚴(yán)重的內(nèi)澇災(zāi)害，本文在風(fēng)暴潮的基礎(chǔ)上考慮極端降雨事件。首先選取9711臺(tái)風(fēng)(Winnie)期間的潮位為極端風(fēng)暴潮，因9711 號(hào)臺(tái)風(fēng)是近年來(lái)影響我國(guó)強(qiáng)度和范圍最大的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)之一，所謂強(qiáng)臺(tái)風(fēng)就是指底部中心附近平均最大風(fēng)速為41.5～50.9 m/s 的臺(tái)風(fēng)，屬于14～15 級(jí)臺(tái)風(fēng)。該臺(tái)風(fēng)登陸時(shí),正值天文大潮期，它所引起的風(fēng)暴潮使得浙江、上海和江蘇等沿海堤壩損壞嚴(yán)重，故本研究模擬工況選取9711 號(hào)臺(tái)風(fēng)過境。根據(jù)《上海市排水防澇綜合規(guī)劃》的要求，上海市新區(qū)的內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)為100 a 一遇，故本研究將100 a 一遇設(shè)計(jì)降雨的峰值與9711 號(hào)臺(tái)風(fēng)造成的最大增水時(shí)刻進(jìn)行重合模擬。模擬時(shí)段定為1997年8月17 日0∶00—1997年8月20 日0:00，采用上海市100 a 一遇24 h 設(shè)計(jì)雨型，24 h 降雨量為279.1 mm，最大1 h 降雨量為68.9 mm。

3.2 評(píng)估分析

3.2.1 最大積水深評(píng)估

二維水動(dòng)力模擬計(jì)算結(jié)果顯示9711 號(hào)臺(tái)風(fēng)過境期間蘆潮港最高水位可達(dá)4.10 m（85 高程），與歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近；同時(shí)并未造成沿海漫堤現(xiàn)象發(fā)生，即現(xiàn)狀條件下的臨港一線海塘可防御歷史上強(qiáng)度較大級(jí)別臺(tái)風(fēng)，上海臨港沿海地區(qū)處于安全狀態(tài)。圖5 展示了臺(tái)風(fēng)過境后城區(qū)范圍內(nèi)的積水圖，積水深隨著藍(lán)色深淺逐漸加，最大積水深達(dá)2.02 m。

圖5 “9711”過境疊加百年一遇降雨的最大淹沒水深圖（單位：m）

3.2.2 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

參考《臨港試點(diǎn)區(qū)海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》確定的試點(diǎn)區(qū)水災(zāi)害治理的量化指標(biāo)，即內(nèi)澇防治按照《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)》（GB 50014—2021）內(nèi)澇重現(xiàn)期評(píng)價(jià)提出的100 a 一遇，及城市防洪提出的沿江、沿海主海塘防御能力達(dá)到200 a 一遇高潮位，本研究擬定了評(píng)判臨港內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的規(guī)則，即積水深度在0.15 m，積水時(shí)間不到1 h 的區(qū)域?yàn)榈惋L(fēng)險(xiǎn)區(qū)；積水深度范圍在0.15～0.3 m，積水時(shí)間在1～2 h 的區(qū)域?yàn)橹酗L(fēng)險(xiǎn)區(qū)；積水深在0.3～0.5 m，積水時(shí)間在2～3 h 的區(qū)域?yàn)楦唢L(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

根據(jù)該規(guī)則，繪制了內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖6，統(tǒng)計(jì)淹水面積約0.1 km2，占比0.1%（臨港新城面積約79 km2），藍(lán)色低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)約0.014 km2，黃色中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)約0.026 km2，紅色高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)約0.056 km2。

圖6 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖

研究結(jié)果表明，9711 號(hào)臺(tái)風(fēng)過境期間沿海海堤越堤不明顯，造成的最大積水深約2.02 m，淹水面積約0.1 km2，城區(qū)內(nèi)澇主要集中在北部未開發(fā)區(qū)域。

4 結(jié)論

本研究通過搭建海域和陸域相結(jié)合的二維水動(dòng)力模型，模擬了9711 號(hào)臺(tái)風(fēng)疊加百年一遇設(shè)計(jì)降雨工況，重點(diǎn)分析了沿海地區(qū)與城市范圍內(nèi)的內(nèi)澇情況。總結(jié)有以下幾點(diǎn)：

現(xiàn)狀條件下的臨港沿海堤防等級(jí)較高，9711 號(hào)臺(tái)風(fēng)過境期間沿海海堤可防御200 a 一遇高潮位加12 級(jí)風(fēng)襲擊，臨港區(qū)域較為安全。

臨港新城范圍內(nèi)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在北部未開發(fā)區(qū)域及沿海區(qū)域。

用MIKE 搭建的二維海域與陸域模型在內(nèi)澇模擬方面又拓展了一步，實(shí)現(xiàn)了可能達(dá)到的潮位、大風(fēng)、波浪、降雨同時(shí)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的淹水問題，較以往設(shè)置單一潮位邊界模擬，更具有實(shí)際參考價(jià)值。

各相關(guān)管理與建設(shè)部門可以根據(jù)分析得出的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖作為決策參考，本研究可為后期城市開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持，并為城市洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的編制及行泄避險(xiǎn)通道的制定提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)。