劉業(yè)森，劉 舒，劉媛媛，李 敏，李 匡，臧文斌，鄭敬偉，劉金釗

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.昌邑市峽山灌區(qū)灌溉所，山東 昌邑 216300）

1 研究背景

全球氣候變化和快速城鎮(zhèn)化造成城市極端降雨事件日益增多，城市暴雨洪澇加劇。我國總體上仍處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展、城市洪澇風險上升階段[1-2]。實測資料顯示，近年來伴隨著快速城鎮(zhèn)化，城市強降雨的時空不均勻性越發(fā)明顯，表現(xiàn)為降雨空間差異不斷增加[3]，時程分布更為集中[4]。由于降雨觀測站點稀疏且分布不均等因素，觀測數(shù)據(jù)和預報數(shù)據(jù)的時空分辨率難以充分刻畫一場降雨的時空不均勻特征[5-6]，這是影響城市洪澇模擬效果的主要瓶頸之一[7]。

目前關(guān)于降雨時空不均勻性對城市河道洪水的影響研究主要集中在兩方面：降雨時程變化（雨型）對城市河道洪水的影響和和降雨空間變化（空間分布不均）對城市河道洪水的影響[6，8-12]。降雨時程變化方面，Huang等[13]對廣州市進行了研究，在匯流歷時內(nèi)平均雨強相同的條件下，雨峰在中部或后部比均勻雨型的洪峰大30%以上；侯精明等[14]在西安市西咸新區(qū)進行了實驗，設計暴雨峰現(xiàn)時間對城區(qū)積水總量、積水深度和內(nèi)澇面積具有明顯影響；唐雙成等[15]針對雨水花園進行了研究，實測降雨歷時和雨強是造成雨水遺留的主要原因。降雨空間變化對城市河道洪水的影響方面，相關(guān)研究指出，如果研究區(qū)范圍內(nèi)降雨存在明顯空間差異，忽略這種空間差異會造成洪水模擬結(jié)果的明顯偏差[16-17]。劉成林等[18]研究指出，降雨空間分布不均勻性會對廣州市城市排水系統(tǒng)造成明顯影響；陳光照等[19]研究表明，相比于空間均勻降雨，空間分布不均勻降雨造成的內(nèi)澇積水量會減少；唐穎[20]在云南昭通市研究表明，采用基于雷達估測數(shù)據(jù)構(gòu)建的降雨空間分布進行城市洪澇模擬，模擬結(jié)果的精度明顯高于采用空間均勻的降雨。綜上，相關(guān)研究對降雨的時程變化、空間變化等整體性特征關(guān)注較多，而對降雨移動方向等動態(tài)性特征關(guān)注較少。

降雨事件是一種具有時空動態(tài)性的自然現(xiàn)象[21]，在城市洪澇模擬中，目前主要采用分區(qū)方法處理降雨的時空差異，等同于將一個整體的降雨過程人為割裂[22]。一方面，相較于以自然地表為主的自然流域，以人造地表為主的城市區(qū)域水流交換過程復雜，降雨產(chǎn)流后主要通過地下管網(wǎng)匯流，難以劃分清晰的匯流邊界[22]，因此必須考慮相鄰區(qū)域之間的水流交換和相互影響[23-25]。另一方面，城市地表和地下管網(wǎng)變化快，難以利用歷史的實測資料進行降雨-洪澇關(guān)系研究[26]。洪峰流量是河道洪水災害防治主要的關(guān)注指標之一，本文采用了數(shù)值模擬方法，首先基于多年歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計降雨過程的時空不均勻特征，據(jù)此構(gòu)建多個不同移動方向的降雨過程，然后調(diào)用洪澇模型進行數(shù)值模擬，進而提取河道斷面洪峰流量，并構(gòu)建河道洪峰影響評價指標，研究降雨移動方向?qū)榉宓挠绊憽?/p>

2 研究區(qū)概況

區(qū)域氣候模式PRECIS的模擬結(jié)果表明，中國東南沿海地區(qū)未來將會有更多的極端降雨事件發(fā)生[27-28]，將加重該地區(qū)原本就很高的城市洪澇風險[29]，深圳市在全球136個沿海城市中未來洪災損失風險排名高居第五[30]。據(jù)近10年氣象站點監(jiān)測資料統(tǒng)計，深圳市年均降雨量達1863.9 mm，降雨時空分配非常不均衡，年內(nèi)變化大[31]，深圳市每年都會受到臺風暴雨影響，城市洪澇問題嚴重威脅城市運行安全，造成巨大的社會影響和經(jīng)濟損失[32-33]。本文選擇深圳市中心區(qū)的河灣片區(qū)作為研究區(qū)（圖1）。河灣片區(qū)位于珠江口東側(cè)，包括南山、福田、羅湖三個城市中心區(qū)和龍崗區(qū)的布吉、南灣街道，總面積293 km2（深圳側(cè)的面積），是深圳市建設的最早、最成熟的地區(qū)[34]。

3 研究方法

3.1 研究流程本文研究流程見圖2。首先基于歷史降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征，構(gòu)建降雨過程集合，作為河灣片區(qū)城市洪澇模型的輸入條件，編寫批處理程序，調(diào)用洪澇模型模擬河道洪水過程；從模型結(jié)果中提取河道斷面的洪峰流量，以洪峰流量為基礎構(gòu)建評價指標，分別從全區(qū)、河流、斷面尺度分析降雨移動方向?qū)拥篮榉宓挠绊憽?/p>

圖2 研究流程圖

3.2 降雨過程構(gòu)建根據(jù)深圳市目前采用的設計暴雨推求公式，考慮到可能最大雨強，設計了從10 mm/h到130 mm/h的13個雨強方案，降雨過程采用芝加哥雨型，見表1。

表1 降雨過程雨量分配

根據(jù)深圳市2008—2018年63個氣象站點逐5 min降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，所有場次降雨的降雨中心移動速度平均約為10 km/h[35]，而河灣片區(qū)邊界的外接圓直徑約30 km，即降雨中心移動過整個河灣片區(qū)約需3 h。因此，基于表1的降雨時程分配方案，構(gòu)建了動態(tài)的降雨移動過程。降雨移動方向按照等角度間隔設計了100個移動方向（圖3），圖中箭頭方向表示降雨移動方向。共構(gòu)建了1300個降雨過程（13個雨強×100個方向=1300）。為了進行對比，同時構(gòu)建了13個同步降雨過程（降雨中心不移動，即全區(qū)同步降雨）。

圖3 降雨移動方向示意圖

圖4為表1中“方案7”（70 mm/h）雨強按編號為“15”的移動方向所構(gòu)建的降雨過程的累積雨量分布圖。

圖4 累積雨量分布圖（70 mm/h、移動方向編號為“15”）

3.3 洪水過程模擬利用河灣片區(qū)洪澇模型分別模擬各降雨方案下的河道洪水過程，模擬結(jié)果中包括每個斷面的洪水過程。該模型利用2018—2019年的23場實際降雨過程進行了率定檢驗，在12個關(guān)鍵斷面的水位誤差均在0.16 m以內(nèi)，精度滿足洪水過程模擬要求。河流分布及斷面位置見圖1。

根據(jù)管網(wǎng)、地形、河道、溝渠、及排水工程分布情況，將研究區(qū)劃分為483個排水分區(qū)，結(jié)合土地利用、坡度等獲得各分區(qū)的產(chǎn)匯流參數(shù)，利用新安江模型進行產(chǎn)流過程計算；河道洪水過程利用一維水動力模型進行計算，河道斷面按100 m左右間隔進行布置。各排水分區(qū)通過地下管網(wǎng)入口與河道斷面進行關(guān)聯(lián)。模型計算結(jié)果包括1284個河道斷面的流量、水位、流速等。在使用模型前利用2018—2019年的降雨徑流資料進行了參數(shù)率定[36]。構(gòu)建了批處理程序，調(diào)用洪澇模型程序?qū)?313個降雨方案的洪水過程進行了模擬。所有模擬過程均采用了相同的邊界條件，包括河道初始水位、前期降雨條件等，以保證模擬結(jié)果的可比性。

3.4 影響度指標從洪澇模型模擬得到的結(jié)果中，分別提取了模型中1284個斷面的洪峰流量。以同步降雨方案的模擬結(jié)果為參照，研究降雨移動方向?qū)榉辶髁康挠绊?。移動方向編號為a、雨強為p的降雨過程的洪峰影響度指標計算方法見式（1）：

式中：I為移動方向，編號為a、雨強為p的降雨過程對該斷面洪峰的影響度；Qp為雨強為p的同步降雨方案條件下該斷面的洪峰流量，m3/s，p=10 mm，20 mm，…，130 mm；Qap為移動方向編號為a、雨強為p的降雨過程對應的洪峰流量，m3/s，a=1，2，…，100。

4 結(jié)果與分析

4.1 洪峰影響指標總體統(tǒng)計特征分別提取1300個模擬結(jié)果中所有斷面（1284個）的洪峰影響度指標，得到1 669 200個指標值，統(tǒng)計顯示其中75.4%的指標值低于1，24.6%的指標值大于1，即洪峰流量降低的數(shù)量為洪峰流量增加數(shù)量的3倍。指標值分段統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 不同雨強條件下降雨過程異質(zhì)性對洪峰的影響度統(tǒng)計 （單位：%）

表2可見，影響度在0.9～1.0之間的占大多數(shù)，所有13個雨強的平均值為58.9%；影響度在1.0～1.1之間的平均占21.0%，兩者合計占比達79.9%，說明接近80%的斷面洪峰受降雨過程異質(zhì)性的影響在10%以內(nèi)。隨著雨強增大，影響度在0.9～1.1之間的指標值有所增加，雨強小于70 mm/h的情況下，平均為66.6%，雨強大于70 mm/h的情況下，平均為93.2%。

4.2 洪峰影響指標沿河分布情況選擇研究區(qū)內(nèi)大沙河、新洲河、福田河、布吉河四條主要河流，以70 mm/h雨強對應的100個降雨方案為例，從每個斷面的100個指標值選取其中最大值（表示最大洪峰流量）和最小值（表示最小洪峰流量），沿河分布情況見圖5。

圖5 洪峰影響指標沿河分布情況

圖5中，紅色虛線表示同步降雨方案模擬得到的洪峰流量?？砂l(fā)現(xiàn)，四條河流中，影響度最小值偏離紅色虛線的程度明顯大于最大值的偏離程度，結(jié)合4.1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，非同步降雨相較于同步降雨，洪峰降低的概率要大于洪峰增加的概率；各條河流下游斷面的影響度變化范圍明顯高于上游斷面，即降雨非同步性對河流下游斷面洪峰的影響要明顯高于河流上游；從大沙河來看，在河流流向發(fā)生較大變化時，影響度指標最大值和最小值均出現(xiàn)明顯變化，說明河流流向?qū)τ绊懚扔幸欢ǖ挠绊憽?/p>

4.3 典型斷面洪峰影響指標特征以70 mm/h雨強方案為基礎構(gòu)建的100個降雨過程為例進行分析，部分斷面的統(tǒng)計結(jié)果見圖6。

圖6 典型斷面洪峰影響度

圖6中，每個黃點表示一個降雨過程，100個黃點分別表示不同移動方向（圖3）的降雨過程模擬得到的結(jié)果，圓環(huán)中心與黃點連線的方向表示降雨移動方向（與圖3中的移動方向相同），黃點在圓環(huán)中所處位置（黃點離開圓心的距離）表示該降雨過程模擬計算得到的洪峰影響度。三角符號尖頭方向表示洪峰影響度最大的降雨過程移動方向?？梢园l(fā)現(xiàn)，部分斷面洪峰影響度呈現(xiàn)對稱效果，如大沙河下游斷面，角度編號為“15”的降雨過程模擬得到的影響度最大，大于1.1，而相反方向降雨過程影響度最小，低于0.8；有些斷面影響度整體偏?。ň∮?），如福田河上游斷面；有些斷面則影響度波動很小，如布吉河上游斷面，不同降雨過程模擬得到的影響度均接近1。

4.4 城市暴雨洪水風險評價影響在城市防洪實踐中，需要面對已知未來降雨量（總雨量或最大雨強）但未知其時空過程的情況下，進行河道洪水風險評價。針對此需求，選擇了大沙河下游某斷面（圖1中第33號斷面），根據(jù)本文洪澇模擬的結(jié)果，統(tǒng)計了在各種雨強條件下，考慮各種降雨移動方向可能性的情況下，該斷面可能的風險范圍（可能是多大量級降雨造成的），見圖7。

圖7 降雨移動方向不確定可能造成的河道洪水風險范圍示意圖

圖7中，以70 mm/h雨強為例，其洪峰流量可能與58～99 mm/h的降雨過程產(chǎn)生的洪峰相等，因此，在進行城市河道暴雨洪水風險評估時，應該考慮降雨移動方向的影響。

5 討論

從模擬計算結(jié)果看，降雨移動方向?qū)Τ鞘泻拥篮榉寰哂忻黠@影響，其影響程度隨著雨強增大，會逐漸降低，原因可能在于，雨強較小時，降雨移動方向變化對洪峰的影響主要在于洪峰的疊加效應，而雨強較大時，當?shù)乇懋a(chǎn)流超過管網(wǎng)排水能力，會產(chǎn)生地表積水，這時排水管網(wǎng)成為城市排澇系統(tǒng)的瓶頸，客觀上形成了雨強繼續(xù)增大而河道洪峰不再增加的效果。計算結(jié)果中體現(xiàn)的河流下游斷面的受影響程度明顯高于上游斷面，且在河流流向發(fā)生變化或有支流匯入的情況下，受影響程度會發(fā)生明顯變化的情況，應該也是由于洪峰疊加或錯峰效果導致的?？傮w統(tǒng)計結(jié)果顯示的降雨非同步性造成洪峰增加的概率小于洪峰減小的概率，提醒我們除了關(guān)注降雨過程不穩(wěn)定性導致的局部內(nèi)澇的同時，也應該關(guān)注其對河道洪峰的增加或消減作用。另外，通過斷面的洪水總量對城市內(nèi)澇有影響，但從模型模擬結(jié)果中統(tǒng)計的通過各斷面的洪水總量顯示，降雨移動方向?qū)樗偭坑绊戄^小，這應該與研究區(qū)主要為人造地表，下滲率低、匯流過程短等有關(guān)。因此，對于高密度城市化區(qū)域，應該主要關(guān)注洪峰流量和洪水過程。

城市降雨過程既有規(guī)律性，又有很強的隨機性，一場降雨也可能是多個降雨過程的組合，為了充分體現(xiàn)降雨過程異質(zhì)性對河道洪水過程的影響，本文對降雨過程進行了理想化設計；另外，城市河道洪水受泵站、閘門等排水設施影響較大，城市管理者會根據(jù)實時風險情況采取泵站抽排、水庫調(diào)度等工程措施以降低洪水風險，本文未考慮工程調(diào)度措施對河道洪水的影響。這些問題需要在實際工作中加以注意。

6 結(jié)論

本文以深圳市河灣片區(qū)為研究區(qū)，利用數(shù)值模擬方法研究了降雨移動方向?qū)Τ鞘泻拥篮榉宓挠绊憽R總研究區(qū)所有斷面在各種雨強和移動方向組合下的洪峰變化，顯示洪峰流量降低的情況為洪峰流量增加情況的3倍，隨著雨強增加，降雨移動方向?qū)榉宓挠绊憰p?。辉诤恿鞒叨?，河流下游斷面洪峰變動幅度大于上游斷面，下游大部分斷面的變幅在-20%～10%之間，而上游斷面變幅在±10%以內(nèi)；在斷面尺度，洪峰影響程度隨著降雨移動方向的變化呈現(xiàn)出規(guī)律性特征，主要有對稱性、不明顯、普遍偏低三種特征。鑒于降雨移動方向?qū)榉寰哂忻黠@影響，從洪水風險評價角度，在降雨移動方向不確定的情況下，應考慮不同移動方向的洪峰流量，以保證洪水計算結(jié)果的可靠性。本文結(jié)論可為城市河道暴雨洪水計算、洪水風險評估等工作提供參考。