王躍峰,崔婷婷 ,許有鵬 ,王 強

(1.南京水利科學研究院水利部水旱災害防御重點實驗室,江蘇 南京 210024;2.重慶師范大學地理與旅游學院,重慶 401331;3.南京大學地理與海洋科學學院,江蘇 南京 210023)

洪澇是全球最常見的破壞性自然災害,隨著城市化發(fā)展、人口迅速集中,城市洪澇風險日益加劇,破壞性也越發(fā)嚴重[1-3]。據(jù)統(tǒng)計,中國洪水引起的經濟損失快速上升,其中2011—2020年均損失2 236億,較2000—2010年增長了78%。近年來,中國很多城市紛紛上演“城市看?！薄胺甏笥瓯貪场?如2012年北京“7·21”、2015年常州“6·26”、2019年深圳“4·11”、2021年鄭州“7·20”等洪水,嚴重阻礙城市經濟發(fā)展和威脅生命財產安全[4-5]。因此,加強城市洪澇問題研究是中國城市防災減災的現(xiàn)實需要,尤其對于在地勢低平的平原水網地區(qū)更顯迫切。

圩垸是平原水網區(qū)常見且有效的防洪手段之一,旨在保護區(qū)域內的城市社會免遭洪水侵襲。近些年,為緩解城市洪澇災害及損失,地方政府相繼擴大城市圩垸規(guī)模,增加圩垸防洪排澇的能力,給區(qū)域和流域防洪帶來巨大挑戰(zhàn)[6-8]。從上海來看,92%的地區(qū)都進行了不同規(guī)模的圩垸建設,其中閘門和泵站設施共計1 836個[9]。針對城市圩垸建設帶來的洪水問題,學者們也開展了深入研究。王靜等[10]建立了考慮圩區(qū)分布的水位-蓄水量關系模型,認為考慮圩區(qū)的模擬結果與實際調查的淹沒范圍分布一致性更好;Gao等[11]以秦淮河流域為例,指出圩垸式防洪能有效降低單峰洪水的洪澇風險,可削減洪量超10%,且對小規(guī)模的洪水影響尤其顯著。也有學者認為,城市圩垸防洪能力增強,可降低圩內洪水水位,一定程度上緩解其洪澇災害[12-14]。總的來看,當前城市圩垸防洪模式日益盛行,現(xiàn)有研究主要分析了圩內洪水的緩解效應,鮮有研究對圩垸防洪引起的洪澇風險轉移和洪澇矛盾協(xié)調進行定量揭示。研究這一問題,有助于構建“風險分擔、利益共享”的城市防洪模式,有利于城市可持續(xù)發(fā)展[15-16]。

常州水網區(qū)位于太湖流域,是中國城市化最快的區(qū)域之一,也是洪澇災害高發(fā)區(qū)。二輪治太工程(2001—2010)實施以來,圩垸建設加強,特別是運北防洪大包圍的建成,成為常州城區(qū)防洪的有效屏障,同時也造成排澇格局變化,給城市防洪帶來新挑戰(zhàn)[17-18]。2014年以來,運北大包圍運行對區(qū)域洪水過程及風險轉移有直接影響,其運行明顯降低了城區(qū)河道洪水位,緩解了城區(qū)洪澇災害,同時也在一定程度上增加了城郊地區(qū)的防洪壓力。圍繞這一現(xiàn)象,借助水文學和水力學方法,構建城市洪澇耦合模擬模型,定量分析圩垸防洪引起的洪澇風險轉移,以期為城市防洪減災提供參考。

1 研究區(qū)概況

常州市河網縱橫且地勢低平,經濟發(fā)達且人口密集,是中國洪澇災害頻發(fā)區(qū)。從圖1來看,隨著城市化發(fā)展,閘、泵等防洪設施大量建設,改變了原有的河網水系連通,形成防洪排澇新格局。圖1b為運北防洪大包圍,是常州規(guī)模最大的圩垸防洪工程,于2014年全面建成,在“20150616”“20150626”等多次洪水過程中發(fā)揮重要作用。它包含18座閘泵工程,總排澇能力374 m3/s,其運行分別以包圍內、外的三堡街和常州(三)水位為參考依據(jù)。圖1c為基于“歐氏距離”法劃分的子匯水區(qū),綜合考慮了地形、河網分布及水利片區(qū)等特點,按照水量就近分配原則,將小區(qū)產流量分配到最近的河道,共劃分了104個子匯水區(qū)。

圖1 研究區(qū)基本概況及子匯水區(qū)劃分

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

主要收集了河網水系、河道斷面、暴雨洪水、地形和圩垸防洪工程及其調度等資料。其中,河網水系和河道斷面是基于常州市水系數(shù)字線畫圖 (DLG),并根據(jù)Google高分辨率影像和野外實地調查進行校正,暴雨洪水資料源自常州水文局水情遙測系統(tǒng),地形資料根據(jù)常州萬分之一高程點插值得到,圩垸防洪工程源自常州市水利普查資料。選取“20161018”“20150602”“20150616”和“20150626”4場典型場次洪水,對模型進行參數(shù)率定、驗證及洪澇模擬。與此同時,還收集了與典型洪水場次相應的13個雨量站、14個水文站和1個流量巡測點的資料,時間分辨率為15 min。從表1來看,4場典型洪水降水量度較大,洪澇淹沒和損失逐漸增加,其中“20150626”洪水期間,首次啟用I級防洪調度,直接經濟損失約9.42億元[19]。

表1 典型場次洪水的基本情況

2.2 城市洪水耦合模擬模型

平原水網區(qū)水文條件復雜,概括來看可分為地表產匯流、河道行洪、防洪調度和地表漫流等過程,各過程通過水量交換相互影響。采用DHI MIKE平臺的MIKE Flood將上述過程進行耦合,形成相對完整的城市洪水耦合模擬模型,其中MIKE NAM水文模型用于計算各子匯水區(qū)的產匯流過程,MIKE11和MIKE21水力學模型用于計算河道行洪和地表淹沒過程,模型構建流程見圖2。DHI MIKE平臺充分考慮了實際河道還原和防洪工程運行調度等,適合于平原水網地區(qū)建模,在太湖流域已得到廣泛應用[7,20]。

圖2 城市洪水耦合模擬模型構建示意

首先采用“20150602”和“20161018”洪水對耦合模型進行參數(shù)率定,然后利用“20150616”洪水進行模型驗證。選取運北大包圍內、外的三堡街站和常州(三)的洪水過程進行模型參數(shù)校驗,選擇決定系數(shù)(R2)、峰值水位相對誤差(PE)及Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(ENS)等定量指標對模擬結果進行評價。從表2來看,代表水文站的R2和ENS均在0.90以上,峰值水位誤差除驗證期的三堡街站稍大外,其余均低于2%,且峰現(xiàn)時間誤差在1 h內。圖3為“20150616”洪水過程的模擬與實測對比,2個代表水文站的模擬水位與實測過程吻合較好,且較好地模擬了運北大包圍內啟用后三堡街站水位的變化過程?？偟膩砜?構建的城市洪水耦合模擬模型能較好地模擬常州平原水網地區(qū)的洪水過程。

表2 城市洪水耦合模擬模型參數(shù)率定和驗證結果評價

圖3 “20150616”洪水過程的模擬值與實測值對比

2.3 城市洪澇風險評價分析

基于城市洪澇成因和下墊面特征,參考相關文獻,從致災因子危險性、承載體易損性和防災減災能力薄弱性三方面構建了指標體系[21-22]。表3為城市洪澇風險評價指標體系,其中危險性指標來源于模型模擬的淹沒水深、地形及土地利用資料,易損性指標主要源自《常州市社會統(tǒng)計年鑒》,薄弱性指標來自常州市水利普查資料,采用層次分析法對各指標進行權重計算。

表3 城市洪澇風險評價因子及其權重

基于上述各指標的標準化結果及其權重,通過式(1)、(2)計算洪澇風險指數(shù):

(1)

Rj=P1,j×P2,j×P3,j

(2)

3 結果分析

3.1 典型城市洪澇過程模擬

選取“20150626”典型洪水,分析圩垸防洪對城市洪澇的影響,本次降雨過程持續(xù)了5 d,總雨量383 mm,最大12 h、最大24 h和最大3 d雨量均為1951年以來的最高值[19]。期間,首次啟動防汛I級響應,關閉了鐘樓防洪控制工程,城區(qū)圩垸防洪工程悉數(shù)啟用,排澇量約6 120萬m3,防洪包圍內受澇面積和受淹時間明顯減少,但同時引起外河洪水水位快速上漲。表4統(tǒng)計了4個區(qū)域(A、B、C、D)的洪水調查與模型模擬的結果,位置見圖4。從淹沒水深和分布范圍來看,除新閘街道的淹沒水深明顯偏低外,其余地區(qū)的模擬的淹沒水深與洪水調查結果吻合較好。模型模擬的淹沒面積比實際調查的淹沒面積總體偏小,這可能是由于洪澇淹沒模型中僅未考慮規(guī)模較小(低于3.33 km2)的圩區(qū)排澇情況。

表4 “20150626”洪水調查和模型模擬結果對比

a)S1

3.2 圩垸防洪對城市洪澇過程的影響

分別設置了S1(不啟用圩垸防洪)、S2(僅關閉圩垸閘門)和S3(全面啟用圩垸防洪)3種情景,來揭示圩垸防洪對城市洪澇過程的影響。圖4為3種情景下的洪澇淹沒情況。在S1情景下,淹沒范圍位于京杭運河、新京杭運河和扁擔河沿岸,主要分布在奔牛、鄒區(qū)、牛塘和新閘街道等區(qū)域,淹沒水深多為0.02～1.50 m。相比來看,關閉閘門(S2)時,運北大包圍內的洪澇淹沒面積有所降低,尤其當全面啟用圩垸防洪(S3)時,包圍內的淹沒面積明顯減少,僅在包圍沿線出現(xiàn)少量淹沒,新閘街道附近緩解最顯著;但是包圍外的牛塘、鄒區(qū)和戚墅堰地區(qū)淹沒面積和水深均明顯增加。表5統(tǒng)計了3種情景下包圍內、外不同淹沒深度的面積。從包圍內來看,隨著大包圍的啟用,總淹沒面積可減少56%～64 %,各深度的淹沒面積也均表現(xiàn)出不同程度下降,水深大于1.0 m的淹沒面積減幅達到70.2 %;而包圍外的淹沒面積均表現(xiàn)出不同程度的增加(14.1%～26.8%)。對整個區(qū)域而言,全面啟用大包圍(S3)時,各深度的淹沒面積均有增幅(0～8.3%),表明啟用圩垸防洪在保護城區(qū)安全的同時,還在一定程度上加劇了全區(qū)洪澇淹沒。

表5 各情景下不同淹沒深度的面積統(tǒng)計 單位:km2

圖5從子匯水區(qū)尺度,統(tǒng)計了兩種圩垸防洪情景(S2、S3)相較于S1的最大淹沒水深變化情況。從空間上來看,關閉閘門(S2),淹沒水深發(fā)生較大變化 (±0.20 m) 的小區(qū)主要集中在大包圍周邊地區(qū),大包圍內淹沒水深降低的小區(qū)明顯多于大包圍外,大包圍內水深增加的區(qū)域主要集中在天寧區(qū)和新北區(qū),而大包圍外集中在湖塘和丁塘港附近。這表明,關閉閘門在緩解城區(qū)防洪壓力的同時,將會引起大包圍東部和南部的防洪壓力進一步加劇。全面啟用圩垸防洪(S3),包圍內子匯水區(qū)的淹沒水深多呈現(xiàn)下降趨勢,同時包圍外大多數(shù)子匯水區(qū)的淹沒水深也得到了一定緩解,但更多的洪水風險被轉移到了局部地區(qū) (湖塘鎮(zhèn)附近),這表明圩垸防洪在緩解包圍內洪澇的同時,其相對均勻分布的泵站排澇也起到了分解局部洪澇壓力的作用,但會將這些洪澇壓力傳遞到了局部地區(qū)。

a)S2-S1

3.3 圩垸防洪對城市洪澇風險的影響

以子匯水區(qū)為單元進行洪澇風險評估,圖6為不啟用圩垸防洪(S1)時的洪澇風險空間分布,從空間上來看,洪澇風險值較高的子匯水區(qū)主要位于運北大包圍內部及其周邊,其中洪澇風險值大于0.60的3個小區(qū)均在大包圍內,這與該小區(qū)域淹沒深度大,且人口密度高、經濟發(fā)達有關。相比之下,東北部和南部子匯水區(qū)的洪澇風險值較小,洪澇風險值均低于0.30,這與其地勢相對較高有關。綜合來看,在不啟用圩垸防洪時,城區(qū)將面臨較嚴重的洪澇風險,這也是近些年政府斥資提高圩垸防洪能力建設的重要原因。

圖6 S1情景下各子匯水區(qū)洪澇風險的空間分布

采用同樣方法,計算S2和S3情景的洪澇風險,將其分別與S1情景進行對比,獲得各子匯水區(qū)的洪澇風險值變化,見圖7。具體來看,僅關閉閘門(S2),洪澇風險值變化較大的子匯水區(qū)主要分布在大包圍內及其南北兩側,其中大包圍內有5個小區(qū)的洪澇風險值下降超50%,這也包括圖6中風險值較高的2個小區(qū),大包圍外則有4個小區(qū)的風險值上升超50%,位于潞橫街道和湖塘地區(qū)。這表明,閘門擋水在一定程度上緩解了大包圍內的洪澇風險,將洪澇風險主要轉移到了下游的潞橫街道和南部的湖塘地區(qū)。全面啟用圩垸防洪(S3),大包圍內有8個小區(qū)洪澇風險值表現(xiàn)為下降,其中4個超50%;大包圍外的北部小區(qū)風險值有所下降,東部地區(qū)風險值有所上升,但變化幅度均低于50%,而南部的湖塘-遙觀一帶有3個小區(qū)風險值增加超50%?？偟膩砜?啟用圩垸防洪后,會將洪澇風險向大包圍以外的南部和東部地區(qū)轉移。因此,在進行防洪調度時,相關部門應著重關注這些發(fā)生較大洪澇風險轉入的區(qū)域。

a)S2-S1

3.4 城市洪澇風險協(xié)調分析

根據(jù)常州市防洪調度預案,大包圍防洪運行設有3個特征水位:警戒水位 (4.30 m)、控制水位 (4.50 m)、保證水位 (4.80 m)。其中,警戒水位為閘門啟閉的控制條件,控制水位為泵站啟閉的條件。因此,基于“風險共擔”原則,并結合《常州市城區(qū)防洪大包圍工程優(yōu)化調度研究》,在兼顧大包圍內防洪需求的同時,試圖通過抬升大包圍泵站開啟的控制水位來減少外排水量。在大包圍現(xiàn)狀調度預案(S3)基礎上,增設4種圩垸防洪調度的情景,見表6,即在保證其他控制條件不變的前提下,依次增加泵站開啟的水位控制條件,在現(xiàn)有調度規(guī)則基礎上,探尋有利于城市洪澇協(xié)調的圩垸防洪運行規(guī)則。

表6 基于洪澇風險協(xié)調的圩垸防洪優(yōu)化方案情景

與現(xiàn)狀調度預案(S3)相比,優(yōu)化情景下各子匯水區(qū)淹沒水深和洪澇風險變化,見圖8、9。S31情景下全部子匯水區(qū)淹沒水深較現(xiàn)狀調度未出現(xiàn)明顯變化,變化幅度小于0.03 m,其對應的洪澇風險也未表現(xiàn)出明顯變化。S32情景,在一定程度上降低了大包圍外部分小區(qū)的淹沒深度,主要位于潞橫街道和遙觀鎮(zhèn),但緩解幅度有限,淹沒深度的降低均未超過0.05 m,大包圍內也僅有一個小區(qū)的淹沒水深增加了0.07 m;從洪澇風險變化來看,包圍內未出現(xiàn)明顯變化,包圍外主要向南部地區(qū)轉移,但風險值增加不大。從S33情景來看,包圍內的淹沒深度較現(xiàn)狀調度發(fā)生較大變化,多個小區(qū)的淹沒水深增加超過0.10 m,包圍外僅有遙觀鎮(zhèn)附近的小區(qū)淹沒情況得到緩解,也有個別小區(qū)出現(xiàn)淹沒水深增加;從洪澇風險變化來看,大包圍內鐘樓區(qū)附近洪澇風險增加明顯,大包圍外西部和東部小區(qū)的風險值則表現(xiàn)出下降,而南部的部分小區(qū)依然表現(xiàn)為明顯增加現(xiàn)象。S34情景與S33類似,且進一步加劇了大包圍內新北區(qū)附近的淹沒情況。

a)S31-S3

a)S31-S3

對比新增4種情景,S31和S32分別將泵站開機控制水位抬升了0.05、0.10 m,2種情景在保障大包圍內基本安全的前提下,還能使包圍外東部一些小區(qū)的洪水淹沒和洪澇風險有所緩解。而S33和S34雖然使包圍外的洪澇風險得到一定下降,但卻未能有效保障大包圍內的防洪安全。綜合來看,在原有調度預案基礎上,適當?shù)靥Ц叽蟀鼑鞅谜鹃_啟的水位控制條件 (0～0.10 m),將有助于緩解城市與區(qū)域的洪澇矛盾。

4 結論

基于實測數(shù)據(jù),在平原水網區(qū)構建了考慮圩垸防洪排澇及運行調度等影響的城市洪澇模擬模型。將洪澇模擬與風險評估相結合,分析了圩垸防洪引起的城市洪澇風險轉移及協(xié)調優(yōu)化。主要結論如下。

a)圩垸防洪對區(qū)域洪澇格局影響顯著。不啟用時,淹沒區(qū)域主要分布在流域骨干河道沿線,大包圍內洪澇明顯,淹沒面積約占總淹沒面積的20 %。啟用時,城區(qū)內總淹沒面積顯著減少,降幅約56%～64%,嚴重淹沒區(qū)域(>1.0 m)的下降比例最大(70.2 %),有效保障了城區(qū)安全;與此同時,大包圍外的洪澇過程加劇,淹沒深度和淹沒面積均表現(xiàn)出不同程度增加,主要加劇了南部和東部的洪澇災害。

b)圩垸防洪加快了洪澇風險從城區(qū)向郊區(qū)的轉移。啟用時,能有效緩解城區(qū)內的洪澇風險,多個子匯水區(qū)的洪澇風險值呈現(xiàn)下降,4～5個人口密集且經濟較發(fā)達的子匯水區(qū)洪澇風險值下降超過50%;但同時加劇了大包圍以外南部和東部地區(qū)的洪澇風險,有3個子匯水區(qū)洪澇風險值增加超過50%。

c)基于“風險共擔”原則,將各泵站開啟的水位控制條件增加0～0.10 m時,能降低包圍內外的水位差,且未明顯增加包圍內的洪澇淹沒及風險,可作為今后常州圩垸防洪調度的備選方案。