孫建豪 SUN Jian-hao；王瑯瑯 WANG Lang-lang；粟一帆 SU Yi-fan

（①南京富賽安全技術(shù)有限公司，南京 210000；②南京瑞迪水利信息科技有限公司，南京 210029；③南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

0 引言

特殊地理位置和季風(fēng)氣候的影響，決定了我國(guó)是一個(gè)洪澇災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家。《2020 年全球自然災(zāi)害評(píng)估報(bào)告》顯示：2020 年我國(guó)共發(fā)生較大洪水災(zāi)害193 次，直接經(jīng)濟(jì)損失515 億美元。進(jìn)行城市洪澇災(zāi)害分析，對(duì)保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)和居民生命財(cái)產(chǎn)意義重大。

南昌市地處我國(guó)南方洪澇災(zāi)害頻發(fā)區(qū)，局部暴雨洪澇災(zāi)害幾乎年年都有，且季節(jié)性強(qiáng)。為應(yīng)對(duì)南昌市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，黃毅用多源數(shù)據(jù)對(duì)南昌市進(jìn)行洪澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估[1]；程朋根，黃毅基于AHP-熵權(quán)法對(duì)南昌市洪澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估[2]；萬(wàn)一帆研究城市化進(jìn)程對(duì)暴雨內(nèi)澇的影響[3]；劉鑫對(duì)南昌市災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研判及對(duì)策建議[4]。

為貫徹執(zhí)行習(xí)近平總書記提出的新時(shí)代防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)“兩個(gè)堅(jiān)持、三個(gè)轉(zhuǎn)變”新理念，總結(jié)“7·20 鄭州特大暴雨”洪澇災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，科學(xué)掌握極端暴雨發(fā)生時(shí)城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)，提高城市應(yīng)對(duì)極端暴雨洪澇災(zāi)害的能力。本文利用一二維耦合水文水動(dòng)力數(shù)值模型，開展南昌市城區(qū)極端暴雨洪澇應(yīng)對(duì)研究，模擬不同場(chǎng)景下城市淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時(shí)等風(fēng)險(xiǎn)要素，明確極端暴雨情景下南昌市洪澇災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，為南昌市洪澇災(zāi)害防控提供理論支撐。

1 區(qū)域概況

南昌市地處江西省中部偏北，贛江、撫河下游，鄱陽(yáng)湖南岸濱湖尾閭地區(qū)。位于東經(jīng)115°27′～116°35′，北緯28°10′～29°11′，本文以南昌市城區(qū)防洪應(yīng)急總體預(yù)案涉及的城區(qū)排澇區(qū)劃范圍為研究對(duì)象，包含昌北治澇片區(qū)、昌南治澇片區(qū)，建設(shè)范圍約為832.67km2，研究區(qū)域范圍見圖1。探究區(qū)域在遭遇極端暴雨（初定標(biāo)準(zhǔn)：1 小時(shí)面雨量200mm，24 小時(shí)面雨量400mm，72 小時(shí)面雨量600mm）的洪水風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 研究范圍示意

2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建與率定

2.1 基本框架

本文通過構(gòu)建南昌市一二維耦合水文水動(dòng)力數(shù)值模型，分析南昌市城區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀。一二維耦合水文水動(dòng)力數(shù)值模型主要包括產(chǎn)流模型、匯流模型、一維河網(wǎng)～管網(wǎng)模型及二維地面洪水驗(yàn)算模型。

本項(xiàng)目選用Horton 模型進(jìn)行南昌市城區(qū)產(chǎn)流計(jì)算。Horton 模型提出了著名的下滲公式，由小型集水區(qū)滲透計(jì)算得到，通常表達(dá)為時(shí)間的函數(shù)：

式中：f0為初始下滲率（mm/h）；fc為最終下滲率（mm/h）；k 為指數(shù)項(xiàng)參數(shù)（1/h），累計(jì)滲透量為：

選用SWMM 模型計(jì)算匯流。該模型為美國(guó)開發(fā)的非線性水庫(kù)模型，通常與Horton 模型連用。采用非線性水庫(kù)和運(yùn)動(dòng)波方程（非線性水庫(kù)方法）計(jì)算坡面流，該方法需定義子集水區(qū)寬度和地面曼寧粗糙系數(shù)。分別對(duì)子集水區(qū)的各個(gè)表面進(jìn)行匯流計(jì)算。

一維河網(wǎng)～管網(wǎng)的洪水運(yùn)動(dòng)用St.Vennant 方程組描述，其上、下游邊界的控制條件一般采用水位過程控制、流量過程控制、流量～水位關(guān)系控制等形式。由基本方程St.Vennant 方程、邊界條件和初始條件共同組成一維水流運(yùn)動(dòng)的定解問題。描述河道水動(dòng)力過程的一維圣維南方程組由連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成：

式中：x，t 分別為河道縱向坐標(biāo)及時(shí)間；n 為糙率系數(shù)；Q、Z 分別為斷面流量及水位；q 為單位河長(zhǎng)的旁側(cè)入流量；A 為過水?dāng)嗝婷娣e；u、R 分別為過水?dāng)嗝嫫骄魉偌八Π霃剑籫 為重力加速度；Bt=B+Bw，其中B 和Bw分別為河寬和附加灘地寬度。

這里，Z、v 分別為初始流場(chǎng)各點(diǎn)的水位和流速值，一般流速場(chǎng)取為靜止場(chǎng)，水位則取控制斷面的水位值。對(duì)于非恒定流計(jì)算，先按恒定流計(jì)算，得到一個(gè)恒定場(chǎng)，作為初始場(chǎng)。

二維模型采用二維有限體積法求解淺水流方程組。

2.2 模型構(gòu)建

本研究模擬的范圍包括灣里區(qū)、新建區(qū)、東湖區(qū)、西湖區(qū)、青云譜區(qū)和青山湖區(qū)，共6 個(gè)行政區(qū)，計(jì)算面積共832.67km2。

根據(jù)《水力學(xué)手冊(cè)》《南昌市城市防洪規(guī)劃》《河道整治規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)參考文獻(xiàn)，擬定河道糙率值為0.02～0.04。（圖2）

圖2 南昌市一二維耦合水文水動(dòng)力模型

2.3 模型率定及驗(yàn)證

選取2018 年7 月5 日～8 日南昌站的降雨過程進(jìn)行模型率定，2020 年進(jìn)行驗(yàn)證。從結(jié)果來看，模型計(jì)算的水位變化過程與相應(yīng)站點(diǎn)實(shí)測(cè)水位基本一致，水文變化趨勢(shì)、最高洪水位到達(dá)時(shí)間基本一致。因此，模型采用此次調(diào)試的參數(shù)作為水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的參數(shù)。（圖3、圖4）

圖3 2018 年8 月降雨

圖4 2020 年7 月暴雨

3 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)模擬

本項(xiàng)目計(jì)算南昌市發(fā)生極端暴雨時(shí)城市的洪澇風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)置1 小時(shí)200mm、24 小時(shí)400mm 與72 小時(shí)600mm 等3 類計(jì)算方案、6 組計(jì)算工況，計(jì)算方案情況見表1。

表1 計(jì)算工況表

基于南昌市城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析模型，采用上述工況計(jì)算邊界進(jìn)行南昌市城區(qū)暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表2 所示，城區(qū)淹沒面積分別為148.91km2（工況1），140.38km2（工況2），146.97km2（工況3），127.93km2（工況4），180.73km2（工況5）和176.49km2（工況6）。城區(qū)內(nèi)淹沒水深大部分小于0.3m，淹沒水深小于0.3m 的面積占總淹沒面積的40.20%（工況1），43.08%（工況2），33.44%（工況3），38.82%（工況4），30.81%（工況5）和32.05%（工況6）；工況5 高淹沒水深區(qū)域的面積范圍最大。

表2 暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)要素統(tǒng)計(jì)表

通過數(shù)值模擬計(jì)算及城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析發(fā)現(xiàn)，南昌市淹沒水深大的區(qū)域主要集中在臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)、儒樂湖新城、經(jīng)開區(qū)、鳳凰洲、象湖排水片、吳公廟和航空城7 個(gè)區(qū)域，區(qū)域分布見圖5，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域在發(fā)生極端暴雨時(shí)可采取應(yīng)急強(qiáng)排措施。

圖5 南昌市城區(qū)淹沒水深較大區(qū)域

4 結(jié)論

①城市遭遇短歷時(shí)強(qiáng)降雨情況，城市內(nèi)排澇工程來不及外排贛江，短歷時(shí)強(qiáng)降雨應(yīng)對(duì)主要是加強(qiáng)應(yīng)急搶險(xiǎn)。

②洪澇災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)均為：昌北經(jīng)開區(qū)排水區(qū)、昌北紅谷灘排水區(qū)、昌北鳳凰洲排水區(qū)、機(jī)場(chǎng)排水區(qū)以及昌南航空城排水區(qū)。