駱麗楠 李洪權(quán) 張喜亮 陳中赟 梁明珠

(湖州市氣象局，浙江湖州313000)

0 引言

城市內(nèi)澇災(zāi)害是由于短時強降水或過程雨量偏大而造成徑流過多，在地勢低洼，排水不暢等情況下而形成積水的城市自然災(zāi)害。近年來，高速發(fā)展的城市化進程引起城市水文特性的顯著變化：城市房屋建筑密集，混凝土覆蓋面積增大，雨水滲透減少，雨水滯留與調(diào)蓄功能下降;城市地下設(shè)施開發(fā)利用率普遍提高、城市經(jīng)濟類型的多元化及資產(chǎn)的高密集性使城市的綜合承災(zāi)能力脆弱，使得在同等致災(zāi)條件下災(zāi)害損失總量必然增大。湖州地處杭嘉湖平原，河網(wǎng)、水系密集，市區(qū)河道縱橫交錯，既有行洪通道，又有景觀河道。當河道水位較高，又遇短歷史強降雨時，容易產(chǎn)生城市內(nèi)澇，內(nèi)澇災(zāi)害突發(fā)性強，危害性大，嚴重的城市內(nèi)澇則造成城市內(nèi)部交通受阻，商店、民宅浸水，威脅到人民的生命財產(chǎn)安全。因此，采用科學方法建立城市暴雨監(jiān)測、預(yù)報、內(nèi)澇風險預(yù)警、災(zāi)害評估一體化的防汛風險信息系統(tǒng)是十分必要的。

天津市氣象科學研究所與中國水利水電科學研究院減災(zāi)中心、天津大學建工學院合作，研制了城市暴雨內(nèi)澇仿真模型［1］，該模型具備了一定的內(nèi)澇動態(tài)監(jiān)測預(yù)報能力，在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，部分成果達到國際先進水平。這項研究成果在天津、南京、武漢、西安等國內(nèi)很多城市得到較好的應(yīng)用［2-7］。本文引進城市暴雨內(nèi)澇仿真模型，概化了湖州城市地貌特征、城市規(guī)劃、排水系統(tǒng)特征、地下管網(wǎng)、排水規(guī)則、城市防洪工程等城市化信息，基于精細化的降水監(jiān)測和預(yù)報信息，建立了湖州城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，并運用該系統(tǒng)對湖州“99630”連續(xù)暴雨引發(fā)的城市嚴重內(nèi)澇過程進行歷史反演，反演結(jié)果與歷史記載的位置基本相符，面積偏小，說明系統(tǒng)對暴雨帶來的城市內(nèi)澇具有一定的動態(tài)監(jiān)測預(yù)報能力，對拓展城市災(zāi)害預(yù)報服務(wù)領(lǐng)域，提高城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)報、災(zāi)害風險評估水平具有一定的參考作用。

1 城市暴雨內(nèi)澇仿真模型簡介

由天津市氣象科學研究所與中國水利水電研究院研制的城市暴雨內(nèi)澇仿真模型，涉及到氣象學、水文學、水力學、河流動力學以及給排水工程等多學科的知識，屬于多學科交叉、具有系統(tǒng)工程特征的數(shù)學模型。模型反映了降雨量分布、產(chǎn)匯流原理、地面流、河道明渠流、堰流、跌水、管網(wǎng)有壓流、管道無壓流、有壓流到無壓流過渡過程，以及地面向管道中泄流或從管道向地面涌水現(xiàn)象等多種工程情況及其相互連接問題，是一個復雜的微觀流域模型。模型以城市地表與明渠河道水流運動為模擬對象，基本控制方程以二維非恒定流的基本方程為骨架，并在模型的源匯項中考慮了城市不透水面積與排水系統(tǒng)的影響。同時針對城市特點，對小于離散化網(wǎng)格尺度的排水明渠采用一維非恒定流方程的算法。為了更好地反映城市暴雨徑流的特點，模型應(yīng)用有限體積法的思想，采用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格設(shè)計計算區(qū)域。網(wǎng)格可以設(shè)計成三邊形、四邊形或五邊形。網(wǎng)格各邊定義成通道，通道定點定義為節(jié)點。將城市排水管網(wǎng)和排水設(shè)施概化到網(wǎng)格和通道上。將城區(qū)雨量站觀測雨量或預(yù)報雨量，通過有效的插值方法得到面雨量，作為降雨邊界條件，通過城市暴雨內(nèi)澇仿真模型模擬計算網(wǎng)格積水。

2 湖州城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)構(gòu)成

2．1 所需資料

本系統(tǒng)除需要氣象信息外，還需要大量的非氣象資料，涉及到防汛、水文和市政設(shè)施維護管理等多個部門。所需信息包括：

(1)城市地理信息：湖州市1∶5萬的電子地圖，從測繪部門購置1∶2000高精度的地形高程數(shù)據(jù)。

(2)湖州城區(qū)排水系統(tǒng)信息：包括河道走向、寬度、河底高程、堤高、水位等;泵站閘門位置、排水能力等;地下排水管網(wǎng)管徑、長度、流向等;阻水設(shè)施如公路、鐵路、建筑物等。

(3)城市積水信息：湖州歷史暴雨內(nèi)澇過程積水信息。

(4)防澇調(diào)度信息：防洪調(diào)度預(yù)案、運行規(guī)則等。包括一、二級河道控制水位，泵站、閘門的開啟原則，排水管網(wǎng)的控制水位，遇暴雨時的排水方式等。

(5)氣象信息：建站以來湖州雨量數(shù)據(jù)、近年來城區(qū)自動站雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)報信息采用多種數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品集合預(yù)報結(jié)果以及雷達估測降水結(jié)果。

2．2 湖州城市地理信息概化

湖州城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)設(shè)計區(qū)域的邊界選擇在三環(huán)北路以南，仁皇山以東，旄兒港以南，龍溪、導流港以北，新開河以北，大錢港以西的區(qū)域，涵蓋了防洪預(yù)案中湖州中心城市一期城防區(qū)域，城中分區(qū)、鳳凰分區(qū)和仁皇山新區(qū)，按照河流走向和地形特征分割成1214個不規(guī)則網(wǎng)格、2802個通道和1589個節(jié)點，共計40．35 km2，見圖1。1214個網(wǎng)格中包括陸地網(wǎng)格型1168個，河道型網(wǎng)格46個，將旄兒港、仁皇山、三環(huán)北路、大錢港、新開河、東苕溪導流港、老龍溪作為區(qū)域的外邊界，將旄兒港和環(huán)城河定義為一級河道，其余河道定義為二級河道，河道堤防按照防汛辦提供的河道堤防高程設(shè)置;2802個通道中包括特殊通道即二級河道234個;湖州市的排水系統(tǒng)，包括排水管網(wǎng)、泵站、閘門等，它們對暴雨內(nèi)澇現(xiàn)象有很大的影響，地下排水管以淹沒出流的方式直接向河道泄水，當河道水位高于管道水位時會出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，因此泵站在排水系統(tǒng)中起著重要的作用。泵站通過逐級抽排河道水量，使河道保持較低且相對穩(wěn)定的常水位，因此對于泵站按單位時間內(nèi)的排水量、開關(guān)等進行概化。含有淹沒出流管道的網(wǎng)格(與二級河道相聯(lián))為管網(wǎng)的排水出口，以管徑的形式概化其泄水能力。據(jù)此，共設(shè)置排水設(shè)施91處，其中排水泵站15處，河道閘門15處，淹沒出流54處。主要地下排水管網(wǎng)按照河流分布共分成13個區(qū)域。地下排水管網(wǎng)概化過程中，由于資料來源有限，所以只考慮主干地下雨水管網(wǎng)和雨污合流管網(wǎng)的資料，充分考慮截流點的蓄水特征，按照所連接管道的管徑，計算截留點的等效長度，將這個等效長度加入到該管段中。將防洪預(yù)案中的排水設(shè)施控制運行方案，如開、關(guān)閘水位設(shè)置成閘門的高控水位、低控水位，考慮到湖州泵站的排澇功能將泵站的起排水位設(shè)置為泵站的高控水位，將泵站的停止排澇水位設(shè)置成泵站的低控水位，并對仿真模型中泵站排水模式進行了修改。

圖1 湖州城區(qū)網(wǎng)格劃分及河道、泵站、閘門等位置示意圖

2．3 湖州城市暴雨內(nèi)澇氣象等級劃分和系統(tǒng)啟動條件

本系統(tǒng)根據(jù)湖州市歷史內(nèi)澇出現(xiàn)幾率和內(nèi)澇實際情況，將湖州城市暴雨內(nèi)澇氣象等級劃分為4級。

1級：重度積澇，城區(qū)低洼地段和地勢較低的路面積水嚴重，積水大于50 cm，引起車輛熄火、交通堵塞，有工廠、商店、居民家庭進水現(xiàn)象發(fā)生，對生產(chǎn)、生活造成嚴重影響。

2級：中度積澇，城區(qū)路面低洼地段和地勢較低的路面有積水，積水25～50 cm之間，對交通、生產(chǎn)、生活造成明顯影響，行人通行有一定困難、道路通行受阻。

3級：輕度積澇，城區(qū)低洼地段和地勢較低的路面有少量積水，積水5～25 cm之間，行人通行較困難對交通：生產(chǎn)、生活略有影響。

4級：無積澇，城區(qū)低洼地段和地勢較低的路面積水5 cm以下積水，對交通、生產(chǎn)、生活基本沒有影響。

湖州城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)啟動條件：當預(yù)報員預(yù)報未來12 h有大到暴雨以上降水過程或城區(qū)自動雨量站出現(xiàn)20 mm/h以上的降水時，即開始啟動湖州城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。

3 湖州“99630”連續(xù)暴雨內(nèi)澇過程歷史反演

3．1 湖州“99630”暴雨概況

1999年梅汛期，湖州市遭遇特大暴雨洪澇災(zāi)害，梅雨量達870．8 mm，是常年的近3倍，創(chuàng)歷史最高記錄。6月8—10日、6月24日—7月1日，分別發(fā)生持續(xù)暴雨天氣，尤其是6月30日出現(xiàn)了115．8 mm的大暴雨，連續(xù)暴雨導致洪水泛濫，杭長橋水位達3．77 m，超歷史最高水位0．13 m，三里橋水位 3．18 m，超歷史最高水位0．17 m，水位居高不下，造成湖州市大范圍的洪澇災(zāi)害。史料記載“中心城市紅豐、定安、市北、潮音等約5．19 km2居住區(qū)被淹，積水深度達0．3 ～0．8 m，涉及 5．6 萬人，7637 戶進水，緊急轉(zhuǎn)移1409戶，2．5萬人受洪水圍困，損壞和倒塌房屋9753間，總計30．23萬 m2，近400家企業(yè)停產(chǎn)、半停產(chǎn)，直接經(jīng)濟損失約4．4億元?！?/p>

3．2 “99630”暴雨內(nèi)澇模擬基礎(chǔ)信息

“99630”暴雨內(nèi)澇直接原因是連續(xù)暴雨導致河道水位的持續(xù)上漲，對城市管網(wǎng)排水形成頂托造成。從6月24日—7月1日降水量，湖州觀測站監(jiān)測到的日降雨量分別為81．6 mm，46．6 mm，85．2 mm，84．6 mm，24．9 mm，27．7 mm，115．8 mm，48 mm，連續(xù)暴雨導致水位持續(xù)上漲，6月24日杭長橋水位(一級河道水位代表站)為2．05 m，到6月27日，杭長橋水位達到3．55 m，6月30日達到3．75 m，7 月1 日達歷史極值，為3．91 m，降水量和水位變化見圖2。

圖2 1999年6月24日—7月1日湖州市降水量和水位變化圖

本文對“99630”暴雨進行長達180 h的反演，為保證模式穩(wěn)定和河道水位更加逼近真實情況，反演分兩段進行，第一段為6月24日02時到27日20時，6月24日杭長橋水位2．05 m，設(shè)外河道(即一級河道)初始水位2．05 m，陸地網(wǎng)格初始水深從0開始，即假定之前沒有形成積水，按照目前城防工程控制運行方案設(shè)定閘門和泵站;第二段為6月27日21時到7月1日13時，6月27日杭長橋水位3．55 m，設(shè)一級河道初始水位3．55 m，陸地網(wǎng)格的初始水深取自第一段反演結(jié)果末時次陸地網(wǎng)格水深。內(nèi)河道(即二級河道)水位由于沒有監(jiān)測值，本次反演過程采取多種內(nèi)河初始水位假定，多次模擬的方案，在第二段模擬過程中假定內(nèi)河初始水位分別2 m，2．25 m，2．5 m，2．75 m 和 3 m，進行 5次反演，得到5種不同內(nèi)河水位假設(shè)條件下的積水分布。

3．3 “99630”暴雨內(nèi)澇反演結(jié)果分析

本次模擬以5種內(nèi)河初始水位假定條件來進行5次反演，反演結(jié)果顯示中心城區(qū)嚴重積水區(qū)域主要分布在紅豐、絲綢城以西、開發(fā)區(qū)陵陽路個別路段以及吉山等地，最長積水時間為151 h，占反演時間長度的近80%，圖3為假定內(nèi)河初始水位2．75 m時城區(qū)最大積水分布圖。

圖3 “99630”內(nèi)河初始水位假定為2．75 m時最大積水分布圖

圖4 重點關(guān)注區(qū)域在內(nèi)河不同假定水位反演過程中最大積水深度對比圖

本次模擬重點關(guān)注城區(qū)范圍內(nèi)最大積水情況，圖中東北部區(qū)域為未開發(fā)區(qū)域，所以不記為重點關(guān)注區(qū)域。城區(qū)重點關(guān)注區(qū)域5次模擬結(jié)果比較見圖4。從圖中可以看出，星海名城、港湖橋、仁皇山路、市陌路、吉山、毗山西路、環(huán)城南路、月河小區(qū)、東湖路、定安、潮音等區(qū)域最大積水深度不受內(nèi)河水位變化影響;紅豐、絲綢城兩個區(qū)域最大積水深度受到內(nèi)河水位影響，隨內(nèi)河水位升高而積水加深，其中紅豐一帶在內(nèi)河初始水位為2 m變?yōu)? m時，最大積水深度增加14 cm左右，超過50 cm積水面積增大;絲綢城以西區(qū)域積水隨內(nèi)河初始水位升高而加深明顯，面積也有所增大。

內(nèi)河不同假定初始水位條件下反演結(jié)果不同，圖5列出了不同內(nèi)河初始水位條件下10 cm以上、20 cm以上、30 cm以上、50 cm以上積水面積。我們發(fā)現(xiàn)，內(nèi)河水位變化對積水面積影響明顯，積水深度的面積，在內(nèi)河初始水位升高的情況下緩慢增加，當內(nèi)河初始水位在2．5 m以上時，積水面積增加迅速。當內(nèi)河水位2．5 m以下，超50 cm積水面積值相同，只有紅豐一帶、開發(fā)區(qū)少數(shù)網(wǎng)格;在內(nèi)河初始水位3 m的情況下為超過 30 cm積水面積 2．8 km2，而“99630”積水歷史資料記載“中心城市紅豐、定安、市北、潮音等約5．19 km2居住區(qū)被淹，積水深度達0．3～0．8 m”，說明本次反演結(jié)果比實況面積值偏少，最大積水深度反演結(jié)果與史料記載接近，當內(nèi)河初始水位在2．5～2．75 m與最大實際積水較為接近。

圖5 內(nèi)河不同假定水位條件下積水面積對比圖

3．4 暴雨內(nèi)澇反演偏差產(chǎn)生原因

分析本次反演過程中偏差產(chǎn)生的原因可能有以下幾點。

(1)城市降水空間分布不均。城市短歷時暴雨往往在空間分布上存在較大變化。1999年湖州市區(qū)只有一個氣象觀測站，位于南門外，難以細致反映降雨的空間分布特征，是形成計算誤差的原因之一。

(2)地面硬化面積改變。近10 a來，城市化建設(shè)進程突飛猛進，建筑密度和地面硬化面積均比1999年有所增加，地面自然下泄能力比原來差，徑流增加，造成積水更加容易。

(3)地表水下滲能力?！?9630”過程不是一個完全獨立的過程，梅汛前期雨量導致土壤水分飽和度大，地下水位升高，地表下滲排水能力下降。

(4)管網(wǎng)排水能力變化。近年來隨著城市化建設(shè)，地下排水管網(wǎng)的管徑和管長均有所改善，管網(wǎng)排水能力有所提高，本文以現(xiàn)有管網(wǎng)為基礎(chǔ)進行模擬，1999年城區(qū)排水管網(wǎng)具體情況不詳。

4 結(jié)語

本文給出了“湖州城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)”的建設(shè)基礎(chǔ)，對湖州市“99630”歷史性大洪水的城市暴雨內(nèi)澇過程進行了反演，系統(tǒng)較好地再現(xiàn)了歷史罕見的持續(xù)暴雨過程造成的城區(qū)積水程度。反演結(jié)果顯示，積水面積較史料描述偏小，最大積水深度及位置基本吻合。由于本文是在目前湖州市的地形地貌、城市面積及排水系統(tǒng)特征等條件下對湖州1999年的“99630”暴雨進行模擬，而1999年湖州城市河道防洪能力、地下管網(wǎng)排水能力、下墊面性質(zhì)等都與現(xiàn)在實際情況有所不同，反演具有一定的不確定性。反演結(jié)果同時顯示，“湖州城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)”在湖州城市暴雨內(nèi)澇模擬方面具有較好的適用性，具備一定的暴雨內(nèi)澇動態(tài)監(jiān)測預(yù)報能力，對拓展城市災(zāi)害預(yù)報服務(wù)領(lǐng)域，提高城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)報、災(zāi)害風險評估水平具有一定的參考作用。但城市建設(shè)發(fā)展導致的路面高程、排水設(shè)施、地下管網(wǎng)等各類資料隨著城市化建設(shè)而不斷變化，暴雨精細化預(yù)報水平等將對系統(tǒng)預(yù)報能力有所約束。

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