張 瀚,邱 靜,黃本勝,楊志峰,蔡宴朋
(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635; 2.廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境生態(tài)工程研究院,廣東 廣州 510006)
聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)發(fā)布的第六次評(píng)估報(bào)告第一工作組報(bào)告指出,隨著進(jìn)一步的全球變暖,每個(gè)地區(qū)都將在氣候影響驅(qū)動(dòng)下經(jīng)歷更加頻繁的變化,例如暴雨會(huì)導(dǎo)致城市、道路、農(nóng)田、地鐵隧道和建筑物遭受洪澇災(zāi)害,城市交通和雨水排水系統(tǒng)被淹沒(méi),給城市適應(yīng)能力帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)[1]。
城市雨水排水系統(tǒng)是維護(hù)城市正常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施,作為城市區(qū)域徑流輸送的主要方式,一旦降雨強(qiáng)度超過(guò)城市雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),便可能會(huì)造成洪澇災(zāi)害。中國(guó)現(xiàn)行的排水系統(tǒng)通常被設(shè)計(jì)為在某一設(shè)計(jì)暴雨下表現(xiàn)良好,設(shè)計(jì)暴雨通過(guò)對(duì)歷史降雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推求后得出,一般總結(jié)為強(qiáng)度-歷時(shí)-頻率 (intensity-duration-frequency,IDF) 曲線或者暴雨強(qiáng)度公式的形式。在市政工程設(shè)計(jì)中,通常認(rèn)為設(shè)計(jì)暴雨服從一致性假設(shè),即在工程使用期間是不變的。氣候變化增加了城市地區(qū)極端降雨的頻率和強(qiáng)度,改變了設(shè)計(jì)降雨的一致性假設(shè),這將會(huì)增加城市地區(qū)洪澇災(zāi)害的發(fā)生頻率,帶來(lái)更為嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害[2-3]。因此,研究氣候變化條件下,城市極端降雨對(duì)排水系統(tǒng)的影響就變得越發(fā)迫切[4-6]。
水文水動(dòng)力學(xué)模型是目前廣泛使用的研究洪澇過(guò)程的工具,建立適應(yīng)城市地區(qū)的一二維耦合模型是當(dāng)今城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要一環(huán)[7-9]。InfoWorks ICM 模型作為優(yōu)越的城市雨洪模型,在城市內(nèi)澇模擬中得到了較為廣泛的應(yīng)用[10-11],羅海婉等[12]基于InfoWorks ICM模型構(gòu)建了廣州市暴雨內(nèi)澇模型,研究不同降雨條件下城市淹沒(méi)面積、淹沒(méi)水深和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的變化情況;程濤等[13]基于高分辨率地表數(shù)據(jù)和InfoWorks ICM建立了適用于濟(jì)南市海綿城市示范區(qū)的城市雨洪模型,精細(xì)化描述研究區(qū)域的洪澇過(guò)程;葉陳雷等[14]以福州市江北城區(qū)及東北部山區(qū)為例,基于InfoWorks在城市尺度下建立水文水動(dòng)力學(xué)耦合模型,提出了考慮水工建筑物及其調(diào)度規(guī)則的城市暴雨內(nèi)澇模擬方法。盡管近年來(lái)已有不少學(xué)者對(duì)城市內(nèi)澇問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究,但對(duì)于氣候變化對(duì)城市區(qū)域暴雨和排水系統(tǒng)影響的研究仍然較少[15-18]。一方面,由于城區(qū)地表的高不透水性和排水系統(tǒng)的布設(shè)會(huì)帶給城區(qū)特有的區(qū)域特性,這要求氣候變化的影響研究往往需要聚焦于更小的空間尺度(通常1~10 km2)和更精細(xì)的時(shí)間尺度(通常小于1 h);另一方面,由于對(duì)氣候系統(tǒng)中復(fù)雜的非線性成分認(rèn)識(shí)和描述的不足,對(duì)局部區(qū)域暴雨事件的描述和預(yù)估往往存在著很大的不確定性。
本文選取珠三角地區(qū)廣州市典型城區(qū)流域東濠涌流域?yàn)檠芯繀^(qū),利用區(qū)域氣候模式預(yù)估未來(lái)時(shí)期(2030—2050年)輸出的年最大1 d降雨,結(jié)合Delta方法和年最大值法推求氣候變化情景下典型城市流域短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式,利用Infoworks ICM城市雨洪模型分析未來(lái)時(shí)期城市排水系統(tǒng)承受的壓力,研究氣候變化可能對(duì)城市區(qū)域暴雨和排水系統(tǒng)帶來(lái)的影響,以期為未來(lái)城市規(guī)劃、城市防災(zāi)減災(zāi)、城市水資源規(guī)劃管理的科學(xué)決策提供依據(jù)。
東濠涌流域位于廣州市越秀區(qū),地勢(shì)北高南低,海拔高程在6~40 m之間,多年平均降水量約1 720 mm,降雨主要集中在6—8月,流域面積約12.39 km2。流域主要水系包括東濠涌和新河浦涌,其中東濠涌是珠江前航道廣州段的重要支流之一,發(fā)源于白云山南部山下的麓湖,流經(jīng)越秀區(qū),在江灣大酒店旁匯入珠江前航道,河段全長(zhǎng)約5 km[12]。
構(gòu)建城市洪澇仿真模型需要的資料主要包括管網(wǎng)、DEM數(shù)據(jù)、土地利用類(lèi)型和河道斷面等基礎(chǔ)資料,率定與驗(yàn)證模型主要需要雨量站數(shù)據(jù)、檢查井水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和調(diào)研淹沒(méi)水深等[12]。研究區(qū)域雨量站、水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)和典型內(nèi)澇點(diǎn)的分布如圖1所示。
圖1 東濠涌流域位置及典型內(nèi)澇點(diǎn)Fig.1 Location of the Donghaochong Watershed and typical waterlogging points
城市設(shè)計(jì)暴雨是城市室外排水工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù), 關(guān)系到工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性,2000年以來(lái),我國(guó)城市建設(shè)環(huán)境發(fā)生了較大變化, 加之氣候變化對(duì)城市降雨特性產(chǎn)生了較大影響,為此本文按照一般的城市設(shè)計(jì)暴雨制定方法,在氣候變化條件下推求未來(lái)設(shè)計(jì)暴雨[19-21]。
2.1.1區(qū)域氣候模式
采用國(guó)際理論物理中心發(fā)布的區(qū)域氣候模式RegCM4.6,該模式對(duì)中國(guó)區(qū)域的模擬能力較好[22-23]。RegCM4.6運(yùn)行所需要的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)采用CMIP5模式GFDL-ESM2M的歷史時(shí)期(RF)、RCP4.5和RCP8.5情景。模式水平分辨率為20 km,垂直方向分為18層,模擬時(shí)間步長(zhǎng)為45 s。歷史時(shí)期(RF)模擬時(shí)間為1979—2000年,未來(lái)時(shí)期模擬時(shí)間為2029—2050年,模擬第一年為模式預(yù)熱,不參與后續(xù)分析。模式參數(shù)化方案采用NCAR CCM3輻射傳輸方案、Grell積云參數(shù)化方案、BAT1e陸面參數(shù)化方案、Holtslag非局部邊界方案、Zeng海洋通量參數(shù)化方案、指數(shù)松弛邊界條件。
2.1.2年最大值法
根據(jù)GB 50014—2021《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》暴雨強(qiáng)度公式編制方法的要求,暴雨強(qiáng)度公式編制采用年最大值法的基礎(chǔ)資料年限至少為20 a,有條件的地區(qū)可用到30 a以上系列[24]。本研究采用廣州市五山站1984—2013年的降水量數(shù)據(jù),按照年最大值法,選取5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min共9個(gè)歷時(shí)作為有效暴雨資料樣本,樣本數(shù)據(jù)按從大到小的順序依次排列,計(jì)算每個(gè)歷時(shí)的降雨強(qiáng)度,推求暴雨強(qiáng)度公式。
2.1.3Delta方法
Delta方法是美國(guó)全球變化研究計(jì)劃推薦使用的未來(lái)氣候變化情景生成方法[2]?;驹硎鞘紫扔?jì)算未來(lái)情景下預(yù)估的降雨相對(duì)于基準(zhǔn)期情景的改變,通常稱(chēng)為改變因子(change factor,CF),然后將得到的CF疊加到區(qū)域觀測(cè)的降雨序列上,得到區(qū)域未來(lái)降雨的預(yù)估值。CF和未來(lái)降雨的預(yù)估值計(jì)算公式為
PSk=POkC
(1)
其中
根據(jù)區(qū)域氣候模式動(dòng)力降尺度輸出歷史時(shí)期與未來(lái)時(shí)期的年最大1d降水量結(jié)果,分別根據(jù)式(1)計(jì)算RCP4.5與RCP8.5情景下的CF,然后將CF值疊加在廣州市1984—2013年的降水量數(shù)據(jù)上,得到未來(lái)時(shí)期降水量的預(yù)估值。
2.1.4P-Ⅲ型分布模型
采用在水文頻率計(jì)算中廣泛應(yīng)用的皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行水文頻率計(jì)算[25],其密度函數(shù)為
(2)
其中
(3)
2.1.5氣候變化條件下暴雨公式參數(shù)求解及精度解析
GB 50014—2021《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》暴雨強(qiáng)度公式的編制方法規(guī)定,在一般強(qiáng)度的地方,平均絕對(duì)方差不宜大于0.05 mm/min;在強(qiáng)度較大的地方,平均相對(duì)方差不宜大于5%。根據(jù)年最大值法及皮爾遜Ⅲ型適線得到的雨強(qiáng)-歷時(shí)-重現(xiàn)期(i-t-P)關(guān)系表,采用麥夸特優(yōu)化算法進(jìn)行非線性回歸參數(shù)擬合,得到各情景暴雨公式參數(shù)及誤差值見(jiàn)表1。皮爾遜Ⅲ型適線在歷史時(shí)期(RF)和未來(lái)時(shí)期RCP4.5、RCP8.5情景下絕對(duì)均方差范圍為0.060~0.069 mm/min,相對(duì)均方差分別為3.35%、3.55%和2.77%,均不超過(guò)5%,總體擬合精度較好[24]。
表1 暴雨公式參數(shù)值及誤差Table 1 Parameter values and error of rainstorm formula
式(4)(5)(6)分別為RF、RCP4.5和RCP8.5情景下廣州市暴雨強(qiáng)度公式。根據(jù)芝加哥雨型,雨峰系數(shù)采用0.415,得到不同重現(xiàn)期下各情景設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程見(jiàn)圖2。
(4)
(5)
(6)
由圖2可見(jiàn),RCP4.5情景相對(duì)于RF情景,不同重現(xiàn)期下降雨強(qiáng)度峰值均呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),增幅為0.073~0.319 mm/min,累積降水量增加4.37%~9.19%。RCP8.5情景相對(duì)于RF情景,降雨強(qiáng)度峰值在20 a重現(xiàn)期下增加1.591 mm/min,累積降水量在5種重現(xiàn)期下增幅為28.79%~33.15%。結(jié)果表明,未來(lái)時(shí)期在RCP4.5和RCP8.5情景下短歷時(shí)設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度和累積降水量均呈現(xiàn)出不同程度的增加趨勢(shì),這將直接給排水系統(tǒng)帶來(lái)更大的壓力,從而導(dǎo)致洪澇災(zāi)害損失更為嚴(yán)重。
2.2.1一維管網(wǎng)構(gòu)建
利用InfoWorks ICM城市雨洪模型構(gòu)建東濠涌流域排水系統(tǒng)模型時(shí),需要對(duì)節(jié)點(diǎn)和管道連接進(jìn)行概化處理[25]。一維模型主要包括檢查井、蓄水池、出水口3種,其中窨井、拐點(diǎn)、雨水篦子等概化為檢查井節(jié)點(diǎn),湖泊和池塘概化為蓄水池,排水系統(tǒng)的末端出流口概化為出水口。模型概化后共得到2 997個(gè)節(jié)點(diǎn)、3 009條管道和38個(gè)出水口,普通管道的曼寧系數(shù)設(shè)置為0.013,河道曼寧系數(shù)設(shè)置為0.03。
2.2.2子匯水區(qū)劃分
子匯水區(qū)通過(guò)泰森多邊形法進(jìn)行劃分,并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整,共劃分2 897個(gè)子匯水區(qū)。產(chǎn)流表面設(shè)定為房屋、道路和其他3種類(lèi)型,不同類(lèi)型產(chǎn)流表面相關(guān)屬性參數(shù)參照文獻(xiàn)[10]確定。
(a) P=1 a
2.2.3一二維模型耦合
東濠涌研究區(qū)域的一二維模型耦合涉及:①管道與河道的耦合,InfoWorks ICM河網(wǎng)模型與排水管網(wǎng)的耦合是將管道出水口移動(dòng)至河道中心線;②管道與二維地面耦合,將處于2D區(qū)間內(nèi)的節(jié)點(diǎn)洪水類(lèi)型設(shè)置為2D,將道路的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,道路高程下降15 cm,房屋不劃分網(wǎng)格;③二維地面與河道的耦合,將2D區(qū)間和一維河道進(jìn)行關(guān)聯(lián)。
2.2.4模型率定與驗(yàn)證
采用實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)、檢查井水位和淹沒(méi)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的驗(yàn)證。兩場(chǎng)實(shí)測(cè)暴雨的降雨過(guò)程見(jiàn)圖3。20170715場(chǎng)次暴雨的降雨強(qiáng)度較小,調(diào)查沒(méi)有造成大范圍的淹沒(méi),而20170915場(chǎng)次暴雨的降雨強(qiáng)度較大,產(chǎn)生的溢流節(jié)點(diǎn)較多,因此采用20170715場(chǎng)次暴雨進(jìn)行節(jié)點(diǎn)水位校核,20170915場(chǎng)次暴雨進(jìn)行地面淹沒(méi)水深校核。
采用納什效率系數(shù)ENS對(duì)構(gòu)建的東濠涌城市雨洪模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖4為20170715場(chǎng)次暴雨檢查井水位模擬結(jié)果,可見(jiàn)J1檢查井節(jié)點(diǎn)水位的ENS為0.690,J2檢查井節(jié)點(diǎn)水位的ENS為0.728,均大于0.6。對(duì)于20170915場(chǎng)次暴雨的地面淹沒(méi)水深進(jìn)行模型驗(yàn)證,結(jié)果見(jiàn)表2,可見(jiàn)澇點(diǎn)位置除黃華路誤差稍大外,其余位置的實(shí)測(cè)水深和模擬水深較為一致,說(shuō)明模型的精度和可靠性較好,能夠用于后續(xù)研究。
(a) 20170715場(chǎng)次暴雨
(a) J1檢查井
表2 實(shí)測(cè)與模擬水深對(duì)比Table 2 Comparison of measured and simulated water depth
圖5為重現(xiàn)期為2 a和20 a條件下RF、RCP4.5和RCP8.5情景下的溢流節(jié)點(diǎn)分布情況??梢?jiàn),相對(duì)于RF情景,RCP4.5和RCP8.5情景下東濠涌流域的溢流量和溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)量均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。在重現(xiàn)期為2 a的RCP4.5情景下,東濠涌流域溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加61個(gè),增幅為2.049%,而在重現(xiàn)期為2 a的RCP8.5情景下,溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加330個(gè),增幅為11.085%。由圖5(a)(b)(c)可見(jiàn),重現(xiàn)期為2 a時(shí),RF情景下溢流節(jié)點(diǎn)主要位于東濠涌東部(農(nóng)林下路區(qū)域),節(jié)點(diǎn)溢流量大多在200 m3以下;RCP4.5情景下這一區(qū)域的最大溢流量和溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)略有增加,但仍主要位于農(nóng)林下路區(qū)域;RCP8.5情景下,東濠涌流域普遍呈現(xiàn)出最大溢流量和溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)增加的變化趨勢(shì)。重現(xiàn)期為20 a時(shí),相對(duì)于RF情景,RCP4.5和RCP8.5情景下溢流量以及溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)均呈現(xiàn)出顯著增加趨勢(shì),溢流量節(jié)點(diǎn)增加百分比分別為2.217%和13.974%。結(jié)果表明,未來(lái)時(shí)期珠三角地區(qū)可能遭受更為不利的洪澇風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害,高排放情景會(huì)直接增加高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)洪澇風(fēng)險(xiǎn)的范圍。
(a) RF情景(2年一遇)
利用管道內(nèi)水深與管道深度的比值S來(lái)反映管道的超載狀態(tài),S<0.5表示管道內(nèi)的水深小于管道深度的50%,處于完全不超負(fù)荷狀態(tài);0.5≤S<0.8表示管道內(nèi)的水深為管道深度的50%~80%,處于基本不超負(fù)荷狀態(tài);0.8≤S<1表示管道內(nèi)水深為管道深度的80%~100%;1≤S<2表示管道為滿載,水力坡度小于管道坡度,由于下游管道過(guò)流能力的限制而超負(fù)荷;S=2表示管道為滿載,由于管道本身過(guò)流能力限制而超負(fù)荷。表3、表4分別為RCP4.5情景和RCP8.5情景相對(duì)于RF情景下管道不同超負(fù)荷狀態(tài)長(zhǎng)度和占管道總長(zhǎng)度比例變化的情況??梢?jiàn),相對(duì)于RF情景,在重現(xiàn)期為20 a、RCP4.5情景下,管網(wǎng)超負(fù)荷狀態(tài)為滿載的比例增幅為 1.59%,其中由于自身過(guò)流能力限制而超負(fù)荷的比例增幅為0.92%。在5種不同重現(xiàn)期、RCP8.5情景下,由于下游管道過(guò)流能力不足而滿載的管道增幅比例分別為3.13%、2%、2.14%、1.63%和2.17%,由于自身過(guò)流能力不足而導(dǎo)致管道滿載運(yùn)行的比例均超過(guò)6%。這表明氣候變化將直接給排水管網(wǎng)帶來(lái)更大的負(fù)擔(dān)。
表3 RCP4.5情景相對(duì)于RF情景管道超負(fù)荷狀態(tài)Table 3 Pipeline overload status of RCP4.5 scenario compared with that of RF scenario
表4 RCP8.5情景相對(duì)于RF情景管道超負(fù)荷狀態(tài)Table 4 Pipeline overload status of RCP8.5 scenario compared with that of RF scenario
圖6為不同重現(xiàn)期及氣候情景條件下的內(nèi)澇空間分布,可以看出,在重現(xiàn)期為2 a時(shí),RCP4.5和RCP8.5情景下淹沒(méi)深度增加,RCP8.5情景相比于RCP4.5情景更加顯著。在重現(xiàn)期為20 a時(shí),內(nèi)澇事件更加顯著,尤其在RCP8.5情景下增加了一些新的內(nèi)澇點(diǎn)。
圖7(a)為RCP4.5情景相對(duì)于RF情景典型內(nèi)澇點(diǎn)最大積水深度變化情況,重現(xiàn)期為2 a時(shí),最大積水深度增加幅度為0.005~0.055 m,增幅最大位于橫枝崗醫(yī)院;重現(xiàn)期為20 a時(shí),最大積水深度增加幅度為0.003~0.034 m,增幅最大位于農(nóng)林下路。圖7(b)為RCP8.5情景相對(duì)于RF情景典型內(nèi)澇點(diǎn)最大積水深度變化情況,與RCP4.5情景相比,RCP8.5情景下最大積水深度增加更為顯著,其中農(nóng)林下路在重現(xiàn)期為1 a時(shí)最大積水深度增加最大,達(dá)到0.369 m,廣發(fā)銀行在重現(xiàn)期為5 a時(shí)最大積水深度增加最小,為0.020 m。結(jié)果表明,在氣候變化條件下,東濠涌城市排水系統(tǒng)會(huì)遭受更為嚴(yán)重的暴雨過(guò)程,由于排水管網(wǎng)過(guò)流能力的不足,出水口不能及時(shí)將雨水排出,雨水會(huì)積存在中下游河道附近,產(chǎn)生洪澇事件,而氣候變化造成降雨強(qiáng)度峰值和累積降水量均呈增加趨勢(shì),使排水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)溢流量增加,超載管道比例增加,從而導(dǎo)致更不利的洪澇影響。
(a) RF情景(2年一遇)
(a) RCP4.5相對(duì)于RF情景
a.利用Delta法和年最大值法相結(jié)合,導(dǎo)出未來(lái)時(shí)期短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式,結(jié)果表明,相對(duì)于RF情景,未來(lái)時(shí)期的RCP4.5和RCP8.5情景下短歷時(shí)設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度和累積降水量均呈現(xiàn)出不同程度的增加趨勢(shì),這將直接給排水系統(tǒng)帶來(lái)更大的壓力,從而導(dǎo)致洪澇災(zāi)害損失更為嚴(yán)重。
b.利用InfoWorks ICM構(gòu)建了東濠涌流域排水系統(tǒng)模型,實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)一維水動(dòng)力過(guò)程及地表二維水動(dòng)力過(guò)程的耦合。利用實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)、檢查井水位和內(nèi)澇點(diǎn)淹沒(méi)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明模擬的檢查井水位和內(nèi)澇點(diǎn)積水深度與實(shí)測(cè)較為吻合,模型的精度和可靠性較好,能夠反映東濠涌流域的水文過(guò)程。
c.RCP4.5和RCP8.5氣候變化情景相對(duì)于RF情景,在1 a、2 a、5 a、10 a和20 a 5種重現(xiàn)期條件下,溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)量和溢流量呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)。氣候變化造成降雨強(qiáng)度峰值和累積降水量均呈增加趨勢(shì),超載管道比例增加,而高排放情景將更顯著地增加溢流節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、溢流量的幅度和超載管道的比例。
d.RCP4.5和RCP8.5情景下最大積水深度增加,RCP8.5情景相比于RCP4.5情景更加顯著。RCP8.5情景在重現(xiàn)期為2 a時(shí),最大積水深度增加0.005~0.055 m;重現(xiàn)期為20 a時(shí),最大積水深度增加0.003~0.034 m。這一結(jié)果表明未來(lái)時(shí)期珠三角地區(qū)可能遭受更為不利的洪澇風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害。