滕 飛, 李 路, 貝竹園, 王 軍, 邱桔斐, 章曉潔

（1. 上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 200061; 2. 上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心,上海 200061; 3. 上海市海洋管理事務(wù)中心, 上海 200050; 4. 國(guó)家海洋局東海海洋環(huán)境調(diào)查勘察中心, 上海 200137）

0 引 言

上海市面臨著較為嚴(yán)重的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮威脅, 是我國(guó)風(fēng)暴潮災(zāi)害的易發(fā)和頻發(fā)區(qū)域之一, 歷史上多次出現(xiàn)過(guò)造成較大經(jīng)濟(jì)損失的強(qiáng)風(fēng)暴潮災(zāi)害[1?2]. 隨著沿海風(fēng)暴潮易發(fā)地區(qū)土地資源的不斷開(kāi)發(fā), 這些區(qū)域的風(fēng)暴潮災(zāi)害的“放大效應(yīng)”不斷凸顯[3]. 在國(guó)家海洋局國(guó)家尺度風(fēng)暴潮災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果中,上海市的5個(gè)沿江沿海區(qū)域被評(píng)為Ⅰ級(jí)(高), 當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)、城市運(yùn)行、社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到嚴(yán)重的威脅, 對(duì)風(fēng)暴潮災(zāi)害危險(xiǎn)性研究的需求較為迫切.

由于風(fēng)暴潮災(zāi)害可能與暴雨、上游洪水等災(zāi)害疊加發(fā)生, 形成風(fēng)(臺(tái)風(fēng))、暴(暴雨)、潮(高潮)、洪(流域洪水)雙碰頭甚至多碰頭的情景[4], 因此雙因子、多因子影響下的復(fù)合風(fēng)暴潮災(zāi)害(海?氣耦合[5]、浪?潮耦合[6?8]、潮?洪耦合[9?10]等)成為沿海地區(qū)風(fēng)暴潮災(zāi)害脆弱性評(píng)估的主要研究對(duì)象. 風(fēng)暴潮水通過(guò)漫堤和潰口進(jìn)入陸域后, 河網(wǎng)對(duì)潮水進(jìn)行調(diào)蓄和運(yùn)輸, 在減少靠近海塘區(qū)域地面積水量的同時(shí), 也使部分潮水通過(guò)河網(wǎng)向上游輸運(yùn), 造成遠(yuǎn)離海塘的區(qū)域地面積水. 國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量對(duì)風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估研究, 并逐漸將研究重點(diǎn)放在多種災(zāi)害復(fù)合作用情景下的風(fēng)暴潮過(guò)程模擬分析. 對(duì)于上海市面臨的風(fēng)暴潮災(zāi)害造成的海塘潰決風(fēng)險(xiǎn), 現(xiàn)有研究常采用MIKE21、FloodMAP、Delft3D等數(shù)值模型進(jìn)行二維水動(dòng)力模擬[11?13], 分析海塘潰決后高潮疊加暴雨情形下的區(qū)域洪水演進(jìn)過(guò)程和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn), 評(píng)估各研究區(qū)域在面臨上述情境災(zāi)害下的脆弱性. 在較大時(shí)空尺度的風(fēng)暴潮災(zāi)害模擬中, 現(xiàn)有研究往往對(duì)河網(wǎng)的刻畫(huà)較為簡(jiǎn)化, 保留區(qū)域內(nèi)主干河道[4,14]的同時(shí)忽略了支級(jí)河道對(duì)潮水的調(diào)蓄和運(yùn)輸功能,從而易出現(xiàn)對(duì)漫溢進(jìn)入陸面潮水的時(shí)空分布估計(jì)不準(zhǔn)確問(wèn)題, 影響受災(zāi)區(qū)域危險(xiǎn)性評(píng)估的準(zhǔn)確性. 作為城市最大的“海綿體”[15], 河網(wǎng)對(duì)區(qū)域內(nèi)澇的調(diào)蓄作用不可忽視[16?17], 在上海市易受風(fēng)暴潮影響的區(qū)域建立陸面?河網(wǎng)耦合模型, 精細(xì)化模擬風(fēng)暴潮水進(jìn)入陸域后的演進(jìn)過(guò)程, 對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)暴潮災(zāi)害具有重要的意義.

在上海沿江沿海5個(gè)行政區(qū)中, 位于西南部的金山區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)面對(duì)風(fēng)暴潮災(zāi)害時(shí)脆弱性相對(duì)較高[18]. 金山區(qū)南高北低，地坪高程為2.5 ～ 4.5 m, 較低的地坪高程使金山區(qū)在承受超標(biāo)“風(fēng)、潮、暴、洪”等災(zāi)害時(shí)面臨著更大的受災(zāi)風(fēng)險(xiǎn). 上海市有記錄的歷史數(shù)據(jù)中, 發(fā)生在金山區(qū)沿岸的風(fēng)暴潮災(zāi)害占據(jù)較高的比例, 自唐代至民國(guó)有記錄的風(fēng)暴潮災(zāi)害達(dá)百起以上[18]. 新中國(guó)成立后如5612號(hào)臺(tái)風(fēng)、7413號(hào)臺(tái)風(fēng)、8114號(hào)臺(tái)風(fēng)等引起的較大的風(fēng)暴潮災(zāi)害期間, 當(dāng)?shù)刈罡叱蔽痪_(dá)到5.5 m以上, 對(duì)金山區(qū)岸線造成了不同程度的破壞[19]. 根據(jù)上海市相關(guān)工程建設(shè)規(guī)范[20]中的上海地區(qū)外圍主要水文站點(diǎn)設(shè)計(jì)高潮位, 金山區(qū)金山嘴水文站200年一遇設(shè)計(jì)高潮位為6.83 m, 在5個(gè)沿江沿海行政區(qū)中最高,故而在相同超標(biāo)條件下超高水位絕對(duì)值大, 風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高. 與此同時(shí), 金山區(qū)沿海具有多處重點(diǎn)保護(hù)目標(biāo), 其中重要工業(yè)目標(biāo)包括上海石化和上海化工區(qū)兩個(gè)重要工業(yè)區(qū), 多達(dá)100家危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè),這些承災(zāi)體一旦受災(zāi), 極有可能引發(fā)危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏等次生災(zāi)害. 綜上所述, 本研究選取金山區(qū)作為典型區(qū)域, 基于MIKE11和MIKE21分別建立金山區(qū)一維河網(wǎng)模型和二維陸面模型, 并在MIKE FLOOD模塊中進(jìn)行一、二維模型耦合水動(dòng)力計(jì)算, 模擬分析在風(fēng)暴潮、臺(tái)風(fēng)、區(qū)間暴雨和流域洪水的綜合影響下金山區(qū)的積水變化過(guò)程, 為當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)暴潮災(zāi)害危險(xiǎn)性分析提供依據(jù).

1 研究區(qū)域概況

金山區(qū)位于長(zhǎng)江三角洲南翼, 太湖流域碟形洼地東南端, 東鄰奉賢區(qū), 西與浙江省平湖市、嘉善縣交界, 南瀕杭州灣, 北與松江區(qū)、青浦區(qū)接壤. 區(qū)域東西長(zhǎng)約44 km, 南北寬約26 km, 行政區(qū)劃面積為586.05 km2. 全境地勢(shì)低平, 地面高程自西北至東南略有升高, 東南地面高程為4 ～ 4.5 m, 中部高程為3.6 ～ 4 m, 西北部大多在3.5 m以下, 最低處在2.5 m以下. 金山區(qū)水系西臨杭嘉湖浙水下游, 受浙江客水和黃浦江潮水共同影響, 河渠交織成網(wǎng). 金山區(qū)現(xiàn)狀河道長(zhǎng)度為2 473.64 km, 河湖面積為41.74 km2, 河湖水面率約為7.12%[21]. 根據(jù)金山區(qū)河道藍(lán)線規(guī)劃, 當(dāng)?shù)匾?guī)劃河道長(zhǎng)約2 125 km, 其中骨干河道長(zhǎng)約336 km, 支級(jí)河道長(zhǎng)約1 789 km, 河面積53.98 km2, 河湖水面率約為9.21%. 規(guī)劃河湖布局如圖1所示.

圖 1 金山區(qū)規(guī)劃河湖布局示意圖Fig. 1 Distributions of plan rivers and lakes in Jinshan District

2 模型構(gòu)建及驗(yàn)證

本研究采用丹麥水力研究所(DHI)研發(fā)的MIKE 21模塊進(jìn)行平面二維水動(dòng)力計(jì)算, 用于模擬地面積水變化過(guò)程. MIKE 21模塊基于Boussinesq靜壓假定后的簡(jiǎn)化Navier?Stokes方程, 通過(guò)有限體積法求解垂向平均后的二維質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程.

采用MIKE 11構(gòu)建一維河網(wǎng), 用于區(qū)域河道水動(dòng)力計(jì)算. MIKE11為一維一層(垂向均質(zhì))的水力學(xué)模型, 其差分格式采用了Abbott?Ionescu六點(diǎn)中心隱式格式, 其數(shù)值計(jì)算采用傳統(tǒng)的“追趕法”, 即“雙掃”算法.

采用MIKE FLOOD模塊進(jìn)行MIKE11與MIKE21一、二維模型動(dòng)態(tài)耦合模擬計(jì)算, 可以模擬河道水位超過(guò)堤岸漫溢至周邊地坪以及地坪積水通過(guò)河道堤岸進(jìn)入河道的動(dòng)態(tài)過(guò)程.

各模型統(tǒng)一采用上海城建平面坐標(biāo)和上海吳淞高程坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算.

2.1 一維模型基本方程

MIKE11水動(dòng)力模塊的基本方程采用一維非恒定流的圣維南方程組:

式(1)和式(2)中:A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;Q為過(guò)水?dāng)嗝媪髁?x為沿程坐標(biāo);t為時(shí)間坐標(biāo);h為斷面水位;C為謝才系數(shù);R為水力半徑;g為重力加速度.

2.2 二維模型基本方程

MIKE 21水動(dòng)力模型基于Boussinesq靜壓假定后的簡(jiǎn)化Navier?Stokes方程, 其基本方程具體如下:

2.3 一、二維模型耦合

一、二維模型之間通過(guò)MIKE FLOOD模塊建立連接關(guān)系, 計(jì)算中通過(guò)雙掃描耦合計(jì)算方法進(jìn)行自動(dòng)耦合. 具體為: MIKE 11模型從MIKE 21模型中提取n時(shí)步的總水深h(n), 計(jì)算出n時(shí)步的流量Q(n); MIKE 11模型內(nèi)部預(yù)測(cè)器再根據(jù)n時(shí)步的流量Q(n)及總水深h(n), 應(yīng)用公式(6)預(yù)測(cè)出n+1/2時(shí)步的流量Q(n+1/2), 并作為源項(xiàng)提供給MIKE 21模型; MIKE 21模型再根據(jù)n+ 1/2時(shí)步的流量Q(n+1/2)計(jì)算出n+ 1時(shí)步的總水深h(n+1), 依此類推.

2.4 一、二維耦合模型設(shè)置

一維河網(wǎng)計(jì)算范圍包括金山區(qū)河道及鄰近的青浦區(qū)、松江區(qū)和奉賢區(qū)部分河道, 未包括浙江省平湖市范圍內(nèi)的河道. 模型中包括所有規(guī)劃骨干河道及主要支級(jí)河道共計(jì)339條, 并對(duì)部分支級(jí)河道進(jìn)行概化, 確保金山區(qū)范圍內(nèi)規(guī)劃河湖水面率為9.21%(見(jiàn)圖2(a)). 區(qū)域內(nèi)各級(jí)河道采用規(guī)劃河道斷面,斷面為梯形, 河口頂高取金山區(qū)平均地坪高程4.0 m, 骨干河道河底高程設(shè)置為 –1.0 m, 支級(jí)河道底高程設(shè)為0.0 m.

圖 2 一維河網(wǎng)模型與二維陸面模型計(jì)算范圍及河網(wǎng)分布Fig. 2 Range and framework of the 1?D river network model and the 2?D surface model

二維模型基于《上海市海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃(金山區(qū))》成果[22]提取建立. 模型計(jì)算范圍為: 東邊界至東經(jīng)121°47′附近, 西邊界至東經(jīng)121°20′附近, 北邊界至北緯30°57′附近, 南邊界至北緯30°23′附近. 計(jì)算區(qū)域包括整個(gè)金山區(qū)、部分奉賢區(qū)和浙江省平湖市以及上述區(qū)域外側(cè)杭州灣近岸水域, 共70 611個(gè)網(wǎng)格單元, 35 607個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn), 較好地?cái)M合了岸線. 模型的陸面地形數(shù)據(jù)中包含了具有擋水作用的海塘及道路工程(如滬杭線), 其他尺度較小的地形信息則進(jìn)行了概化處理. 杭州灣水域開(kāi)邊界處的模型網(wǎng)格尺寸較大, 約1 000 m, 海塘附近的網(wǎng)格分辨率較高, 網(wǎng)格尺度最小約為90 m(見(jiàn)圖2(b)). 研究區(qū)域潰口以及海表面風(fēng)場(chǎng)、氣壓的設(shè)置與《上海市海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃(金山區(qū))》成果[22]一致. 金山區(qū)海堤模擬潰口共設(shè)置兩處, 分別位于戚家墩至龍泉港出海閘間單塘(位置1)和城市沙灘(位置2), 如圖3所示. 潰口寬度為90 m, 潰決方式設(shè)置為瞬間全潰, 潰口的底高程取潰口所在海堤堤內(nèi)的地面高程. 計(jì)算風(fēng)場(chǎng)取典型5612號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑平移至金山區(qū)的不利條件, 設(shè)計(jì)臺(tái)風(fēng)中心氣壓設(shè)置為900 hpa, 約為該區(qū)域200年一遇的低氣壓. 二維模型水位邊界由上述評(píng)估成果選取的計(jì)算風(fēng)場(chǎng)疊加金山嘴潮位站連續(xù)19年的月最大天文潮的10%超越高潮位數(shù)確定, 此時(shí)金山區(qū)沿岸過(guò)程最高潮位可達(dá)9.4 m以上.

由于在本研究設(shè)置的風(fēng)暴潮潰堤漫溢工況下, 陸面、河網(wǎng)水位已較高, 城市排水管網(wǎng)已基本無(wú)法正常發(fā)揮其功能, 且管網(wǎng)本身容量有限, 故在本文中不考慮城市排水管網(wǎng)在模型中的作用. 模型綜合金山區(qū)土地利用、植被類型等數(shù)據(jù)在建模過(guò)程中對(duì)陸面底摩擦系數(shù)進(jìn)行了率定, 并使用前述評(píng)估成果[22]進(jìn)行了驗(yàn)證, 總體上結(jié)果良好.

在一、二維模型的重疊區(qū)域, 通過(guò)鏈接一維模型河道左右兩側(cè)堤岸與二維模型相應(yīng)的陸域網(wǎng)格,形成側(cè)向流的交互, 完成一、二維模型的耦合建模.

2.5 計(jì)算工況設(shè)置

為比較有無(wú)河網(wǎng)調(diào)蓄對(duì)金山區(qū)風(fēng)暴潮漫溢積水分布的影響, 設(shè)置風(fēng)暴潮影響下無(wú)河網(wǎng)調(diào)蓄(工況0)和有河網(wǎng)調(diào)蓄(工況1)兩種計(jì)算工況.

圖 3 一、二維耦合模型計(jì)算示意圖Fig. 3 Construction of the 1?D and 2?D coupled model

為分析降雨的影響, 在工況1的基礎(chǔ)上, 設(shè)置疊加區(qū)間暴雨影響的工況(工況2), 其中模型的降雨根據(jù)上海市治澇標(biāo)準(zhǔn)[23]中對(duì)設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期的相關(guān)要求, 選取金山區(qū)20年一遇最大24 h降雨(24 h總雨量191 mm), 雨型為“菲特”雨型, 如圖4所示. 考慮到風(fēng)暴潮通過(guò)漫堤、潰口進(jìn)入陸面時(shí), 地表陸續(xù)出現(xiàn)大范圍積水, 植被等基本已失去調(diào)蓄雨水的能力, 因此設(shè)定所有降雨全部轉(zhuǎn)化為地表徑流. 按照不利因素組合考慮, 模型中設(shè)定最大單小時(shí)降雨與近岸最高風(fēng)暴潮位遭遇.

圖 4 “菲特”雨型20年一遇24 h降雨逐時(shí)雨量分布Fig. 4 Hourly distribution of precipitation with “Fate” pattern and 20?year return period over 24 hours

在研究區(qū)域遭遇風(fēng)暴潮與區(qū)間暴雨的基礎(chǔ)上, 設(shè)置黃浦江上游同時(shí)發(fā)生流域洪水產(chǎn)生潰堤, 即遭遇“風(fēng)、暴、潮、洪”四碰頭的共同影響(工況3). 設(shè)置黃浦江沿岸各排水閘門(mén)因上游洪水而全部關(guān)閉,并在行洪期間出現(xiàn)潰堤情況. 黃浦江上游紅旗塘–大蒸塘–圓泄涇河道共設(shè)置3處潰口(見(jiàn)圖5), 潰口寬度均為90 m, 潰決方式設(shè)置為瞬間全潰, 潰口底高程取潰口所在河道堤防外地面高程. 考慮到“菲特”臺(tái)風(fēng)期間, 黃浦江上游米市渡水文站達(dá)到了歷史最高水位, 故黃浦江上游采用“菲特”臺(tái)風(fēng)期間的實(shí)況洪水. 按照不利因素組合考慮, 設(shè)置黃浦江最高水位出現(xiàn)在區(qū)域內(nèi)地面過(guò)程積水量最大時(shí)刻(第140小時(shí)), 并在該時(shí)刻發(fā)生潰堤.

各計(jì)算工況考慮的因素具體見(jiàn)表1.

3 風(fēng)暴潮作用下金山區(qū)積水分布情況

不考慮河網(wǎng)(工況0)和考慮陸域河網(wǎng)(工況1)條件下計(jì)算的金山區(qū)界范圍內(nèi)總進(jìn)水量、積水量、河網(wǎng)調(diào)蓄水量的變化過(guò)程如圖6所示, 模型設(shè)置在模擬的第134小時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)潰口進(jìn)水. 在工況0中,地面最大積水出現(xiàn)在第150小時(shí); 工況1中, 地面最大積水出現(xiàn)在第140小時(shí). 各工況計(jì)算結(jié)束時(shí)刻均為第240 小時(shí). 未考慮河道時(shí), 金山區(qū)范圍內(nèi)風(fēng)暴潮進(jìn)水量先增后減, 過(guò)程最大積水量為2.81億m3(第150小時(shí)), 計(jì)算結(jié)束時(shí)的總積水量為2.39億m3. 考慮河道后, 風(fēng)暴潮進(jìn)水量變化過(guò)程與無(wú)河網(wǎng)時(shí)略有不同, 總體上呈遞增趨勢(shì). 地面最大積水量為1.54億m3(第140小時(shí)), 顯著小于無(wú)河道條件; 河道調(diào)蓄量為0.97億m3,總水量為2.51億m3, 該工況下風(fēng)暴潮進(jìn)水量等于地面積水量與河道調(diào)蓄量之和. 計(jì)算結(jié)束時(shí)地面積水量為1.22億m3, 河道調(diào)蓄量為1.45億m3, 總水量為2.67億m3. 總體上, 考慮陸域河網(wǎng)后, 金山區(qū)風(fēng)暴潮過(guò)程最大進(jìn)水量從2.81 億m3減少至2.67 億m3, 減幅約5%, 由于河道的調(diào)蓄作用, 地面最大積水量從2.81 億m3減少至1.54 億m3(見(jiàn)表2), 減幅約45%.

圖 5 黃浦江上游紅旗塘–大蒸塘–圓泄涇潰口位置分布Fig. 5 Location of the Hongqitang to Yuanxiejing breach at the upper Huangpu River

表 1 計(jì)算工況表Tab. 1 Calculation conditions

圖 6 無(wú)河網(wǎng)和有河網(wǎng)條件下金山區(qū)風(fēng)暴潮進(jìn)水量、地面積水量、河道調(diào)蓄量變化過(guò)程Fig. 6 The quantity of total inflow, surface waterlogging, and stream channel storage during a storm surge event with (and without) considering the river network in Jinshan district

有無(wú)河網(wǎng)條件下陸域最大積水深度分布如圖7所示. 考慮河網(wǎng)調(diào)蓄后, 由于部分積水進(jìn)入河網(wǎng),海塘附近地面積水深度顯著減小, 金山區(qū)內(nèi)3 m以上積水區(qū)域僅出現(xiàn)在沿海黃姑塘、衛(wèi)城南河、老龍泉港以南地區(qū), 1.5 m以上積水影響范圍由工況0下的到達(dá)金山區(qū)中部縮小至工況1下的紅旗港以南區(qū)域; 金山區(qū)紅旗港以北區(qū)域積水深度逐漸降低, 至中運(yùn)河附近已無(wú)較為明顯的積水. 有無(wú)河網(wǎng)工況下陸域最大積水分布差異如圖8所示, 河網(wǎng)調(diào)蓄顯著減小了金山區(qū)中部及南部區(qū)域特別是鄰近海塘內(nèi)側(cè)區(qū)域的積水深度, 積水深度的減小幅度最大超過(guò)1 m. 由于河道的連通性及金山區(qū)地形南高北低的特點(diǎn), 從近海塘一側(cè)地面進(jìn)入河道的風(fēng)暴潮水被迅速向河道上游輸運(yùn), 導(dǎo)致金山區(qū)西北角局部區(qū)域積水程度略有增加, 增加幅度最大約0.1 m.

表 2 不同計(jì)算工況下特征時(shí)刻金山區(qū)內(nèi)積水量統(tǒng)計(jì)Tab. 2 Statistics on water accumulation in Jinshan District at a characteristic time under different calculation conditions

圖 7 風(fēng)暴潮條件下無(wú)河網(wǎng)(左)和有河網(wǎng)(右)陸域最大積水深度分布Fig. 7 Distribution of maximum surface waterlogging during a storm surge event under calculation condition 0 (left) and calculation condition 1 (right)

工況0與工況1下金山區(qū)地面最大積水面積和平均最大積水深度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3. 考慮河網(wǎng)調(diào)蓄功能后, 由于河網(wǎng)的調(diào)蓄能力, 最大積水面積從561.74 km2減至426.39 km2, 減幅約24%, 平均最大積水深度從115.65 cm減至71.29 cm, 減幅約38%, 最大積水深度從7.71 m減至7.70 m, 地面積水程度大幅度減小.

4 風(fēng)暴潮疊加區(qū)間降雨和流域洪水作用下金山區(qū)積水分布情況

在考慮陸域河道調(diào)蓄功能時(shí), 在無(wú)降雨(工況1)及降雨(工況2)條件下, 金山區(qū)范圍內(nèi)風(fēng)暴潮進(jìn)水量、降雨產(chǎn)流量、地面積水量、河道調(diào)蓄量等統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2. 有降雨時(shí), 由于風(fēng)暴潮通過(guò)漫堤和潰堤進(jìn)入陸域之前, 地面已存在一部分積水, 使得進(jìn)入地面的風(fēng)暴潮水較無(wú)降雨時(shí)略有減少, 在地面最大積水時(shí)刻(第140 h), “菲特”雨型下風(fēng)暴潮進(jìn)水量約為2.47億m3, 較無(wú)降雨時(shí)減小0.04億m3.

圖 8 風(fēng)暴潮條件下有無(wú)河網(wǎng)工況下陸域最大積水深度差異(有河網(wǎng)工況減無(wú)河網(wǎng)工況)Fig. 8 Difference in maximum waterlogging depth with the river network included and excluded during a storm surge event (i.e., calculation condition 1 minus calculation condition 0)

表 3 不同工況下金山區(qū)地面最大積水面積和積水深度Tab. 3 Maximum area and depth of waterlogging in Jinshan District under different calculation conditions

考慮降雨時(shí), 在第140小時(shí), 降雨的產(chǎn)流量為1.14億m3, 至第240小時(shí)為1.17億m3(見(jiàn)表2). 考慮降雨時(shí), 金山區(qū)范圍內(nèi)河道調(diào)蓄量在第140小時(shí)和第240小時(shí)均出現(xiàn)0.06億m3的增加, 地面積水量在第140小時(shí)和第240小時(shí)的增幅分別為1.04億m3和1.14億m3. 降雨導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)總水量大幅提高,在第140小時(shí), 區(qū)域內(nèi)總水量(3.61億m3)較無(wú)降雨時(shí)(2.51億m3)增加約44%; 在第240小時(shí), 區(qū)域總水量(3.87億m3)較無(wú)降雨時(shí)(2.67億m3)增加約45%.

“菲特”雨型降雨條件下, 陸域最大積水深度分布如圖9(a)所示, 有降雨情況下積水的空間分布總體趨勢(shì)上與無(wú)降雨條件下相同, 積水深度總體增加. “菲特”雨型降雨條件與無(wú)降雨條件的最大積水差異如圖10(a)所示, 降雨主要造成金山區(qū)紅旗港以北的陸域積水量增加, 最大積水深度增加超過(guò)0.5 m;紅旗港以南特別是黃姑塘–衛(wèi)城河–運(yùn)石河以南的沿海區(qū)域, 在降雨條件下積水深度基本無(wú)變化.

不同工況下金山區(qū)最大積水面積和平均最大積水深度統(tǒng)計(jì)如表3所示. 考慮降雨時(shí), 雨水降至地面導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域全部出現(xiàn)積水, 最大積水面積為603.87 km2, 較無(wú)降雨時(shí)(426.39 km2)增加46%, “菲特”雨型降雨條件下平均最大積水深度為72.95 cm, 較無(wú)降雨時(shí)(72.29 cm)增加0.9%, 最大積水深度為7.70 m, 與無(wú)降雨時(shí)一致. 考慮降雨后區(qū)域內(nèi)總積水程度大于無(wú)降雨條件.

在考慮“菲特”雨型降雨前提下, 黃浦江上游紅旗塘–大蒸塘–圓泄涇無(wú)潰堤和發(fā)生潰堤兩種情況下的金山區(qū)最大積水深度分布如圖9(b)所示. 由積水分布可見(jiàn), 黃浦江上游發(fā)生潰堤對(duì)金山區(qū)內(nèi)總體積水淹沒(méi)分布無(wú)明顯的影響, 僅在潰口鄰近局部區(qū)域增加了積水深度. 有無(wú)潰堤兩種條件下模型計(jì)算得出的積水差值如圖10(b)所示, 潰口2和潰口3造成了向蕩港以北、掘石港以東及茹港以西所包含的東西長(zhǎng)約10 km、南北寬約3 km的陸域內(nèi)積水增加0.2 ～ 0.5 m; 潰口1在降雨同期發(fā)生的情況下, 使?jié)⒖诟浇懹蚍e水增加約0.1 m. 由表3統(tǒng)計(jì)的積水?dāng)?shù)據(jù)可知, 考慮流域洪水潰決后, 金山區(qū)內(nèi)平均最大積水深度由72.95 cm提高到73.46 cm, 增幅為0.70%, 金山區(qū)最大積水面積及最大積水深度較無(wú)潰口工況均無(wú)明顯變化.

圖 9 風(fēng)暴潮僅疊加降雨與同時(shí)疊加降雨和潰堤下陸域最大積水范圍和最大積水深度分布比較Fig. 9 (a) Maximum area and depth of surface waterlogging during a storm surge event with regional precipitation(calculation condition 2); (b) Maximum area and depth of surface waterlogging during a storm surge event with regional precipitation and flooding (calculation condition 3)

圖 10 風(fēng)暴潮疊加降雨或區(qū)間洪水后陸域積水差異Fig. 10 (a) Difference in maximum waterlogging depth with precipitation included and excluded during a storm surge event (i.e., calculation condition 2 minus calculation condition 1); (b) Difference in maximum waterlogging depth with flood included and excluded during a storm surge event(calculation condition 3 minus calculation condition 2)

綜上所述, 黃浦江上游紅旗塘–大蒸塘–圓泄涇上發(fā)生潰堤時(shí), 在“菲特”臺(tái)風(fēng)期間實(shí)況水位過(guò)程條件下, 僅在潰口周邊局部區(qū)域增加了積水程度, 對(duì)金山區(qū)范圍內(nèi)的積水程度基本無(wú)影響.

5 風(fēng)暴潮疊加區(qū)間降雨和流域洪水對(duì)危險(xiǎn)性等級(jí)的影響

根據(jù)《風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和區(qū)劃技術(shù)導(dǎo)則》[24]的規(guī)定, 對(duì)區(qū)域淹沒(méi)水深危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)按照不同積水深度分為4級(jí), 如表4所示. 按此劃分標(biāo)準(zhǔn), 根據(jù)不同工況下金山區(qū)最大積水分布計(jì)算了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí), 用紅(Ⅰ級(jí))、橙(Ⅱ級(jí))、黃(Ⅲ級(jí))、藍(lán)(Ⅳ級(jí))四色標(biāo)識(shí)表征危險(xiǎn)性等級(jí)大小.

表 4 市(縣)尺度淹沒(méi)水深危險(xiǎn)性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab. 4 Risk level of waterlogging depth at the city or county level

僅考慮風(fēng)暴潮(工況0)與綜合風(fēng)暴潮、區(qū)間降雨和流域洪水, 并考慮河道調(diào)蓄(工況3)條件下金山區(qū)危險(xiǎn)性等級(jí)分布如圖11所示. 模型在疊加20年一遇區(qū)間降雨及“菲特”臺(tái)風(fēng)期間黃浦江上游的洪水潰堤后, 由于考慮了河道的調(diào)蓄作用, 地面積水較僅考慮風(fēng)暴潮淹沒(méi)的工況顯著減小, 除靠近海塘的區(qū)域危險(xiǎn)性等級(jí)未出現(xiàn)變化外, 金山區(qū)中部和北部大部分區(qū)域危險(xiǎn)性等級(jí)總體減小. 兩種工況下不同等級(jí)區(qū)域的面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示. 工況0和工況3相比, 高危險(xiǎn)性等級(jí)(Ⅰ–Ⅲ級(jí))區(qū)域面積減小, 低危險(xiǎn)性等級(jí)(Ⅳ級(jí))區(qū)域面積增加, 金山區(qū)危險(xiǎn)性等級(jí)大幅下降, 其中危險(xiǎn)性等級(jí)Ⅰ的面積從35.04 km2降至17.99 km2, 降幅約49%; 危險(xiǎn)性等級(jí)Ⅱ的面積從144.84 km2降至66.92 km2, 降幅約54%; 危險(xiǎn)性等級(jí)Ⅲ的面積從275.74 km2降至226.41 km2, 降幅約18%; 危險(xiǎn)性等級(jí)Ⅳ的面積大幅增加, 從95.76 km2增至281.17 km2, 增幅約194%.

圖 11 工況0(左)和工況3(右)條件下金山區(qū)危險(xiǎn)性等級(jí)分布Fig. 11 Risk level distribution in Jinshan District under calculation condition 0(left) and calculation condition 3 (right)

表 5 不同計(jì)算工況下金山區(qū)不同危險(xiǎn)性等級(jí)面積Tab. 5 Waterlogging area for different risk levels in Jinshan District under calculation condition 0 and calculation condition 3

工況0與工況3條件下金山區(qū)危險(xiǎn)性等級(jí)變化分布如圖12所示. 總體上金山區(qū)南部、中部和北部大部分區(qū)域積水危險(xiǎn)性等級(jí)無(wú)變化或降低1級(jí), 局部降低2級(jí); 西北角部分區(qū)域積水危險(xiǎn)性等級(jí)提高1級(jí), 局部增加2級(jí); 金山化工區(qū)由于降雨作用積水危險(xiǎn)性等級(jí)提高1級(jí). 區(qū)域的積水危險(xiǎn)性不同等級(jí)變化如表6所示, 危險(xiǎn)性等級(jí)無(wú)變化、降低1級(jí)和提高1級(jí)的區(qū)域面積分別為309.23 km2、243.33 km2和23.75 km2, 三者占總面積的95%以上; 變化等級(jí)超過(guò)2級(jí)以上的區(qū)域較少, 面積占比不足5%.

圖 12 工況0和工況3條件下金山區(qū)危險(xiǎn)性等級(jí)差異(工況3減工況0)Fig. 12 Change in waterlogging risk level from calculation condition 0 to calculation condition 3 in Jinshan District (+ denotes rise, – denotes fall)

表 6 金山區(qū)工況3較工況0危險(xiǎn)性等級(jí)變化面積及占比Tab. 6 Statistics on changes in risk level for waterlogging area in Jinshan District from calculation condition 0 to calculation condition 3

綜合考慮河網(wǎng)調(diào)蓄及風(fēng)暴潮疊加區(qū)間降雨和流域洪水的情形相比僅考慮風(fēng)暴潮的情形, 金山區(qū)危險(xiǎn)性等級(jí)不變或降低1個(gè)等級(jí)的區(qū)域約占85%, 危險(xiǎn)性等級(jí)提升1個(gè)等級(jí)的區(qū)域約占全區(qū)總面積的10%. 由結(jié)果可見(jiàn), 考慮河網(wǎng)調(diào)蓄的影響后, 區(qū)域內(nèi)整體淹沒(méi)分布出現(xiàn)一定程度改變, 金山區(qū)西北角危險(xiǎn)性等級(jí)提高, 中部和北部大部分區(qū)域危險(xiǎn)性等級(jí)降低, 結(jié)果較僅考慮風(fēng)暴潮情形所得到的危險(xiǎn)性等級(jí)更符合實(shí)際.

6 結(jié) 論

本研究以上海市金山區(qū)為例, 采用一維河網(wǎng)及二維陸域海域風(fēng)暴潮耦合數(shù)學(xué)模型, 在考慮陸域河道調(diào)蓄功能的作用下, 分別定量計(jì)算風(fēng)暴潮災(zāi)害疊加區(qū)間降雨和流域洪水對(duì)金山區(qū)積水時(shí)空變化的影響, 并比較了金山區(qū)在多種致災(zāi)因子綜合作用下的危險(xiǎn)性等級(jí)與僅考慮風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)下危險(xiǎn)性等級(jí)的差異, 得出了以下主要結(jié)論.

(1)定量比較了金山區(qū)考慮河道調(diào)蓄功能和不考慮河道調(diào)蓄功能兩種條件下積水過(guò)程的差異. 考慮陸域河網(wǎng)調(diào)蓄功能后, 極端風(fēng)暴潮在研究區(qū)域造成的地面積水量較無(wú)河網(wǎng)條件減小約45%, 平均最大積水深度減小約38%.

(2)考慮河網(wǎng)調(diào)蓄后, 在疊加20年一遇典型設(shè)計(jì)降雨情況下, 研究區(qū)域陸域積水量較無(wú)降雨情況下增大約68%. 在此基礎(chǔ)上, 若黃浦江上游在“菲特”實(shí)況洪水期間潰堤, 研究區(qū)域僅在潰口鄰近局部區(qū)域增加一定積水, 金山區(qū)河道過(guò)程最大調(diào)蓄量和地面最大積水量均無(wú)變化.

(3)綜合考慮“風(fēng)暴潮洪”四碰頭情形和河道的調(diào)蓄作用, 與僅考慮風(fēng)暴潮情形相比, 研究區(qū)域內(nèi)淹沒(méi)分布總體上出現(xiàn)一定程度的改變, 研究區(qū)域陸域積水深度顯著減小, 危險(xiǎn)等級(jí)也相應(yīng)減小, 金山區(qū)中部和北部大部分區(qū)域危險(xiǎn)性等級(jí)降低, 西北角危險(xiǎn)等級(jí)提高, 結(jié)果更符合實(shí)際.