劉業(yè)森，劉 舒，劉媛媛，李 敏，李 匡，臧文斌，鄭敬偉，劉金釗

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.昌邑市峽山灌區(qū)灌溉所，山東 昌邑 216300）

1 研究背景

全球氣候變化和快速城鎮(zhèn)化造成城市極端降雨事件日益增多，城市暴雨洪澇加劇。我國(guó)總體上仍處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展、城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)上升階段[1-2]。實(shí)測(cè)資料顯示，近年來(lái)伴隨著快速城鎮(zhèn)化，城市強(qiáng)降雨的時(shí)空不均勻性越發(fā)明顯，表現(xiàn)為降雨空間差異不斷增加[3]，時(shí)程分布更為集中[4]。由于降雨觀測(cè)站點(diǎn)稀疏且分布不均等因素，觀測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率難以充分刻畫一場(chǎng)降雨的時(shí)空不均勻特征[5-6]，這是影響城市洪澇模擬效果的主要瓶頸之一[7]。

目前關(guān)于降雨時(shí)空不均勻性對(duì)城市河道洪水的影響研究主要集中在兩方面：降雨時(shí)程變化（雨型）對(duì)城市河道洪水的影響和和降雨空間變化（空間分布不均）對(duì)城市河道洪水的影響[6，8-12]。降雨時(shí)程變化方面，Huang等[13]對(duì)廣州市進(jìn)行了研究，在匯流歷時(shí)內(nèi)平均雨強(qiáng)相同的條件下，雨峰在中部或后部比均勻雨型的洪峰大30%以上；侯精明等[14]在西安市西咸新區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)暴雨峰現(xiàn)時(shí)間對(duì)城區(qū)積水總量、積水深度和內(nèi)澇面積具有明顯影響；唐雙成等[15]針對(duì)雨水花園進(jìn)行了研究，實(shí)測(cè)降雨歷時(shí)和雨強(qiáng)是造成雨水遺留的主要原因。降雨空間變化對(duì)城市河道洪水的影響方面，相關(guān)研究指出，如果研究區(qū)范圍內(nèi)降雨存在明顯空間差異，忽略這種空間差異會(huì)造成洪水模擬結(jié)果的明顯偏差[16-17]。劉成林等[18]研究指出，降雨空間分布不均勻性會(huì)對(duì)廣州市城市排水系統(tǒng)造成明顯影響；陳光照等[19]研究表明，相比于空間均勻降雨，空間分布不均勻降雨造成的內(nèi)澇積水量會(huì)減少；唐穎[20]在云南昭通市研究表明，采用基于雷達(dá)估測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建的降雨空間分布進(jìn)行城市洪澇模擬，模擬結(jié)果的精度明顯高于采用空間均勻的降雨。綜上，相關(guān)研究對(duì)降雨的時(shí)程變化、空間變化等整體性特征關(guān)注較多，而對(duì)降雨移動(dòng)方向等動(dòng)態(tài)性特征關(guān)注較少。

降雨事件是一種具有時(shí)空動(dòng)態(tài)性的自然現(xiàn)象[21]，在城市洪澇模擬中，目前主要采用分區(qū)方法處理降雨的時(shí)空差異，等同于將一個(gè)整體的降雨過(guò)程人為割裂[22]。一方面，相較于以自然地表為主的自然流域，以人造地表為主的城市區(qū)域水流交換過(guò)程復(fù)雜，降雨產(chǎn)流后主要通過(guò)地下管網(wǎng)匯流，難以劃分清晰的匯流邊界[22]，因此必須考慮相鄰區(qū)域之間的水流交換和相互影響[23-25]。另一方面，城市地表和地下管網(wǎng)變化快，難以利用歷史的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行降雨-洪澇關(guān)系研究[26]。洪峰流量是河道洪水災(zāi)害防治主要的關(guān)注指標(biāo)之一，本文采用了數(shù)值模擬方法，首先基于多年歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)降雨過(guò)程的時(shí)空不均勻特征，據(jù)此構(gòu)建多個(gè)不同移動(dòng)方向的降雨過(guò)程，然后調(diào)用洪澇模型進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而提取河道斷面洪峰流量，并構(gòu)建河道洪峰影響評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究降雨移動(dòng)方向?qū)榉宓挠绊憽?/p>

2 研究區(qū)概況

區(qū)域氣候模式PRECIS的模擬結(jié)果表明，中國(guó)東南沿海地區(qū)未來(lái)將會(huì)有更多的極端降雨事件發(fā)生[27-28]，將加重該地區(qū)原本就很高的城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)[29]，深圳市在全球136個(gè)沿海城市中未來(lái)洪災(zāi)損失風(fēng)險(xiǎn)排名高居第五[30]。據(jù)近10年氣象站點(diǎn)監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，深圳市年均降雨量達(dá)1863.9 mm，降雨時(shí)空分配非常不均衡，年內(nèi)變化大[31]，深圳市每年都會(huì)受到臺(tái)風(fēng)暴雨影響，城市洪澇問(wèn)題嚴(yán)重威脅城市運(yùn)行安全，造成巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失[32-33]。本文選擇深圳市中心區(qū)的河灣片區(qū)作為研究區(qū)（圖1）。河灣片區(qū)位于珠江口東側(cè)，包括南山、福田、羅湖三個(gè)城市中心區(qū)和龍崗區(qū)的布吉、南灣街道，總面積293 km2（深圳側(cè)的面積），是深圳市建設(shè)的最早、最成熟的地區(qū)[34]。

3 研究方法

3.1 研究流程本文研究流程見圖2。首先基于歷史降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征，構(gòu)建降雨過(guò)程集合，作為河灣片區(qū)城市洪澇模型的輸入條件，編寫批處理程序，調(diào)用洪澇模型模擬河道洪水過(guò)程；從模型結(jié)果中提取河道斷面的洪峰流量，以洪峰流量為基礎(chǔ)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別從全區(qū)、河流、斷面尺度分析降雨移動(dòng)方向?qū)拥篮榉宓挠绊憽?/p>

圖2 研究流程圖

3.2 降雨過(guò)程構(gòu)建根據(jù)深圳市目前采用的設(shè)計(jì)暴雨推求公式，考慮到可能最大雨強(qiáng)，設(shè)計(jì)了從10 mm/h到130 mm/h的13個(gè)雨強(qiáng)方案，降雨過(guò)程采用芝加哥雨型，見表1。

表1 降雨過(guò)程雨量分配

根據(jù)深圳市2008—2018年63個(gè)氣象站點(diǎn)逐5 min降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，所有場(chǎng)次降雨的降雨中心移動(dòng)速度平均約為10 km/h[35]，而河灣片區(qū)邊界的外接圓直徑約30 km，即降雨中心移動(dòng)過(guò)整個(gè)河灣片區(qū)約需3 h。因此，基于表1的降雨時(shí)程分配方案，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)的降雨移動(dòng)過(guò)程。降雨移動(dòng)方向按照等角度間隔設(shè)計(jì)了100個(gè)移動(dòng)方向（圖3），圖中箭頭方向表示降雨移動(dòng)方向。共構(gòu)建了1300個(gè)降雨過(guò)程（13個(gè)雨強(qiáng)×100個(gè)方向=1300）。為了進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)構(gòu)建了13個(gè)同步降雨過(guò)程（降雨中心不移動(dòng)，即全區(qū)同步降雨）。

圖3 降雨移動(dòng)方向示意圖

圖4為表1中“方案7”（70 mm/h）雨強(qiáng)按編號(hào)為“15”的移動(dòng)方向所構(gòu)建的降雨過(guò)程的累積雨量分布圖。

圖4 累積雨量分布圖（70 mm/h、移動(dòng)方向編號(hào)為“15”）

3.3 洪水過(guò)程模擬利用河灣片區(qū)洪澇模型分別模擬各降雨方案下的河道洪水過(guò)程，模擬結(jié)果中包括每個(gè)斷面的洪水過(guò)程。該模型利用2018—2019年的23場(chǎng)實(shí)際降雨過(guò)程進(jìn)行了率定檢驗(yàn)，在12個(gè)關(guān)鍵斷面的水位誤差均在0.16 m以內(nèi)，精度滿足洪水過(guò)程模擬要求。河流分布及斷面位置見圖1。

根據(jù)管網(wǎng)、地形、河道、溝渠、及排水工程分布情況，將研究區(qū)劃分為483個(gè)排水分區(qū)，結(jié)合土地利用、坡度等獲得各分區(qū)的產(chǎn)匯流參數(shù)，利用新安江模型進(jìn)行產(chǎn)流過(guò)程計(jì)算；河道洪水過(guò)程利用一維水動(dòng)力模型進(jìn)行計(jì)算，河道斷面按100 m左右間隔進(jìn)行布置。各排水分區(qū)通過(guò)地下管網(wǎng)入口與河道斷面進(jìn)行關(guān)聯(lián)。模型計(jì)算結(jié)果包括1284個(gè)河道斷面的流量、水位、流速等。在使用模型前利用2018—2019年的降雨徑流資料進(jìn)行了參數(shù)率定[36]。構(gòu)建了批處理程序，調(diào)用洪澇模型程序?qū)?313個(gè)降雨方案的洪水過(guò)程進(jìn)行了模擬。所有模擬過(guò)程均采用了相同的邊界條件，包括河道初始水位、前期降雨條件等，以保證模擬結(jié)果的可比性。

3.4 影響度指標(biāo)從洪澇模型模擬得到的結(jié)果中，分別提取了模型中1284個(gè)斷面的洪峰流量。以同步降雨方案的模擬結(jié)果為參照，研究降雨移動(dòng)方向?qū)榉辶髁康挠绊?。移?dòng)方向編號(hào)為a、雨強(qiáng)為p的降雨過(guò)程的洪峰影響度指標(biāo)計(jì)算方法見式（1）：

式中：I為移動(dòng)方向，編號(hào)為a、雨強(qiáng)為p的降雨過(guò)程對(duì)該斷面洪峰的影響度；Qp為雨強(qiáng)為p的同步降雨方案條件下該斷面的洪峰流量，m3/s，p=10 mm，20 mm，…，130 mm；Qap為移動(dòng)方向編號(hào)為a、雨強(qiáng)為p的降雨過(guò)程對(duì)應(yīng)的洪峰流量，m3/s，a=1，2，…，100。

4 結(jié)果與分析

4.1 洪峰影響指標(biāo)總體統(tǒng)計(jì)特征分別提取1300個(gè)模擬結(jié)果中所有斷面（1284個(gè)）的洪峰影響度指標(biāo)，得到1 669 200個(gè)指標(biāo)值，統(tǒng)計(jì)顯示其中75.4%的指標(biāo)值低于1，24.6%的指標(biāo)值大于1，即洪峰流量降低的數(shù)量為洪峰流量增加數(shù)量的3倍。指標(biāo)值分段統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 不同雨強(qiáng)條件下降雨過(guò)程異質(zhì)性對(duì)洪峰的影響度統(tǒng)計(jì) （單位：%）

表2可見，影響度在0.9～1.0之間的占大多數(shù)，所有13個(gè)雨強(qiáng)的平均值為58.9%；影響度在1.0～1.1之間的平均占21.0%，兩者合計(jì)占比達(dá)79.9%，說(shuō)明接近80%的斷面洪峰受降雨過(guò)程異質(zhì)性的影響在10%以內(nèi)。隨著雨強(qiáng)增大，影響度在0.9～1.1之間的指標(biāo)值有所增加，雨強(qiáng)小于70 mm/h的情況下，平均為66.6%，雨強(qiáng)大于70 mm/h的情況下，平均為93.2%。

4.2 洪峰影響指標(biāo)沿河分布情況選擇研究區(qū)內(nèi)大沙河、新洲河、福田河、布吉河四條主要河流，以70 mm/h雨強(qiáng)對(duì)應(yīng)的100個(gè)降雨方案為例，從每個(gè)斷面的100個(gè)指標(biāo)值選取其中最大值（表示最大洪峰流量）和最小值（表示最小洪峰流量），沿河分布情況見圖5。

圖5 洪峰影響指標(biāo)沿河分布情況

圖5中，紅色虛線表示同步降雨方案模擬得到的洪峰流量?？砂l(fā)現(xiàn)，四條河流中，影響度最小值偏離紅色虛線的程度明顯大于最大值的偏離程度，結(jié)合4.1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，非同步降雨相較于同步降雨，洪峰降低的概率要大于洪峰增加的概率；各條河流下游斷面的影響度變化范圍明顯高于上游斷面，即降雨非同步性對(duì)河流下游斷面洪峰的影響要明顯高于河流上游；從大沙河來(lái)看，在河流流向發(fā)生較大變化時(shí)，影響度指標(biāo)最大值和最小值均出現(xiàn)明顯變化，說(shuō)明河流流向?qū)τ绊懚扔幸欢ǖ挠绊憽?/p>

4.3 典型斷面洪峰影響指標(biāo)特征以70 mm/h雨強(qiáng)方案為基礎(chǔ)構(gòu)建的100個(gè)降雨過(guò)程為例進(jìn)行分析，部分?jǐn)嗝娴慕y(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6。

圖6 典型斷面洪峰影響度

圖6中，每個(gè)黃點(diǎn)表示一個(gè)降雨過(guò)程，100個(gè)黃點(diǎn)分別表示不同移動(dòng)方向（圖3）的降雨過(guò)程模擬得到的結(jié)果，圓環(huán)中心與黃點(diǎn)連線的方向表示降雨移動(dòng)方向（與圖3中的移動(dòng)方向相同），黃點(diǎn)在圓環(huán)中所處位置（黃點(diǎn)離開圓心的距離）表示該降雨過(guò)程模擬計(jì)算得到的洪峰影響度。三角符號(hào)尖頭方向表示洪峰影響度最大的降雨過(guò)程移動(dòng)方向?？梢园l(fā)現(xiàn)，部分?jǐn)嗝婧榉逵绊懚瘸尸F(xiàn)對(duì)稱效果，如大沙河下游斷面，角度編號(hào)為“15”的降雨過(guò)程模擬得到的影響度最大，大于1.1，而相反方向降雨過(guò)程影響度最小，低于0.8；有些斷面影響度整體偏?。ň∮?），如福田河上游斷面；有些斷面則影響度波動(dòng)很小，如布吉河上游斷面，不同降雨過(guò)程模擬得到的影響度均接近1。

4.4 城市暴雨洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)影響在城市防洪實(shí)踐中，需要面對(duì)已知未來(lái)降雨量（總雨量或最大雨強(qiáng)）但未知其時(shí)空過(guò)程的情況下，進(jìn)行河道洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。針對(duì)此需求，選擇了大沙河下游某斷面（圖1中第33號(hào)斷面），根據(jù)本文洪澇模擬的結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了在各種雨強(qiáng)條件下，考慮各種降雨移動(dòng)方向可能性的情況下，該斷面可能的風(fēng)險(xiǎn)范圍（可能是多大量級(jí)降雨造成的），見圖7。

圖7 降雨移動(dòng)方向不確定可能造成的河道洪水風(fēng)險(xiǎn)范圍示意圖

圖7中，以70 mm/h雨強(qiáng)為例，其洪峰流量可能與58～99 mm/h的降雨過(guò)程產(chǎn)生的洪峰相等，因此，在進(jìn)行城市河道暴雨洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，應(yīng)該考慮降雨移動(dòng)方向的影響。

5 討論

從模擬計(jì)算結(jié)果看，降雨移動(dòng)方向?qū)Τ鞘泻拥篮榉寰哂忻黠@影響，其影響程度隨著雨強(qiáng)增大，會(huì)逐漸降低，原因可能在于，雨強(qiáng)較小時(shí)，降雨移動(dòng)方向變化對(duì)洪峰的影響主要在于洪峰的疊加效應(yīng)，而雨強(qiáng)較大時(shí)，當(dāng)?shù)乇懋a(chǎn)流超過(guò)管網(wǎng)排水能力，會(huì)產(chǎn)生地表積水，這時(shí)排水管網(wǎng)成為城市排澇系統(tǒng)的瓶頸，客觀上形成了雨強(qiáng)繼續(xù)增大而河道洪峰不再增加的效果。計(jì)算結(jié)果中體現(xiàn)的河流下游斷面的受影響程度明顯高于上游斷面，且在河流流向發(fā)生變化或有支流匯入的情況下，受影響程度會(huì)發(fā)生明顯變化的情況，應(yīng)該也是由于洪峰疊加或錯(cuò)峰效果導(dǎo)致的?？傮w統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示的降雨非同步性造成洪峰增加的概率小于洪峰減小的概率，提醒我們除了關(guān)注降雨過(guò)程不穩(wěn)定性導(dǎo)致的局部?jī)?nèi)澇的同時(shí)，也應(yīng)該關(guān)注其對(duì)河道洪峰的增加或消減作用。另外，通過(guò)斷面的洪水總量對(duì)城市內(nèi)澇有影響，但從模型模擬結(jié)果中統(tǒng)計(jì)的通過(guò)各斷面的洪水總量顯示，降雨移動(dòng)方向?qū)樗偭坑绊戄^小，這應(yīng)該與研究區(qū)主要為人造地表，下滲率低、匯流過(guò)程短等有關(guān)。因此，對(duì)于高密度城市化區(qū)域，應(yīng)該主要關(guān)注洪峰流量和洪水過(guò)程。

城市降雨過(guò)程既有規(guī)律性，又有很強(qiáng)的隨機(jī)性，一場(chǎng)降雨也可能是多個(gè)降雨過(guò)程的組合，為了充分體現(xiàn)降雨過(guò)程異質(zhì)性對(duì)河道洪水過(guò)程的影響，本文對(duì)降雨過(guò)程進(jìn)行了理想化設(shè)計(jì)；另外，城市河道洪水受泵站、閘門等排水設(shè)施影響較大，城市管理者會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)情況采取泵站抽排、水庫(kù)調(diào)度等工程措施以降低洪水風(fēng)險(xiǎn)，本文未考慮工程調(diào)度措施對(duì)河道洪水的影響。這些問(wèn)題需要在實(shí)際工作中加以注意。

6 結(jié)論

本文以深圳市河灣片區(qū)為研究區(qū)，利用數(shù)值模擬方法研究了降雨移動(dòng)方向?qū)Τ鞘泻拥篮榉宓挠绊?。匯總研究區(qū)所有斷面在各種雨強(qiáng)和移動(dòng)方向組合下的洪峰變化，顯示洪峰流量降低的情況為洪峰流量增加情況的3倍，隨著雨強(qiáng)增加，降雨移動(dòng)方向?qū)榉宓挠绊憰?huì)減??；在河流尺度，河流下游斷面洪峰變動(dòng)幅度大于上游斷面，下游大部分?jǐn)嗝娴淖兎?20%～10%之間，而上游斷面變幅在±10%以內(nèi)；在斷面尺度，洪峰影響程度隨著降雨移動(dòng)方向的變化呈現(xiàn)出規(guī)律性特征，主要有對(duì)稱性、不明顯、普遍偏低三種特征。鑒于降雨移動(dòng)方向?qū)榉寰哂忻黠@影響，從洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)角度，在降雨移動(dòng)方向不確定的情況下，應(yīng)考慮不同移動(dòng)方向的洪峰流量，以保證洪水計(jì)算結(jié)果的可靠性。本文結(jié)論可為城市河道暴雨洪水計(jì)算、洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等工作提供參考。