人类活动影响下的城市洪涝风险变化分析——以宁波市鄞州城区为例

张玉兰，张卫国，陈瑞祥

(宁波市水利水电规划设计研究院，浙江 宁波 315192)

我国地处亚洲季风区，是世界上暴雨最为频发的国家之一，有研究表明我国极端降水发生强度和频率都呈现增加趋势，洪涝灾害也趋于增多。频繁发生的暴雨洪涝灾害给我国造成了严重的人员伤亡和经济损失，据统计资料显示，仅在2016年，全国因洪涝灾害受灾人口10095.41万人，直接经济损失3643亿元，占当年GDP的0.49%。在我国城市化快速推进的大背景下，城市洪涝问题尤为突出。近年来，城市暴雨洪涝灾害频发。2012年，北京市及其周边地区遭遇61年来最强暴雨及洪涝灾害。2013年，宁波余姚市遭受100年一遇强降雨，导致城区70%以上地区受淹7天以上。2015年上海暴雨导致同济大学、复旦大学被淹[1- 3]。这些事件一方面暴露了城市在应对洪涝灾害时的脆弱性，另一方面也对深入思考城市洪涝问题提出了更高要求。

城市化是人类社会和自然环境之间相互作用的典型过程。城市扩张使得区域不透水面积迅速增多，造成区域性微气候，改变了城市水循环过程，暴雨产流系数和产流量增加，形成洪涝灾害的风险增大。作为现代文明的集中地，城市集中了大量人口、基础设施和经济财富，一旦发生洪涝灾害极易造成巨大的生命财产损失。因此，深入研究在城市化发展进程中人类活动对宁波市洪涝灾害产生的影响，对于认识和应对区域洪涝灾害具有重要意义。

本文以宁波市鄞州城区为研究对象，具体阐述近年来人类活动对于区域下垫面的改变，以及对区域防洪治涝能力的改变。以2012年“甬江流域防洪治涝规划”(以下简称“规划”)开始实施到2018年前后的时间端点为切入点，借助河网水动力模型定量分析计算“规划”实施前后两个时间节点上区域内相应洪涝风险的变化，从而对人类活动的影响进行客观评价。

1 研究区域介绍

1.1 流域简介

研究区鄞州城区面积176km2，处于鄞东南平原之内，该平原片区所在流域为甬江流域。甬江流域位于我国东部沿海，流域面积4518km2。流域处在亚热带季风气候区，易遭遇暴雨侵袭。随着气候的变化，短时强降雨带来的灾害趋于频繁，据2000年后资料统计，本流域平均每年会受4场台风影响，而产生较大灾害的平均1.21次/年。台风暴雨分布面广、历时长、量多、强度大。特别是遇到大潮汛，如果台风增水过程的峰值与天文高潮相遇，就会出现沿海潮位迅猛高涨而使江河下泄洪水受到顶托而不易排出，加重洪涝灾害的风险。

1.2 流域防洪排涝工程建设情况

制定防洪排涝规划和建设防洪排涝工程是应对城市洪涝灾害的重要措施[4]。根据“规划”的指导和要求，近年来，流域防洪减灾治理工作积极推进，先后实施整治了奉化江、东江、剡江等重要区域的防洪工程，同时还进一步开展了鄞东南沿山干河、小浃江、大石碶泵、印洪碶泵等一系列平原骨干排涝工程的治理工作，流域防洪排涝工程体系不断完善，应对洪涝风险的能力进一步增强。期间，研究区内防洪排涝工程实施情况主要如下。

(1)干支流防洪工程

方桥三江口至鄞州大桥的奉化江堤防工程基本建设完成，剡江、东江堤防工程整治完成，各大干支流防洪标准和能力获得提升。

(2)鄞东南平原排涝工程

新建甬新泵站，规模60m3/s；沿山干河排水系统的环湖河、高钱河、界牌碶河及界牌碶闸完成整治；小浃江排水系统下游段河道及水闸工程完成整治，并扩建了王家洋闸；印洪碶排水系统上游段河道工程完成整治；杨木碶排水系统河道出口处碶闸工程亦整治实施完成；大东江-陈郎桥江排水系统中对鄞东闸实施改建。这些平原排涝工程的实施确保了区域内涝水外排能力大大加强。

1.3 研究区域下垫面变化情况

鄞州社会经济发达，城市建设等人类活动剧烈。为分析研究区由于城市化引起的土地利用变化，根据遥感数据提取了研究区2012年与2018年建设用地和非建设用地分布情况，其占比统计见表1。

表1 研究区建设用地面积统计表

表1中从2012到2018年建设用地增加10.7km2，占研究区总面积的6.1%。这种变化将导致区域内不透水面积增加，而透水面积相应减少，一增一减大大改变了区域内的排水条件，使得暴雨入渗减少，而汇集成流的速度加快，且容易聚集在相对低洼的位置不易排出，从而增加了局部地区形成洪涝灾害的风险。

土地利用变化是下垫面横向上的变化，为更全面分析下垫面变化情况，再从纵向上分析研究区地坪高程的变化。研究区大部分地坪高程在10m以下，2012—2018年，相当一部分地区高程由1～3m变为3～5m。研究区平均地坪高程在2012年为2.81m，2018年变为2.91m，平均抬升了0.1m，这与研究区内土地利用的变化是相一致的。大量城市建设活动引发了城区地坪高程的抬升，但这只是局部抬升，高程未明显变化的区域就成为了相对低地，高地和低地之间重力势增大，这就增加了水流向低地汇聚的几率，从而加深低地的洪涝风险。

2 洪涝风险评估

本文采用河网水动力模型，分别模拟“甬江流域防洪治涝规划”实施之初(2012年)及现阶段(2018年)研究区内的暴雨洪涝情况，以平原淹没特征值和代表站水位特征值为评价指标，定量分析时间节点前后洪涝风险的变化。

2.1 河网水动力模型

计算洪水演进及洪水淹没通常以一维或二维的水动力学方法为基础[5- 6]，平原河网的水利计算也需要建立相应的水动力学数学模型。河网水利计算的数学模型大体可以分为节点-河道模型、单元划分模型、混合模型、人工神经网络模型、基于蒙特卡洛方法和图论建立起来的随机游动模型等[7]。根据研究区所在的甬江流域的河网特征和防洪排涝工程情况，计算模型宜采用混合模型。将流域内水系概化为由河网和水域组成的体系，河网由流域内骨干河道和重要连接河道等一系列主要河道组成，是输送水流的载体；水域主要由支流小溪、水塘等水体概化而来，主要起水量调蓄作用。对河网采用节点-河道模型，对成片水域划分单元，这部分单元仅起到蓄水调节作用，不起动力输水作用。

河网水动力学模型的求解归根结底是对描述河道一维非恒定流的数学方程的求解。圣维南方程组是描述明渠一维非恒定流运动的经典方程，它包括一个连续方程和一个动力方程：

(1)

式中，B—河面宽，m；Z—断面水位，m；Q—断面流量，m3/s；q—河道旁侧入流，m3/s；A—过水断面面积，m3/s；K—相应水位下的流量模数，m3/s。

以上是天然河道或是人工渠道的水流运动方式，是水流在流域内运动的一般性情况。针对特殊的防洪排涝工程节点，水流运动又有其相应的特点。

其中，堰闸出流由堰流公式和闸口调度方式决定。当碶闸的泄流方式为自由出流时：

(2)

泄流形式为淹没出流时：

(3)

式中，m—闸孔自由出流流量系数；B—闸孔宽度，m；φ—闸孔淹没出流系数；H—闸前水头，m；Hs—闸后水头，m；Zu、Zd—闸前、闸后水位，m。

泵站出流由泵站设计泵排能力和泵站实际调度方式决定。此外，天然河道的断面往往是不规则的，在实际处理过程中，将天然河道断面概化为梯形断面或复式梯形断面进行模拟计算。

2.2 工程建成前后洪涝情况对比

采用上述河网水动力学模型，分别模拟“规划”推进建设的一系列防洪排涝工程建成前后，研究区在不同的水利工程和下垫面条件下，遭遇10年一遇、20年一遇暴雨和5年一遇外海潮位时的洪涝灾害情况，并对研究区代表点最高水位和研究区淹没情况进行对比分析。

研究区内设计暴雨参数见表2。统计工程建成前后研究区内主要代表最高水位特征值见表3。

由表3可知，2012—2018年大部分代表点水位下降。10年一遇暴雨条件下，除五乡、小港以外，其他各站水位均有所下降，下降范围在0.03～0.1m之间；20年一遇暴雨条件下，小港站水位略有上升但上升幅度不大，其他各站水位均有较大下降幅度，下降范围在0.12～0.25m之间。河网水动力模型模拟所得研究区最大淹没水深网格图如图4所示。不论是遭遇10年一遇还是20年一遇暴雨，相比于2012年，2018年城区受淹没情况均有明显改善。

表2 研究区设计暴雨成果表

表3 研究区代表点水位对比表

2012年遭遇10年和20年一遇暴雨时，淹没水深的最大值分别为1.65m和1.81m；而到2018年遭遇10年和20年一遇暴雨时，最大淹没水深的最大值分别只有1.12m和1.30m。淹没水深的极值显著下降。并且，2018年各计算标准下的淹没面积都小于2012年，遭遇10年一遇暴雨时受淹面积下降14.53%，遭遇20年一遇暴雨时受淹面积下降26.03%。在不同淹没深度范围内的淹没面积，2018年均小于2012年，见表4。

不论是代表点水位还是淹没面积，各项指标均表明，相比于2012年，2018年研究区的洪涝风险显著降低了。虽然下垫面的改变加重的部分地区形成洪涝灾害的可能，但是建成的防洪排涝工程却发挥了更加积极的影响，使得整个区域抗灾能力增强，普遍降低了区域的洪涝成灾几率。

表4 研究区淹没面积统计表

3 结语

分析表明，2012—2018年，研究区内建设用地面积有一定幅度提升，这在一定程度上改变了区域内产汇流条件，加重了暴雨成洪的可能；并且，城区建设使部分地区地坪高程抬升，造成相对低地的存在，引起水流向其汇聚，会增加洪涝灾害的风险。从模型计算结果的定量分析来看，不同设计标准下的暴雨遭遇计算结果表明，相比2012年，在“规划”推进的多项防洪排涝工程建成之后，2018年各个洪涝风险指标均呈现一定幅度的降低。

虽然城市建设引起的土地利用变化和局部地坪高程变化会引起洪涝风险的变化甚至加剧，但是防洪排涝工程的建设运行加快了涝水入江入河、洪水外排的速率，将洪涝风险消弭到最低。所以，尽管人类建设活动造成了相对低地形成，但防洪排涝工程发挥的巨大效用使得洪涝风险较大程度下降。因此，“规划”和实施系统的防洪排涝工程对降低城市洪涝风险具有重要意义。