平原感潮河网地区河道洪水对村镇内涝的影响

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(1. 同济大学 土木工程学院，上海 200092； 2.江苏省苏州市吴江区水利局，苏州 215200)

1 研究背景

平原感潮河网地区地势低洼，人口众多，经济发达，受内涝灾害影响严重，制约当地经济发展[1]。太湖流域属典型的平原感潮河网地区，是中国村镇分布最为密集的地区之一，也是受内涝灾害影响最为严重的地区之一[2]。自1991年大洪水以来，流域已建成一套包括流域防洪、中心城市防洪排涝和区域防洪3个层次的防洪排涝系统工程。同时该地区村镇也大力开展圩区建设，区域内圩区的防洪排涝能力明显提升。相关研究成果以及1991年以来流域数次洪水的损失数据证明上述防洪排涝系统工程能够明显降低流域整体的洪水风险[3]。

然而，近年来城市化快速发展导致下垫面发生剧烈变化，不透水面积比例增大导致流域的地表产流明显增加[4]，圩区排涝能力的大力建设增加了圩区的排涝水量，而河网退化与水面率降低导致河流、湖泊的调蓄能力下降[5]，上述因素的共同作用导致太湖流域河道泄洪能力明显不足，行洪河道洪水水位呈现逐年上升趋势[6]，导致河道沿岸堤防破坏风险上升[7]，村镇的洪涝风险增大。由于溃堤洪水所造成灾害的严重程度远远大于内涝灾害的严重程度，因此在洪水水位逼近堤顶高程，堤防破坏风险急剧上升时，河道沿岸村镇应关闭排涝泵站来抑制河道水位的持续上涨[8]，规避堤防破坏风险。上述措施虽然能够适度降低洪水期间村镇的溃堤洪水风险，却会导致村镇的内涝风险增大，因此在河道泄洪能力不足的条件下，村镇势必面临洪涝风险增大的严峻形势[9]。不同于中心城市，平原感潮河网地区村镇堤防的设计重现期明显偏低[9]，同一重现期洪水对村镇堤防的影响明显大于城市，洪水水位上涨对村镇的影响更明显。此外随着村镇经济与城市化快速发展，村镇工业用地、住宅用地面积比例增大，内涝积水导致的经济损失越发严重，内涝灾害对村镇经济发展的影响愈发明显。因此，有必要对平原感潮河网地区行洪河道洪水过程对村镇内涝的影响展开研究。

目前对平原感潮河网地区洪涝风险的研究已非常广泛。叶爱民等[10]将MIKE FLOOD模型应用于嘉兴市的洪水风险图编制中，模拟平原河网地区的水位变化及暴雨情况下洪水淹没情况。罗福亮等[11]利用SWMM水文模型和MIKE11水动力模型模拟平原感潮河网地区的降雨径流和河道洪水过程。胡昌伟[12]开发了适用于太湖流域的水动力学河网模型，定量分析了防洪排涝关系变化、抽排能力提高等影响因素对太湖流域洪水风险的影响。曹宇航等[13]利用MIKE11模型对比海门市防洪规划实施前后研究区域内主要河道的水位变化情况。谭琼等[8]构建管网、河网水动力耦合模型研究平原感潮河网地区城市内涝风险。上述研究主要利用水动力模型模拟平原感潮河网地区洪水淹没情况，模型模拟效果较好，但在研究中大多认为洪水过程中泵站的排涝水量是一个定值，对因河道洪水导致的排涝水量减少对村镇内涝的影响考虑较少。

本文以平原感潮河网地区典型村镇——盛泽镇为例，利用一二维耦合水动力模型模拟行洪河道中洪水演进以及村镇内部地面水体流动，在考虑河道洪水对村镇泵站排涝水量影响的基础上，研究该地区行洪河道洪水对村镇内涝的影响，为该地区的洪涝风险管理提供参考。

2 研究区域及数据

2.1 研究区域

本研究选取太湖流域杭嘉湖地区东南部的盛泽镇作为研究对象(图1)，该镇境内河网密布且河道水位受潮汐影响，地势低洼，全境被圩区覆盖，水工建筑物数量众多，经济发达，历史上多次遭受严重的洪涝灾害，具有平原感潮河网地区村镇的典型特征，适合作为典型案例展开分析。

杭嘉湖地区位于太湖流域中部，河流、湖泊密布，地势低洼。整个区域的土地被堤防包围，形成数十个圩区。气候湿润，年平均降雨量为1 097.9 mm，降雨集中在每年6—9月份。该地区位于苏州南部，是中国最发达地区之一。盛泽镇位于杭嘉湖地区东南部，境内河流密布，京杭运河、清溪河、嘉兴塘等主要行洪河道穿境而过。境内地势低洼，全境由圩区所覆盖，圩区堤防高程在4.5～5.5 m之间。圩区内外水量交换通过水闸、泵站等水工建筑物实现，村镇的排涝受水工建筑控制。

图1 研究区域Fig.1 Map of the study area

2.2 数 据

本研究所涉及的数据包括基础地理信息数据、水工建筑物的规模与调度资料、水文数据以及断面数据。

基础地理信息数据包括水系分布、数字高程模型、土地利用、水工建筑物、资料。水文数据包含水位、降雨数据。设计洪水水位与潮位数据选择了洪峰水位较高，对区域经济造成了较大经济损失，具有较高代表性的2009年“莫拉克”台风期间河道水位过程作为典型水位过程，利用1970—2013年的历史实测数据进行频率分析，获得不同重现期的高水位值，采用同倍比放大的方法获得不同重现期的水位过程。降雨数据选取距离盛泽镇最近的平望雨量站1967—2013年实测降雨资料分析获得不同重现期最大24 h净雨过程。断面数据采用2013年实测河道断面数据，断面间隔2 000 m，河势突变处进行加密测量。

图3 率定验证结果Fig.3 Calibration and verification results

3 模型构建

本文利用MIKE系列模型构建盛泽镇水动力模型，模拟行洪河道中的洪水演进及村镇的内涝情况。

3.1 一维模型构建

为准确模拟洪水演进过程，模型考虑了长度超过200 m的河道、沟渠以及所有的泵站和水闸。为模拟河道洪水的特性，研究区域内太湖流域的主要行洪河道延伸到了邻近的测站。一维模型包括105条河道、869个计算点、18个泵站和17个水闸，模型河道见图2。行洪河道延伸至太浦闸站、平望站、金泽站、王江泾站、乌镇站和南浔站，泵站和水闸按照实际情况进行调度。

图2 一维模型河网概化图Fig.2 Simplified channels in one-dimensional model

堤防失事的综合风险率与计算上限洪水位间呈非线性单调递增关系[14]，可通过设置泵站开启上限水位的措施来控制村镇在洪水演进期间的排涝水量，从而规避堤防破坏风险。本研究参考近年来盛泽镇的溃堤事故，取堤顶高程以下0.2 m作为本研究行洪河道的控制水位，行洪河道水位达到控制水位则关闭沿岸泵站。

选择盛泽、震泽和桃源3个测站作为率定验证站对模型进行率定验证。模拟2009年6月3日—8月2日时间段内的河道水位过程来进行率定，比较各测站计算水位过程和实测水位过程之间的差异(图3)，校准河道的曼宁系数在0.025～0.030之间。选用2009年“莫拉克”台风暴雨(2009年8月2—17日)来验证模型，比较各测站计算水位过程和实测水位过程之间的差异。验证结果显示各站点计算水位过程与实测水位过程之间差值不超过12 cm；桃园站水位的模拟值与观测值相比整体偏高，模型能够较好地模拟村镇在暴雨条件下河道洪水演进过程。

3.2 二维模型构建

构建二维水动力模型以模拟村镇内部的地表水体流动，考虑盛泽镇整个镇区大包围区域，面积34.35 km2，模型包括108 361个非结构网格,平均网格面积314 m2。利用DEM数据考虑地面坡度对地表洪水演进的影响,利用不同的糙率考虑不同土地利用类型对地表洪水演进的影响。

受“莫拉克”台风暴雨影响，盛泽镇多处地势低洼地农田，房屋受淹。本研究二维模型同样选用“莫拉克”台风来进行验证，模型模拟的淹没范围如图4所示。模拟结果显示暴雨导致村镇内部多处低洼地受淹，模拟结果较为合理。

图4 二维模型高程及“莫拉克”台风淹没图Fig.4 Elevations in two-dimensional model and inundated area caused by typhoon Morakot

3.3 一维、二维耦合模型构建

完成一维模型与二维模型构建后，建立一维、二维耦合模型来模拟河道与地面之间的水量交换。耦合模型中河道与地面的水量交换通过侧向连接实现，侧向连接以两侧的水位差为依据确定水体的流向。

3.4 计算方案设计

考虑到平原感潮河网地区河道洪水受上游来水、流域的降雨量、潮汐、水工建筑物调度等因素的影响，区域的洪水水位与区域内某个村镇降雨量之间的关系并不明显。本研究为分析河道洪水对村镇内涝的影响，将不同重现期的暴雨和洪水过程相互组合，共设计16组计算方案，见表1。

表1 计算方案列表Table 1 Computational schemes

4 结果与分析

4.1 行洪河道洪水水位对村镇排涝水量的影响

为研究行洪河道洪水水位对沿岸村镇排涝水量的影响，研究10 a一遇，50 a一遇及100 a一遇区域设计洪水过程3种工况。模拟结果见表2。

表2村镇排涝水量降低比列
Table2Reductionsofdischargesinvillagesandtowns

水位重现期/a运行泵站/个可用排涝水量/(m3·s-1)减少排涝水量/(m3·s-1)下降比例/%10181430050151073625.1710010647955.24

由表2可知行洪河道过高的洪水水位导致村镇排涝水量明显减少，50 a一遇河道洪水导致村镇南部清溪河水位超过控制水位，3座泵站关闭导致村镇排涝水量减少25.17%;100 a一遇河道洪水导致村镇南部清溪河、东部东大港水位超过控制水位，8座泵站关闭导致排涝水量减少达55.24%，大部分与村镇内部骨干河道相连的泵站关闭导致村镇的排涝形势更加严峻。50 a一遇和100 a一遇洪水条件下，村镇泵站关闭情况见图5；不同工况下的行洪河道水位过程见图6。

图5 村镇泵站关闭情况Fig.5 Closed pump stations in villages and towns

图6 行洪河道水位过程Fig.6 Water level processes in flood channels

4.2 排涝水量减少对村镇内部河流洪水的影响

排涝水量减少会导致村镇内部河道洪水水位上涨及洪水历时延长，且除少数与主要河道距离较远的河道外，影响程度随着排涝水量减少幅度的增大变得越来越明显。由于村镇内部河网密集，河道之间的联通性好，因此当村镇某一侧排涝水量减少后会导致村镇内大部分河道的水位升高。圩内河道分布见图7，100 a一遇、50 a一遇、10 a一遇暴雨条件下村镇内部河道的水位过程见图8。

图7 圩内河道分布示意图Fig.7 River channels in the embankment surrounded region

图8 村镇内部河道水位过程Fig.8 Processes of water level of rivers in villages and towns

4.3 排涝水量减少对村镇内涝淹没范围的影响

本研究根据长三角地区村镇建筑的特点确定造成当地内涝灾害的淹没水深[15]。对长三角地区而言，当内涝积水深度分别超过0.1 m和0.4 m时会对建筑造成一定损失与严重损失[16]，本研究分别统计>0.1 m水深和>0.4 m水深的淹没面积，分析在相同降雨、不同河道洪水过程下村镇的内涝情况。各方案的内涝淹没情况如图9所示。

根据各方案的模拟结果可知，10 a一遇降雨条件下排涝水量减少并未造成村镇内部淹没范围明显增大，仅在排涝水量降低55.24%情况下导致村镇中部一处低洼地受淹。20 a一遇降雨条件下，排涝水量减少25.17%对村镇内涝淹没面积的影响依然不明显，但排涝水量减少55.24%导致村镇中部部分河流沿岸低地淹没范围扩大。50 a一遇降雨条件下排涝水量减少25.17%导致村镇中部2处低洼地淹没范围扩大，排涝水量减少55.24%导致村镇中部和东部的主要河道沿岸淹没范围扩大。100 a一遇降雨条件下排涝水量减少25.17%导致村镇中部2处低洼地淹没范围扩大及西北部一处低洼地淹没水深增大，排涝水量减少55.24%导致村镇内部各主要河道沿岸受淹范围明显扩大，整个村镇的受淹情况加重。

模拟结果显示，降雨重现期越大，行洪河道洪水导致的排涝水量减少对淹没范围的影响越明显。各方案的内涝淹没面积统计如图10所示，在10 a一遇、20 a一遇的降雨过程下，尽管遭遇100 a一遇洪水过程，排涝水量减少55.24%，村镇因此导致的内涝淹没范围扩大情况也不明显；而在50 a一遇、100 a一遇降雨条件下，遭遇50 a一遇洪水过程即会导致淹没范围小幅度增大，如果遭遇100 a一遇洪水则会导致淹没范围明显增大。造成这一结果的原因主要是在降雨量较大条件下，村镇的排涝能力富余量相对较小，在这种情况下遭遇50 a一遇、100 a一遇洪水过程，排涝水量减少则更容易导致村镇排涝水量不足，进而造成村镇内涝淹没面积扩大。

图9 村镇内涝淹没图Fig.9 Inundated area of waterlogging in villages and towns

图10 淹没面积统计Fig.10 Statistics of inundated area

行洪河道发生50 a一遇洪水条件下，沿岸村镇的排涝水量受到洪水高水位限制，若此时村镇出现重现期达到或超过50 a一遇的降雨则会导致村镇内涝淹没面积出现小幅度扩大。而在行洪河道发生100 a一遇洪水条件下，沿岸村镇的排涝水量受限情况明显加重，若此时村镇出现降雨则会导致村镇内涝淹没面积明显扩大，且淹没范围扩大的比例随着降雨重现期的增大而明显升高，在50 a一遇、100 a一遇降雨条件下导致村镇内涝淹没面积分别扩大7.99%，21.98%，村镇内部沿河低洼地受淹情况明显加重。

平原感潮河网地区河网密集，行洪河道之间相互连通，区域内河道泄洪会导致整个区域的行洪河道水位升高，使整个行洪河道沿线甚至整个区域的村镇排涝受到限制。若同时区域内突降暴雨，则会导致区域内绝大部分村镇出现上述内涝淹没范围扩大的情况，整个区域的内涝风险增大。若区域内同时发生100 a一遇的洪水和50 a一遇的降雨会导致区域内绝大部分村镇内涝淹没范围扩大近8%，若同时发生100 a一遇的洪水和降雨，则会导致绝大部分村镇内涝淹没范围扩大接近22%，整个区域的内涝受淹情况明显加重，整个区域将遭受严重的经济损失。

5 结 论

本文以盛泽镇为例研究平原感潮河网地区行洪河道洪水对周边村镇内涝的影响，得出不同洪水、降雨条件下村镇的内涝淹没范围分布图。

受50 a一遇与100 a一遇河道洪水影响村镇排涝水量分别减少25.17%，55.24%，在100 a一遇洪水条件下大部分与村镇骨干河道相连的泵站关闭导致村镇的排涝形势更加严峻。因村镇内部河流密集且相互连通，所以降雨期间村镇的排涝水量减少导致内部主要河道水位整体升高，退水历时延长。降雨重现期越大，排涝水量减少对淹没范围的影响越明显。平原感潮河网地区行洪河道之间相互连通，受极端洪水影响易导致整个区域的河道水位上涨，进而对区域内大多数地势低洼的村镇排涝造成影响，受100 a一遇洪水影响可能导致区域的淹没面积扩大接近22%，区域的内涝风险明显增大。因此，极端河道洪水会加剧村镇在暴雨期间的内涝受灾情况。

本文分析了平原感潮河网地区河道洪水对村镇内涝的不利影响，为深入理解该地区村镇受多种因素影响的内涝风险及其管理提供了参考。此外，应系统地考虑平原感潮河网地区的河道泄洪与村镇排涝。