城市精细化洪涝模拟及防控措施研究——以昆山经济技术开发区为例

於家红 黄袆静 陈燕 雷瑶 邓东升 刘增贤

引言

随着全球气候变化，强降水的发生概率逐渐增大。随着城市化进程的加快，不透水面的增加和水面率的下降使城市面临着更大的洪涝风险。仅2020年前三季度全国受洪涝等自然灾害影响，造成1.3亿人受灾，直接经济损失高达3135.5亿元。2021年7月，河南省突发极端强降雨，导致特大洪涝灾害，直接经济损失高达1142.69亿元。

针对城市洪涝问题，国内外利用水文及水动力模型开展了大量研究，如美国的SWMM、丹麦的MIKE URBAN，英国的Infoworks ICM等。但是模型的计算是基于有限元方法绘制的不规则地形网格，在要求精度的同时，将导致巨大的计算量，往往不能将城市的复杂河道进行细化。本研究构建了一维精细化河网模型，基于最新卫星影像叠加下垫面信息，并根据现状对排涝站闸进行设置，可精确高效地对研究区域进行洪涝模拟，为区域防洪工作的进一步开展提供技术支撑。

研究区与数据源情况

本文的研究区域选定为昆山经济技术开发区（以下简称“开发区”），开发区属于长江三角洲太湖平原区，位于昆山市东部，面积约115km2（图1）。

图1 昆山开发区区位图

开发区共有7个圩区，分别为西河圩、合兴圩 —城南圩（开发区）、包桥圩、孔巷圩、娄江圩、北大圩和南大圩，圩外河道构成片区的河网骨架，承担区域引排水功能，圩内河道负责圩区内水量的调节及各圩区的引排水，圩区内外水量的交换主要通过站、闸进行调度，形成了联圩治水格局。

本研究的主要数据包括由昆山市水务局提供的研究区域河道、水利工程数据、高分一号（GF-1）于2020年4月28日摄取的8m和2m级分辨率卫星遥感影像，以及其他气象、水文、地理等数据。本文模拟和分析均基于7个联圩开展，圩内最高控制水位3.1m，汛期预降最低控制水位2.5m。

精细化洪涝模拟

（一）精细化河网模型构建

为精确模拟开发区的河道水位情况，本研究构建了精细化河网模型。其中水动力模型基本方程采用Saint-Venant方程组，数值离散方程采用Preismann四点隐式差分，通过联立方程进行求解。研究将开发区所有河道以及相关外围河道、圩口站闸全部纳入，概化总河长约388km，河段398条段，站闸76座（图2）。

图2 昆山经济技术开发区河网水系概化图

为进一步确保实现精准模拟分析，研究中排涝站、闸的控制方式是根据平原河网特征、水资源合理调度的客观要求以及水利工程运行管理的实践经验进行设置的。研究遵循汛期按照防汛安全要求调度、非汛期按照改善水质和保障用水需要调度的原则，按照闸内、外的水位控制，闸关联水系的区域平均水位控制以及时间控制等多重要求运行闸站，结合精细化河网，对开发区进行精确的模拟。

（二）精细化下垫面分析

下垫面是影响地面径流的最主要因素之一。为更精确分析开发区各圩区地面径流情况，深入评估区域除涝能力，我们对各圩区的下垫面土地现状分类进行了细致量化分析研究。基于2020年4月28日高分一号（GF-1）卫星摄取的多光谱影像和全色影像，研究进行了大气校正和地理精度校正，并将坐标系统转化为2000国家大地坐标系，通过影像融合生成分辨率为2m的融合多光谱影像，然后分别提取了NDVI和NDWI，构建了分类决策树，将开发区土地分为裸地、草地、农田、林地、不透水表面及水体等6大类（图3）。基于各圩区的土地分类数据，分析其下垫面情况，并利用模型对降雨期间不同类型土地的径流系数等参数进行设定，模拟得到精确的产流结果，最终汇入河网。

图3 昆山经济技术开发区各圩区土地覆被状况

（三）暴雨情景设置

研究区域的洪涝风险主要来自于暴雨，因此雨型的分析及降雨事件的选取对于区域精细化模拟及防控措施的选取起着至关重要的作用。

1.雨型分析

据岑国平等的研究，降雨过程主要可以分为7种模式（图4），包括单峰雨型（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）、双峰雨型（Ⅴ型、Ⅵ型、Ⅶ型）及大致均匀分布雨型（Ⅳ型）。为选取典型的降雨设计雨型，以更真实、精确地模拟开发区在暴雨发生时的水位情况，分析其内涝风险，本文对昆山市雨型及临近的上海市雨型进行了大量数据统计及分析。

图4 七种模式雨型示意图

（1）选取昆山市2005—2013年期间的降雨，对历时接近1h、2h、3h的47场降雨进行雨型分析，采用模糊识别法，得到单峰雨型的场次数，占总数的82.98%，而双峰及多峰雨型较少。在单峰型降雨中，大部分降雨的雨峰在前部或中部，雨峰在后部的较少；单峰型降雨的雨量较为集中，对区域除涝和城区排水的影响较大，因此需要重点考虑单峰型降雨。

（2）选取近年来上海的暴雨进行雨型分析，其中徐家汇171场12h暴雨、80场24h暴雨，嘉定144场12h暴雨、69场24h暴雨，青浦150场12h暴雨、54场24h暴雨，采用目估法得到：历时12h暴雨雨型和历时24h暴雨雨型均以单峰型为主，双峰型和均匀型降雨场次很少。在单峰型降雨中，大部分降雨的雨峰在前部，其次是雨峰在后部的和在中间的。在双峰雨型中，雨峰在前后两头的所占比例最大，雨峰在中间的最少。总体而言，由于单峰雨型雨量集中，特别是雨峰集中在后部的暴雨，对区域除涝和城市排水的影响较大，容易引起城区大面积的积水。

2.降雨事件选取

根据《昆山市城市排水（雨水）防涝综合规划》，开发区河道排涝标准为20年一遇最大24h暴雨24h排出，并确保每小时河道水位不超过最高控制水位。

因此，本研究选取了两个24小时降雨事件，事件1的雨型选用了《昆山市城市排水（雨水）防涝综合规划》中的24h设计暴雨雨型，按昆山市城市管道设计条件，选用1年一遇设计雨量38.26mm/h作为事件1的最大1h降雨量，计算得24h总雨量为135.12mm。事件2采用的是《上海市防洪除涝规划（2020—2035年）》中与昆山相邻的嘉定区域的降雨雨型，按照24h总雨量为210.8mm的标准确定降雨过程，其中最大1h降雨量为39mm/h，两场事件降雨过程如图5所示。

图5 典型降雨事件雨量变化过程

模拟结果与分析

基于精细化河网模型及下垫面产流模型的构建，在选取的两场典型暴雨情景下，本文对开发区进行了精确的洪涝模拟计算及结果分析。

（一）各圩区平均水位过程变化

为研究暴雨中各圩区的防洪薄弱环节，本研究对各圩区的平均水位随时间的变化过程进行了分析（图6）。

图6 暴雨情景下各圩区水位变化过程图

采用降雨事件1进行的模拟结果显示，雨峰与洪峰出现的时间较为一致。洪峰来临时，娄江圩的水位高达4.26m，为各圩区中最高，远超最高控制水位3.1m；包桥圩、合兴圩—城南圩（开发区）、南大圩的最高水位分别为3.45m、3.47m、3.25m，均超过河道最高控制水位；西河圩、孔巷圩、北大圩的最高水位分别为3.04m、2.99m和3.08m，未超过圩内河道最高控制水位。除西河圩、孔巷圩和北大圩，其他圩区的防洪能力均有待提高。

采用降雨事件2进行的模拟结果显示，雨峰与洪峰出现的时间较为一致。洪峰来临时，娄江圩的水位高达4.22m，为各圩区中最高，远超最高控制水位3.1m；包桥圩、合兴圩—城南圩（开发区）的最高水位分别为3.83m、3.82m，均超过河道最高控制水位，且水位下降所需的时间较长，从最高水位下降至最低控制水位2.5m需要10小时，排涝能力亟须提高；南大圩和北大圩的最高水位分别为3.44m和3.25m，超过河道最高控制水位，水位下降至最低控制水位需8小时；西河圩和孔巷圩的最高水位分别为3.07m和3.10m，未超过圩内河道最高控制水位。除西河圩、孔巷圩，其他圩区的防洪能力均有待提高。

两场降雨事件中，洪峰与雨峰到达时间较为一致。事件2由于降雨集中，圩区排水压力大于事件1，特别是合兴圩 —城南圩（开发区）和包桥圩区，排水时间高达10小时，河道内水位长时间处于较高水平，洪涝风险较大；娄江圩防洪能力最差，水位处于全区最高水平，但排水较快；孔巷圩及西河圩的防洪除涝能力最好，两场事件均保持在控制水位之下。

（二）最高水位空间分布情况

为找出研究区域的防洪薄弱区域所在，本研究分析了两场事件中全区的最高水位的空间分布情况（图7）。

图7 暴雨情景下开发区水位空间分布图

采用降雨事件1进行的模拟结果显示，北大圩、孔巷圩和西河圩中部地区的水位较低，洪涝风险相对较小；南大圩的水位超最高控制水位，东部地区较西部地区更为薄弱；合兴圩 —城南圩（开发区）、包桥圩区及西河圩南部地区的水位较高，均在圩内最高控制水位以上，特别是合兴圩 —城南圩（开发区）南部地区以及西河圩的南部地区，水位达到了3.5m以上，洪涝风险较大。娄江圩的水位最高，达到了4.26m，远超控制水位，亟须提高防洪能力。

采用降雨事件2进行的模拟结果显示，孔巷圩和西河圩中部地区的水位较低，洪涝风险相对较小；北大圩、南大圩、西河圩南部的水位超最高控制水位，防洪能力有待提高；合兴圩 —城南圩（开发区）和包桥圩水位大大高于最高控制水位，均在3.68m以上，特别是合兴圩 —城南圩（开发区）南部地区，水位在3.86m以上，洪涝风险较大。娄江圩的水位最高，达到了4.22m，远超控制水位，亟须提高防洪能力。

两场降雨事件中，孔巷圩和西河圩中部地区的水位最低，洪涝风险相对最小；北大圩和南大圩存在一定的洪涝风险，特别是南大圩西部地区，需提高防洪能力；包桥圩、合兴圩 —城南圩（开发区）、西河圩南部的水位高于控制水位较多，洪涝风险较大；娄江圩的水位最高，两种情境下均达到4m以上，远高于圩内最高控制水位，洪涝风险极大。

（三）防洪措施选择

基于本研究对开发区精细化的洪涝模拟，结合开发区各圩区河道及排涝站、闸现状分析结果表明，娄江圩的洪涝风险主要来自于水面率低（仅为1.4%），河道调蓄能力不足，因此可进行河道疏通整治、拓宽等增大水面率，提高圩区的蓄洪能力，降低洪峰来临时河道的水位；合兴圩 —城南圩（开发区）和包桥圩的洪涝风险主要来自于排水能力不足（排涝模数分别为3.28m3/s/km2和3.33m3/s/km2），因此可增大排涝规模，加快暴雨期间圩区内水位的下降速度，以防河道堤防压力过大，在双峰型降雨中可能产生较大的洪涝风险；西河圩南部、南大圩东部地区需进行进一步研究，分析高水位产生原因，并具有针对性地进行完善；开发区整体需要进行统筹规划，阶段性地增高圩堤、增大排涝规模等，提高抗风险能力，并在暴雨发生时进行系统、有序的调度，尽可能减小灾害损失。

结论

本文以昆山经济技术开发区为研究区域，通过精细化河网数值模型的构建和高精度下垫面数据的分析，开展两场典型暴雨情景下的精细化城市洪涝模拟，分析了区域的防洪除涝薄弱处，并具有针对性地提出了措施建议。

主要结论：（1）暴雨事件发生时，由于娄江圩的水面率低，河道蓄洪能力低下，洪涝风险最大，需疏通、拓宽河道，增大蓄洪能力，削减洪峰；（2）合兴圩 —城南圩（开发区）、包桥圩的排涝模数较低，由于排水能力不足，河道内水位下降缓慢，洪涝风险较大，亟须提高排水能力，加快排涝速度；（3）北大圩、西河圩南部、南大圩东部地区存在一定的洪涝风险，需进一步研究，并加以完善；（4）孔巷圩、西河圩中部的洪涝风险相对较小，但强降雨情况下仍需要系统地规划与调度，持续提高防洪能力，以防范气候变化背景下未来更频繁的暴雨事件。