降雨移动对河道洪峰影响研究——以深圳为例

刘业森，刘 舒，刘媛媛，李 敏，李 匡，臧文斌，郑敬伟，刘金钊

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.昌邑市峡山灌区灌溉所，山东 昌邑 216300）

1 研究背景

全球气候变化和快速城镇化造成城市极端降雨事件日益增多，城市暴雨洪涝加剧。我国总体上仍处于城镇化快速发展、城市洪涝风险上升阶段[1-2]。实测资料显示，近年来伴随着快速城镇化，城市强降雨的时空不均匀性越发明显，表现为降雨空间差异不断增加[3]，时程分布更为集中[4]。由于降雨观测站点稀疏且分布不均等因素，观测数据和预报数据的时空分辨率难以充分刻画一场降雨的时空不均匀特征[5-6]，这是影响城市洪涝模拟效果的主要瓶颈之一[7]。

目前关于降雨时空不均匀性对城市河道洪水的影响研究主要集中在两方面：降雨时程变化（雨型）对城市河道洪水的影响和和降雨空间变化（空间分布不均）对城市河道洪水的影响[6，8-12]。降雨时程变化方面，Huang等[13]对广州市进行了研究，在汇流历时内平均雨强相同的条件下，雨峰在中部或后部比均匀雨型的洪峰大30%以上；侯精明等[14]在西安市西咸新区进行了实验，设计暴雨峰现时间对城区积水总量、积水深度和内涝面积具有明显影响；唐双成等[15]针对雨水花园进行了研究，实测降雨历时和雨强是造成雨水遗留的主要原因。降雨空间变化对城市河道洪水的影响方面，相关研究指出，如果研究区范围内降雨存在明显空间差异，忽略这种空间差异会造成洪水模拟结果的明显偏差[16-17]。刘成林等[18]研究指出，降雨空间分布不均匀性会对广州市城市排水系统造成明显影响；陈光照等[19]研究表明，相比于空间均匀降雨，空间分布不均匀降雨造成的内涝积水量会减少；唐颖[20]在云南昭通市研究表明，采用基于雷达估测数据构建的降雨空间分布进行城市洪涝模拟，模拟结果的精度明显高于采用空间均匀的降雨。综上，相关研究对降雨的时程变化、空间变化等整体性特征关注较多，而对降雨移动方向等动态性特征关注较少。

降雨事件是一种具有时空动态性的自然现象[21]，在城市洪涝模拟中，目前主要采用分区方法处理降雨的时空差异，等同于将一个整体的降雨过程人为割裂[22]。一方面，相较于以自然地表为主的自然流域，以人造地表为主的城市区域水流交换过程复杂，降雨产流后主要通过地下管网汇流，难以划分清晰的汇流边界[22]，因此必须考虑相邻区域之间的水流交换和相互影响[23-25]。另一方面，城市地表和地下管网变化快，难以利用历史的实测资料进行降雨-洪涝关系研究[26]。洪峰流量是河道洪水灾害防治主要的关注指标之一，本文采用了数值模拟方法，首先基于多年历史数据统计降雨过程的时空不均匀特征，据此构建多个不同移动方向的降雨过程，然后调用洪涝模型进行数值模拟，进而提取河道断面洪峰流量，并构建河道洪峰影响评价指标，研究降雨移动方向对洪峰的影响。

2 研究区概况

区域气候模式PRECIS的模拟结果表明，中国东南沿海地区未来将会有更多的极端降雨事件发生[27-28]，将加重该地区原本就很高的城市洪涝风险[29]，深圳市在全球136个沿海城市中未来洪灾损失风险排名高居第五[30]。据近10年气象站点监测资料统计，深圳市年均降雨量达1863.9 mm，降雨时空分配非常不均衡，年内变化大[31]，深圳市每年都会受到台风暴雨影响，城市洪涝问题严重威胁城市运行安全，造成巨大的社会影响和经济损失[32-33]。本文选择深圳市中心区的河湾片区作为研究区（图1）。河湾片区位于珠江口东侧，包括南山、福田、罗湖三个城市中心区和龙岗区的布吉、南湾街道，总面积293 km2（深圳侧的面积），是深圳市建设的最早、最成熟的地区[34]。

3 研究方法

3.1 研究流程本文研究流程见图2。首先基于历史降雨数据的统计特征，构建降雨过程集合，作为河湾片区城市洪涝模型的输入条件，编写批处理程序，调用洪涝模型模拟河道洪水过程；从模型结果中提取河道断面的洪峰流量，以洪峰流量为基础构建评价指标，分别从全区、河流、断面尺度分析降雨移动方向对河道洪峰的影响。

图2 研究流程图

3.2 降雨过程构建根据深圳市目前采用的设计暴雨推求公式，考虑到可能最大雨强，设计了从10 mm/h到130 mm/h的13个雨强方案，降雨过程采用芝加哥雨型，见表1。

表1 降雨过程雨量分配

根据深圳市2008—2018年63个气象站点逐5 min降雨监测数据统计，所有场次降雨的降雨中心移动速度平均约为10 km/h[35]，而河湾片区边界的外接圆直径约30 km，即降雨中心移动过整个河湾片区约需3 h。因此，基于表1的降雨时程分配方案，构建了动态的降雨移动过程。降雨移动方向按照等角度间隔设计了100个移动方向（图3），图中箭头方向表示降雨移动方向。共构建了1300个降雨过程（13个雨强×100个方向=1300）。为了进行对比，同时构建了13个同步降雨过程（降雨中心不移动，即全区同步降雨）。

图3 降雨移动方向示意图

图4为表1中“方案7”（70 mm/h）雨强按编号为“15”的移动方向所构建的降雨过程的累积雨量分布图。

图4 累积雨量分布图（70 mm/h、移动方向编号为“15”）

3.3 洪水过程模拟利用河湾片区洪涝模型分别模拟各降雨方案下的河道洪水过程，模拟结果中包括每个断面的洪水过程。该模型利用2018—2019年的23场实际降雨过程进行了率定检验，在12个关键断面的水位误差均在0.16 m以内，精度满足洪水过程模拟要求。河流分布及断面位置见图1。

根据管网、地形、河道、沟渠、及排水工程分布情况，将研究区划分为483个排水分区，结合土地利用、坡度等获得各分区的产汇流参数，利用新安江模型进行产流过程计算；河道洪水过程利用一维水动力模型进行计算，河道断面按100 m左右间隔进行布置。各排水分区通过地下管网入口与河道断面进行关联。模型计算结果包括1284个河道断面的流量、水位、流速等。在使用模型前利用2018—2019年的降雨径流资料进行了参数率定[36]。构建了批处理程序，调用洪涝模型程序对1313个降雨方案的洪水过程进行了模拟。所有模拟过程均采用了相同的边界条件，包括河道初始水位、前期降雨条件等，以保证模拟结果的可比性。

3.4 影响度指标从洪涝模型模拟得到的结果中，分别提取了模型中1284个断面的洪峰流量。以同步降雨方案的模拟结果为参照，研究降雨移动方向对洪峰流量的影响。移动方向编号为a、雨强为p的降雨过程的洪峰影响度指标计算方法见式（1）：

式中：I为移动方向，编号为a、雨强为p的降雨过程对该断面洪峰的影响度；Qp为雨强为p的同步降雨方案条件下该断面的洪峰流量，m3/s，p=10 mm，20 mm，…，130 mm；Qap为移动方向编号为a、雨强为p的降雨过程对应的洪峰流量，m3/s，a=1，2，…，100。

4 结果与分析

4.1 洪峰影响指标总体统计特征分别提取1300个模拟结果中所有断面（1284个）的洪峰影响度指标，得到1 669 200个指标值，统计显示其中75.4%的指标值低于1，24.6%的指标值大于1，即洪峰流量降低的数量为洪峰流量增加数量的3倍。指标值分段统计结果见表2。

表2 不同雨强条件下降雨过程异质性对洪峰的影响度统计 （单位：%）

表2可见，影响度在0.9～1.0之间的占大多数，所有13个雨强的平均值为58.9%；影响度在1.0～1.1之间的平均占21.0%，两者合计占比达79.9%，说明接近80%的断面洪峰受降雨过程异质性的影响在10%以内。随着雨强增大，影响度在0.9～1.1之间的指标值有所增加，雨强小于70 mm/h的情况下，平均为66.6%，雨强大于70 mm/h的情况下，平均为93.2%。

4.2 洪峰影响指标沿河分布情况选择研究区内大沙河、新洲河、福田河、布吉河四条主要河流，以70 mm/h雨强对应的100个降雨方案为例，从每个断面的100个指标值选取其中最大值（表示最大洪峰流量）和最小值（表示最小洪峰流量），沿河分布情况见图5。

图5 洪峰影响指标沿河分布情况

图5中，红色虚线表示同步降雨方案模拟得到的洪峰流量。可发现，四条河流中，影响度最小值偏离红色虚线的程度明显大于最大值的偏离程度，结合4.1的统计数据，非同步降雨相较于同步降雨，洪峰降低的概率要大于洪峰增加的概率；各条河流下游断面的影响度变化范围明显高于上游断面，即降雨非同步性对河流下游断面洪峰的影响要明显高于河流上游；从大沙河来看，在河流流向发生较大变化时，影响度指标最大值和最小值均出现明显变化，说明河流流向对影响度有一定的影响。

4.3 典型断面洪峰影响指标特征以70 mm/h雨强方案为基础构建的100个降雨过程为例进行分析，部分断面的统计结果见图6。

图6 典型断面洪峰影响度

图6中，每个黄点表示一个降雨过程，100个黄点分别表示不同移动方向（图3）的降雨过程模拟得到的结果，圆环中心与黄点连线的方向表示降雨移动方向（与图3中的移动方向相同），黄点在圆环中所处位置（黄点离开圆心的距离）表示该降雨过程模拟计算得到的洪峰影响度。三角符号尖头方向表示洪峰影响度最大的降雨过程移动方向。可以发现，部分断面洪峰影响度呈现对称效果，如大沙河下游断面，角度编号为“15”的降雨过程模拟得到的影响度最大，大于1.1，而相反方向降雨过程影响度最小，低于0.8；有些断面影响度整体偏小（均小于1），如福田河上游断面；有些断面则影响度波动很小，如布吉河上游断面，不同降雨过程模拟得到的影响度均接近1。

4.4 城市暴雨洪水风险评价影响在城市防洪实践中，需要面对已知未来降雨量（总雨量或最大雨强）但未知其时空过程的情况下，进行河道洪水风险评价。针对此需求，选择了大沙河下游某断面（图1中第33号断面），根据本文洪涝模拟的结果，统计了在各种雨强条件下，考虑各种降雨移动方向可能性的情况下，该断面可能的风险范围（可能是多大量级降雨造成的），见图7。

图7 降雨移动方向不确定可能造成的河道洪水风险范围示意图

图7中，以70 mm/h雨强为例，其洪峰流量可能与58～99 mm/h的降雨过程产生的洪峰相等，因此，在进行城市河道暴雨洪水风险评估时，应该考虑降雨移动方向的影响。

5 讨论

从模拟计算结果看，降雨移动方向对城市河道洪峰具有明显影响，其影响程度随着雨强增大，会逐渐降低，原因可能在于，雨强较小时，降雨移动方向变化对洪峰的影响主要在于洪峰的叠加效应，而雨强较大时，当地表产流超过管网排水能力，会产生地表积水，这时排水管网成为城市排涝系统的瓶颈，客观上形成了雨强继续增大而河道洪峰不再增加的效果。计算结果中体现的河流下游断面的受影响程度明显高于上游断面，且在河流流向发生变化或有支流汇入的情况下，受影响程度会发生明显变化的情况，应该也是由于洪峰叠加或错峰效果导致的。总体统计结果显示的降雨非同步性造成洪峰增加的概率小于洪峰减小的概率，提醒我们除了关注降雨过程不稳定性导致的局部内涝的同时，也应该关注其对河道洪峰的增加或消减作用。另外，通过断面的洪水总量对城市内涝有影响，但从模型模拟结果中统计的通过各断面的洪水总量显示，降雨移动方向对洪水总量影响较小，这应该与研究区主要为人造地表，下渗率低、汇流过程短等有关。因此，对于高密度城市化区域，应该主要关注洪峰流量和洪水过程。

城市降雨过程既有规律性，又有很强的随机性，一场降雨也可能是多个降雨过程的组合，为了充分体现降雨过程异质性对河道洪水过程的影响，本文对降雨过程进行了理想化设计；另外，城市河道洪水受泵站、闸门等排水设施影响较大，城市管理者会根据实时风险情况采取泵站抽排、水库调度等工程措施以降低洪水风险，本文未考虑工程调度措施对河道洪水的影响。这些问题需要在实际工作中加以注意。

6 结论

本文以深圳市河湾片区为研究区，利用数值模拟方法研究了降雨移动方向对城市河道洪峰的影响。汇总研究区所有断面在各种雨强和移动方向组合下的洪峰变化，显示洪峰流量降低的情况为洪峰流量增加情况的3倍，随着雨强增加，降雨移动方向对洪峰的影响会减小；在河流尺度，河流下游断面洪峰变动幅度大于上游断面，下游大部分断面的变幅在-20%～10%之间，而上游断面变幅在±10%以内；在断面尺度，洪峰影响程度随着降雨移动方向的变化呈现出规律性特征，主要有对称性、不明显、普遍偏低三种特征。鉴于降雨移动方向对洪峰具有明显影响，从洪水风险评价角度，在降雨移动方向不确定的情况下，应考虑不同移动方向的洪峰流量，以保证洪水计算结果的可靠性。本文结论可为城市河道暴雨洪水计算、洪水风险评估等工作提供参考。