土地利用类型对滨海城市复合淹没的影响——以象山县为例❋

施劭瑜， 杨 波， 江文胜， 于 格， 王有霄

(1. 中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室， 山东 青岛 266100； 2. 中国海洋大学环境科学与工程学院， 山东 青岛 266100；3. 中国海洋大学海洋与大气学院， 山东 青岛 266100； 4. 中国科学院地理科学与资源研究所， 北京 100101)

风暴潮是最严重的海洋灾害，世界上许多沿海地区经常受到热带气旋引发的风暴潮的威胁。近年来，受全球气候变化影响，部分地区强热带气旋活动显著增加[1]，台风导致的风暴潮灾害不断增多。台风导致的风暴潮不仅破坏码头、港口和堤防，而且还会大面积的淹没沿海地区，从而给沿海居民、农田和水产养殖场带来巨大损失[2]。由于中国东南沿海地区所濒临的西北太平洋热带风暴频发，加之该区域人口、财富、资源等要素密集，因此成为世界上受台风风暴潮灾害影响最为严重的地区之一。2010—2019年期间中国东南地区共发生71次由台风导致的风暴潮，造成36人死亡，经济损失达865.9亿元人民币，占全国海洋灾害损失的86.5%[3-5]。

在全球范围内许多学者对风暴潮的数值模拟进行了研究，这些研究通常集中于提高水动力模型的精度、稳定性和可靠性上[6-11]。在滨海地区的风暴潮漫滩过程中影响因素很多，除了大气强迫、波浪以及降雨径流相互作用外[12]，还受该区域地表粗糙度的影响。地表粗糙度是影响地表水体流动的重要参数，仅次于地形[13-14]，在淹没区里，树木、草、灌木和建筑物等地面障碍物对水流施加的阻力会耗散水流和波浪的能量，从而影响流速与流向，最终影响风暴潮漫滩模拟的结果[15-16]。在数值模型中，通常将这种地物的阻碍作用参数化，并以底摩擦系数的形式体现[13]，如根据下垫面土地利用类型来选取不同的曼宁系数。

郭洪琳[17]在研究中考虑了土地利用类型所致的底摩擦分布差异，使用ADCIRC(Advanced circulation model for oceanic，coastal and estuarine waters)模型模拟台风“弗雷德”(9417)事件中温州地区的风暴潮漫滩过程。张露[18]在宁波市北仑区街区尺度的风暴潮漫滩数值模拟中同样考虑土地利用类型带来的底摩擦变化，刻画了风暴潮漫滩的影响。但滨海区域在遭受台风和风暴潮袭击的同时，往往还经历暴雨过程。在城市区域，上涨的海水阻碍暴雨所致积水通过城市排水系统(地下管网与河流)排出，导致城市出现内涝。因此研究滨海风暴潮漫滩问题时，不仅要考虑底摩擦随土地利用类型变化的影响，还要考虑暴雨导致的产汇流过程、地下排水系统的水动力过程。

目前已有许多学者利用数值模型研究风暴潮、降雨与排水系统联合作用下的滨海城市复合淹没问题[19-20]，但未见同时考虑土地利用类型对淹没影响的研究，而这对于提高滨海城市风暴潮淹没模拟的准确性，对指导城市防洪工作有着重要意义。本文将利用Shi等[20]建立的二维风暴潮漫滩一维地下管网耦合模型，研究在考虑城市管网条件下，土地利用类型对风暴潮淹没的影响。

1 模型简介及配置

1.1 模型简介

ADCIRC(Advanced circulation model for oceanic，coastal and estuarine waters)是由美国圣母大学的J.J. Westerink和北卡罗莱纳大学的R.A. Luettich于1992年共同开发的有限元数值模型，通常被用来进行风暴潮及漫滩的模拟与风险评估[21-22]。SWMM(Storm water management model)则是由美国环境保护署(EPA)开发的降雨-径流管理模型，如今被广泛应用于城市化地区的暴雨洪水模拟和排水系统规划、分析和设计[20，23]。将ADCIRC模型与SWMM模型通过水位的相互传递进行耦合，开发了一种二维风暴潮漫滩一维地下管网的耦合模型，检验了水量守恒性，证实了模型模拟漫滩过程的可靠性，并且在台风“菲特”(1323)期间对象山县的风暴潮漫滩进行模拟，得到了良好的模拟结果。模型的耦合过程中并未打破原来两个模型的输入输出，所以模型设置均可按照原先模型的说明进行。

模型的配置和检验在文献[20]中有详细描述，本文仅将模型配置简要列出，对底摩擦随土地利用类型变化做详细叙述。

1.2 模型区域与网格设置

本文选取中国浙江省东部沿海的滨海城市象山县为研究区域(见图1)。该县地势西北高，微向东南倾斜，三面环山，东南面向大目涂海湾，降雨充沛、易受风暴潮影响，且河流众多，有着复杂的排水系统。沿岸建有坚固的堤坝将海水阻挡在外，堤坝东西两端设有两个可自由开闭的闸门连接着象山县内部河流与外海。此外，该县土地利用类型多为城乡居民用地与耕地，是研究底摩擦变化对复合淹没影响的理想区域。

整个计算区域的网格采用逐渐加密的非结构化三角网格构建，网格分辨率从开边界的10 km逐渐增加到象山县内的10 m，堤坝在ADCIRC模型中被设置为可被漫过的内部障碍边界(weir类型)。离岸区域水深数据来源于整合了全球陆地地形和海洋水深的ETOPO1[24]，分辨率为1′，近岸水深和海岸线从中华人民共和国海事局下载的海图中提取(https://www.msa.gov.cn/)。象山县的地形数据则来源于高分辨率的数字高程模型(DEM，Digital elevation model)(见图1)。

图1 象山县网格与陆地高程示意图

象山县内河道与排水井的空间位置数据均根据象山市政府的排水规划进行设置[25]，共有456个计算节点与515条管线，并以河流和街道将整个区域划分为312个子汇水区，堤坝上的闸门被设置为排水系统的两个始终开启的出口(见图2)。降水数据来源于象山县丹城气象站实测值。计算中的主要水文参数则参照当地水文数据和经验值进行设置[26]。

图2 象山县排水系统示意图

1.3 模型驱动场

本研究中在开边界处使用俄勒冈州立大学开发的潮汐预报软件OTPS提供的M2、S2、K1、O1四个分潮的调和常数来驱动水位变化(http://volkov.oce.orst.edu/tides)。使用日本气象厅(http://www.data.jma.go.jp)提供的台风路径数据集，利用Jelesnianski的圆形台风模型[27]计算风场，以提供大气强迫。

1.4 底摩擦方案

本研究在ADCIRC模型中采用二次底摩擦公式，动量方程中的底摩擦项如下：

(1)

(2)

式中：U，V为深度平均的海水水平流速(m/s)；H=ζ+h，为海水水柱高度(m)；Cf为底摩擦系数，可根据以下形式进行调整：

(3)

式中：g为重力加速度；n为曼宁系数，随下垫面土地利用类型的不同取不同值；H0为截断水深(m)，本文取1 m；λ为常数，本文取1/3。

根据CGCS2000投影坐标系下2014年的1∶10 000象山县及其周围区域土地利用现状遥感数据获取象山县的土地利用类型，主要被分为五类，即海洋、低密度居民区(含学校、政府机构和交通设施)、裸露的岩石与沙地、常绿林与耕地。根据美国NLCD地物数据分类标准[28]，通过对照分别得到每种土地利用类型相应的曼宁系数，代入公式3中可得相应的底摩擦系数。图3为象山县内对应土地利用类型的曼宁系数分布示意图。可以看出，象山县除三面环绕的海拔较高的山区林地外，其余区域均以城乡居民用地为主，主要分布在离岸较远的西北部以及近岸的东南部分，而中部区域主要以耕地为主，包含小部分分布于丘陵的常绿林。灰色区域为被设置成固壁边界的高层建筑。

图3 象山县土地利用类型(2014)及其对应曼宁系数

通常情况下近海风暴潮的模拟中，Cf的取值在1×10-3左右，且地表淹没区域下垫面与海底底摩擦系数取值相同。本研究中象山县下垫面通过土地利用类型修正后，Cf取值在1×10-3至0.324之间，平均值为0.077，底摩擦显著增大，且位于北部与南部沿海的城区底摩擦增长幅度最大，而多为耕地的中部平原则增长幅度略小。

2 敏感性实验

通常情况下沿海城市都建有复杂的排水系统与海洋连通，Shi等[20]的研究中详细讨论了排水系统对无堤坝情景下复合淹没过程的影响。结果表明，排水系统增加了陆地与海洋的连通性，对淹没的影响受制于地形因素，而降雨则会加剧复合淹没。在此基础上，为了探究随土地类型变化的底摩擦对滨海城市淹没的影响，我们将其作为敏感因子设计不同条件的两组淹没实验，模拟台风“菲特”(1323)期间象山县的复合淹没过程：(1)无堤坝；(2)有堤坝。

2.1 无堤坝情况下随土地类型变化的底摩擦对淹没的影响

在极端的台风事件中可能会出现部分溃坝或者全段溃坝的情况，这意味着发生风暴潮期间大量海水将淹没陆地，造成最严重的损失。在此情况下，风暴潮是造成淹没的主要因素，而降雨为次要因素。根据模拟中考虑因素的不同，淹没过程按表1中的6个情景进行模拟。

表1 各情景模拟中考虑的因素

整个模拟过程中各情景的淹没面积和淹没体积时间序列如图4所示；最大淹没深度与淹没时长分布以及差值如图5所示。统计得各情景的最大淹没面积与体积如图6所示。

情景a与b中未考虑排水系统随土地类型变化的底摩擦使每个涨落潮中淹没面积与体积的峰值减少，谷值增加(见图4)，这在风暴潮峰值期间这一现象最为明显，最终导致淹没的最大面积与体积分别减少72.0%与51.0%，这是由于象山县沿海与中部被小丘陵阻挡，但丘陵之中存在两条地势略低通道(见图1)。由图5的淹没分布可知，在情景a中风暴潮带来的海水经此通道流入中部低地势区域造成大面积淹没；而在情景b中高底摩擦的低密度居民区与常绿林阻碍了海水的流动，淹没被阻挡在沿岸区域，但这也导致海水滞留带来更长时间的淹没。

情景c与d中考虑了排水系统随土地类型变化的底摩擦使每个涨落潮过程中象山县的淹没面积与体积均减少(见图4)，但减少幅度对比情景a、b有所降低，最终导致淹没的最大面积与体积分别减少33.4%与26.4%。进一步将情景b与d对比，在同样都考虑随土地类型变化的底摩擦的情况下，排水系统的存在会导致淹没最大面积与体积分别增加119.5%与49.1%。这是由于部分地表淹没可以经由排水系统流入城区，导致底摩擦对地表淹没的阻碍作用相对减弱(见图5)。

图4 无坝情况下不同情境模拟过程中象山县的淹没面积和淹没体积变化

图5 无坝情况下考虑随土地类型变化的底摩擦的各情景在整个模拟过程中的最大淹没深度与淹没时长分布以及与相应未考虑底摩擦变化情景的差值

情景e与f则分别在c与d的基础上增加了发生在第6～7天的强降雨，以探究随土地类型变化的底摩擦对降雨所致淹没的影响。结果表明，底摩擦变化使得降雨所致的最大淹没面积与体积分别增加12%与5%，这是由于底摩擦增大阻碍了降雨汇入排水系统中，从而在地面堆积。图5最北部城区的淹没变化展示了这个现象。

2.2 有堤坝情况下随土地类型变化的底摩擦对淹没的影响

在堤坝存在的情况下，风暴潮仅能通过闸门(见图2)处出海口的水位影响内部排水系统水位，内陆的淹没主要是由于降雨和排水系统溢流导致，而非风暴潮直接淹没，因此降雨是造成淹没的主要因素，而风暴潮为次要因素。根据模拟中考虑因素的不同，淹没过程按表2中的6个情景进行模拟。

图6 无堤坝淹没模拟过程中统计的各情景最大淹没面积与体积

表2 各情景模拟中考虑的因素

整个模拟过程中各情景的淹没面积和淹没体积时间序列如图7所示；淹没深度与淹没时长分布以及差值如图8所示。统计得各情景的最大淹没面积与体积如图9所示。

图7 存在堤坝的情况下不同情境模拟过程中象山县的淹没面积和淹没体积变化

模拟结果表明，在情景a、b中风暴潮单独作用仅造成沿岸低洼区域被淹没。风暴潮峰值来临前每个涨落潮期间的淹没范围小，随土地类型变化的底摩擦显著降低淹没面积与体积(见图7)；风暴潮峰值期间，底摩擦的阻挡作用减弱，象山县的最大淹没面积与体积仅分别减少2.8%与18.3%，且淹没持续时间也有所减少。这是由于风暴潮峰值期间淹没止步于南部丘陵，底摩擦对淹没的影响程度降低(见图8)。

图8 存在堤坝的情况下考虑随土地类型变化的底摩擦的各情景在整个模拟过程中的最大淹没深度与淹没时长分布以及与相应未考虑底摩擦变化情景的差值

图9 有坝淹没模拟过程中统计的各情景最大淹没面积与体积

在情景c、d中，淹没由降雨造成，主要集中在象山县北部城区与部分中部郊区，这里离岸较远受海水水位影响小；沿岸地区则淹没较少。由淹没分布图8可以看出，降雨峰值来临前每个涨落潮期间仅沿岸部分地区被淹没，淹没范围小，随土地类型变化的底摩擦显著降低淹没面积与体积。而降雨峰值期间象山县北部城区与中部郊区被淹没，底摩擦在这两个区域对淹没呈现不同的影响。北部城区下垫面底摩擦较高，阻碍降雨产流汇入排水系统中，因此导致城区淹没深度、范围与持续时间增大；反之排水系统往下游输送的水量就降低，导致下游淹没程度减轻；同时下游的中部郊区多为耕地，底摩擦较低，对降雨产流的阻碍作用较弱，在这两种因素的共同作用下，中部郊区的淹没深度、范围与持续时间有所减少。最终，随土地类型变化的底摩擦使得象山县最大淹没面积与体积分别减少18.6%与3.6%，且淹没持续时间也有所减少。

对于情景e、f，降雨与风暴潮联合作用导致严重的复合淹没，超出二者单独作用的线性相加。模拟结果表明，风暴潮峰值与降雨峰值来临前(0～6 d)，淹没由风暴潮单独作用导致，故随土地类型变化的底摩擦的影响与情景a、b类似，即降低了淹没程度。而风暴潮峰值与降雨峰值期间，淹没来源于降雨和风暴潮，故可视为情景a、b与情景c、d中影响的叠加，即北部城区淹没程度增加，中部郊区和沿岸淹没程度降低，最终随土地类型变化的底摩擦使得象山县最大淹没面积与体积分别减少20.5%与13.1%，且淹没持续时间也有所减少。

为了进一步探究随土地类型变化的底摩擦对复合淹没风险的影响，根据Bilskie和Hagen[29]的研究，通过计算风暴潮与降雨对淹没的贡献，淹没区可被划分为三个不同的区域：(Ⅰ)潮汐带、(Ⅱ)水文带以及(Ⅲ)过渡带。情景f的划分结果如图10(a)所示，其中潮汐带、水文带以及过渡区分别占4.5%、25.9%和69.6%，与情景e对比，潮汐带和过渡带占比分别减少3.8%和20.0%，水文带占比增加23.8%。这是由于底摩擦增大阻挡了沿岸区域的风暴潮淹没，同时也阻碍降雨汇流过程，加剧城区淹没，因此降低复合淹没中风暴潮的影响，加剧了降雨的影响，同时削弱它们联合作用。此外参照Shi等[20]的研究，过渡带根据风暴潮和降雨的相对贡献可被进一步划分为风暴潮主导、降雨主导与共同主导三种区域(见图10(b))。随土地类型变化的底摩擦导致过渡带中风暴潮主导与降雨主导两区域占比减少，大部分区域为共同主导区，即过渡带中风暴潮主导区域向潮汐带转换，过渡带中水文主导区向水文带转换，故过渡带中只剩下风暴潮与降雨共同主导的区域，原因同上。

((a)分为水文带、潮汐带与过渡带，(b)将过渡带划分为风暴潮主导区、水文主导区以及共同主导区。 (a) Hydrological zone, tidal zone and transition zone; (b) The transition zone is divided into storm surge dominant zone, hydrologic dominant zone and Equal zone.)

3 结语

本文使用一种1D/2D耦合复合淹没水动力模型，在底摩擦根据土地利用类型进行调整的情况下，模拟了象山县多种情景下的淹没过程，以探究底摩擦系数变化对淹没的影响。总体而言，通过土地利用类型调整后象山县的底摩擦增大，导致地表水体的流动受阻，对以降雨为来源的地表淹没而言，流动受阻意味着降雨产流无法及时的汇入排水系统中，最终导致城区的淹没加剧。而对于以风暴潮为来源的地表淹没而言，流动受阻意味着海水造成地表淹没的速度降低，同时地表淹没往海里排出的速度也降低。而排水系统里的水体流动不受底摩擦的影响。

以象山县为例，在自然情况下的风暴潮漫滩中，即不考虑堤坝、排水系统与降雨，底摩擦调整后大大减少了淹没程度。若在此基础上考虑排水系统，陆地与海洋的连通性增加，海水不仅仅是通过地表还可以通过地下管网或河流流入。因此底摩擦对海水的阻碍作用减弱，导致淹没减少的幅度大大降低。而由于在此情景下降雨量相较于海水直接淹没而言为小量，故底摩擦变化对降雨所致的淹没影响较小，仅能导致未被风暴潮淹没区域的降雨致地表汇流受阻，加剧淹没。而在风暴潮期间，现实的沿海城市复合洪水中，堤坝、排水系统与降雨是必须要考虑的因素。在此情景下底摩擦调整减少了主要受风暴潮影响的象山县中部与南部沿岸的淹没，而增加了主要受降雨影响的北部城区淹没，但同时在这两种作用的叠加下降雨与风暴潮的联合作用减弱，故最终导致整体上淹没程度显著降低。此外淹没的分区结果显示，潮汐带与过渡带的占比减少，水文带的占比增加，且过渡带中多为风暴潮与降雨共同主导区。这进一步说明了底摩擦调整后削弱了风暴潮与降雨的联合作用，复合淹没更趋向于它们各自单独作用的线性叠加。本研究结果有助于指导滨海城市针对不同区域制定对应的防洪策略，从而减少淹没损失。