营口市城市暴雨洪涝灾害风险分析

李 影

(营口市防汛抗旱保障中心,辽宁 营口 115000)

随着城市化进程的加快以及全球气候变暖,城市暴雨洪涝灾害频发,对经济发展、人民群众生产生活及市民生命财产安全等构成较大威胁[1]。因此,研究分析城市暴雨洪涝灾害风险有助于提高城市防涝抗灾能力,减少暴雨洪涝带来的经济损失,解决城市洪涝问题,为有关部门科学防治和预防城市暴雨洪涝提供参考。有关研究从注重灾情数理统计、灾害成因机理逐渐转向关注基于情景模拟的高精度、灾情实时动态变化分析方法[2-3]。

从情景模拟分析的角度上定义城市暴雨洪涝灾害危险性:一定降水概率条件下所引起的特定区域地面积水深度大小,对于不同承载体可能的危害程度可以用不同深度积水来衡量,这是评估暴雨洪涝灾害风险的重要依据。目前,城市暴雨洪涝灾害风险分析模型主要包括LISFLOOD、SWMM和MIKE系列等水力学模型,由于具备功能全面、界面友好等特点,DHI MIKE系列模型在城市洪涝灾害危险性评估中的应用最为广泛[4-6]。

营口市位于渤海之滨,地处大辽河下游出口感潮河段,由于地势低洼,又是大辽河入海的必经之路,沿河岸线长,城市受洪水、暴雨、台风暴潮影响比较严重,加上穿过市区的内河较多,发生洪水的频率多,每到汛期上游来水较大时,由于大辽河受潮水顶托,境内虎庄河、老边河易发生河水倒灌,致使水位抬高,造成内涝灾害。近年来营口市极端暴雨强度和发生概率明显增大,暴雨形成灾情的强度和概率显著提升,加之经济的发展及人口的增加,进一步增强了营口市应对暴雨洪涝灾害的脆弱性。鉴于此,本研究以100a、50a、20a一遇暴雨重现期为基准,采用DHI MIKE11、MIKE21模型分析骨干河道纵断面的排水状况以及淹没范围空间分布、时间演变特征,旨在为区域防洪排涝决策、滞洪区选址和暴雨风险评估等提供一定技术支持[7-9]。

1 研究区概况

营口市位于辽东半岛中部,辽河下游、松辽平原南端,地处E40°65′6″～40°66′7″,N122°23′5″至122°17′1″。按海拔高度可分为三种地貌区:东南部低山区、中部丘陵区和西北部滨海辽河谷堆积平原区。营口市属大陆性季风气候,年均降水量693.5mm,从空间分布上,营口市年降水量由东南向西北递减。东南部山区雨量充沛,年降水量最高达730.2mm,西北沿海平原区雨量较少,年降水量仅640.4mm,极值比相差近1.2倍。受季风气候和地理位置影响,区域降水具有明显季节性,一般六月进入雨季,7～8月属于降雨全盛时期。

营口洪涝灾害具有频繁性、持续性及区域性的特点,分析其成因主要包括:①暴雨集中强度大,7、8月份降雨量占全年降雨量的70%左右,降雨集中,强度大使土壤饱和,河网蓄满水排不出去,造成涝灾;②山区来水面积大,比降大,经常是山洪急下、水位急骤上涨,根据《营口市地方志》记载,历史上多次发生较大的洪涝灾害,两岸居民受损严重;③河道局部狭窄,滩地地形条件不利于洪水顺畅下泄;④海潮顶托,下游入海口处受海潮顶托阻滞,使上游洪水下泄不畅[10]。

2 建模分析

2.1 数据资料

1)设计净雨。营口市100a(P=1%)、50a(P=2%)和20a(P=1%)一遇情境下的设计暴雨量利用暴雨公式计算确定,采用倍比法和营口市24h雨型分配表计算不同重现期暴雨过程曲线,应用稳渗率10mm/h的霍顿下渗曲线计算下渗量[11]。

2)地形。研究选用Arc GIS软件和营口市1∶10000地形图计算获取DEM数据及地形特征,空间分辨率20m。

3)河网。充分考虑营口市农田渠系与河道分布情况,对已有的河网遵循概化原则概化。营口地区河流按地理位置和流域分区可划分为三个水系,即辽河水系(大辽河)、辽东湾东部沿渤海诸河水系(包括大旱河、大清河、沙河、熊岳河、浮渡河)及辽东沿黄海诸河水系(碧流河),主要河流特征如表1所示。

表1 主要河流特征

4)来流与出流条件。采用多点入流汇流法计算主要河流流量过程,该方法是一种考虑净雨空间分布不均匀性的定常汇流多维线性系统,以等流时块为单元区,以等流时线法为基础,采用河槽汇流曲线进行区间支流的河道演算及流域汇流计算,可以较为精准度确定城市河流洪水流量。经计算,营口市主要河流20a、50a、100a一遇来水流量依次为255m3/s、310m3/s、500m3/s,考虑市域限泄要求出口处按照120m3/s考虑。

2.2 MIKE11一维模型

渠系一维非恒定流利用MIKE11水动力模块模拟,输入信息有模拟时间、水动力学参数、边界条件、河网断面数据、河网数据和输出数据类型,具体设置如下:①设置来水时间段与模拟时间相同,时间步数16250,步长5s;②根据《室外排水设计规范》和实际情况,将初始水深及曼宁系数设置成0.001m和0.035;③除个别出口处设置水位边界之外其它渠系均设置流量边界,按照20a、50a、100a不同来流条件设置主要河流的流量边界,渠系设置零流量边界;④充分考虑部分概化的渠系断面资料和实测断面资料设置渠系断面形式;⑤将河网数据导入Arc GIS系统生成河段和节点信息,对各渠系间的联结关系进行合理设置[12]。

2.3 MIKE21二维模型

MIKE21水动力模块输入数据包括边界条件、地形数据、干湿水深、模型类型、源汇项、模拟时间等基本参数以及降雨蒸发、槽率、初始条件、涡黏系数等物理参数,如表2所示。

表2 模型参数设置

2.4 MIKE FLOOD模型

将MIKE11、MIKE21计算结果利用MIKE FLOOD模型按照侧向连接的方式相耦合,两模型的网格单元与各河段两侧相连。通过CELL TOCELL计算每个节点的水流,并重新向MIKE11和MIKE21分配[13-14]。采用包含摩擦项的WEIR1作为结构物类型,最大高程取堤岸高度。

3 结果与分析

3.1 主河道纵断面排水

根据一维和二维模拟结果选用淹没较为严重的大辽河、大清河、碧流河分析纵断面排水情况,如表3所示。

表3 主要河道纵断面的排水特征

由表3可知,20a一遇暴雨情景下各骨干河道均达不到20a一遇防洪设计标准,大清河、碧流河和大辽河下游段均发生漫溢情况,这些河段所属区域地势较低,所以该河段坡面汇流流量较高;由于干渠排水不畅,两河流交汇处形成一定程度的雍水。50a一遇暴雨情景相比于20a一遇各骨干河道的最大水深有所提高,增幅处于0.2～0.5m之间,漫溢范围明显扩大。除上游来水流量增加在一定程度上增大河道水深外,由于降水量的增加致使坡面汇流雨水量增大,在排水能力达到饱和条件下下游河道水流回流至上游。100a一遇暴雨情景下各骨干河道最大水深继续增加,整个碧流河和大清河均表现出一定的雍水现象,坡面短时最大汇流流量达到18.0m3/s和36.0m3/s,这主要与河道排水不畅、下游出口流量限制以及该区域地势较低等因素有关。

3.2 淹没范围演变趋势

20a一遇情景下,从积水深度超过30cm的积水时间分布上大清河西侧、大清河下游、大辽河与碧流河交汇处的积水时间均超过2h,特别是碧流河下游东侧和大清河下游北侧的积水时间较长。从50cm以上积水深度的积水时间分布上,碧流河与大辽河交汇处以及大清河下游北侧的积水时间达到6h。

100a一遇和50a一遇相比于20a一遇暴雨情景,从积水深度超过30cm的积水时间分布上,碧流河与大辽河交汇处、大清河下游、大清河沿岸以及大清河西侧4处的积水时间更长,淹没范围更大,特别是碧流河下游东侧、大清河下游北侧和交汇处积水范围及时间都明显增大,100a一遇暴雨情景下超高8h;50a一遇相比于20a一遇暴雨情景,从积水深度超过50cm积水时间分布上,碧流河与大辽河交汇处以及大清河下游北侧的积水时间、淹没范围明显增加;100a一遇相比于20a一遇暴雨情景,从积水深度超过50cm积水时间分布上,碧流河与大辽河交汇处、大清河下游以及大清河沿岸3处的积水时间显著增加,淹没范围也更大,特别是碧流河与大辽河交汇处以及大清河下游北侧的积水范围和时间明显增加[15]。

3.3 淹没范围空间分布

从淹没范围上,20a一遇暴雨情景下最大淹没水深集中分布于0～0.3m范围,局部最大淹没深度处于0.5～1.5m之间,集中分布于营口市东南部和东侧的地势低洼区,该处由于渠道排水能力有限淹没深度高出周边约0.1～0.8m,应作为重点防洪调度区,其它部分区域在河道排水作用下只有局部低洼区出现小范围内涝。

50a一遇相比于20a一遇最大淹没水深集中区域增大0.1～0.2m,河道接纳了一部分地面汇流的水流,河道流量大部分超出其排水能力,虽然通过河网汇流有一部分水流进入大清河和碧流河下游边界,但由于整体排水能力有限整个区域淹没水深高于20a一遇。因地势低洼南侧淹没程度较高,小范围积水也呈现出扩大趋势。100a一遇暴雨情景下的河道排水能力接近饱和状态,地面径流大都汇入河流,但上游来水和降水会向地势低洼区汇集。沿河地势低洼区与其它地区相比积水更加严重,100a一遇相较于50a一遇最大淹没水深增大近0.1～0.2m,并且淹没水深超过0.5m的空间分布增大近20%。100a一遇与50a、20a一遇暴雨情景的最大淹没水深分布相似都集中在东侧和东南侧地势低洼区。

4 结 论

本研究利用MIKE FLOOD模型模拟20a、50a、100a一遇暴雨情景下营口市主要河道的排水情况和防洪能力,随时间变化整个研究区淹没范围空间分布情况及演变趋势,主要结论如下:

1)20a一遇暴雨情景下各骨干河道均达不到20a一遇防洪设计标准,虽然未达到饱和泄水条件,但局部河段超过堤顶水位。河道漫溢范围以及河网汇水流量均随着重现期的增长而增大,河道大部分均达到饱和泄水能力。另外,受大辽河和大清河下游出流流量限制其下游流域积水时间、积水深度均明显增加。

2)暴雨情景不同,降水产生的洪涝灾害危险性存在明显差异,暴雨洪涝危险性随降雨强度的增加而增大,20a一遇暴雨情境下积水时间超过2h且积水深度超过30cm的区域集中于碧流河与大清河交汇处、大辽河下游以及西侧,洪涝危险性最小。研究区淹没范围随暴雨重现期的增长逐渐扩大,淹没范围也不断扩大。100a一遇暴雨情景下碧流河与大清河交汇处以及大辽河北侧的积水时间明显增大,整体达到8h以上。

3)暴雨情景相同时的洪涝灾害危险性也会存在一定差异,20a、50a、100a一遇时最大淹没深度集中分布于研究区东侧及南部的地势低洼区,积水时间达到8h且最大积水深度超过2m,这是洪涝灾害风险重点防御区。因此,在增强河西排水能力的情况下建议调整洪水调度方案,为消纳洪水还要科学设置蓄滞洪区,为防汛部门评估暴雨风险、制定闸坝调度方案以及滞洪区选址提供参考。