南昌市城区极端暴雨洪涝应对研究

孙建豪 SUN Jian-hao；王琅琅 WANG Lang-lang；粟一帆 SU Yi-fan

（①南京富赛安全技术有限公司，南京 210000；②南京瑞迪水利信息科技有限公司，南京 210029；③南京水利科学研究院，南京 210029）

0 引言

特殊地理位置和季风气候的影响，决定了我国是一个洪涝灾害严重的国家。《2020 年全球自然灾害评估报告》显示：2020 年我国共发生较大洪水灾害193 次，直接经济损失515 亿美元。进行城市洪涝灾害分析，对保障社会经济和居民生命财产意义重大。

南昌市地处我国南方洪涝灾害频发区，局部暴雨洪涝灾害几乎年年都有，且季节性强。为应对南昌市洪涝灾害风险，黄毅用多源数据对南昌市进行洪涝风险等级评估[1]；程朋根，黄毅基于AHP-熵权法对南昌市洪涝风险进行评估[2]；万一帆研究城市化进程对暴雨内涝的影响[3]；刘鑫对南昌市灾害风险研判及对策建议[4]。

为贯彻执行习近平总书记提出的新时代防灾减灾救灾“两个坚持、三个转变”新理念，总结“7·20 郑州特大暴雨”洪涝灾害经验和教训，科学掌握极端暴雨发生时城市洪涝风险，提高城市应对极端暴雨洪涝灾害的能力。本文利用一二维耦合水文水动力数值模型，开展南昌市城区极端暴雨洪涝应对研究，模拟不同场景下城市淹没范围、淹没水深、淹没历时等风险要素，明确极端暴雨情景下南昌市洪涝灾害高风险地区，为南昌市洪涝灾害防控提供理论支撑。

1 区域概况

南昌市地处江西省中部偏北，赣江、抚河下游，鄱阳湖南岸滨湖尾闾地区。位于东经115°27′～116°35′，北纬28°10′～29°11′，本文以南昌市城区防洪应急总体预案涉及的城区排涝区划范围为研究对象，包含昌北治涝片区、昌南治涝片区，建设范围约为832.67km2，研究区域范围见图1。探究区域在遭遇极端暴雨（初定标准：1 小时面雨量200mm，24 小时面雨量400mm，72 小时面雨量600mm）的洪水风险。

图1 研究范围示意

2 数学模型构建与率定

2.1 基本框架

本文通过构建南昌市一二维耦合水文水动力数值模型，分析南昌市城区内涝风险现状。一二维耦合水文水动力数值模型主要包括产流模型、汇流模型、一维河网～管网模型及二维地面洪水验算模型。

本项目选用Horton 模型进行南昌市城区产流计算。Horton 模型提出了著名的下渗公式，由小型集水区渗透计算得到，通常表达为时间的函数：

式中：f0为初始下渗率（mm/h）；fc为最终下渗率（mm/h）；k 为指数项参数（1/h），累计渗透量为：

选用SWMM 模型计算汇流。该模型为美国开发的非线性水库模型，通常与Horton 模型连用。采用非线性水库和运动波方程（非线性水库方法）计算坡面流，该方法需定义子集水区宽度和地面曼宁粗糙系数。分别对子集水区的各个表面进行汇流计算。

一维河网～管网的洪水运动用St.Vennant 方程组描述，其上、下游边界的控制条件一般采用水位过程控制、流量过程控制、流量～水位关系控制等形式。由基本方程St.Vennant 方程、边界条件和初始条件共同组成一维水流运动的定解问题。描述河道水动力过程的一维圣维南方程组由连续方程和动量方程组成：

式中：x，t 分别为河道纵向坐标及时间；n 为糙率系数；Q、Z 分别为断面流量及水位；q 为单位河长的旁侧入流量；A 为过水断面面积；u、R 分别为过水断面平均流速及水力半径；g 为重力加速度；Bt=B+Bw，其中B 和Bw分别为河宽和附加滩地宽度。

这里，Z、v 分别为初始流场各点的水位和流速值，一般流速场取为静止场，水位则取控制断面的水位值。对于非恒定流计算，先按恒定流计算，得到一个恒定场，作为初始场。

二维模型采用二维有限体积法求解浅水流方程组。

2.2 模型构建

本研究模拟的范围包括湾里区、新建区、东湖区、西湖区、青云谱区和青山湖区，共6 个行政区，计算面积共832.67km2。

根据《水力学手册》《南昌市城市防洪规划》《河道整治规划设计规范》等相关参考文献，拟定河道糙率值为0.02～0.04。（图2）

图2 南昌市一二维耦合水文水动力模型

2.3 模型率定及验证

选取2018 年7 月5 日～8 日南昌站的降雨过程进行模型率定，2020 年进行验证。从结果来看，模型计算的水位变化过程与相应站点实测水位基本一致，水文变化趋势、最高洪水位到达时间基本一致。因此，模型采用此次调试的参数作为水动力学模型计算的参数。（图3、图4）

图3 2018 年8 月降雨

图4 2020 年7 月暴雨

3 内涝风险模拟

本项目计算南昌市发生极端暴雨时城市的洪涝风险，设置1 小时200mm、24 小时400mm 与72 小时600mm 等3 类计算方案、6 组计算工况，计算方案情况见表1。

表1 计算工况表

基于南昌市城市洪涝风险分析模型，采用上述工况计算边界进行南昌市城区暴雨内涝风险计算。计算结果如表2 所示，城区淹没面积分别为148.91km2（工况1），140.38km2（工况2），146.97km2（工况3），127.93km2（工况4），180.73km2（工况5）和176.49km2（工况6）。城区内淹没水深大部分小于0.3m，淹没水深小于0.3m 的面积占总淹没面积的40.20%（工况1），43.08%（工况2），33.44%（工况3），38.82%（工况4），30.81%（工况5）和32.05%（工况6）；工况5 高淹没水深区域的面积范围最大。

表2 暴雨内涝风险要素统计表

通过数值模拟计算及城市洪涝风险分析发现，南昌市淹没水深大的区域主要集中在临空经济区、儒乐湖新城、经开区、凤凰洲、象湖排水片、吴公庙和航空城7 个区域，区域分布见图5，对于风险较大的区域在发生极端暴雨时可采取应急强排措施。

图5 南昌市城区淹没水深较大区域

4 结论

①城市遭遇短历时强降雨情况，城市内排涝工程来不及外排赣江，短历时强降雨应对主要是加强应急抢险。

②洪涝灾害高风险地区均为：昌北经开区排水区、昌北红谷滩排水区、昌北凤凰洲排水区、机场排水区以及昌南航空城排水区。