深圳市2023年“9·7”极端特大暴雨洪涝复盘模拟分析
——以深圳龙华区观澜河流域为例
2024-02-20宋利祥陈嘉雷刘壮添吴辉明
宋利祥 陈嘉雷 刘壮添 吴辉明
（珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州 510610）
0 引 言
高度城镇化带来“热岛效应”和“雨岛效应”显著，加上全球气候变化的影响，近年来城市极端暴雨频发[1-3]。受2311 号台风“海葵”残余环流、季风和弱冷空气共同影响，2023 年9 月7 日17 时至8 日15 时30 分，深圳市出现超历史纪录的特大暴雨。此次暴雨具有强降雨时段集中、范围超大、降雨持续时间超长、暴雨强度超强的特点，打破了深圳市1952 年有气象记录以来最大2 h、3 h、6 h、12 h、24 h、48 h、72 h 滑动雨量7 项历史极值[4]。极端特大暴雨造成龙岗河、深圳河、观澜河等流域严重汛情，27 条主要河道发生超警戒水位以上洪水，城市遭遇严重洪涝灾害。
为揭示深圳市2023年“9·7”极端特大暴雨洪涝灾害成因并提出相应的防治对策，采用HydroMPM（Hydro Multi-Processes Modeling）洪涝数学模型对龙岗区观澜河流域暴雨洪涝过程进行了复盘，模拟分析了河道漫溢水淹及城区积水等情况。
1 模型构建
1.1 模型软件简介
选用由珠江水利科学研究院自主研发的HydroMPM模型云平台。该平台基于浏览器/服务器模式（Browser/Server，B/S）研发，内置HydroMPM 数值模型引擎，实现了一维、二维、一维和二维耦合水动力模型的构建、计算方案配置及成果可视化展示，形成了标准化、一体化的业务操作流程。HydroMPM 数值模型引擎能够适应零维（水库调洪、水文产汇流）、一维（河道、管网）、二维（地表漫溢）及其耦合模型多种求解方式，可实现城市暴雨洪涝全过程模拟[5]。
1.2 暴雨洪涝模型构建
1.2.1 建模范围
本次建模范围以深圳龙华区观澜河流域为主。观澜河干流河宽50～130 m，发源于大脑壳山，自南向北流经布吉街道、观澜街道、龙华街道、光明街道。观澜河全流域面积241.1 km2（其中龙华区175.6 km2），干流河道长14.19 km，河床平均比降2.07‰。
1.2.2 一维河道模型构建
一维模型建模河流包括龙华区范围内观澜河、龙华河、茜坑水、岗头河、横坑仔河、白花河等22条主要河道，建模总长度105 km。为获得稳定的水位流量关系，将观澜河干流延伸至东莞市塘厦镇。河流断面间距按最大不超过300 m 控制，在跨河桥梁、水利工程（闸、水陂）、河涌转弯、断面变化剧烈等位置进行断面加密，最小断面间距约为20 m。按上述原则共布置河涌断面857个，平均断面间距约120 m。一维河道模型示意图如图1所示。
图1 一维河道模型示意图
1.2.3 二维地表模型构建
以龙华区建成区为边界，根据数字高程模型（DEM）分析流域分水岭并适当外拓，得到包含所有可能淹没区的二维模型范围，共计237 km2。采用三角网格剖分计算域，河道两侧及主要道路网格边长按不大于30 m控制，城区网格边长按不大于50 m 控制，山区网格边长按不大于200 m 控制，二维模型共包含37.6 万个网格。二维模型局部网格及地形示意图如图2所示。
图2 二维模型局部网格及地形示意图
1.2.4 管网模型
龙华区内河道附近共有729 个主要雨水排口，排水能力强的管渠主要分布在观澜河干流附近，其他支流承接的排水管渠最大排水能力一般在5 m3/s 以下。根据各排水口上游连接的所有排水管渠分布及地形等确定各排水口的排水分区范围。经分析和划分，各沿河排水口的排水分区划分如图3所示。排水分区划分后，根据其与二维网格几何中心点相交情况确定各排水分区内的二维网格编号，从而实现二维地表模型与管网模型的耦合。
图3 沿河排水口的排水分区划分图
1.2.5 一维河道—二维地表—管网耦合模型
产汇流模型、一维河道模型、二维地表模型、管网模型通过以下过程进行耦合：①根据水文方法计算得到的山地洪水作为一维河道和二维地表模型的流量边界。②一维河道—二维地表模型通过堤岸进行耦合，以模拟漫堤洪水演进过程。耦合前，需根据一维河道堤岸高程对二维模型堤岸高程进行修正。③一维河道—管网通过排水口进行耦合，以反映管网的点源汇入及河道水位对管网的顶托作用。④二维地表—管网通过二维网格进行耦合，以模拟积水点周边内涝及管网对地面积水的排水作用。
1.2.6 模型率定
采用各河道最新的初设报告、施工图中的设计水面线对河道糙率进行初步率定，然后结合调研中河道实际情况和重要卡口等对河道糙率、模型建筑物进行进一步调整。最后对比河道实测易漫溢段与模拟淹没情况验证模型合理性。经率定，河道糙率取值为0.013～0.045。同时，采用龙华区内53 个积水风险点实测淹没水深和淹没范围资料对河道—地表—管网耦合模型进行了率定，以确保耦合模型能满足内涝模拟的精度要求。
2 观澜河流域洪涝水淹分析
采用构建好的城市暴雨洪涝模型，对2023 年深圳市“9·7”极端特大暴雨过程进行模拟，重点分析河道漫堤及城区积水情况（图4）。
图4 雨量站实测降雨过程图
2.1 河道漫溢水淹情况
根据模拟结果可以看出，2023 年深圳市“9·7”极端特大暴雨洪水造成龙华区观澜河流域多处出现漫堤，其中樟坑径河、君子布河及白花河3 条支流的漫堤情况较为严重，共有7 处漫堤点，漫堤洪水淹没范围如图5 所示。根据模拟结果可知：樟坑径河民心桥段右岸漫溢段淹没面积为7 629 m2，平均淹没水深为0.41 m；樟坑径河观壹城段左右岸漫溢段淹没面积为13 568 m2，平均淹没水深为0.87 m；樟坑径河丰南苑段左右岸漫溢段淹没面积为5 791 m2，平均淹没水深为0.65 m；君子布河君新路段左右岸漫溢段淹没面积为2 434 m2，平均淹没水深为0.81 m；君子布河德茂路段左右岸漫溢段淹没面积为19 251 m2，平均淹没水深为0.37 m；白花河美嘉美段左岸漫溢段淹没面积为4 532 m2，平均淹没水深为0.27 m；白花河竹山路段左右岸漫溢段淹没面积为9 427 m2，平均淹没水深为0.65 m。
图5 河道漫溢情况模拟结果
经模型分析及现场调研，上述河道发生漫溢水淹，除了区域降雨超标准、下垫面硬化导致径流系数增大等因素外，城市开发建设导致河道行洪断面缩窄也是一个重要因素。例如，樟坑径河观壹城段跨河桥梁阻水比较大，观壹城至旭玫新村87 号楼部分河段断面缩窄，导致过流能力不足；君子布河在德茂路桥上游河道断面宽度由15.2 m 变为7.5 m×2.4 m 桥涵加2×DN2000 分流管道，河道过流断面缩窄，阻碍河道行洪。
2.2 城区积水情况
根据现场调查及模型模拟结果，龙华区内积水深度达到0.15 m 以上且影响相对明显的积水点共计46 个，其中，最大积水深度在0.50 m以上的积水点共有16个。积水区域模拟结果与调查结果对比见表1。由模拟结果可知，模拟积水深度误差为0.01～0.29 m，总体上与实际积水深度较为吻合，平均相对误差约为32%，基本合理模拟了城区积水情况。
表1 积水区域模拟结果与调查结果对比
经模型分析及现场调研，上述地点发生积水，除了区域降雨超标准、区域管网排水能力不足等因素外，河道对排水管渠的顶托作用也是一个重要因素。本次暴雨过程中，白花河、上芬水、油松河等河道水位上涨较快，河道水位较高且箱涵接近满流，造成局部区域排水不畅，形成了观平路建材市场路口、民治大道万众城（民治大道绿景香颂段）、工业路壹城中心等多个积水点。以民治大道万众城（民治大道绿景香颂段）为例，该段区域雨水直排油松河，本次暴雨过程中油松河水位已接近漫堤，在高水位下雨水管渠已无法正常排水，造成积水水深达到1.00 m。
3 结 论
采用HydroMPM 模型云平台构建了深圳龙华区观澜河流域城市暴雨洪涝模型，对深圳市2023 年“9·7”极端特大暴雨进行了复盘模拟分析，模拟了河道漫溢水淹及城区积水情况，主要结论如下。
（1）本次暴雨造成了部分河段漫溢水淹，其中，樟坑径河、君子布河及白花河3条支流的漫堤情况较为严重，共有7处漫堤点，淹没面积共计62 632 m2，平均淹没水深0.27～0.87 m。水淹范围模拟结果与现场调查情况基本一致。
（2）本次暴雨导致积水深度达到0.15 m 以上且影响相对明显的积水点共计46 个，其中，最大积水深度在0.50 m以上的积水点共有16 个。与现场调查情况相比，积水区域的模拟积水深度误差为0.01～0.29 m，总体上与实际积水深度较为吻合，平均相对误差约为32%，基本合理模拟了城区积水情况。
（3）河道发生漫溢水淹，除了区域降雨超标准、下垫面硬化导致径流系数增大等因素外，城市开发建设导致河道行洪断面缩窄也是一个重要因素。
（4）城区发生较为严重的积水，除了区域降雨超标准、区域管网排水能力不足等因素外，河道对排水管渠的顶托作用也是一个重要因素。
