基于風暴潮模擬的海濱城市內澇風險評估

張 楠，王 賀，呂永鵬

[1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092；2.中交上海航道勘察設計研究院，上海市200120]

0 引言

上海市臨港新城位于長江口，其沿岸頻受風暴潮威脅，城區內部還會受到短歷時強降雨導致的內澇積水災害[1]的威脅。對于沿海地區風暴潮災害研究的評估，Zhenhua Pan[2-3]針對人類工程對長江口風暴潮的影響研究中提到臺風會對長江口造成威脅，介紹了浦東國際機場附近的極端風暴潮存在的不同程度的淹沒風險。段麗瑤[4]針對天津沿海地區搭建的城市內澇模型，是在沿海邊界和河口處設置了時變水位，模擬了由于風暴潮侵襲造成的淹沒情景。研究海域與陸域洪水采用的方法多數是將兩個系統分開建模，風暴潮模型關注海岸線，城市內澇模型關注城區，需考慮潮位影響就添加邊界條件。本研究的突破點是將海域與陸域整合為一個模型，多角度模擬強臺風疊加強降雨時城區內澇的情況。

1 研究區概況

在國家新型城鎮化戰略下，臨港新城是長三角濱江沿海發展廊道上的區域性節點城市，是上海的開放創新先行示范區。鑒于位置的特殊性，研究其由強降雨、臺風等帶來的潛在風險就十分重要。臨港地處上海東側沿岸，處于北亞熱帶平原感潮河網地區，外圍系黃浦江、長江口與杭州灣水域環繞，具有明顯的海洋性季風特征，雨量充沛，年降雨量為1 228.1 mm，但年內分配不均，6—8月汛期降雨量約占全年的41.9%。水位易受沿江沿海潮汐影響，外圍水域潮汐特性為非常規淺海半日潮，一個太陽日（即24 h 50 min）有2 次高潮和低潮，且各不相等。

2 研究方法

2.1 模型介紹

MIKE 21 由丹麥國家水力研究所（DHI）研發，是一款二維水動力軟件，在二維地表漫流模擬中應用廣泛，這源于該軟件在二維地形處理方面的優勢，可用于三角形網格搭建海底地形，亦可用矩形網格搭建城市地形。以往多數研究是將風暴潮模型與城市內澇模型分開計算，相結合的應用研究卻極少。本研究的特點就是將相關海域的海底地形與城市地形相結合，在強降雨和臺風情況下，模擬海域加陸域系統的行洪過程，以期為內澇防治系統的完善提供輔助支持，并在為后續使用二維水動力模型在海域與陸域相結合的城市內澇風險研究中提供借鑒。

2.2 模型構建

臨港新城的二維水動力模型研究區域主要包含了海域部分和陸域部分。其中海域范圍邊界參考了Zhenhua Pan[2-3]研究的長江口模型，取東邊界至東經123°30′，北邊界至北緯32°15′，南邊界至北緯29°33′，包括黃浦江、杭州灣和舟山群島在內，東西長約550 km，南北寬約340 km；陸域范圍包括上海市區、長興島、橫沙島和崇明島。其中，臨港新城的主海塘長約34 km，堤頂高程為10.4 m（吳淞零點），該一線海塘可以防御200 a 一遇高潮位加12 級風正面襲擊。該模型的計算域及水下地形分布圖參見圖1。

圖1 地形圖（單位：m）

2.3 模型率定

模型通過歷史上兩次降雨事件進行率定，即2018年的“9·17”暴雨事件與2019年的“利奇馬”臺風事件。

2.3.1 “9·17”暴雨事件

從上海浦東惠南站監測點的數據來看，暴雨從2018年9月17 日凌晨02:48 開始，約至中午12：00結束，歷時約10 h，降雨總量達139.2 mm，最大1 h降雨量為102.5 mm。該暴雨已超過100 a 一遇標準。圖2 為臨港新城“917”暴雨事件淹沒水深圖，嚴重區域積水深度在0.15～0.18 m，積水長度約50～200 m，積水時間為1～2.5 h。積水嚴重區域總面積約0.076 km2，“9·17”暴雨時間模擬結果的積水結果與實際積水率定點基本保持一致，紅色星號處為率定點位。

圖2 “9·17”暴雨事件內澇積水點（單位：m）

“9·17”暴雨期間未有臺風過境，當時湖水閘外海未退潮，河道水位低于外海水位，因此無法開閘排水。圖3 給出了臨港“9·17”暴雨事件期間蘆潮港實測潮位（中國水務信息網）和計算潮位的對比過程線。天文潮潮位計算值的波動情況與實測值基本一致，潮位計算值與實測值吻合良好。

圖3 “917”暴雨事件蘆潮港實測潮位與計算潮位的對比過程線（單位：m）

2.3.2 “利奇馬”臺風事件

2019年8月9 日的“利奇馬”臺風給上海帶來明顯的風雨影響，全市普降暴雨到大暴雨。從9 日12：00 至11 日早6：00，臺風降雨歷時42 h，臺風過境期間，長江口區及沿海地區達到9～11 級大風，沿江沿海地區出現0.5～1.3 m 的風暴潮增水，由于天文潮整體不高，因此未出現超警戒水位情況。圖4 給出了“利奇馬”臺風過境期間蘆潮港實測潮位（中國水務信息網）和計算潮位的對比過程線。風暴潮潮位計算值的波動情況與實測值基本一致，潮位計算值與實測值吻合良好。

圖4 “利奇馬”臺風蘆潮港實測潮位與計算潮位的對比過程線（單位：m）

綜上率定過程和結果表明建立的海域加陸域的二維水動力模型搭建合理，確保了能較精確地預測現狀條件下臺風過境疊加強降雨的情況，可用于后續的內澇計算分析工作。

3 海域憎水與陸域內澇模擬

3.1 模擬工況

為了研究臨港新城最嚴重的內澇災害，本文在風暴潮的基礎上考慮極端降雨事件。首先選取9711臺風(Winnie)期間的潮位為極端風暴潮，因9711 號臺風是近年來影響我國強度和范圍最大的強臺風之一，所謂強臺風就是指底部中心附近平均最大風速為41.5～50.9 m/s 的臺風，屬于14～15 級臺風。該臺風登陸時,正值天文大潮期，它所引起的風暴潮使得浙江、上海和江蘇等沿海堤壩損壞嚴重，故本研究模擬工況選取9711 號臺風過境。根據《上海市排水防澇綜合規劃》的要求，上海市新區的內澇防治標準為100 a 一遇，故本研究將100 a 一遇設計降雨的峰值與9711 號臺風造成的最大增水時刻進行重合模擬。模擬時段定為1997年8月17 日0∶00—1997年8月20 日0:00，采用上海市100 a 一遇24 h 設計雨型，24 h 降雨量為279.1 mm，最大1 h 降雨量為68.9 mm。

3.2 評估分析

3.2.1 最大積水深評估

二維水動力模擬計算結果顯示9711 號臺風過境期間蘆潮港最高水位可達4.10 m（85 高程），與歷史實測數據較為接近；同時并未造成沿海漫堤現象發生，即現狀條件下的臨港一線海塘可防御歷史上強度較大級別臺風，上海臨港沿海地區處于安全狀態。圖5 展示了臺風過境后城區范圍內的積水圖，積水深隨著藍色深淺逐漸加，最大積水深達2.02 m。

圖5 “9711”過境疊加百年一遇降雨的最大淹沒水深圖（單位：m）

3.2.2 內澇風險評估

參考《臨港試點區海綿城市專項規劃》確定的試點區水災害治理的量化指標，即內澇防治按照《室外排水設計標》（GB 50014—2021）內澇重現期評價提出的100 a 一遇，及城市防洪提出的沿江、沿海主海塘防御能力達到200 a 一遇高潮位，本研究擬定了評判臨港內澇風險等級的規則，即積水深度在0.15 m，積水時間不到1 h 的區域為低風險區；積水深度范圍在0.15～0.3 m，積水時間在1～2 h 的區域為中風險區；積水深在0.3～0.5 m，積水時間在2～3 h 的區域為高風險區。

根據該規則，繪制了內澇風險等級圖6，統計淹水面積約0.1 km2，占比0.1%（臨港新城面積約79 km2），藍色低風險區約0.014 km2，黃色中風險區約0.026 km2，紅色高風險區約0.056 km2。

圖6 內澇風險等級圖

研究結果表明，9711 號臺風過境期間沿海海堤越堤不明顯，造成的最大積水深約2.02 m，淹水面積約0.1 km2，城區內澇主要集中在北部未開發區域。

4 結論

本研究通過搭建海域和陸域相結合的二維水動力模型，模擬了9711 號臺風疊加百年一遇設計降雨工況，重點分析了沿海地區與城市范圍內的內澇情況。總結有以下幾點：

現狀條件下的臨港沿海堤防等級較高，9711 號臺風過境期間沿海海堤可防御200 a 一遇高潮位加12 級風襲擊，臨港區域較為安全。

臨港新城范圍內的高風險區主要集中在北部未開發區域及沿海區域。

用MIKE 搭建的二維海域與陸域模型在內澇模擬方面又拓展了一步，實現了可能達到的潮位、大風、波浪、降雨同時發生時產生的淹水問題，較以往設置單一潮位邊界模擬，更具有實際參考價值。

各相關管理與建設部門可以根據分析得出的內澇風險等級圖作為決策參考，本研究可為后期城市開發提供數據支持，并為城市洪水風險圖的編制及行泄避險通道的制定提供強有力的理論依據。