基于TELEMAC-2D模型的深圳洪澇風險評估

李國一，劉家宏,2,3

(1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038;2.水利部水資源與水生態工程技術研究中心，北京 100044；3.水利部數字孿生流域重點實驗室，北京 100038)

隨著我國城市化進程不斷加快，加之全球氣候發生變化，我國城市內澇災害發生頻率增加、災害損失加劇，已成為影響經濟社會發展的一種主要自然災害[1-3]。截至2020年，我國城鎮化率超過60%[4]。城市化本質是社會經濟變化的過程，1978年至今是我國城市化穩定快速發展時期，在城市化發展帶來諸多積極意義的同時，也會產生一系列環境、社會和經濟問題，例如土壤污染、空氣污染、熱島效應、雨島效應、水資源短缺、酸雨等。其中城市內澇問題近幾年表現尤為突出，“城市看海”的現象時有發生，城市內澇造成人員傷亡、財產損失的事件屢見不鮮，如2012年北京強降雨造成道路、橋梁等工程受損，幾十人遇難；2014年深圳市兩次遭遇強降雨，市內約有200處發生積水內澇，約2 000輛汽車被淹。城市內澇的發生主要由兩方面導致：①氣候變化導致極端降雨事件發生的強度和頻率增加，尤其是短歷時強降雨；②城市建設規劃設計存在局限性，基礎設施建設滯后于城市發展速度。城市暴雨洪水模擬是城市防災減災的關鍵技術之一，國內學者開展了很多相關研究，并取得了豐碩的成果。陸海明等[5]基于SWMM模型在鐵心橋實驗基地開展內澇防治效果模擬；欒震宇等[6]基于MIKE FLOOD耦合模型，以新化縣為典型研究區建立城市內澇模型，對城市內澇風險進行評估；黃錦松等[7]基于二維水動力城市雨洪模型，對海綿城市建設前后的內澇積水情況進行模擬，分析海綿城市內澇削減效果；向小華等[8]通過耦合SWMM和LISFLOOD-FP模型構建響水縣城區內澇模型，并采用GPU并行計算技術加速城市二維內澇模型的運算；馮鈞等[9]通過構建城市內澇事理圖譜，消除城市內澇事件突發性和空間易變性對城市內澇災害決策調度的影響。

深圳市是國家海綿城市建設試點城市之一[10]，深圳市投入大量人力物力進行城市改造，本文以深圳市深圳河流域為研究對象，基于TELEMAC-2D水動力學模型構建二維城市內澇仿真模型，考慮不同降雨歷時對城市內澇的影響，分析內澇發生時積水深度、積水面積、流速等指標，同時對城市不同內澇風險區進行劃分，為深圳市減少城市內澇、加快海綿城市建設提供參考。

1 研究區概況

深圳市(東經113 °43′～114 °38′，北緯22 °24′～22 °55′)地勢東南高、西北低，境內地形復雜，地貌類型多樣且大部分為低丘陵地，低山、臺地、階地和平原間或其中。深圳市屬于亞熱帶海洋性氣候，氣候溫和，光照充足，多年平均氣溫為22.4 ℃；每年4—9月為雨季，汛期降雨約占全年降水量的85%左右，年均降水量為1 933.3 mm，水量充沛。常年主導風向為東南風，平均每年受臺風影響四五次。深圳河是深圳市主要河流之一，屬于珠江水系，發源于牛尾嶺，流經深圳與香港，自東北向西南流入深圳灣。深圳河在深圳市內流域面積約為190 km2，主要包括羅湖區、福田區大部以及龍崗區一部分，屬于深圳市經濟發達、人口密度較大區域，對此區域進行城市內澇風險評估具有重大意義。

2 TELEMAC-2D模型構建

TELEMAC-MASCARET是由法國國家水力學與環境實驗室開發的開源河流、河口和海岸的一維、二維和三維水力學模型系統[11]，主要由咨詢和研究機構組成的聯合體進行管理(相關信息可登錄www.opentelemac.org查看)。本文所采用的TELEMAC-2D是其中的一個二維水動力計算模塊[12-14]，該模塊主要用于求解二維淺水方程，計算每個節點上的水深和流速等，在海岸等大范圍的風暴潮洪水模擬中應用廣泛[15-16]，而專門用于城市洪澇淹沒模擬的研究相對較少。

2.1 模型原理

TELEMAC-2D采用有限元方法對淺水方程進行求解，該模塊可同時求解以下4個水動力學方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：h為水深，m；U為合速度，m/s；u、v分別為速度分量，m/s；g為重力加速度，m/s2；Z為自由表面高程，m；t為時間，s；x、y為空間坐標；vt、vO分別為動量擴散系數、示蹤劑擴散系數，m2/s;Sh為流體源或匯項速度，m/s；T為示蹤劑濃度，g/L；Sx、Sy分別為x和y方向的底摩阻項，m/s2; SO為示蹤劑源或匯項速度，m/s;

TELEMAC-2D模塊采用SCS(soil conservation service)模型進行降雨產流模擬的計算。SCS模型是由美國Soil Conservation Service根據不同地區小流域降雨徑流資料得到的一個經驗性模型[12]。SCS模型計算公式為

(5)

式中：Q為徑流量，m3；P1為降水量,mm；S為土壤最大蓄水量，mm；CN為徑流曲線數；Ia為初損值,mm。Ia為在徑流產生之前損失的雨量，包括蒸發、填洼、下滲和植物截留等，主要與土壤類型和土地利用方式有關[17]。

2.2 模型構建

2.2.1設計暴雨情景

根據《城市暴雨強度公式編制和實際暴雨雨型確定技術導則》，2015年深圳市氣象局聯合其他部門基于深圳市1961—2014年降水資料，編制了最新暴雨強度公式：

(6)

式中：i為暴雨強度，mm/min；P為重現期，a；t1為降雨歷時，min。

采用國際上常用的芝加哥雨型對降雨時程進行分配，可分別得到在50年一遇、雨峰系數r為0.4、時間間隔為1 min的條件下，降雨歷時分別為30 min、60 min、90 min和120 min的4種降雨過程。由于在研究區內獲取排水管網資料非常困難，參考文獻[11-12]，采用等效排水的方法對排水管網進行概化。同時，結合實地調研情況，考慮到管網堵塞、淤積、老化等不利影響，深圳河流域排水管網實際排水能力多為1年一遇。根據深圳市暴雨強度公式求得的1年一遇降水量作為管網的估算排水量，在降雨數據中將此部分等效水量進行扣減，視為通過排水管網排掉的水量。此概化方法在降雨發生時間內對降水量進行適當的折減，所以在地表淹沒計算過程中結果合理可靠。綜合降雨和排水管網的排水作用，設計暴雨過程如圖1所示。

圖1 設計暴雨過程

2.2.2構建過程

圖2為深圳河流域下墊面數據。構建模型所需的高程數據可由地理空間數據云下載，精度為30 m×30 m。同時，使用ArcGIS水文分析工具對高程數據進行預處理，主要包括洼地填充等。處理后的數據基本可以滿足研究區內澇分析的要求。土壤類型數據從寒區旱區科學數據中心下載獲取，根據世界土壤數據庫和美國SCS模型土壤分類標準[18]，可將深圳河流域土壤分為B、C、D 3類，其中B為砂土和少量砂壤土，透水性較好；C為砂黏土、粉砂壤土和少量黏土，透水性中等；D為黏土，透水性較差。土地利用類型數據通過遙感影像解譯獲得，遙感影像可由地理空間數據云下載，分辨率為30 m×30 m。

(a)高程

根據研究需要將深圳河流域土地利用類型劃分為建筑、綠地、水體、道路、裸地和其他共6類。參考與本區域氣候環境相近的地區，根據土地利用類型和土壤水文分組分別賦值不同的曼寧系數n，建筑為0.2，綠地為0.08，水體為0.015，道路為0.05，裸地為0.065，其他為0.05。

使用ArcGIS對高程數據、土壤類型數據和土地利用類型數據進行整合，再由BlueKenue軟件將研究區域劃分為非結構化三角形網格，網格邊長為30 m，共計477 797個網格，240 570個節點。模型邊界條件設置為自由出流邊界條件，即降雨過后的積水僅在重力作用下外排，假設初始地表無積水，庫朗數設為0.75。按照SCS-CN方法，參考文獻[19]，考慮到深圳市地處東南沿海，氣候溫和濕潤，前期土壤含水量設為AMC-Ⅱ，即中等情況。模擬時長為360 min，時間步長0.5 s。為提高徑流曲線數的準確性，結合土地利用類型和水文土壤分類結果確定徑流曲線數，具體見表1。

表1 徑流曲線數

2.3 模型驗證

為驗證模型的準確性和可靠性，根據收集到的實測降雨資料、積水資料對模型進行驗證。選取20180607和20180916兩場降雨進行模擬，將模擬結果與實際積水監測數據進行對比分析，積水監測點位置分布見圖3。降雨數據來源于流域內雨量站實測數據，積水數據由深圳市設立的積水監測設備實時收集，結果見表2和表3。根據結果，模型模擬得到的易澇點與實際易澇點位置基本吻合，表明該模型可較好地模擬研究區淹沒情況；同時，兩場實測降雨模擬所得的淹沒水深與實際監測的淹沒水深誤差較小，表明該模型模擬精度較高。

圖3 積水監測點位分布

表2 20180607驗證結果

表3 20180916驗證結果

3 深圳市內澇風險評估

3.1 積水深度、積水面積、流速分析

根據GB 51222—2017《城鎮內澇防治技術規范》等設計規范并參考相關文獻[20-22]，將不同降雨情景下積水深進行等級劃分。當積水深度小于0.15 m時，基本不會對行人和機動車通行產生影響，可認為沒有內澇風險；當積水深度為0.15～0.3 m時，會影響行人通行，致使機動車行駛速度變緩，一般不會造成人員傷亡和財產損失，可認為低內澇風險；當積水深度為0.3～0.5 m時，對行人和機動車產生很大影響，可能造成人員傷亡和財產損失，可認為是中內澇風險；當積水深度大于0.5 m時，會影響日常生活，發生人員傷亡和財產損失的概率大，可認為是高內澇風險。圖4為不同降雨歷時下的積水深度，可見，隨著降雨歷時的增大，最大積水深度不斷增加，在降雨歷時分別為30 min、60 min、90 min和120 min時，最大積水深度分別為0.71 m、0.80 m、0.90 m和1.12 m，積水深度峰值大約出現在降雨結束時刻。降雨結束后，水流在重力作用下向地勢低洼的地方流動，使得積水深度減小，但會出現積水面積增大的情形。在不同降雨情景下，發生積水的位置具有一致性，主要集中在流域中部地區，主要是因為流域地勢周邊高中間低，水流易于在低洼處聚集導致。

(a)30 min

表4為不同降雨歷時下的積水面積峰值，可見，隨著降雨歷時的增加，不同積水深度對應的積水面積不斷增大。降雨歷時分別為30 min、60 min、90 min、120 min時，積水深度大于0.5 m的積水面積分別為0.35 hm2、2.72 hm2、12.67 hm2和31.92 hm2。雖然積水深度大于0.5 m下的積水面積占流域面積比值較小，但隨著降雨歷時的增大，其增速較大，而且一旦出現此情形，會產生很大的危害，需要特別注意。

表4 不同降雨歷時下積水面積峰值

在進行城市洪澇分析時，通常對積水深度、積水歷時和積水面積關注較多，對流速的分析相對較少。當地面產流以后，水的流動主要靠重力作用，水流方向和速度與地形坡度密切相關。圖5為不同降雨歷時下流速分布，可見，大部分區域流速均小于0.2 m/s。隨著降雨歷時的增加，流速會相應增加，流速大于0.2 m/s的面積持續增大，最大流速出現在流域中部靠近邊界的位置，此處地勢高差大，當出現地面積水時，其流速相對較大。表5為不同降雨歷時下最大流速和最大積水深度情況，可見，隨著降雨歷時的增大，流速的最大值也在不斷增大，降雨歷時為30 min、60 min、90 min和120 min時，最大流速分別為0.90 m/s、1.12 m/s、1.25 m/s和1.36 m/s，流速最大值出現的時刻并不是降雨峰值出現的時刻，而是出現在降雨峰值之后。

(a)30 min

表5 不同降雨歷時下最大流速和最大積水深度

3.2 城市內澇風險評估

城市暴雨內澇會產生人員傷亡和財產損失，本文重點關注內澇對行人安全的影響。關于此方面，國內外學者開展了諸多研究，Foster[23]測試了在水深0.09～0.41 m、流速0.76～3.12 m/s條件下的男性兒童在水流作用下的穩定性問題；宋瑞寧等[24]基于行人安全對城市內澇風險等級進行評估；Jonkman等[25]在水深0.26～0.35 m、流速2.4～3.1 m/s條件下，對一名成年人在水流下的穩定性進行測試。本文借鑒國際上常用的洪水風險評價標準，主要考慮積水深度和流速2個因素來進行風險評估，具體計算公式為

R=d(v1+c)+f

(7)

式中：R為風險等級；d為積水深度，m；v1為流速，m/s;c為常數，通常取0.5；f為水深危害參數。d≤0.15 m時，f=0.5；d>0.15m時，f=1.0。

根據計算出的內澇風險指數，風險等級劃分如下：當R≤0.75時，屬于極低風險區，區域內積水較淺，流速緩慢；當0.75

(a)30 min

表6為不同降雨歷時下內澇風險等級面積，可見，隨著降雨歷時的增大，極低風險區域占比逐漸減小，其他風險等級占比均出現不同程度增加。隨著降雨歷時的增大，地面積水范圍不斷增大，積水深度更深，流速加快，所以低風險、中風險和高風險區面積均不斷增大。其中低風險區面積增加最多，隨著降雨歷時由30 min分別增加到60 min、90 min、120 min，其面積分別增加274.98 hm2、480.68 hm2和444.68 hm2；中風險區面積增速最快，隨著降雨歷時由30 min分別增加到60 min、90 min、120 min，其增加比例分別為785%、497%和221%。在降雨歷時超過60 min后，逐漸出現高風險區，高風險區面積相對較小；降雨歷時為90 min和120 min時，面積分別為0.61 hm2和0.94 hm2,占流域總面積比例較小，但其危害性大，需重點關注。中高風險區主要集中在流域中部，此處地勢平坦，積水深度相對較大，且積水不易排出，導致積水歷時和范圍都比較大。

表6 不同降雨歷時下內澇風險等級面積

4 結 論

a.闡述了TELEMAC-2D水動力模型的基本原理，構建深圳市深圳河流域城市洪澇風險評估模型，采用等效排水法對管網進行概化，同時對20180607和20180916兩場實測降雨進行模型計算并與實測結果進行對比，結果表明所構建的模型具有可靠性和準確性。

b.在降雨條件為50年一遇、雨峰系數為0.4的條件下，降雨歷時分別為30 min、60 min、90 min和120 min的情景下對深圳河流域進行洪澇過程模擬。發現隨著降雨歷時的增大，流域內積水深度增大，最大積水深出現在降雨結束時刻；不同積水深度對應的積水面積不斷增大，尤其是積水深度為0.15～0.3 m時，積水面積增加最大，積水深度大于0.5 m的積水面積占流域總面積比例較小，但此水深的出現危險性較大，需要重點關注，應及時發布預警預告信息，采取合理措施排走積水。

c.對深圳河流域進行洪水風險分區，隨著降雨歷時的增大，低風險區、中風險區和高風險區均出現不同程度增加，其中，中高風險區主要集中在流域中部，此處積水較深，流速較大，很容易造成人員傷亡和財產損失。