營口市城市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析

李 影

(營口市防汛抗旱保障中心,遼寧 營口 115000)

隨著城市化進(jìn)程的加快以及全球氣候變暖,城市暴雨洪澇災(zāi)害頻發(fā),對經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民群眾生產(chǎn)生活及市民生命財(cái)產(chǎn)安全等構(gòu)成較大威脅[1]。因此,研究分析城市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)有助于提高城市防澇抗災(zāi)能力,減少暴雨洪澇帶來的經(jīng)濟(jì)損失,解決城市洪澇問題,為有關(guān)部門科學(xué)防治和預(yù)防城市暴雨洪澇提供參考。有關(guān)研究從注重災(zāi)情數(shù)理統(tǒng)計(jì)、災(zāi)害成因機(jī)理逐漸轉(zhuǎn)向關(guān)注基于情景模擬的高精度、災(zāi)情實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化分析方法[2-3]。

從情景模擬分析的角度上定義城市暴雨洪澇災(zāi)害危險(xiǎn)性:一定降水概率條件下所引起的特定區(qū)域地面積水深度大小,對于不同承載體可能的危害程度可以用不同深度積水來衡量,這是評估暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的重要依據(jù)。目前,城市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析模型主要包括LISFLOOD、SWMM和MIKE系列等水力學(xué)模型,由于具備功能全面、界面友好等特點(diǎn),DHI MIKE系列模型在城市洪澇災(zāi)害危險(xiǎn)性評估中的應(yīng)用最為廣泛[4-6]。

營口市位于渤海之濱,地處大遼河下游出口感潮河段,由于地勢低洼,又是大遼河入海的必經(jīng)之路,沿河岸線長,城市受洪水、暴雨、臺風(fēng)暴潮影響比較嚴(yán)重,加上穿過市區(qū)的內(nèi)河較多,發(fā)生洪水的頻率多,每到汛期上游來水較大時(shí),由于大遼河受潮水頂托,境內(nèi)虎莊河、老邊河易發(fā)生河水倒灌,致使水位抬高,造成內(nèi)澇災(zāi)害。近年來營口市極端暴雨強(qiáng)度和發(fā)生概率明顯增大,暴雨形成災(zāi)情的強(qiáng)度和概率顯著提升,加之經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人口的增加,進(jìn)一步增強(qiáng)了營口市應(yīng)對暴雨洪澇災(zāi)害的脆弱性。鑒于此,本研究以100a、50a、20a一遇暴雨重現(xiàn)期為基準(zhǔn),采用DHI MIKE11、MIKE21模型分析骨干河道縱斷面的排水狀況以及淹沒范圍空間分布、時(shí)間演變特征,旨在為區(qū)域防洪排澇決策、滯洪區(qū)選址和暴雨風(fēng)險(xiǎn)評估等提供一定技術(shù)支持[7-9]。

1 研究區(qū)概況

營口市位于遼東半島中部,遼河下游、松遼平原南端,地處E40°65′6″～40°66′7″,N122°23′5″至122°17′1″。按海拔高度可分為三種地貌區(qū):東南部低山區(qū)、中部丘陵區(qū)和西北部濱海遼河谷堆積平原區(qū)。營口市屬大陸性季風(fēng)氣候,年均降水量693.5mm,從空間分布上,營口市年降水量由東南向西北遞減。東南部山區(qū)雨量充沛,年降水量最高達(dá)730.2mm,西北沿海平原區(qū)雨量較少,年降水量僅640.4mm,極值比相差近1.2倍。受季風(fēng)氣候和地理位置影響,區(qū)域降水具有明顯季節(jié)性,一般六月進(jìn)入雨季,7～8月屬于降雨全盛時(shí)期。

營口洪澇災(zāi)害具有頻繁性、持續(xù)性及區(qū)域性的特點(diǎn),分析其成因主要包括:①暴雨集中強(qiáng)度大,7、8月份降雨量占全年降雨量的70%左右,降雨集中,強(qiáng)度大使土壤飽和,河網(wǎng)蓄滿水排不出去,造成澇災(zāi);②山區(qū)來水面積大,比降大,經(jīng)常是山洪急下、水位急驟上漲,根據(jù)《營口市地方志》記載,歷史上多次發(fā)生較大的洪澇災(zāi)害,兩岸居民受損嚴(yán)重;③河道局部狹窄,灘地地形條件不利于洪水順暢下泄;④海潮頂托,下游入海口處受海潮頂托阻滯,使上游洪水下泄不暢[10]。

2 建模分析

2.1 數(shù)據(jù)資料

1)設(shè)計(jì)凈雨。營口市100a(P=1%)、50a(P=2%)和20a(P=1%)一遇情境下的設(shè)計(jì)暴雨量利用暴雨公式計(jì)算確定,采用倍比法和營口市24h雨型分配表計(jì)算不同重現(xiàn)期暴雨過程曲線,應(yīng)用穩(wěn)滲率10mm/h的霍頓下滲曲線計(jì)算下滲量[11]。

2)地形。研究選用Arc GIS軟件和營口市1∶10000地形圖計(jì)算獲取DEM數(shù)據(jù)及地形特征,空間分辨率20m。

3)河網(wǎng)。充分考慮營口市農(nóng)田渠系與河道分布情況,對已有的河網(wǎng)遵循概化原則概化。營口地區(qū)河流按地理位置和流域分區(qū)可劃分為三個(gè)水系,即遼河水系(大遼河)、遼東灣東部沿渤海諸河水系(包括大旱河、大清河、沙河、熊岳河、浮渡河)及遼東沿黃海諸河水系(碧流河),主要河流特征如表1所示。

表1 主要河流特征

4)來流與出流條件。采用多點(diǎn)入流匯流法計(jì)算主要河流流量過程,該方法是一種考慮凈雨空間分布不均勻性的定常匯流多維線性系統(tǒng),以等流時(shí)塊為單元區(qū),以等流時(shí)線法為基礎(chǔ),采用河槽匯流曲線進(jìn)行區(qū)間支流的河道演算及流域匯流計(jì)算,可以較為精準(zhǔn)度確定城市河流洪水流量。經(jīng)計(jì)算,營口市主要河流20a、50a、100a一遇來水流量依次為255m3/s、310m3/s、500m3/s,考慮市域限泄要求出口處按照120m3/s考慮。

2.2 MIKE11一維模型

渠系一維非恒定流利用MIKE11水動(dòng)力模塊模擬,輸入信息有模擬時(shí)間、水動(dòng)力學(xué)參數(shù)、邊界條件、河網(wǎng)斷面數(shù)據(jù)、河網(wǎng)數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)類型,具體設(shè)置如下:①設(shè)置來水時(shí)間段與模擬時(shí)間相同,時(shí)間步數(shù)16250,步長5s;②根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》和實(shí)際情況,將初始水深及曼寧系數(shù)設(shè)置成0.001m和0.035;③除個(gè)別出口處設(shè)置水位邊界之外其它渠系均設(shè)置流量邊界,按照20a、50a、100a不同來流條件設(shè)置主要河流的流量邊界,渠系設(shè)置零流量邊界;④充分考慮部分概化的渠系斷面資料和實(shí)測斷面資料設(shè)置渠系斷面形式;⑤將河網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Arc GIS系統(tǒng)生成河段和節(jié)點(diǎn)信息,對各渠系間的聯(lián)結(jié)關(guān)系進(jìn)行合理設(shè)置[12]。

2.3 MIKE21二維模型

MIKE21水動(dòng)力模塊輸入數(shù)據(jù)包括邊界條件、地形數(shù)據(jù)、干濕水深、模型類型、源匯項(xiàng)、模擬時(shí)間等基本參數(shù)以及降雨蒸發(fā)、槽率、初始條件、渦黏系數(shù)等物理參數(shù),如表2所示。

表2 模型參數(shù)設(shè)置

2.4 MIKE FLOOD模型

將MIKE11、MIKE21計(jì)算結(jié)果利用MIKE FLOOD模型按照側(cè)向連接的方式相耦合,兩模型的網(wǎng)格單元與各河段兩側(cè)相連。通過CELL TOCELL計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的水流,并重新向MIKE11和MIKE21分配[13-14]。采用包含摩擦項(xiàng)的WEIR1作為結(jié)構(gòu)物類型,最大高程取堤岸高度。

3 結(jié)果與分析

3.1 主河道縱斷面排水

根據(jù)一維和二維模擬結(jié)果選用淹沒較為嚴(yán)重的大遼河、大清河、碧流河分析縱斷面排水情況,如表3所示。

表3 主要河道縱斷面的排水特征

由表3可知,20a一遇暴雨情景下各骨干河道均達(dá)不到20a一遇防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),大清河、碧流河和大遼河下游段均發(fā)生漫溢情況,這些河段所屬區(qū)域地勢較低,所以該河段坡面匯流流量較高;由于干渠排水不暢,兩河流交匯處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,增幅處于0.2～0.5m之間,漫溢范圍明顯擴(kuò)大。除上游來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匯流雨水量增大,在排水能力達(dá)到飽和條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繼續(xù)增加,整個(gè)碧流河和大清河均表現(xiàn)出一定的雍水現(xiàn)象,坡面短時(shí)最大匯流流量達(dá)到18.0m3/s和36.0m3/s,這主要與河道排水不暢、下游出口流量限制以及該區(qū)域地勢較低等因素有關(guān)。

3.2 淹沒范圍演變趨勢

20a一遇情景下,從積水深度超過30cm的積水時(shí)間分布上大清河西側(cè)、大清河下游、大遼河與碧流河交匯處的積水時(shí)間均超過2h,特別是碧流河下游東側(cè)和大清河下游北側(cè)的積水時(shí)間較長。從50cm以上積水深度的積水時(shí)間分布上,碧流河與大遼河交匯處以及大清河下游北側(cè)的積水時(shí)間達(dá)到6h。

100a一遇和50a一遇相比于20a一遇暴雨情景,從積水深度超過30cm的積水時(shí)間分布上,碧流河與大遼河交匯處、大清河下游、大清河沿岸以及大清河西側(cè)4處的積水時(shí)間更長,淹沒范圍更大,特別是碧流河下游東側(cè)、大清河下游北側(cè)和交匯處積水范圍及時(shí)間都明顯增大,100a一遇暴雨情景下超高8h;50a一遇相比于20a一遇暴雨情景,從積水深度超過50cm積水時(shí)間分布上,碧流河與大遼河交匯處以及大清河下游北側(cè)的積水時(shí)間、淹沒范圍明顯增加;100a一遇相比于20a一遇暴雨情景,從積水深度超過50cm積水時(shí)間分布上,碧流河與大遼河交匯處、大清河下游以及大清河沿岸3處的積水時(shí)間顯著增加,淹沒范圍也更大,特別是碧流河與大遼河交匯處以及大清河下游北側(cè)的積水范圍和時(shí)間明顯增加[15]。

3.3 淹沒范圍空間分布

從淹沒范圍上,20a一遇暴雨情景下最大淹沒水深集中分布于0～0.3m范圍,局部最大淹沒深度處于0.5～1.5m之間,集中分布于營口市東南部和東側(cè)的地勢低洼區(qū),該處由于渠道排水能力有限淹沒深度高出周邊約0.1～0.8m,應(yīng)作為重點(diǎn)防洪調(diào)度區(qū),其它部分區(qū)域在河道排水作用下只有局部低洼區(qū)出現(xiàn)小范圍內(nèi)澇。

50a一遇相比于20a一遇最大淹沒水深集中區(qū)域增大0.1～0.2m,河道接納了一部分地面匯流的水流,河道流量大部分超出其排水能力,雖然通過河網(wǎng)匯流有一部分水流進(jìn)入大清河和碧流河下游邊界,但由于整體排水能力有限整個(gè)區(qū)域淹沒水深高于20a一遇。因地勢低洼南側(cè)淹沒程度較高,小范圍積水也呈現(xiàn)出擴(kuò)大趨勢。100a一遇暴雨情景下的河道排水能力接近飽和狀態(tài),地面徑流大都匯入河流,但上游來水和降水會向地勢低洼區(qū)匯集。沿河地勢低洼區(qū)與其它地區(qū)相比積水更加嚴(yán)重,100a一遇相較于50a一遇最大淹沒水深增大近0.1～0.2m,并且淹沒水深超過0.5m的空間分布增大近20%。100a一遇與50a、20a一遇暴雨情景的最大淹沒水深分布相似都集中在東側(cè)和東南側(cè)地勢低洼區(qū)。

4 結(jié) 論

本研究利用MIKE FLOOD模型模擬20a、50a、100a一遇暴雨情景下營口市主要河道的排水情況和防洪能力,隨時(shí)間變化整個(gè)研究區(qū)淹沒范圍空間分布情況及演變趨勢,主要結(jié)論如下:

1)20a一遇暴雨情景下各骨干河道均達(dá)不到20a一遇防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),雖然未達(dá)到飽和泄水條件,但局部河段超過堤頂水位。河道漫溢范圍以及河網(wǎng)匯水流量均隨著重現(xiàn)期的增長而增大,河道大部分均達(dá)到飽和泄水能力。另外,受大遼河和大清河下游出流流量限制其下游流域積水時(shí)間、積水深度均明顯增加。

2)暴雨情景不同,降水產(chǎn)生的洪澇災(zāi)害危險(xiǎn)性存在明顯差異,暴雨洪澇危險(xiǎn)性隨降雨強(qiáng)度的增加而增大,20a一遇暴雨情境下積水時(shí)間超過2h且積水深度超過30cm的區(qū)域集中于碧流河與大清河交匯處、大遼河下游以及西側(cè),洪澇危險(xiǎn)性最小。研究區(qū)淹沒范圍隨暴雨重現(xiàn)期的增長逐漸擴(kuò)大,淹沒范圍也不斷擴(kuò)大。100a一遇暴雨情景下碧流河與大清河交匯處以及大遼河北側(cè)的積水時(shí)間明顯增大,整體達(dá)到8h以上。

3)暴雨情景相同時(shí)的洪澇災(zāi)害危險(xiǎn)性也會存在一定差異,20a、50a、100a一遇時(shí)最大淹沒深度集中分布于研究區(qū)東側(cè)及南部的地勢低洼區(qū),積水時(shí)間達(dá)到8h且最大積水深度超過2m,這是洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)重點(diǎn)防御區(qū)。因此,在增強(qiáng)河西排水能力的情況下建議調(diào)整洪水調(diào)度方案,為消納洪水還要科學(xué)設(shè)置蓄滯洪區(qū),為防汛部門評估暴雨風(fēng)險(xiǎn)、制定閘壩調(diào)度方案以及滯洪區(qū)選址提供參考。