雨潮共同作用下濱海城鎮洪澇模擬研究
——以珠海市高新區為例

丁 燦，練偉航，何書琴，岑棟浩

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣州 510641；2.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635)

1 概述

近年來由于氣候變化，由極端降雨引起的洪澇災害日益頻繁。根據中國水旱災害防御公報[1]，自2010年尤其是2015年以來，我國每年超過警戒水位的河流數量呈快速上升趨勢。伴隨著城市化進程加速導致的下墊面改變以及極端天氣的日益頻繁，沿海區域城市的洪澇災害威脅與日俱增[2]。導致沿海區域城市洪澇災害主要有3種因素：一是外江洪水，沿海地區地勢平坦，同時受外海潮水頂托影響，導致河道行洪不暢，從而導致外江洪水漫溢或堤防潰決[3]；二是外海風暴潮，以我國珠江三角洲為例，1949年以來直接在伶仃洋沿海登陸的臺風就超過30次，風暴潮嚴重威脅沿岸城市人民的生命財產安全[4]；三是暴雨引起的城市內澇，隨著城市化的快速推進，城市下墊面狀況發生顯著變化，不透水區域面積快速增加，導致城市產流進程加快，匯流量增加，從而增加了城市內澇的風險[5-7]。

沿海地區人口稠密，經濟發達，日益嚴重的洪澇災害給世界各國沿海地區帶來了極大的財產損失[8]。近年來，國內外有關學者針對沿海區域洪澇災害展開了研究。Staneva等[9]利用WAM波浪模型研究了極端風暴事件期間風、波浪、潮汐力對德國沿海地區海平面變化的影響。Wahl等[10]以美國紐約市為例，研究了風暴潮和強降雨共同作用下沿海低洼地區發生洪澇災害的風險性。王尚偉[11]通過MIKE軟件構建一、二維耦合水動力模型模擬了雨潮共同作用下的城鎮內澇。劉家宏等[12]利用TELEMAC-2D模型研究了福建省廈門市在不同降雨和潮位組合條件下的內澇積水情況。趙昀皓[13]等以廣州市海珠區為例，基于洪澇風險圖分析內澇風險情況并提出相應措施。劉燦[14]基于SWMM軟件研究了城市下墊面改變對城市內澇產生的影響。

本文以珠海市高新區為例，針對當地面臨的雨潮共同作用下的復雜洪澇態勢，構建一、二維耦合的水動力學模型，根據不同雨潮組合工況模擬淹沒范圍及水深分布，并將模擬結果與歷史易澇點位置進行比對以驗證其合理性，以期為當地防洪避險預案的制定提供理論依據。

2 研究區域

珠海市地處西江下游濱海地帶，瀕臨南海，東隔伶仃洋與深圳、香港相望，西鄰新會、臺山，北與中山、新會接壤，南連澳門半島，陸地沿海岸線全長195 km，珠江八大出海口中的磨刀門、雞啼門、虎跳門、崖門自東向西依次分布；境內河流眾多，西江諸分流水道與當地河涌縱橫交織，屬典型的三角洲河網區。珠海市為多雨地區，降雨充沛，平均年降雨日達130 ～150 d。水汽源地主要是西南方向的印度洋孟加拉灣和東南方向的太平洋以及南部的南海。4—9月為雨季，前期(4—6月)盛吹西南風，水汽充沛，與南下冷空氣相遇，常出現強降雨過程，后期(7—9月)東南季風占優勢，太平洋及南海生成的熱帶氣旋帶來大量水汽，形成強暴雨。10月—次年3月盛行東北風，為旱季。根據實測資料統計，珠海市域內大陸地區多年平均降雨量變幅為1 760～2 325 mm，呈現由南向北遞減的地區分布特征。

本次研究區域位于珠海市高新區，面積約為71 km2，北邊界為珠海市與中山市行政區界，南邊界為正坑水庫，西邊界為廣澳高速公路，東邊界為情侶路海堤。區域東部臨海地勢較為平緩，隔海與淇澳島相望。研究范圍內的線狀工程主要包括橋梁、涵洞、公路、鐵路等。其中，鐵路主要有廣珠城軌軌道動車鐵路；主要公路包括京珠高速公路廣珠段(G4W廣澳高速公路)、G105國道、S111省道、S268省道、S366省道(研究區域位置及地形分布見圖1)。

圖1 研究區域位置及地形分布示意

3 數值模型構建

3.1 數值模型

本次研究采用MIKE11(一維)和MIKE21(二維)的動態耦合FLOOD水動力學模型進行防洪保護區的洪水計算分析，其中MIKE11主要應用于模擬防洪保護區圍內城市排洪渠等內河涌的行洪和排澇，MIKE21主要用于模擬防洪保護區內漫溢海水和暴雨內澇洪水的傳播。

3.1.1一維數值模型

一維河網數學模型的基本方程為描述水流運動的一維明渠非恒定流Saint-Venant方程組：

(1)

式中：

x、t——分別為距離和時間的坐標；

A——過水斷面面積；

Q——流量；

h——水位；

q——旁側入流流量；

C——謝才系數；

R——水力半徑；

α——動量校正系數；

g——重力加速度。

3.1.2二維數值模型

平面二維水動力模型控制方程采用淺水方程組，包括水流連續方程和水流運動方程：

(2)

(3)

(4)

其中：

h——水深；

u、v——x和y方向的流速，M=uh，N=vh；

zb——河床高程，

n——Manning糙率系數；

γt——紊動粘性系數。

3.2 一維斷面和二維網格劃分

研究范圍內排洪渠一維模型的計算斷面間距控制在200～500 m之間，渠寬較小的河段斷面間距適當縮小，使計算斷面間距與河寬相匹配，河道形態變化顯著的河段和有攔河工程(橋、閘、壩、堰等)的位置斷面適當加密。

需要指出的是，由于需要考慮外海風暴潮影響，因此對研究區域進行網格剖分時納入了外海部分區域(其中淇澳島不在計算范圍內)。采用非結構三角網格對研究范圍進行剖分，網格劃分按照網格最大面積不大于0.01 km2設定。模型網格剖分時充分考慮公路線狀物走向，按道路實際高程對網格進行插值，對其他基本與地面齊平或不超過地面高程0.5 m的，網格剖分不進行特殊處理，僅考慮在該區域適當增加糙率系數。本次非結構網格數共計22 923個，最大三角形網格面積為10 000 m2，最小三角形面積為6 500 m2，平均每個三角形網格的面積為7 097 m2。網格插值采用的高程點由1∶10 000 DEM數據提取。本次插值地形數據的散點間距為10 m。地形插值采用自然臨近法。插值后結合調研和補充測量數據對局部網格地形進行修正(網格剖分結果見圖2)。對于研究范圍內的排澇設施，本次研究工作利用一維模型考慮研究范圍內的排洪渠，并根據各水閘的調度計劃利用Mike模型中的調度模塊模擬了各水閘的運行。但由于缺乏資料，本研究未考慮地下排水管網。

圖2 研究區域網格劃分示意

3.3 計算組次及邊界條件

由于研究區域基本不受外江洪水影響，因此本研究考慮的洪水來源主要為外海風暴潮和暴雨內澇兩種。根據所搜集研究區域附近的竹仙洞雨量站和燈籠山潮位站1985—2014年間逐日降雨及潮位數據進行雨潮遭遇分析，結果表明，當竹仙洞雨量站發生年最大24 h降雨量時，除2001年、2012年燈籠山站潮位頻率為28.87%、12.76%外，與其遭遇的燈籠山站潮位重現期基本不足2 a一遇(頻率>50%)，而當燈籠山潮位站遭遇年最大高潮位時，除2001年遭遇的降雨頻率為45.99%外，與其遭遇的竹仙洞站降雨頻率也均不足2 a一遇(頻率>50%)。基于雨潮遭遇分析結果，確定以下計算工況：以潮為主時，考慮外海分別發生50 a、100 a、200 a一遇潮位，研究范圍內發生5 a一遇暴雨；以暴雨為主則考慮區域內分別遭遇20 a、50 a、100 a、200 a一遇暴雨，同時外海遭遇5 a一遇潮位。表1為各計算方案組合情況。

3.3.1設計暴雨

根據《廣東省暴雨參數等值線圖》，查算研究區域內各歷時設計暴雨，再根據《廣東省暴雨徑流查算圖表》設計暴雨時程分配、廣東省分區產流參數查算表等，結合排澇分區的特點，推求各排澇分區設計凈雨量。本次計算采用研究區域內的正坑雨量站的設計暴雨過程，暴雨過程按《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊》中珠江三角洲最大24 h設計雨型(暴雨時程分配)分配得到(不同工況下24 h設計暴雨過程示意見圖3)。

圖3 設計暴雨時程分配示意

3.3.2設計潮位

本次研究外海潮位邊界采用2018年“山竹”風暴潮潮位過程作為典型，采用同倍比放大法，得到各頻率的潮位過程(八大口門在各頻率條件下的潮位過程見圖4)。

3.4 模型參數率定與合理性分析

結合研究范圍內土地利用情況，按下墊面情況選取糙率參數，參數選取情況見表2。

表2 下墊面分類及參考糙率系數

根據《珠海市內澇點整治名錄》，高新區現有水浸點9個，分別是雞山公交車站人行道、山房路唐家市場前路段、金星路東側、金鼎廣場、港灣大道白埔路口至唐樂路口段、金鼎一小北側路段、京珠西輔道、下柵檢查站和二線公路。圖5為200 a一遇暴雨工況下保護區內最大水深和內澇點分布情況，由圖5可知，計算結果與歷時水浸點分布情況較為吻合。其中中珠排洪渠、中珠副渠、京珠西輔道排洪渠、6組排洪渠4條排洪渠交匯處積水較為嚴重，但未顯示此處為易澇點，根據衛星影像數據，此處開發程度較低，且地表有較大面積天然水體，因此未被列為水浸黑點。

圖5 保護區內淹沒水深與歷史水浸點分布情況示意

4 計算成果

圖6(a)～(c)分別為外海遭遇200 a一遇、100 a一遇和50 a一遇潮位，研究區域內發生5 a一遇暴雨情況下最大淹沒水深分布結果。由圖可知，當遭遇200 a一遇潮位情況下，研究區域內發生嚴重淹沒，且淹沒區主要集中于沿海區域，統計結果表明，此工況條件下淹沒總面積達16.79 km2，局部最大水深超過3 m。相較于200 a一遇潮位工況，100 a一遇潮位工況淹沒面積明顯縮小。由于珠海市高新區沿海堤防等級均達到50 a一遇，因此當遭遇50 a一遇潮位條件時，沿海區域基本不受外海潮位影響。除沿海區域外，由于受5 a一遇暴雨影響，研究區域內低洼地段也有明顯積水情況發生。

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)圖6 各計算工況最大淹沒水深分布示意(單位：m)

圖6(d)～(g)分別為研究區域內發生200 a一遇、100 a一遇、50 a一遇和20 a一遇暴雨，外海遭遇5 a一遇潮位情況下最大淹沒水深分布結果。由計算結果可知，由于保護區西部和南部區域主要為山地，海拔較高，因此基本不受暴雨影響。而保護區北部區域地勢較低，在暴雨災害中受影響較為嚴重。此外，由于沿海堤防等級均達到50 a一遇，因此沿海區域并未遭到外海潮位影響。以受淹最為嚴重的200 a一遇暴雨工況為例，總淹沒面積達14.61 km2，其中淹沒水深超過1.5 m的區域面積為1.4 km2，占總淹沒面積的9.58%。

5 結語

本文以珠海市高新區為研究對象，通過構建一、二維耦合的水動力模型，研究了不同雨潮組合工況下區域內受淹情況。通過比對模擬淹沒范圍與實際易澇點分布情況，驗證了模型的合理性。結果表明當遭遇50 a一遇以上潮位時，珠海市高新區沿海區域將受外海風暴潮影響，局部將發生淹沒，受淹沒最為嚴重區域為后環片區，最大淹沒水深超過2.5 m；當遭遇20 a一遇及以上暴雨時，高新區內低洼區域將發生較嚴重內澇，最大淹沒水深超過2 m，其中受淹沒較為嚴重的區域包括上柵檢查站附近區域、港灣大道沿線、金鼎廣場和金鼎第一小學附近區域以及山房路至沿海區域；