應對極端暴雨洪水與提升防洪安全韌性研究
——以太湖流域為例

吳 娟，錢傲然，林荷娟

（太湖流域管理局水文局（信息中心），200434，上海）

一、研究背景

太湖流域屬于亞熱帶季風氣候區，位于長江三角洲核心區域，總面積為36 895 km2，濱江臨海，地勢低洼，雨量充沛，洪澇災害頻繁。太湖流域歷史上多次遭遇長歷時梅雨、短歷時臺風暴雨洪澇災害，特別是臺風、暴雨、高潮、洪水“風暴潮洪”四碰頭現象，具有突發性強、不確定性大、疊加性強、破壞性大等特點。受全球氣候變暖與城鎮化進程加快的共同影響，氣溫升高，蒸發加快，水汽含量增加，流域土地利用變化致使產流量增加，匯流速度加快，進一步加劇了流域極端暴雨洪水突發、頻發、重發。隨著流域經濟社會快速發展，水利工程建設與調度運行方式發生了較大變化，縮短了暴雨與洪水峰值響應時間，加快了水位上漲速率，洪澇災害已成為嚴重威脅人民群眾生命財產安全、制約流域經濟社會發展的重要頑疾，是防災減災領域的研究重點與熱點。

2021年7月20日，河南鄭州國家氣象站最大日降雨量為624.1 mm，接近鄭州年平均降雨量，16—17時，鄭州站發生極端暴雨，最大小時降雨量為201.9 mm，突破了我國大陸氣象觀測歷史極值（198.5 mm，1975年8月5日河南省林莊），造成了重大人員傷亡和經濟損失。2021年鄭州“7·20”暴雨屬于歷史罕見的極端暴雨，為應對類似暴雨可能帶來的災害風險，保障極端暴雨條件下的太湖流域防洪安全，提升流域防洪韌性，亟須開展太湖流域相關研究，特別是評估超標暴雨條件下的洪水風險，掌握超標暴雨洪水條件下不同水利工程調度運行方式對流域、區域、城市防洪情勢的可能影響。

韌性指系統及時抵御、適應與恢復災害影響的能力，防洪韌性指對設防標準內洪水有效防御、對超標準洪水能夠承受而無毀滅性破壞。為提升防洪韌性，需要準確判斷洪澇災害發生的可能性與影響，提高經濟社會對極端暴雨洪水的防御和恢復能力，以保障人民群眾生命財產安全、保障社會經濟的可持續發展。本文將鄭州“7·20”特大暴雨移植到太湖流域，采用水文水動力學耦合模型，推演現有工程體系、防御洪水方案以及洪水調度方案條件下，太湖流域、水利分區與城市代表站應對極端暴雨洪水的響應情況，開展太湖流域防洪韌性提升研究，有助于提升流域、區域與城市應對超標暴雨洪水的應急處置能力，減輕暴雨洪水災害造成的損失，為今后更好地應對太湖流域極端暴雨洪澇事件提供參考，為落實防洪預報、預警、預演、預案“四預”措施，強化洪澇災害風險感知、預報預警、風險研判、調度決策、響應聯動等關鍵環節提供技術支撐和科學依據。

二、暴雨移植

暴雨移植和洪水模擬分析作為情景預演方法，能夠有效分析流域在現狀工況條件下對極端暴雨的響應，從而提高對災害的認識和應對能力。鄭州“7·20”特大暴雨是在北上臺風“查帕卡”、西進臺風“煙花”、西伸加強的副熱帶高壓及中心位置穩定少動的蒙古高壓共同作用下，同時遭遇了伏牛山、太行山地形抬升形成的極端暴雨事件。太湖流域2020年流域性超標洪水的天氣形勢與鄭州“7·20”特大暴雨有一定的相似性，屬于中高緯度經向環流發展、偏強的副高對水汽輸送引導作用偏強，中高層較強的干冷空氣向大濕區侵入、低層東南暖濕急流和偏北急流的暖式切變線形成了對流不穩定暴雨。從地形特征來看，太湖流域浙西區與湖西區西部多為山丘區，與鄭州“7·20”特大暴雨鄭州市西側和西北側的高山地形一樣，均有利于底層氣流輻合抬升，加上從太湖流域上游山丘區到平原區過渡段較短，導致洪水源短流急，匯流較快，洪峰形成的時間較短。

本次模擬背景設定為2020 年太湖及區域河網處于梅雨期結束后的退水階段，降雨時空分布既要結合太湖流域歷史暴雨中心位置，也要考慮鄭州站發生最大日降雨過程的時段。考慮到太湖流域武澄錫虞區圩區排澇動力與骨干河道行泄洪能力、流域與區域及城市防洪矛盾較突出，將暴雨中心移植至武澄錫虞區，3天累計降雨量達398.0 mm（遠超歷史極值279.7 mm），降 雨 過 程 分 配 見 表1。考 慮 到1991 年7 月1 日—3 日實況暴雨中心位于武澄錫虞區，以其他分區實況降雨量與暴雨中心實況降雨量的比值作為放大依據，先將鄭州“7·20”特大暴雨中心移植到武澄錫虞區，其他分區移植后的降雨時空分布與歷史典型場次保持一致。從降雨時空分布來看，第一天流域面平均降雨量為37.0 mm，主要集中在流域北部，其中武澄錫虞區最大，為85.0 mm，其次是湖西區82.0 mm；第二天流域面平均降雨量為三天中最大的一天，達到104.0 mm，主要集中在流域北部，其中武澄錫虞區最大，為260.0 mm，其次是湖西區155.0 mm；第三天流域面平均降雨量為93.0 mm，主要集中在流域南部，浙西區最大，為124.0 mm，其次是杭嘉湖區118.0 mm。前期計算條件以2020年8月12日實況為基準，采用太湖流域水文水動力學耦合模型，以現狀調度方案為依據，分析太湖流域、水利分區與城市代表站應對極端暴雨洪水的響應情況，探究可能形成的外洪內澇與洪水防御重點。

表1 太湖流域與水利分區降雨量

三、模型構建

太湖流域水文水動力學耦合模型對流域各類供水、用水、耗水、排水進行合理概化，對流域平原河網、湖泊、閘泵及其調度運行方式進行模擬。太湖流域水文水動力學耦合模型由產匯流模型與水動力學模型共同組成，產匯流模型為水動力學模型提供河流側向入流與上游山區來水流量邊界。除浙西區山丘區采用新安江三水源模型、馬斯京根法計算產匯流以外，16個平原計算分區分4 種下墊面計算產水量，然后按各分區的匯流單位線匯入周邊河道。太湖流域既有山區又有平原河網，平原河網地區又分為圩區和非圩區，山區匯流計算采用傳統的水文學方法，所得的出流斷面流量過程為平原河網的入流過程；非圩區坡面匯流模擬采用分布式匯流單位線法，圩區匯流綜合考慮最大調蓄水深、枯水水位上限以及泵站排澇模數等進行計算。平原河網地區水動力學模型由太湖二維湖流與一維河網共同組成，通過“聯系”耦合聯立求解，模型概化了全流域1793條河道、863座閘泵，共10 112個斷面。

模型采用圣維南方程組求解斷面水位、流量，計算步長為15 min，采用Preissmann 四點隱式格式離散方程組，利用追趕法消元，得到河道首末斷面水位、流量表示的河段方程，結合邊界條件，求解出節點水位后，回代到各河道，求出各段的流量和水位。描述一維水流運動的圣維南方程組如下：

式中：第一個方程為水流連續方程，第二個方程為水流動量方程；Q為斷面流量（m3/s）；Z為斷面水位（m）；B為河寬（m）；A為過水面積（m2）；q為旁側入流（m3/s）；K為流量模數，反映河道的實際過流能力；α為動量校正系數，反映河道斷面流速分布均勻性；Vx為旁側入流流速在水流方向上的分量，一般可以近似為0。

目前，太湖流域已形成流域防洪、區域防洪和城市防洪三個層次相協調的防洪工程體系，流域現狀縣級及以上城市防洪包圍圈共有圩區4160座，圩區面積1.64萬km2，圩區總排澇動力達到1.68萬m3/s。本模型對圩區進行分級模擬。5 萬畝（1 畝=1/15 hm2，下同）以上圩區，按照圩內骨干河道和周邊閘泵工程直接概化，閘泵工程可編輯調度原則直接參與河網水動力計算。5萬畝以下圩區，首先建立圩區圖層，明確流域范圍內圩區分布情況，對于位置明確的單個圩區，可單個設置圩區面積、調蓄水深及排澇模數；對于位置不明確的圩區，面積通過各水利分區范圍內的下墊面總控信息與位置明確的圩區面積差值獲得，假定在各水利分區面上平均分布，設置各分區面上調蓄水深與排澇模數。圩區啟用條件目前仍按水利計算分區內某個代表站的枯水位上限統一設置，該代表站水位超過枯水位上限時，水利分區內的圩區啟用，否則認為圩區敞開，圩內河道與圩外連通。5萬畝以下圩區通過產匯流計算得到圩內外排水量，作為河道側向入流與概化河網進行水量交換。在模型率定上，采用2016年4—11月、2012 年5—9 月、2010 年10 月—2011 年4 月分別代表豐水年、平水年、枯水年，2019 年5—9 月為驗證期。結合《水文情報預報規范》（GB/T 22482—2008）與防汛實際要求，太湖水位模擬許可誤差為±0.03 m，河網水位模擬許可誤差為±0.10 m，定義計算誤差小于許可誤差為合格，要求合格率（合格次數占總次數的比例）不低于85%，根據計算可知，率定期水位平均合格率為87%，驗證期合格率為85%。精度符合要求，可以用于模擬。

太湖流域為典型的平原感潮河網地區，本研究選擇了2020 年太湖及區域河網處于梅雨期結束后的退水階段（8月12日—14日）遭遇極端暴雨情形，綜合鄭州市降雨量與流域雨水情特征給定邊界條件。模型模擬范圍為太湖流域，選擇8 月12 日8 時太湖與區域實況水位、初始流量為0 作為初始條件。邊界條件包括沿長江、沿杭州灣潮位，沿長江潮位以大通流量為上邊界、高橋天文潮為下邊界，沿杭州灣潮位為天文潮，再根據各概化河道出口與各潮位站的相對距離，用拉格朗日三點插值得到各河口的潮位邊界，模型模擬區域見圖1。

圖1 模型模擬區域概況圖（藍線為概化河網）

8月12日之前，降水、蒸發、潮位均采用2020年實況，常熟水利樞紐、太浦閘、望亭水利樞紐調度規則以《太湖流域洪水與水量調度方案》為依據。沿長江與無錫環太湖口門及蘇南運河蠡河船閘調度規則以《蘇南運河區域洪澇聯合調度方案（試行）》為依據，沿杭州灣口門調度規則以2016 年核準的控制運行計劃為依據。望虞河西岸福山船閘、東岸（張橋—長江）口門調度規則以《太湖流域2016年超標準洪水應對方案》為依據。模型計算情景設計思路見表2，在所有計算情景中，情景1為現狀調度，情景2為外圈（流域）全力排水調度，情景3為外圈與內圈（環太湖）全力排水調度；太浦閘、常熟水利樞紐情景1～3 全力排水；望亭水利樞紐情景1全力排水，情景2～3關閘；沿長江、沿杭州灣情景1 為現狀排水（采用8 月11 日實況排水），情景2～3全力排水；無錫環太湖口門、蘇南運河蠡河船閘、望虞河西岸福山船閘、望虞河東岸（張橋—長江）口門情景1～2關閉，情景3開啟。

表2 水文水動力學耦合模型計算情景

四、結果分析

根據降雨與調度，采用水文水動力學耦合模型，計算得到太湖及地區河網最高水位與出現時間，見表3。結果可知，所有情景下無錫（大）水位均超過了有記錄以來的歷史最高水位5.32 m（2017 年9月25日），琳橋水位均超過了有記錄以來的歷史最高水位4.71 m（2016年7月3日），王母觀水位均超過了有記錄以來的歷史最高水位6.55 m（2016 年7 月5 日），陳墅水位均超過了有記錄以來的歷史最高水位5.52 m（1962 年9月6日），青陽水位均超過了有記錄以來的歷史最高水位5.43 m（2017年9月25日）。

表3 不同情景下洪水特征值

情景1的太湖最高水位為4.50 m，北部分區無錫（大）、琳橋、王母觀、陳墅、青陽最高水位分別為6.06 m、4.86 m、6.76 m、6.40 m、6.15 m，分別較有記錄以來的歷史最高水位偏高0.74 m、0.15 m、0.21 m、0.88 m、0.72 m，超歷史最高水位時長分別為40 h、33 h、23 h、57 h、38 h，水位上漲速率分別為4.4 cm/h、1.4 cm/h、3.7 cm/h、5.0 cm/h、4.3 cm/h。常州（三）、蘇州（楓橋）、平望、嘉興最高水位分別為6.21 m、4.70 m、4.12 m、4.13 m，均超保證水位，未超過有記錄以來的歷史最高水位。太湖最高水位出現在8月18日16時，發生在主雨峰以后5天，北部分區河網最高水位出現在8月14日—15日，南部分區河網最高水位出現在8月15日—16日。

情景2的太湖最高水位為4.51 m，較情景1升高0.01 m；北部分區無錫（大）、琳橋、王母觀、陳墅、青陽最高水位分別為5.99 m、4.78 m、6.75 m、6.28 m、6.13 m，分別較有記錄以來的歷史最高水位偏高0.67 m、0.07 m、0.20 m、0.76 m、0.70 m，分別較情景1降低0.07 m、0.08 m、0.01 m、0.12 m、0.02 m，超歷史最高水位時長分別為37 h、25 h、22 h、49 h、36 h，水位上漲速率分別為4.2 cm/h、1.2 cm/h、3.7 cm/h、4.8 cm/h、4.3 cm/h。常州（三）、蘇州（楓橋）、平望最高水位分別為6.19 m、4.65 m、4.11 m，分別較情景1降低0.02 m、0.05 m、0.01 m，均超保證水位。太湖最高水位出現在8月19日2時，發生在主雨峰以后6天，北部分區河網最高水位出現在8月14日—15日，南部分區河網最高水位出現在8月15日—16日。除了太湖水位，情景2中多數河網代表站的洪水特征值較情景1有所降低。

情景3 的太湖最高水位為4.52 m，較情景1 升高0.02 m；北部分區無錫（大）、琳橋、王母觀、陳墅、青陽最高水位分別為5.78 m、4.71 m、6.73 m、6.25 m、6.00 m，分別較有記錄以來的歷史最高水位偏高0.46 m、0 m、0.18 m、0.73 m、0.57 m，分別較情景1 降低0.28 m、0.15 m、0.03 m、0.15 m、0.15 m，超歷史最高水位時長分別為28 h、1 h、22 h、45 h、33 h，水位上漲速率分別為3.8 cm/h、1.2 cm/h、3.7 cm/h、4.7 cm/h、4.0 cm/h。常州（三）、蘇州（楓橋）、平望、嘉興最高水位分別為6.11 m、4.49 m、4.11 m、4.12 m，分別較情景1 降 低0.10 m、0.21 m、0.01 m、0.01 m，均超保證水位；太湖最高水位出現在8 月18 日23 時，發生在主雨峰以后5 天，北部分區河網最高水位出現在8 月14 日—15 日，南部分區河網最高水位出現在8 月15 日—16 日。除了太湖水位，情景3 中多數河網代表站的洪水特征值較情景2 有所降低。

假設無錫市全域堤防不出現漫溢、潰堤且所有閘泵工程穩定運行，采用太湖流域水文水動力學耦合模型計算河網代表站的水位過程，如圖2所示。受圩區排澇影響，情景1（現狀調度）、情景2（外圈全力排水調度）的無錫（大）站水位峰值分別高達6.06 m、5.99 m，而無錫市各骨干河道現狀堤頂高程介于6.00～6.50 m，部分河段無法達到這一標準，在遭遇本次特大暴雨情景時可能會出現部分河道漫溢現象，情景3（內外圈全力排水調度）無錫（大）站水位峰值將會降至5.78 m，低于現狀江南運河無錫段堤頂高程，現階段水利工程能力可以應對本次特大暴雨情景。情景1、情景2、情景3的常州（三）站水位峰值分別為6.21 m、6.19 m、6.11 m，而常州市江南運河得勝河段到運河改線出口段堤防高程介于6.10～6.30 m，說明常州（三）站現狀調度、外圈全力排水調度在遭遇本次特大暴雨情景時可能會出現部分河道漫溢現象，內外圈全力排水調度可使得常州（三）站洪峰水位降低到堤頂高程。情景1、情景2、情景3的蘇州（楓橋）站水位峰值分別高達4.70 m、4.65 m、4.49 m，蘇州市江南運河滸關至大龍港段堤防高程介于5.80～6.20 m，蘇州市現階段水利工程能力可以應對本次特大暴雨情景。

圖2 不同情景下太湖與河網代表站水位過程

常州（三）、無錫（大）、蘇州（楓橋）為太湖流域典型的圩外代表站。截至2020年，太湖流域共有圩區3195座，面積17 717 km2，約占流域平原面積的60%，圩區總排澇動力20 664 m3/s，流域排澇模數約為1.6 m3/(s·km2)。隨著圩區排澇能力不斷增強，圩內洪澇水向圩外排，導致圩外代表站洪峰水位抬升，洪水上漲速率加快，圩內洪水風險向圩外轉移，加上流域、區域外排洪水通道建設相對滯后，導致流域、區域行洪能力低于圩區排澇動力，已成為威脅太湖流域防洪安全的主要矛盾。

為有效提升流域防洪韌性，針對圩區排澇與流域區域防洪矛盾大、水利工程調度不協調等問題，一方面亟須針對防洪薄弱環節，盡快完善流域防洪工程體系，加快流域骨干工程建設，提高抵御洪水的工程標準；在深化區域治理工程方案研究基礎上，進一步加強擴大流域外排、增加太湖調蓄等工程方案的研究，完善流域防洪總體布局。另一方面，要強化防洪“四預”非工程措施，輔助發揮防洪工程效益，強化城市大包圍與流域、區域工程協同調度，特別是強化圩區管控、洪水風險管理、應對超標洪水對策等非工程措施研究，制定新時期流域防洪減災和風險管理措施，進一步提升流域防洪減災和風險管理能力。

五、結 論

基于太湖流域水文水動力學耦合模型，探討了太湖流域遭遇鄭州市“7·20”特大暴雨情景下的洪水形勢，并對比了太湖與河網代表站的水位，主要結論有：

①本次模擬背景設定為2020年太湖及區域河網處于梅雨期結束后的退水階段，將暴雨中心移植至武澄錫虞區，3 天累計降雨量達398.0 mm（遠超歷史極值279.7 mm）。

②受峰值雨量影響，情景1北部分區代表站無錫（大）、琳橋、王母觀、陳墅、青陽站最高水位分別較有記錄以來的歷史最高水位偏高0.15～0.88 m，超歷史最高水位時長23～57 h，水位上漲速率為1.4～5.0 cm/h；情景2北部分區代表站最高水位分別較有記錄以來的歷史最高水位偏高0.07～0.76 m，超歷史最高水位時長22～49 h，水位上漲速率為1.2～4.8 cm/h；情景3 北部分區代表站最高水位分別較有記錄以來的歷史最高水位偏高0.03～0.28 m，超歷史最高水位時長1～45 h，水位上漲速率為1.2～4.7 cm/h。

③現狀調度、外圈全力排水調度的無錫（大）站在遭遇本次特大暴雨情景時可能會出現部分河道漫溢現象，內外圈全力排水調度的無錫（大）站水位峰值將會降至5.78 m，現階段水利工程能力可以應對本次特大暴雨情景。常州（三）站情現狀調度、外圈全力排水調度在遭遇本次特大暴雨情景時可能會出現部分河道漫溢現象，內外圈全力排水調度可使常州（三）站洪峰水位降低到堤頂高程。蘇州市現階段水利工程能力可以應對本次特大暴雨情景。

④針對防洪薄弱環節，建議盡快完善流域防洪工程體系，加快流域骨干工程建設，提高抵御洪水的工程標準；強化防洪“四預”非工程措施及城市大包圍與流域、區域工程協同調度，特別是強化圩區管控、洪水風險管理、應對超標洪水對策等非工程措施研究，提升流域防洪韌性。