基于TELEMAC-2D模型的深圳洪涝风险评估
时间：2023-02-26 21:00:04 来源：千叶帆 本文已影响人
李国一，刘家宏,2,3
(1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038;2.水利部水资源与水生态工程技术研究中心，北京 100044；
3.水利部数字孪生流域重点实验室，北京 100038)
随着我国城市化进程不断加快，加之全球气候发生变化，我国城市内涝灾害发生频率增加、灾害损失加剧，已成为影响经济社会发展的一种主要自然灾害[1-3]。截至2020年，我国城镇化率超过60%[4]。城市化本质是社会经济变化的过程，1978年至今是我国城市化稳定快速发展时期，在城市化发展带来诸多积极意义的同时，也会产生一系列环境、社会和经济问题，例如土壤污染、空气污染、热岛效应、雨岛效应、水资源短缺、酸雨等。其中城市内涝问题近几年表现尤为突出，“城市看海”的现象时有发生，城市内涝造成人员伤亡、财产损失的事件屡见不鲜，如2012年北京强降雨造成道路、桥梁等工程受损，几十人遇难；
2014年深圳市两次遭遇强降雨，市内约有200处发生积水内涝，约2 000辆汽车被淹。城市内涝的发生主要由两方面导致：①气候变化导致极端降雨事件发生的强度和频率增加，尤其是短历时强降雨；
②城市建设规划设计存在局限性，基础设施建设滞后于城市发展速度。城市暴雨洪水模拟是城市防灾减灾的关键技术之一，国内学者开展了很多相关研究，并取得了丰硕的成果。陆海明等[5]基于SWMM模型在铁心桥实验基地开展内涝防治效果模拟；
栾震宇等[6]基于MIKE FLOOD耦合模型，以新化县为典型研究区建立城市内涝模型，对城市内涝风险进行评估；
黄锦松等[7]基于二维水动力城市雨洪模型，对海绵城市建设前后的内涝积水情况进行模拟，分析海绵城市内涝削减效果；
向小华等[8]通过耦合SWMM和LISFLOOD-FP模型构建响水县城区内涝模型，并采用GPU并行计算技术加速城市二维内涝模型的运算；
冯钧等[9]通过构建城市内涝事理图谱，消除城市内涝事件突发性和空间易变性对城市内涝灾害决策调度的影响。
深圳市是国家海绵城市建设试点城市之一[10]，深圳市投入大量人力物力进行城市改造，本文以深圳市深圳河流域为研究对象，基于TELEMAC-2D水动力学模型构建二维城市内涝仿真模型，考虑不同降雨历时对城市内涝的影响，分析内涝发生时积水深度、积水面积、流速等指标，同时对城市不同内涝风险区进行划分，为深圳市减少城市内涝、加快海绵城市建设提供参考。
深圳市(东经113 °43′～114 °38′，北纬22 °24′～22 °55′)地势东南高、西北低，境内地形复杂，地貌类型多样且大部分为低丘陵地，低山、台地、阶地和平原间或其中。深圳市属于亚热带海洋性气候，气候温和，光照充足，多年平均气温为22.4 ℃；
每年4—9月为雨季，汛期降雨约占全年降水量的85%左右，年均降水量为1 933.3 mm，水量充沛。常年主导风向为东南风，平均每年受台风影响四五次。深圳河是深圳市主要河流之一，属于珠江水系，发源于牛尾岭，流经深圳与香港，自东北向西南流入深圳湾。深圳河在深圳市内流域面积约为190 km2，主要包括罗湖区、福田区大部以及龙岗区一部分，属于深圳市经济发达、人口密度较大区域，对此区域进行城市内涝风险评估具有重大意义。
TELEMAC-MASCARET是由法国国家水力学与环境实验室开发的开源河流、河口和海岸的一维、二维和三维水力学模型系统[11]，主要由咨询和研究机构组成的联合体进行管理(相关信息可登录www.opentelemac.org查看)。本文所采用的TELEMAC-2D是其中的一个二维水动力计算模块[12-14]，该模块主要用于求解二维浅水方程，计算每个节点上的水深和流速等，在海岸等大范围的风暴潮洪水模拟中应用广泛[15-16]，而专门用于城市洪涝淹没模拟的研究相对较少。
2.1 模型原理
TELEMAC-2D采用有限元方法对浅水方程进行求解，该模块可同时求解以下4个水动力学方程：
(1)
(2)
(3)
(4)
式中：h为水深，m；
U为合速度，m/s；
u、v分别为速度分量，m/s；
g为重力加速度，m/s2；
Z为自由表面高程，m；
t为时间，s；
x、y为空间坐标；
vt、vO分别为动量扩散系数、示踪剂扩散系数，m2/s;Sh为流体源或汇项速度，m/s；
T为示踪剂浓度，g/L；
Sx、Sy分别为x和y方向的底摩阻项，m/s2; SO为示踪剂源或汇项速度，m/s;
TELEMAC-2D模块采用SCS(soil conservation service)模型进行降雨产流模拟的计算。SCS模型是由美国Soil Conservation Service根据不同地区小流域降雨径流资料得到的一个经验性模型[12]。SCS模型计算公式为
(5)
式中：Q为径流量，m3；
P1为降水量,mm；
S为土壤最大蓄水量，mm；
CN为径流曲线数；
Ia为初损值,mm。Ia为在径流产生之前损失的雨量，包括蒸发、填洼、下渗和植物截留等，主要与土壤类型和土地利用方式有关[17]。
2.2 模型构建
2.2.1设计暴雨情景
根据《城市暴雨强度公式编制和实际暴雨雨型确定技术导则》，2015年深圳市气象局联合其他部门基于深圳市1961—2014年降水资料，编制了最新暴雨强度公式：
(6)
式中：i为暴雨强度，mm/min；
P为重现期，a；
t1为降雨历时，min。
采用国际上常用的芝加哥雨型对降雨时程进行分配，可分别得到在50年一遇、雨峰系数r为0.4、时间间隔为1 min的条件下，降雨历时分别为30 min、60 min、90 min和120 min的4种降雨过程。由于在研究区内获取排水管网资料非常困难，参考文献[11-12]，采用等效排水的方法对排水管网进行概化。同时，结合实地调研情况，考虑到管网堵塞、淤积、老化等不利影响，深圳河流域排水管网实际排水能力多为1年一遇。根据深圳市暴雨强度公式求得的1年一遇降水量作为管网的估算排水量，在降雨数据中将此部分等效水量进行扣减，视为通过排水管网排掉的水量。此概化方法在降雨发生时间内对降水量进行适当的折减，所以在地表淹没计算过程中结果合理可靠。综合降雨和排水管网的排水作用，设计暴雨过程如图1所示。
图1 设计暴雨过程
2.2.2构建过程
图2为深圳河流域下垫面数据。构建模型所需的高程数据可由地理空间数据云下载，精度为30 m×30 m。同时，使用ArcGIS水文分析工具对高程数据进行预处理，主要包括洼地填充等。处理后的数据基本可以满足研究区内涝分析的要求。土壤类型数据从寒区旱区科学数据中心下载获取，根据世界土壤数据库和美国SCS模型土壤分类标准[18]，可将深圳河流域土壤分为B、C、D 3类，其中B为砂土和少量砂壤土，透水性较好；
C为砂黏土、粉砂壤土和少量黏土，透水性中等；
D为黏土，透水性较差。土地利用类型数据通过遥感影像解译获得，遥感影像可由地理空间数据云下载，分辨率为30 m×30 m。
(a)高程
根据研究需要将深圳河流域土地利用类型划分为建筑、绿地、水体、道路、裸地和其他共6类。参考与本区域气候环境相近的地区，根据土地利用类型和土壤水文分组分别赋值不同的曼宁系数n，建筑为0.2，绿地为0.08，水体为0.015，道路为0.05，裸地为0.065，其他为0.05。
使用ArcGIS对高程数据、土壤类型数据和土地利用类型数据进行整合，再由BlueKenue软件将研究区域划分为非结构化三角形网格，网格边长为30 m，共计477 797个网格，240 570个节点。模型边界条件设置为自由出流边界条件，即降雨过后的积水仅在重力作用下外排，假设初始地表无积水，库朗数设为0.75。按照SCS-CN方法，参考文献[19]，考虑到深圳市地处东南沿海，气候温和湿润，前期土壤含水量设为AMC-Ⅱ，即中等情况。模拟时长为360 min，时间步长0.5 s。为提高径流曲线数的准确性，结合土地利用类型和水文土壤分类结果确定径流曲线数，具体见表1。
表1 径流曲线数
2.3 模型验证
为验证模型的准确性和可靠性，根据收集到的实测降雨资料、积水资料对模型进行验证。选取20180607和20180916两场降雨进行模拟，将模拟结果与实际积水监测数据进行对比分析，积水监测点位置分布见图3。降雨数据来源于流域内雨量站实测数据，积水数据由深圳市设立的积水监测设备实时收集，结果见表2和表3。根据结果，模型模拟得到的易涝点与实际易涝点位置基本吻合，表明该模型可较好地模拟研究区淹没情况；
同时，两场实测降雨模拟所得的淹没水深与实际监测的淹没水深误差较小，表明该模型模拟精度较高。
图3 积水监测点位分布
表2 20180607验证结果
表3 20180916验证结果
3.1 积水深度、积水面积、流速分析
根据GB 51222—2017《城镇内涝防治技术规范》等设计规范并参考相关文献[20-22]，将不同降雨情景下积水深进行等级划分。当积水深度小于0.15 m时，基本不会对行人和机动车通行产生影响，可认为没有内涝风险；
当积水深度为0.15～0.3 m时，会影响行人通行，致使机动车行驶速度变缓，一般不会造成人员伤亡和财产损失，可认为低内涝风险；
当积水深度为0.3～0.5 m时，对行人和机动车产生很大影响，可能造成人员伤亡和财产损失，可认为是中内涝风险；
当积水深度大于0.5 m时，会影响日常生活，发生人员伤亡和财产损失的概率大，可认为是高内涝风险。图4为不同降雨历时下的积水深度，可见，随着降雨历时的增大，最大积水深度不断增加，在降雨历时分别为30 min、60 min、90 min和120 min时，最大积水深度分别为0.71 m、0.80 m、0.90 m和1.12 m，积水深度峰值大约出现在降雨结束时刻。降雨结束后，水流在重力作用下向地势低洼的地方流动，使得积水深度减小，但会出现积水面积增大的情形。在不同降雨情景下，发生积水的位置具有一致性，主要集中在流域中部地区，主要是因为流域地势周边高中间低，水流易于在低洼处聚集导致。
(a)30 min
表4为不同降雨历时下的积水面积峰值，可见，随着降雨历时的增加，不同积水深度对应的积水面积不断增大。降雨历时分别为30 min、60 min、90 min、120 min时，积水深度大于0.5 m的积水面积分别为0.35 hm2、2.72 hm2、12.67 hm2和31.92 hm2。虽然积水深度大于0.5 m下的积水面积占流域面积比值较小，但随着降雨历时的增大，其增速较大，而且一旦出现此情形，会产生很大的危害，需要特别注意。
表4 不同降雨历时下积水面积峰值
在进行城市洪涝分析时，通常对积水深度、积水历时和积水面积关注较多，对流速的分析相对较少。当地面产流以后，水的流动主要靠重力作用，水流方向和速度与地形坡度密切相关。图5为不同降雨历时下流速分布，可见，大部分区域流速均小于0.2 m/s。随着降雨历时的增加，流速会相应增加，流速大于0.2 m/s的面积持续增大，最大流速出现在流域中部靠近边界的位置，此处地势高差大，当出现地面积水时，其流速相对较大。表5为不同降雨历时下最大流速和最大积水深度情况，可见，随着降雨历时的增大，流速的最大值也在不断增大，降雨历时为30 min、60 min、90 min和120 min时，最大流速分别为0.90 m/s、1.12 m/s、1.25 m/s和1.36 m/s，流速最大值出现的时刻并不是降雨峰值出现的时刻，而是出现在降雨峰值之后。
(a)30 min
表5 不同降雨历时下最大流速和最大积水深度
3.2 城市内涝风险评估
城市暴雨内涝会产生人员伤亡和财产损失，本文重点关注内涝对行人安全的影响。关于此方面，国内外学者开展了诸多研究，Foster[23]测试了在水深0.09～0.41 m、流速0.76～3.12 m/s条件下的男性儿童在水流作用下的稳定性问题；
宋瑞宁等[24]基于行人安全对城市内涝风险等级进行评估；
Jonkman等[25]在水深0.26～0.35 m、流速2.4～3.1 m/s条件下，对一名成年人在水流下的稳定性进行测试。本文借鉴国际上常用的洪水风险评价标准，主要考虑积水深度和流速2个因素来进行风险评估，具体计算公式为
R=d(v1+c)+f
(7)
式中：R为风险等级；
d为积水深度，m；
v1为流速，m/s;c为常数，通常取0.5；
f为水深危害参数。d≤0.15 m时，f=0.5；
d>0.15m时，f=1.0。
根据计算出的内涝风险指数，风险等级划分如下：当R≤0.75时，属于极低风险区，区域内积水较浅，流速缓慢；
当0.75
当R≥1.5时，属于高风险区,极易造成人员伤亡和财产损失，应及时发布预警预告，做好应急救援措施。根据上述洪涝风险评估公式，对积水深度和流速进行叠加计算，得到不同降雨历时下内涝风险等级分布，见图6。
(a)30 min
表6为不同降雨历时下内涝风险等级面积，可见，随着降雨历时的增大，极低风险区域占比逐渐减小，其他风险等级占比均出现不同程度增加。随着降雨历时的增大，地面积水范围不断增大，积水深度更深，流速加快，所以低风险、中风险和高风险区面积均不断增大。其中低风险区面积增加最多，随着降雨历时由30 min分别增加到60 min、90 min、120 min，其面积分别增加274.98 hm2、480.68 hm2和444.68 hm2；
中风险区面积增速最快，随着降雨历时由30 min分别增加到60 min、90 min、120 min，其增加比例分别为785%、497%和221%。在降雨历时超过60 min后，逐渐出现高风险区，高风险区面积相对较小；
降雨历时为90 min和120 min时，面积分别为0.61 hm2和0.94 hm2,占流域总面积比例较小，但其危害性大，需重点关注。中高风险区主要集中在流域中部，此处地势平坦，积水深度相对较大，且积水不易排出，导致积水历时和范围都比较大。
表6 不同降雨历时下内涝风险等级面积
a.阐述了TELEMAC-2D水动力模型的基本原理，构建深圳市深圳河流域城市洪涝风险评估模型，采用等效排水法对管网进行概化，同时对20180607和20180916两场实测降雨进行模型计算并与实测结果进行对比，结果表明所构建的模型具有可靠性和准确性。
b.在降雨条件为50年一遇、雨峰系数为0.4的条件下，降雨历时分别为30 min、60 min、90 min和120 min的情景下对深圳河流域进行洪涝过程模拟。发现随着降雨历时的增大，流域内积水深度增大，最大积水深出现在降雨结束时刻；
不同积水深度对应的积水面积不断增大，尤其是积水深度为0.15～0.3 m时，积水面积增加最大，积水深度大于0.5 m的积水面积占流域总面积比例较小，但此水深的出现危险性较大，需要重点关注，应及时发布预警预告信息，采取合理措施排走积水。
c.对深圳河流域进行洪水风险分区，随着降雨历时的增大，低风险区、中风险区和高风险区均出现不同程度增加，其中，中高风险区主要集中在流域中部，此处积水较深，流速较大，很容易造成人员伤亡和财产损失。
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