典型台风暴雨情景下洪涝过程模拟分析

摘 要：

2018年台风“温比亚”和2019年台风“利奇马”对我国东部沿海地区造成了广泛影响，给地处山东东北部渤海湾的东营市带来严重的暴雨洪涝灾害，两场台风期间降雨历时分别为22 h和43 h,全市平均降水分别为250.4 mm和342.2 mm,均超过东营市百年一遇暴雨级别，连续两年刷新当地多个雨量站历史极值。针对现有洪涝监测体系仅关注重点断面或区域、无法全面系统地反映洪涝过程，且两场台风暴雨在当地均为现象级、洪涝监测系统难以全程有效监测的问题，为了深入认识和分析台风暴雨极端情景下东营当地洪涝特性，选取SWMM构建东营市暴雨洪水模型，对两场台风暴雨期间的洪涝过程进行模拟再现。结果显示：两场台风暴雨模拟结果的径流演算连续性误差分别为1.076%和0.692%,流量演算连续性误差为-0.135%和-0.004%,模拟结果较合理。结果表明：两场台风暴雨产流量分别为5.7亿m3和7.6亿m3,重点河道断面水位涨幅在1.2～2.6 m之间，未发生溢流现象；中心城区典型易涝点分别有35处和38处产生积水，管网平均满管率为87.4%和97.5%。两场台风期间，河道水位处于安全状态，表明河道行洪调蓄能力较好；管网节点多处产生溢流积水、管道满管率较高，说明管网排水能力有限不足以应对高强度台风暴雨。为应对未来台风暴雨，应保持对河道的疏浚维护，进一步加强中心城区的防涝排涝能力。

作者简介：

燕文昌(1996—),男，硕士研究生，主要从事城市水文机理与模拟研究。E-mail:wenchang_yan@163.com;

*刘家宏(1977—),男，教授级高级工程师，博士，主要从事水文学及水资源研究。E-mail:liujh@iwhr.com;

基金：

国家自然科学基金项目(51739011,51979285);

流域水循环模拟与调控国家重点实验室团队课题(SKL2020ZY03);

引用：

燕文昌, 刘家宏, 梅超, 等. 典型台风暴雨情景下洪涝过程模拟分析[J]. 水利水电技术(中英文), 2021, 52(10): 12- 23.

YAN Wenchang, LIU Jiahong, MEI Chao, et al. Simulation and analysis of flood process under typical typhoon rainstorm scenarios[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2021, 52(10): 12- 23.

近年来在全球气候变化的背景下，我国沿海地区台风暴雨等极端天气频发，且有局部影响程度加重和不确定性增强的趋势，对沿海城市的洪涝应对体系造成巨大压力，超过河流水系和城镇排水系统负载的洪水和内涝将对当地的生态环境、经济发展、交通运输和居民生活等造成严重损害。我国主要经济区普遍位于东部沿海平原地区，预防和减轻洪涝灾害已成为当今的热点问题。传统的洪涝监测系统无法做到全时段、全覆盖地跟踪监测，采用洪涝模拟的技术手段对典型台风暴雨情景下的洪涝过程进行反演重现，有助于深入认识洪涝演变规律，以及更有效地应对台风暴雨天气下城市及周边地区产生的洪涝灾害。

在相关研究方面，贺芳芳等采用水动力模型ICM InfoWorks模拟了“海葵”台风和“菲特”台风造成的上海市中心城区洪涝灾害淹没情况，在其研究中考虑了台风、暴雨、上游来水、潮水等叠加影响，并基于PGW方法驱动WRF模式对未来气候变化下台风重现期的洪涝灾害进行模拟；徐帅帅等采用中国山洪水文模型(CNFF-HM)构建了福建梅溪流域的分布式水文模型，反演“尼伯特”台风带来的暴雨洪水过程；林芷欣等利用ArcGIS构建下渗修正后的“雨量体积法”模型对“麦德姆”台风下的福州中心城区的暴雨洪水情景进行模拟，深入分析了内涝成因和不同内涝风险区的分布；黄国如等针对广州市濠涌流域综合考虑降雨、径流、地形和排水特性，构建了一维-二维耦合的城市洪涝仿真模型，模拟不同降雨重现期下的洪涝过程并获取致灾因子，进行灾害风险评估；莫伟丽等基于SWMM构建了杭州市复兴区块暴雨洪水模型，模拟了“罗莎”台风期间该地区的排水和地面积水过程，并对成因进行分析；吴馨怡以宁海县为例，运用SWMM对不同重现期下的暴雨内涝进行模拟，研究沿海城市暴雨、潮水影响下的内涝过程和管网排水过程，并提出一系列改造措施。

综上，目前洪涝模拟技术手段多样，主要研究对象为典型台风暴雨或固定重现期降雨的洪涝过程；研究方法以模型模拟为主，通常为使用相关模型软件，具有技术成熟、集成度高、便于操作、模拟效果好、计算速度快等优势，常用模型根据其基本原理主要分为一维、二维、一维-二维耦合模型；研究目的在于通过洪水和内涝过程的模拟，深入分析研究区域的暴雨洪涝特性，对洪涝风险评估、防洪措施改造等提出指导建议。

根据前人的研究，所选取的不同降雨情景本质区别在于雨量差异，对不同降雨时程分布和区域分布的洪涝模拟研究较少，且多为常见雨量级，普遍重现期在100 a以内，缺少对极端降雨情景的模拟研究，而在现实中对于防洪排涝设施压力较大、容易造成巨大洪涝灾害损失的往往是极端降雨事件。

2018年第18号台风 “温比亚”和2019年第9号台风“利奇马”强度分别达到了 “热带风暴级”和“超强台风级”,给我国东部地区造成大范围的暴雨洪涝灾害。山东省东营市在这两场台风中受影响严重，台风“温比亚”和台风“利奇马”均给当地带来了超过百年一遇级别的暴雨，其中“温比亚”降雨强度大、“利奇马”持续时间长，连续两年刷新了多个雨量站的历史极值记录，给东营市造成了严重的洪水和内涝灾害。现利用SWMM软件构建东营市洪涝模型，模拟两场台风暴雨期间的洪涝过程，重现历史情景下重要河流水位和中心城区易涝点积水，对比分析不同特性台风暴雨洪涝的特征规律，对东营市未来预防和应对台风暴雨具有重要意义。

东营市位于山东省东北部、黄河三角洲地区，紧靠渤海湾，是 “环渤海经济圈”城市、黄河三角洲中心城市和重要石油基地。东营市总面积8 243 km2,城镇化率69.24%,常住人口217.97万人，2019年东营市地区生产总值2 916.19亿元。

东营市地处黄河流域、海河流域和淮河流域交界，地势自西南向东北倾斜，高程最高28 m、最低1 m, 落差27 m, 自然比降为0.008 3%～0.012 5%。东营境内共40条主要河流，大部分河流直流入海，其中仅黄河属于黄河流域，黄河以北河流属于海河流域，包括14条主要河流，总长度476 km, 流域面积2 786 km2;黄河以南属于淮河流域，包括广利河在内的25条主要河流，总长度671 km, 流域面积5 541 km2,东营市中心城区位于该区域，广利河、东营河穿城而过。东营市河流水系及重点断面位置如图1所示。

图1 东营市河流水系及重点断面位置

东营属温带大陆性季风气候，多年平均降水量555.9 mm, 降水多集中在夏季，占全年的65%,图2为东营市降水年际变化和年内分布。

图2 东营市降水年际变化和年内分布

2.1 SWMM概述

SWMM即暴雨径流管理模型(Storm Water Management Model)是由美国环境保护局(United States Environmental Protection Agency, EPA)设计研发的一种动态降雨径流模拟模型，可以模拟单一降水过程或长期的径流变化过程，现广泛应用于城市地区的降水径流、排水系统的水力学特征及水文过程模拟。东营市为平原地形，河流水系丰富、城区管网密集，中心城区以外部分以农田为主，地形平缓、下垫面属性和产汇流特性相对均匀稳定，河流水系人工化严重，河流均有人工疏通修缮或为人工开凿，坡度、糙率等参数较稳定，基本符合SWMM适用条件，本研究使用2020年7月20日发布的5.1.015版本SWMM软件构建东营市洪涝模型，模拟两场台风暴雨情景下东营市洪涝过程。

2.2 数据处理与建模

建立模型所采用的数据包括来源于东营市水文局和水务局的河流水系、水文要素、城市管网等数据，从 “全国地理信息资源目录服务系统”和“地理空间数据云”获取的相关地理信息数据。合理运用地理信息系统(GIS)空间分析技术对获取的原始资料进行分析和处理,使满足建模需求以实现东营市SWMM模型的快速构建。

选取东营市境内39条主要河流和中心城区管网组成输水系统作为模型框架。根据东营市水系图和高清卫星影像对河流矢量数据进行修正，按河道沿程变化分段并设置节点和出口，河流共划分为394段，其中东营市中心城区161段，其他区县233段；共设置375个节点，18个河流出口，其中11个为出海口。东营河流人工化严重、沿程变化小，在本模型中已尽量多设置节点即控制断面，使相邻节点间的一段河道形态基本不变，最大程度降低“SWMM在河流水动力学模拟中假设一段河道两端断面之间形态是不变的”所带来的影响。据统计中心城区管网有78 263个雨水井和75 968条排水管道，概化为包含11 151条管道和11 178个节点的管网系统。之后对每一段河流、管道进行独立编码，利用节点准确构建输水系统的上下游拓扑关系。

子汇水区的划分和汇流路径设置将对模拟结果产生重要影响。由于东营市地势过于平缓，数字高程数据(DEM)不适用于生成合适的子汇水区，故依据河流水系和用地规划进行划分。东营市共划分子汇水区1 555个，其中面积最大为6 211.8 hm2、最小为1.16 hm2,平均为459.5 hm2。子汇水区的汇流路径主要指子汇水区产流后，径流汇入输水系统的路径，这里参考梅超等发明的一种自动搜寻子汇水区出口的方法：通过计算得到子汇水区的中心点平面坐标，选取距离最近且高程低于子汇水区平均高程的河道或管道节点作为汇流出口。远离输水系统的子汇水区将沿最短路径就近汇入其他子汇水区，沿海子汇水区自行直流入海。

从东营市23个主要雨量站中选取代表性强、资料序列完整、质量较好的8个站点作为模型中降雨量输入点，其中5个为国家级地面站。4个雨量站位于中心城区，其他区县各1个站点，利用泰森多边形法划分每个雨量站的控制范围。图3为东营市SWMM模型汇流单元及雨量站网分布。

图3 东营市SWMM模型汇流单元及雨量站网分布

2.3 参数率定与验证

2.3.1 参数设置

SWMM中参数种类较多，主要分为几何参数和经验参数。几何参数赋予实测数据或相关计算数值，经验参数根据用户手册提供的参考范围选取，再根据实际情况进行调整,模型的率定验证过程主要为对经验参数的调整。

子汇水区的几何参数包括面积、坡度、不透水面百分比、特征宽度等，其中特征宽度有多种计算方法，目前还没有一种公认的、权威的方法。本研究采用式(1)计算特征宽度，该方法假设特征宽度与子汇水区的面积开方成某一系数关系

式中，W为特征宽度；K为经验系数(K取2.5);s为子汇水区面积。

经验参数根据土地利用类型及分布设置，东营市主要用地类型有城镇建设用地、农业用地、未利用土地等，城镇建设用地主要集中在中心城区，其他各区县以农业用地为主。

输水系统主要包括河道、管道、节点和出口的参数。中心城区的河道将根据34处实测断面数据赋予相关参数值，其他河道依据相关资料或高清卫星影像、河道监控视频估算断面参数；河道节点初始水深、底部高程等按实测值设置或由实测数据点进行插值，无资料河道由已知点或出海口按0.012%坡降递推；河流出海口的出流方式按实测或历史同期潮汐水位变化设置，其他出口根据下游情况设置。管网统一概化为圆形管流，各项参数按建设方案或施工图纸赋值。

2.3.2 合理性分析

SWMM的基本模拟过程为先对子汇水区进行产流和汇流计算，再对河流管网组成的输水系统进行汇流演算。SWMM提供了霍顿入渗公式、格林-安普特下渗模型和数值曲线法3种方法用于产流计算，以非线性水库法作为坡面汇流计算方法，输水系统汇流模型提供了稳定流、运动波和动力波3种演算方法。本研究选用降雨径流和汇流路径过程模型，下渗模型选用霍顿入渗公式，汇流模型选用动力波演算。

东营市河流管网数量众多、结构复杂，地表类型多样，需保证模型整体合理有效，依据2018—2020年的4场降雨，采用综合径流系数法对模型整体合理性进行分析并调整参数。根据土地利用类型分布，采用面积加权平均值法计算东营地区综合径流系数，即

式中，Ψ为流域综合径流系数；si为不同类型土地面积；S为流域总面积；ψi为不同类型土地经验径流系数。

经计算东营市综合径流系数在0.166～0.254之间，率定后降雨模拟产流的径流系数处在该范围内或误差小于15%,说明整体模拟结果较合理。表1为4场降雨模拟产流量及径流系数。

2.3.3 重点断面率定验证

依据东营市2018年7月23日、2019年7月6日的2场降雨对河流重点断面参数进行率定，通过对模型中的参数进行调整，使模拟结果对比实测值的偏离程度处在可容许范围内，并将此时的参数值作为最终值。经率定后模拟结果的纳什效率系数分别为0.84、0.77,与实测数据拟合较好。图4为部分重点断面率定后水位模拟结果。

图4 部分重点断面率定后水位模拟结果(断面位置详见图1)

利用2020年8月13日、18日降雨模型进行验证，图5为部分重点断面水位模拟结果，两场降雨关键节点模拟结果纳什效率系数分别为0.71、0.73,经检验模拟结果较合理。

图5 部分重点断面水位模拟结果(断面位置详见图1)

综上，模型经率定验证基本达到模拟的要求，表2为调整后的模型主要经验参数及取值。

3.1 “温比亚”台风暴雨模拟结果分析

“温比亚”台风于2018年8月18日进入东营，影响时间34 h、降雨历时22 h, 全市平均降雨量250.4 mm, 超过东营市百年一遇暴雨(234.2 mm/24 h)级别，占2018年降水量(978.7 mm)的25.6%,最大降雨强度为72 mm/h。台风和降雨不同期，降雨主要集中在台风过境的中后期，具有间歇性、来去迅速和强度高的特点。

由于降雨集中在台风中后期，故延长模拟时间对通台风期间地表径流过程和台风离境后的持续影响进行模拟。模拟径流过程与降雨过程基本拟合，模拟结果中径流演算连续性误差为1.067%,流量演算连续性误差为-0.135%,小于10%认为模拟结果较好。结果表明全市域产流56 842万m3,场次降水的径流系数0.29,分析认为径流系数高于平均水平的主要因素是降雨强度大且分布集中。图6为台风“温比亚”降雨及径流过程。

图6 台风“温比亚”降雨及径流过程

模拟结果中30个重要河道节点水位涨幅超过2 m的有19个点，其余涨幅均在1～2 m, 平均涨幅2.05 m。台风期间第一次降雨历时短强度较大具有突发性，河道水位上涨迅速、幅度较小，在降雨间歇河道水位有一定回落，说明河道过流能力较好，第二次降雨历时较长强度大、降水集中，河道水位快速上涨至台风期间水位峰值。图7为两处重点河道断面水位变化。

图7 重点河道断面水位变化(断面位置详见图1)

将模拟结果中管网节点溢流量作为对应易涝点的积水量，中心城区的39个典型易涝点有35个发生积水，其中9个点积水量在0～50 m3,17个点积水量在50～100 m3,6个点积水100～150 m3,3个点积水量超150 m3,平均积水量83.1 m3。易涝点处管道平均满管率87.4%,最高96.6%,最低76.9%,整体处于超负荷排水状态。中心城区西部易涝点分布较分散、东部较集中，积水较为严重的19个点中10个位于西部、9个位于东部，东西部易涝点积水程度相当，4个无积水点位于东部。图8为易涝点积水分布。

图8 易涝点积水分布(“温比亚”台风)

3.2 “利奇马”台风暴雨模拟结果分析

“利奇马”台风于2019年8月10日进入东营，降雨历时43.5 h, 全市平均降雨量342.4 mm, 超过东营市百年一遇暴雨级别，占2019年降水量(673.9 mm)的50.8%,最大降雨强度42 mm/h, 小于“温比亚”台风期间的72 mm/h。降雨和台风基本保持同期，具有连续性且持续时间较长，雨量主要集中在台风过境的前中期，降雨强度初期较大随后逐渐减弱。

通过对“利奇马”台风期间东营市地表径流过程进行模拟，模拟径流过程与降雨过程变化基本拟合，模拟结果中径流演算连续性误差0.692%,流量演算连续性误差-0.004%,远小于10%,模拟结果较好。结果表明全市域产流75 831万m3,场次降水的径流系数0.34,分析认为总降雨量大、持续时间长是径流系数高于平均水平的主要原因。图9为台风“利奇马”降雨及径流过程。

图9 台风“利奇马”降雨及径流过程

模拟结果中30个重要河道节点水位涨幅超过2 m的有14个点，其余涨幅在1～2 m, 平均涨幅1.81 m。台风初期降雨集中、强度较大，河道水位上涨至台风期间水位极值，后随着降雨强度减弱河道水位开始下降，但由于降雨一直持续河道水位回落速度慢。图10为两处重点河道断面水位变化。

图10 重点河道断面水位变化(断面位置详见图1)

图11 易涝点积水分布(“利奇马”台风)

将模拟结果中管网节点溢流量作为相应易涝点的积水量，中心城区的39个典型易涝点有38个发生积水，其中12个点积水量在0～100 m3,17个点积水量在100～200 m3,9个点积水超过200 m3,平均积水量达136.3 m3。易涝点处管道平均满管率97.5%,最高99.1%,最低92.9%,整体处于超负荷排水状态。中心城区西部易涝点分布较分散、东部较集中，积水较为严重的19个点中12个位于西部、7个位于东部，10个积水较少的点中7个位于东部，1个无积水点位于东部，西部易涝点积水相比更为严重。图11为易涝点积水分布。

3.3 两场台风暴雨洪涝过程对比分析

通过对比两场台风期间的降雨过程，“温比亚”台风期间降雨强度更高、降雨更加集中，“利奇马”台风期间降雨强度相对较低，但降雨总量更大、持续时间更长；在降雨分布方面，“温比亚”台风期间降雨分为两个场次且中间有间歇，两场降雨都具有随机性，单场降雨来去较为迅速，“利奇马”台风期间降雨持续时间长、变化平稳，前期降雨强度较高，中后期开始减弱。

“温比亚”台风期间较高强度的降雨使河道水位上涨迅速，对河堤形成一定威胁，但降雨在高强度下持续时间较短并未发生溢流等情况，在降雨间歇和停止后河道水位开始回落。“利奇马”台风前期降雨较集中，河道水位上涨速度较慢，由于降雨持续时间长使河道长时间处于较高水位，随着降雨强度降低河道水位虽然出现下降趋势但退水速度缓慢。长时间的高水位和缓慢的退水速度都会对河堤形成潜在的威胁。

两场台风暴雨模拟结果表明全球气候变化影响下城市内涝的问题更趋严重。两场台风中心城区都出现了普遍的内涝积水，“温比亚”台风期间典型易涝点出现了35处积水，“利奇马”台风期间典型易涝点出现了38处积水，平均满管率分别超过85%和95%,长时间处于超负荷运行状态，说明中心城区管网面对强度大、持续时间长的降水时排水能力不足。“温比亚”相比“利奇马”降雨总量较低、持续时间较短，平均积水量和管网的满管率较低，“温比亚”降雨强度高对中心城区西部和东部管网同时形成巨大压力，在总体结果上两边受灾程度相近。“利奇马”短时强度较低但持续时间长，中心城区西部积水相对东部较为严重。西部城区为老城区，建筑密集不透水面比例高，排水系统设计规划年代久远能力不足，导致西部内涝积水严重，东部为新城区，水系丰富绿地众多、建设用地分散、排水系统较新，内涝积水程度相对较低。表3为两场台风暴雨及其洪涝模拟结果对比。

4.1 结 论

本文通过构建东营市SWMM模型，利用4场降水进行率定验证，经检验模型具有合理性，基本适用于该地区。将“温比亚”台风和“利奇马”台风期间的降雨数据输入模型进行模拟，得到两场台风暴雨期间的全市域产流量，重点河道的水位变化和中心城区排水管网的溢流情况及分布。

(1)“温比亚”台风期间全市平均降雨250.4 mm(占当年总降雨量的25.6%),降雨与台风不同步，主要集中在台风中后期，降雨强度大具有突发性，最大降雨强度达72 mm/h, 模拟总产流量约5.7亿m3。“利奇马”台风期间全市平均降雨342.4 mm(占当年总降雨量的50.8%),降雨与台风保持同步，持续时间长变化趋势平缓(降雨历时超40 h),模拟总产流量约7.6亿m3。

(2)“温比亚”台风暴雨期间河道水位上涨迅速、涨幅较大，重点断面平均涨幅2.05 m, “利奇马”台风暴雨期间河道水位相比涨幅较小，重点断面平均涨幅1.81 m, 高水位状态持续时间长，退水缓慢。两场台风期间河道水位涨幅普遍在1.2～2.6 m, 没有发生严重的河道溢流，处于相对安全状态。

(3)两场台风暴雨期间中心城区内涝积水较为严重，大范围管网节点发生溢流。“温比亚”台风暴雨期间典型易涝点溢流为35处，平均溢流量83.1 m3,相关管道平均满管率87.4%,城区东西部内涝程度相近；“利奇马”台风暴雨期间典型易涝点溢流为38处，平均溢流量136.3 m3,相关管道平均满管率97.5%,城区西部内涝更为严重。

综上所述，结果表明两场台风暴雨期间河道行洪、调蓄能力较好，这与当地河流特性相关，东营市水系丰富、河道普遍顺直宽阔且有人工疏浚，另外当地地形平缓，减轻了在高强度降雨下河道的行洪压力。但是，平缓的地形也使子汇水区汇流速度较慢，导致中心城区等不透水率较高、不透水面积较大的区域更容易产生内涝积水。另一方面，中心城区管网系统排水能力有限，是台风暴雨期间超载溢流问题严重的主要原因。

4.2 展 望

对于未来东营市应对台风暴雨带来的洪涝灾害，应当定期对河道水系进行疏浚维护，保持河道水系畅通，加强城市防洪排涝体系建设，提升城市易涝区的防涝排涝能力，进一步提升水利信息化水平，实现智慧水务等信息体系构建，通过信息数据全面掌握洪涝灾害动态，深入挖掘洪涝发展规律，有效防范洪涝风险和避免洪涝损失。

本文通过模型模拟的方式，再现了“温比亚”和“利奇马”两场现象级台风暴雨情景下东营市的洪涝过程，深入分析在罕见极端降水条件下当地的洪涝特性，有利于未来应对极端降水事件带来的洪涝灾害。在本研究过程中存在不足有待未来改进：(1)模型经率定验证后参数不再改变，但现实中每场降雨前期的气象条件不同，可能晴朗或有降水，绿地和农田可能存在人工灌溉现象，这些因素都会导致下垫面透水特性发生变化而影响模拟结果，未来应深入考虑；(2)城市内涝主要研究管网节点溢流量，溢流量可以充分体现管网的排水能力，但在实际应用中内涝的淹没范围和淹没水深更有价值，未来应拓展研究方式。

水利水电技术（中英文）

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