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陆面-河网耦合模型在极端风暴潮淹没危险性分析中的应用

滕飞 李路 贝竹园 王军 邱桔斐 章晓洁

滕飞, 李路, 贝竹园, 王军, 邱桔斐, 章晓洁. 陆面-河网耦合模型在极端风暴潮淹没危险性分析中的应用[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), 2021, (3): 138-150. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2021.03.014
引用本文: 滕飞, 李路, 贝竹园, 王军, 邱桔斐, 章晓洁. 陆面-河网耦合模型在极端风暴潮淹没危险性分析中的应用[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), 2021, (3): 138-150. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2021.03.014
TENG Fei, LI Lu, BEI Zhuyuan, WANG Jun, QIU Jufei, ZHANG Xiaojie. Application of a surface and river network coupled model on waterlogging distribution analysis and risk assessment for a region suffering from extreme storm surges[J]. Journal of East China Normal University (Natural Sciences), 2021, (3): 138-150. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2021.03.014
Citation: TENG Fei, LI Lu, BEI Zhuyuan, WANG Jun, QIU Jufei, ZHANG Xiaojie. Application of a surface and river network coupled model on waterlogging distribution analysis and risk assessment for a region suffering from extreme storm surges[J]. Journal of East China Normal University (Natural Sciences), 2021, (3): 138-150. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2021.03.014

陆面-河网耦合模型在极端风暴潮淹没危险性分析中的应用

doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2021.03.014
基金项目: 上海市科学技术委员会科研项目(19DZ1201500)
详细信息
    通讯作者:

    滕 飞, 男, 博士, 工程师, 主要从事河口海岸动力学研究. E-mail: 373663745@qq.com

  • 中图分类号: P731.23

Application of a surface and river network coupled model on waterlogging distribution analysis and risk assessment for a region suffering from extreme storm surges

  • 摘要: 在风暴潮灾害中, 台风、天文高潮位、区间暴雨和上游洪水等因子存在同时出现的可能, 对沿海地区的防汛安全形成了较为严重的威胁. 双因子、多因子影响下的复合风暴潮灾害成为沿海地区灾害风险评估的主要研究对象. 风暴潮水通过漫堤和溃口进入陆域后, 河网对潮水的调蓄和运输作用直接影响对受灾区域灾害危险性的评估结果. 本研究选取上海市金山区作为典型区域, 基于MIKE11和MIKE21模型分别建立金山区一维河网模型和二维陆面模型, 并进行耦合计算, 模拟分析在风暴潮、台风、区间暴雨和流域洪水的综合影响下, 金山区地面积水变化过程, 为区域的灾害危险性分析提供依据. 模型计算结果表明, 在考虑陆域河网调蓄作用后, 风暴潮引起的金山区地面积水大幅度减小, 区域内整体淹没分布出现一定程度的改变. 综合考虑风暴潮及区间暴雨和流域洪水与仅考虑风暴潮条件相比, 金山区中部和北部大部分区域危险性等级降低, 西北角危险性等级升高.
  • 图  1  金山区规划河湖布局示意图

    Fig.  1  Distributions of plan rivers and lakes in Jinshan District

    图  2  一维河网模型与二维陆面模型计算范围及河网分布

    Fig.  2  Range and framework of the 1-D river network model and the 2-D surface model

    图  3  一、二维耦合模型计算示意图

    Fig.  3  Construction of the 1-D and 2-D coupled model

    图  4  “菲特”雨型20年一遇24 h降雨逐时雨量分布

    Fig.  4  Hourly distribution of precipitation with “Fate” pattern and 20-year return period over 24 hours

    图  5  黄浦江上游红旗塘—大蒸塘—圆泄泾溃口位置分布

    Fig.  5  Location of the Hongqitang to Yuanxiejing breach at the upper Huangpu River

    图  6  无河网和有河网条件下金山区风暴潮进水量、地面积水量、河道调蓄量变化过程

    Fig.  6  The quantity of total inflow, surface waterlogging, and stream channel storage during a storm surge event with (and without) considering the river network in Jinshan district

    图  7  风暴潮条件下无河网(左)和有河网(右)陆域最大积水深度分布

    Fig.  7  Distribution of maximum surface waterlogging during a storm surge event under calculation condition 0 (left) and calculation condition 1 (right)

    图  8  风暴潮条件下有无河网工况下陆域最大积水深度差异(有河网工况减无河网工况)

    Fig.  8  Difference in maximum waterlogging depth with the river network included and excluded during a storm surge event (i.e., calculation condition 1 minus calculation condition 0)

    图  9  风暴潮仅叠加降雨与同时叠加降雨和溃堤下陆域最大积水范围和最大积水深度分布比较

    Fig.  9  (a) Maximum area and depth of surface waterlogging during a storm surge event with regional precipitation (calculation condition 2); (b) Maximum area and depth of surface waterlogging during a storm surge event with regional precipitation and flooding (calculation condition 3)

    图  10  风暴潮叠加降雨或区间洪水后陆域积水差异

    Fig.  10  (a) Difference in maximum waterlogging depth with precipitation included and excluded during a storm surge event (i.e., calculation condition 2 minus calculation condition 1); (b) Difference in maximum waterlogging depth with flood included and excluded during a storm surge event (calculation condition 3 minus calculation condition 2)

    图  11  工况0(左)和工况3(右)条件下金山区危险性等级分布

    Fig.  11  Risk level distribution in Jinshan District under calculation condition 0(left) and calculation condition 3 (right)

    图  12  工况0和工况3条件下金山区危险性等级差异(工况3减工况0)

    注: “+”为风险提高, “–”为风险降低

    Fig.  12  Change in waterlogging risk level from calculation condition 0 to calculation condition 3 in Jinshan District (+ denotes rise, – denotes fall)

    表  1  计算工况表

    Tab.  1  Calculation conditions

    计算工况有无河道有无降雨有无流域洪水
    工况0
    工况1
    工况2 有(“菲特”雨型)
    工况3 有(“菲特”雨型)
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    表  2  不同计算工况下特征时刻金山区内积水量统计

    Tab.  2  Statistics on water accumulation in Jinshan District at a characteristic time under different calculation conditions

    计算工况时刻风暴潮进水量/(亿m3)降雨产流量/(亿m3)地表积水量/(亿m3)河道调蓄量/(亿m3)区域总水量/(亿m3)
    工况0 150 h 2.81 2.81 2.81
    240 h 2.39 2.39 2.39
    工况1 140 h 2.51 1.54 0.97 2.51
    240 h 2.67 1.22 1.45 2.67
    工况2 140 h 2.47 1.14 2.58 1.03 3.61
    240 h 2.70 1.17 2.36 1.51 3.87
    工况3 140 h 2.47 1.14 2.58 1.03 3.61
    240 h 2.70 1.17 2.36 1.51 3.87
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    表  3  不同工况下金山区地面最大积水面积和积水深度

    Tab.  3  Maximum area and depth of waterlogging in Jinshan District under different calculation conditions

    计算工况最大积水面积/km2平均最大积水深度/cm最大积水深度/m
    工况0 561.74 115.65 7.71
    工况1 426.39 71.29 7.70
    工况2 603.87 72.95 7.70
    工况3 603.87 73.46 7.70
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    表  4  市(县)尺度淹没水深危险性等级划分标准

    Tab.  4  Risk level of waterlogging depth at the city or county level

    危险性等级淹没水深d/cm
    d ≥ 300
    120 ≤ d < 300
    50 ≤ d < 120
    15 ≤ d < 50
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    表  5  不同计算工况下金山区不同危险性等级面积

    Tab.  5  Waterlogging area for different risk levels in Jinshan District under calculation condition 0 and calculation condition 3

    计算工况不同危险性等级面积/km2合计面积/km2
    工况035.04144.84275.7495.76551.39
    工况317.9966.92226.41281.17592.49
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    表  6  金山区工况3较工况0危险性等级变化面积及占比

    Tab.  6  Statistics on changes in risk level for waterlogging area in Jinshan District from calculation condition 0 to calculation condition 3

    危险性等级差异变化面积/km2变化占比/%危险性等级差异变化面积/km2变化占比/%
    +3等级0.020–1等级243.3340.30
    +2等级4.710.78–2等级22.273.69
    +1等级64.8510.74–3等级0.560.09
    0等级268.1344.40合计603.87100
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  • 收稿日期:  2020-05-10
  • 刊出日期:  2021-05-01

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