Application of a surface and river network coupled model on waterlogging distribution analysis and risk assessment for a region suffering from extreme storm surges
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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.Abstract: Extreme precipitation and floods may occur during a storm surge hazard, accompanied by typhoon conditions and high tide levels. The combination of these factors intensifies the risk of flooding in coastal regions suffering from a storm surge. Thus, multi-impact analysis should be applied to determine flood risk during a storm surge. River networks play an important role in flood processes. The storage and transportation capacity provided by rivers can directly change the distribution of a flood. In this paper, a 1-D river network model and a 2-D surface model were respectively established and coupled to simulate the flood processes during an assumed storm surge in Jinshan District, Shanghai. The cumulative influence of the concurrent storm surge, typhoon, rainfall, and upstream flooding was explored to support hazard risk analysis for Jinshan District. The coupled model’s simulation indicated a clear decrease in the number of waterlogged areas in Jinshan District after considering the river network’s storage and transportation capacity during a storm surge event. The distribution of predicted waterlogged areas also changed; according to the simulation results, the flood risk grade decreased in the central and northern Jinshan District and rose in the Northwest corner.
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Key words:
- storm surge /
- river network /
- 1-D and 2-D coupled hydrodynamic model
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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)
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 无 无 无 工况1 有 无 无 工况2 有 有(“菲特”雨型) 无 工况3 有 有(“菲特”雨型) 有 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 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 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 Ⅰ d ≥ 300 Ⅱ 120 ≤ d < 300 Ⅲ 50 ≤ d < 120 Ⅳ 15 ≤ d < 50 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 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 工况0 35.04 144.84 275.74 95.76 551.39 工况3 17.99 66.92 226.41 281.17 592.49 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 0.02 0 –1等级 243.33 40.30 +2等级 4.71 0.78 –2等级 22.27 3.69 +1等级 64.85 10.74 –3等级 0.56 0.09 0等级 268.13 44.40 合计 603.87 100 -
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