基于SOBEK的河网结构-调蓄能力-洪涝灾害情景分析

摘要

洪涝灾害是沿海平原地区的主要自然灾害，给沿海城市的生命财产带来了严重威胁，洪涝灾害的防治是当代国际社会、学术界普遍关注的热点问题。
　　 在国家自然科学基金重点项目“沿海城市自然灾害风险应急预案情景分析(40730526)”的资助下，采用适合感潮河网地区区域水文模拟的SOBEK模型，通过历史资料、实测资料与模型模拟相结合，分析上海上世纪洪涝灾害的发生趋势和各类致灾因子在不同时期可能产生影响，着重模拟分析受城市化深刻影响的河网结构一调蓄功能变化对城市洪涝灾害的影响。通过典型情景的设计和研究，提出类似上海这样的高度城市化沿海城市，基于内部区域差异的洪涝灾害防范和河网结构设计对策。为上海市制定防洪除涝管理、河道整治、河网规划方案和水资源可持续发展模式提供一定的理论基础和科学依据。
　　 本文回顾与总结了上海市洪涝灾害、致灾因子与平原河网防洪理论研究，在已有研究的基础上，主要研究成果包括：
　　 1.上海洪涝灾害发生频次及主要致灾因子变化特征研究。对上海市洪涝灾害发生频次和轻重程度的变化特征做了调研和资料搜集；1949-1991年内上海市洪涝灾害的主要致灾因子及其变化特性研究表明，洪涝灾害发生频次有下降趋势，但程度有上升趋势；汛期降水量及米市渡站年最高潮位振荡上升，河道数量消失速度趋缓。
　　 2.上海洪涝灾害、主要致灾因子间影响机制研究。对1949-1991年间各致灾因子与洪涝灾害的关联性分析发现，主要致灾因子对上海洪涝灾害影响具有显著的阶段性特征；降水和潮位对洪涝灾害发生的影响基本是即时性的，河道消失的影响则滞后2-3年并持续影响4-5年。多元回归分析表明，采用米市渡年最高潮位、年河道消失数和汛期雨量指标，可以进行洪涝灾害发生的趋势性预测。
　　 3.平原感潮型河网模型构建。搜集和分析平原感潮河网的特征，在Sobek水力模型平台上，设置体现感潮水力学特点的追赶反馈洪水演算方法，再输进感潮洪峰水位过程线，良好的体现出双向水流、河网环状水流的特点，使计算更加准确，模型更具有区域特点。
　　 4.河网结构-调蓄能力-洪涝灾害情景设计。针对河网结构影响河网对洪涝调蓄能力的研究目的，情景分为洪水类型情景、河道要素情景、河网要素情景进行递推式控制变量法情境设计。洪水类型情景选择1999年梅雨洪峰(极端梅雨)、2007年梅雨洪峰(典型梅雨)、2009年莫拉克暴雨洪峰。河道要素情景分别针对河面宽、河床糙率设计，河网要素情景分为河流弯曲度情景、支流入汇角度情景、支流入汇位置情景、河面率情景。
　　 5.河网结构-调蓄能力情景模拟和分析。在Sobek软件平台上，用平原感潮河网概化模型对河网结构-调蓄能力进行模拟，模拟结果显示：在不改变河面率的情景下，支流的交汇角度小，交汇点在干流上游时河网削减洪峰能力相对较大；在提高河面率的情景下，河网调蓄能力随河流弯曲度增大而增大，当弯曲度为2.8时河流单位面积削减洪峰的能力达到峰值；随河面率增大河网削减洪峰能力增强，河面率在3％-5％之间时，单位河面积增量的削峰效率最强；增加支流面积比增大干流面积更能有效改善河网的调蓄功能。
　　 6.洪水类型、河道要素的影响下河网结构-调蓄能力的情景分析。河网模型模拟结果显示：持续时间长的洪水过程，自然河网的蓄水能力强；河床糙率在较高水平上时，糙率直接影响河网的调蓄能力减弱；主要通过加强支流位置、弯曲度、河面宽等因子对河网调蓄能力的影响来影响河网调蓄能力。
　　 7.提出针对不同水资源管理目标的河网结构规划对策，在新城河网规划中，构建“近自然型”河网，兼具防洪排涝、改善水环境、营造良好景观的功能。