土地利用類型對濱海城市復(fù)合淹沒的影響
——以象山縣為例?

施劭瑜， 楊 波， 江文勝， 于 格， 王有霄

(1. 中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室， 山東 青島 266100； 2. 中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100；3. 中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院， 山東 青島 266100； 4. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所， 北京 100101)

風(fēng)暴潮是最嚴(yán)重的海洋災(zāi)害，世界上許多沿海地區(qū)經(jīng)常受到熱帶氣旋引發(fā)的風(fēng)暴潮的威脅。近年來，受全球氣候變化影響，部分地區(qū)強熱帶氣旋活動顯著增加[1]，臺風(fēng)導(dǎo)致的風(fēng)暴潮災(zāi)害不斷增多。臺風(fēng)導(dǎo)致的風(fēng)暴潮不僅破壞碼頭、港口和堤防，而且還會大面積的淹沒沿海地區(qū)，從而給沿海居民、農(nóng)田和水產(chǎn)養(yǎng)殖場帶來巨大損失[2]。由于中國東南沿海地區(qū)所瀕臨的西北太平洋熱帶風(fēng)暴頻發(fā)，加之該區(qū)域人口、財富、資源等要素密集，因此成為世界上受臺風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。2010—2019年期間中國東南地區(qū)共發(fā)生71次由臺風(fēng)導(dǎo)致的風(fēng)暴潮，造成36人死亡，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)865.9億元人民幣，占全國海洋災(zāi)害損失的86.5%[3-5]。

在全球范圍內(nèi)許多學(xué)者對風(fēng)暴潮的數(shù)值模擬進(jìn)行了研究，這些研究通常集中于提高水動力模型的精度、穩(wěn)定性和可靠性上[6-11]。在濱海地區(qū)的風(fēng)暴潮漫灘過程中影響因素很多，除了大氣強迫、波浪以及降雨徑流相互作用外[12]，還受該區(qū)域地表粗糙度的影響。地表粗糙度是影響地表水體流動的重要參數(shù)，僅次于地形[13-14]，在淹沒區(qū)里，樹木、草、灌木和建筑物等地面障礙物對水流施加的阻力會耗散水流和波浪的能量，從而影響流速與流向，最終影響風(fēng)暴潮漫灘模擬的結(jié)果[15-16]。在數(shù)值模型中，通常將這種地物的阻礙作用參數(shù)化，并以底摩擦系數(shù)的形式體現(xiàn)[13]，如根據(jù)下墊面土地利用類型來選取不同的曼寧系數(shù)。

郭洪琳[17]在研究中考慮了土地利用類型所致的底摩擦分布差異，使用ADCIRC(Advanced circulation model for oceanic，coastal and estuarine waters)模型模擬臺風(fēng)“弗雷德”(9417)事件中溫州地區(qū)的風(fēng)暴潮漫灘過程。張露[18]在寧波市北侖區(qū)街區(qū)尺度的風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模擬中同樣考慮土地利用類型帶來的底摩擦變化，刻畫了風(fēng)暴潮漫灘的影響。但濱海區(qū)域在遭受臺風(fēng)和風(fēng)暴潮襲擊的同時，往往還經(jīng)歷暴雨過程。在城市區(qū)域，上漲的海水阻礙暴雨所致積水通過城市排水系統(tǒng)(地下管網(wǎng)與河流)排出，導(dǎo)致城市出現(xiàn)內(nèi)澇。因此研究濱海風(fēng)暴潮漫灘問題時，不僅要考慮底摩擦隨土地利用類型變化的影響，還要考慮暴雨導(dǎo)致的產(chǎn)匯流過程、地下排水系統(tǒng)的水動力過程。

目前已有許多學(xué)者利用數(shù)值模型研究風(fēng)暴潮、降雨與排水系統(tǒng)聯(lián)合作用下的濱海城市復(fù)合淹沒問題[19-20]，但未見同時考慮土地利用類型對淹沒影響的研究，而這對于提高濱海城市風(fēng)暴潮淹沒模擬的準(zhǔn)確性，對指導(dǎo)城市防洪工作有著重要意義。本文將利用Shi等[20]建立的二維風(fēng)暴潮漫灘一維地下管網(wǎng)耦合模型，研究在考慮城市管網(wǎng)條件下，土地利用類型對風(fēng)暴潮淹沒的影響。

1 模型簡介及配置

1.1 模型簡介

ADCIRC(Advanced circulation model for oceanic，coastal and estuarine waters)是由美國圣母大學(xué)的J.J. Westerink和北卡羅萊納大學(xué)的R.A. Luettich于1992年共同開發(fā)的有限元數(shù)值模型，通常被用來進(jìn)行風(fēng)暴潮及漫灘的模擬與風(fēng)險評估[21-22]。SWMM(Storm water management model)則是由美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)開發(fā)的降雨-徑流管理模型，如今被廣泛應(yīng)用于城市化地區(qū)的暴雨洪水模擬和排水系統(tǒng)規(guī)劃、分析和設(shè)計[20，23]。將ADCIRC模型與SWMM模型通過水位的相互傳遞進(jìn)行耦合，開發(fā)了一種二維風(fēng)暴潮漫灘一維地下管網(wǎng)的耦合模型，檢驗了水量守恒性，證實了模型模擬漫灘過程的可靠性，并且在臺風(fēng)“菲特”(1323)期間對象山縣的風(fēng)暴潮漫灘進(jìn)行模擬，得到了良好的模擬結(jié)果。模型的耦合過程中并未打破原來兩個模型的輸入輸出，所以模型設(shè)置均可按照原先模型的說明進(jìn)行。

模型的配置和檢驗在文獻(xiàn)[20]中有詳細(xì)描述，本文僅將模型配置簡要列出，對底摩擦隨土地利用類型變化做詳細(xì)敘述。

1.2 模型區(qū)域與網(wǎng)格設(shè)置

本文選取中國浙江省東部沿海的濱海城市象山縣為研究區(qū)域(見圖1)。該縣地勢西北高，微向東南傾斜，三面環(huán)山，東南面向大目涂海灣，降雨充沛、易受風(fēng)暴潮影響，且河流眾多，有著復(fù)雜的排水系統(tǒng)。沿岸建有堅固的堤壩將海水阻擋在外，堤壩東西兩端設(shè)有兩個可自由開閉的閘門連接著象山縣內(nèi)部河流與外海。此外，該縣土地利用類型多為城鄉(xiāng)居民用地與耕地，是研究底摩擦變化對復(fù)合淹沒影響的理想?yún)^(qū)域。

整個計算區(qū)域的網(wǎng)格采用逐漸加密的非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格構(gòu)建，網(wǎng)格分辨率從開邊界的10 km逐漸增加到象山縣內(nèi)的10 m，堤壩在ADCIRC模型中被設(shè)置為可被漫過的內(nèi)部障礙邊界(weir類型)。離岸區(qū)域水深數(shù)據(jù)來源于整合了全球陸地地形和海洋水深的ETOPO1[24]，分辨率為1′，近岸水深和海岸線從中華人民共和國海事局下載的海圖中提取(https://www.msa.gov.cn/)。象山縣的地形數(shù)據(jù)則來源于高分辨率的數(shù)字高程模型(DEM，Digital elevation model)(見圖1)。

圖1 象山縣網(wǎng)格與陸地高程示意圖

象山縣內(nèi)河道與排水井的空間位置數(shù)據(jù)均根據(jù)象山市政府的排水規(guī)劃進(jìn)行設(shè)置[25]，共有456個計算節(jié)點與515條管線，并以河流和街道將整個區(qū)域劃分為312個子匯水區(qū)，堤壩上的閘門被設(shè)置為排水系統(tǒng)的兩個始終開啟的出口(見圖2)。降水?dāng)?shù)據(jù)來源于象山縣丹城氣象站實測值。計算中的主要水文參數(shù)則參照當(dāng)?shù)厮臄?shù)據(jù)和經(jīng)驗值進(jìn)行設(shè)置[26]。

圖2 象山縣排水系統(tǒng)示意圖

1.3 模型驅(qū)動場

本研究中在開邊界處使用俄勒岡州立大學(xué)開發(fā)的潮汐預(yù)報軟件OTPS提供的M2、S2、K1、O1四個分潮的調(diào)和常數(shù)來驅(qū)動水位變化(http://volkov.oce.orst.edu/tides)。使用日本氣象廳(http://www.data.jma.go.jp)提供的臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù)集，利用Jelesnianski的圓形臺風(fēng)模型[27]計算風(fēng)場，以提供大氣強迫。

1.4 底摩擦方案

本研究在ADCIRC模型中采用二次底摩擦公式，動量方程中的底摩擦項如下：

(1)

(2)

式中：U，V為深度平均的海水水平流速(m/s)；H=ζ+h，為海水水柱高度(m)；Cf為底摩擦系數(shù)，可根據(jù)以下形式進(jìn)行調(diào)整：

(3)

式中：g為重力加速度；n為曼寧系數(shù)，隨下墊面土地利用類型的不同取不同值；H0為截斷水深(m)，本文取1 m；λ為常數(shù)，本文取1/3。

根據(jù)CGCS2000投影坐標(biāo)系下2014年的1∶10 000象山縣及其周圍區(qū)域土地利用現(xiàn)狀遙感數(shù)據(jù)獲取象山縣的土地利用類型，主要被分為五類，即海洋、低密度居民區(qū)(含學(xué)校、政府機(jī)構(gòu)和交通設(shè)施)、裸露的巖石與沙地、常綠林與耕地。根據(jù)美國NLCD地物數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)[28]，通過對照分別得到每種土地利用類型相應(yīng)的曼寧系數(shù)，代入公式3中可得相應(yīng)的底摩擦系數(shù)。圖3為象山縣內(nèi)對應(yīng)土地利用類型的曼寧系數(shù)分布示意圖。可以看出，象山縣除三面環(huán)繞的海拔較高的山區(qū)林地外，其余區(qū)域均以城鄉(xiāng)居民用地為主，主要分布在離岸較遠(yuǎn)的西北部以及近岸的東南部分，而中部區(qū)域主要以耕地為主，包含小部分分布于丘陵的常綠林?；疑珔^(qū)域為被設(shè)置成固壁邊界的高層建筑。

圖3 象山縣土地利用類型(2014)及其對應(yīng)曼寧系數(shù)

通常情況下近海風(fēng)暴潮的模擬中，Cf的取值在1×10-3左右，且地表淹沒區(qū)域下墊面與海底底摩擦系數(shù)取值相同。本研究中象山縣下墊面通過土地利用類型修正后，Cf取值在1×10-3至0.324之間，平均值為0.077，底摩擦顯著增大，且位于北部與南部沿海的城區(qū)底摩擦增長幅度最大，而多為耕地的中部平原則增長幅度略小。

2 敏感性實驗

通常情況下沿海城市都建有復(fù)雜的排水系統(tǒng)與海洋連通，Shi等[20]的研究中詳細(xì)討論了排水系統(tǒng)對無堤壩情景下復(fù)合淹沒過程的影響。結(jié)果表明，排水系統(tǒng)增加了陸地與海洋的連通性，對淹沒的影響受制于地形因素，而降雨則會加劇復(fù)合淹沒。在此基礎(chǔ)上，為了探究隨土地類型變化的底摩擦對濱海城市淹沒的影響，我們將其作為敏感因子設(shè)計不同條件的兩組淹沒實驗，模擬臺風(fēng)“菲特”(1323)期間象山縣的復(fù)合淹沒過程：(1)無堤壩；(2)有堤壩。

2.1 無堤壩情況下隨土地類型變化的底摩擦對淹沒的影響

在極端的臺風(fēng)事件中可能會出現(xiàn)部分潰壩或者全段潰壩的情況，這意味著發(fā)生風(fēng)暴潮期間大量海水將淹沒陸地，造成最嚴(yán)重的損失。在此情況下，風(fēng)暴潮是造成淹沒的主要因素，而降雨為次要因素。根據(jù)模擬中考慮因素的不同，淹沒過程按表1中的6個情景進(jìn)行模擬。

表1 各情景模擬中考慮的因素

整個模擬過程中各情景的淹沒面積和淹沒體積時間序列如圖4所示；最大淹沒深度與淹沒時長分布以及差值如圖5所示。統(tǒng)計得各情景的最大淹沒面積與體積如圖6所示。

情景a與b中未考慮排水系統(tǒng)隨土地類型變化的底摩擦使每個漲落潮中淹沒面積與體積的峰值減少，谷值增加(見圖4)，這在風(fēng)暴潮峰值期間這一現(xiàn)象最為明顯，最終導(dǎo)致淹沒的最大面積與體積分別減少72.0%與51.0%，這是由于象山縣沿海與中部被小丘陵阻擋，但丘陵之中存在兩條地勢略低通道(見圖1)。由圖5的淹沒分布可知，在情景a中風(fēng)暴潮帶來的海水經(jīng)此通道流入中部低地勢區(qū)域造成大面積淹沒；而在情景b中高底摩擦的低密度居民區(qū)與常綠林阻礙了海水的流動，淹沒被阻擋在沿岸區(qū)域，但這也導(dǎo)致海水滯留帶來更長時間的淹沒。

情景c與d中考慮了排水系統(tǒng)隨土地類型變化的底摩擦使每個漲落潮過程中象山縣的淹沒面積與體積均減少(見圖4)，但減少幅度對比情景a、b有所降低，最終導(dǎo)致淹沒的最大面積與體積分別減少33.4%與26.4%。進(jìn)一步將情景b與d對比，在同樣都考慮隨土地類型變化的底摩擦的情況下，排水系統(tǒng)的存在會導(dǎo)致淹沒最大面積與體積分別增加119.5%與49.1%。這是由于部分地表淹沒可以經(jīng)由排水系統(tǒng)流入城區(qū)，導(dǎo)致底摩擦對地表淹沒的阻礙作用相對減弱(見圖5)。

圖4 無壩情況下不同情境模擬過程中象山縣的淹沒面積和淹沒體積變化

圖5 無壩情況下考慮隨土地類型變化的底摩擦的各情景在整個模擬過程中的最大淹沒深度與淹沒時長分布以及與相應(yīng)未考慮底摩擦變化情景的差值

情景e與f則分別在c與d的基礎(chǔ)上增加了發(fā)生在第6～7天的強降雨，以探究隨土地類型變化的底摩擦對降雨所致淹沒的影響。結(jié)果表明，底摩擦變化使得降雨所致的最大淹沒面積與體積分別增加12%與5%，這是由于底摩擦增大阻礙了降雨匯入排水系統(tǒng)中，從而在地面堆積。圖5最北部城區(qū)的淹沒變化展示了這個現(xiàn)象。

2.2 有堤壩情況下隨土地類型變化的底摩擦對淹沒的影響

在堤壩存在的情況下，風(fēng)暴潮僅能通過閘門(見圖2)處出海口的水位影響內(nèi)部排水系統(tǒng)水位，內(nèi)陸的淹沒主要是由于降雨和排水系統(tǒng)溢流導(dǎo)致，而非風(fēng)暴潮直接淹沒，因此降雨是造成淹沒的主要因素，而風(fēng)暴潮為次要因素。根據(jù)模擬中考慮因素的不同，淹沒過程按表2中的6個情景進(jìn)行模擬。

圖6 無堤壩淹沒模擬過程中統(tǒng)計的各情景最大淹沒面積與體積

表2 各情景模擬中考慮的因素

整個模擬過程中各情景的淹沒面積和淹沒體積時間序列如圖7所示；淹沒深度與淹沒時長分布以及差值如圖8所示。統(tǒng)計得各情景的最大淹沒面積與體積如圖9所示。

圖7 存在堤壩的情況下不同情境模擬過程中象山縣的淹沒面積和淹沒體積變化

模擬結(jié)果表明，在情景a、b中風(fēng)暴潮單獨作用僅造成沿岸低洼區(qū)域被淹沒。風(fēng)暴潮峰值來臨前每個漲落潮期間的淹沒范圍小，隨土地類型變化的底摩擦顯著降低淹沒面積與體積(見圖7)；風(fēng)暴潮峰值期間，底摩擦的阻擋作用減弱，象山縣的最大淹沒面積與體積僅分別減少2.8%與18.3%，且淹沒持續(xù)時間也有所減少。這是由于風(fēng)暴潮峰值期間淹沒止步于南部丘陵，底摩擦對淹沒的影響程度降低(見圖8)。

圖8 存在堤壩的情況下考慮隨土地類型變化的底摩擦的各情景在整個模擬過程中的最大淹沒深度與淹沒時長分布以及與相應(yīng)未考慮底摩擦變化情景的差值

圖9 有壩淹沒模擬過程中統(tǒng)計的各情景最大淹沒面積與體積

在情景c、d中，淹沒由降雨造成，主要集中在象山縣北部城區(qū)與部分中部郊區(qū)，這里離岸較遠(yuǎn)受海水水位影響小；沿岸地區(qū)則淹沒較少。由淹沒分布圖8可以看出，降雨峰值來臨前每個漲落潮期間僅沿岸部分地區(qū)被淹沒，淹沒范圍小，隨土地類型變化的底摩擦顯著降低淹沒面積與體積。而降雨峰值期間象山縣北部城區(qū)與中部郊區(qū)被淹沒，底摩擦在這兩個區(qū)域?qū)ρ蜎]呈現(xiàn)不同的影響。北部城區(qū)下墊面底摩擦較高，阻礙降雨產(chǎn)流匯入排水系統(tǒng)中，因此導(dǎo)致城區(qū)淹沒深度、范圍與持續(xù)時間增大；反之排水系統(tǒng)往下游輸送的水量就降低，導(dǎo)致下游淹沒程度減輕；同時下游的中部郊區(qū)多為耕地，底摩擦較低，對降雨產(chǎn)流的阻礙作用較弱，在這兩種因素的共同作用下，中部郊區(qū)的淹沒深度、范圍與持續(xù)時間有所減少。最終，隨土地類型變化的底摩擦使得象山縣最大淹沒面積與體積分別減少18.6%與3.6%，且淹沒持續(xù)時間也有所減少。

對于情景e、f，降雨與風(fēng)暴潮聯(lián)合作用導(dǎo)致嚴(yán)重的復(fù)合淹沒，超出二者單獨作用的線性相加。模擬結(jié)果表明，風(fēng)暴潮峰值與降雨峰值來臨前(0～6 d)，淹沒由風(fēng)暴潮單獨作用導(dǎo)致，故隨土地類型變化的底摩擦的影響與情景a、b類似，即降低了淹沒程度。而風(fēng)暴潮峰值與降雨峰值期間，淹沒來源于降雨和風(fēng)暴潮，故可視為情景a、b與情景c、d中影響的疊加，即北部城區(qū)淹沒程度增加，中部郊區(qū)和沿岸淹沒程度降低，最終隨土地類型變化的底摩擦使得象山縣最大淹沒面積與體積分別減少20.5%與13.1%，且淹沒持續(xù)時間也有所減少。

為了進(jìn)一步探究隨土地類型變化的底摩擦對復(fù)合淹沒風(fēng)險的影響，根據(jù)Bilskie和Hagen[29]的研究，通過計算風(fēng)暴潮與降雨對淹沒的貢獻(xiàn)，淹沒區(qū)可被劃分為三個不同的區(qū)域：(Ⅰ)潮汐帶、(Ⅱ)水文帶以及(Ⅲ)過渡帶。情景f的劃分結(jié)果如圖10(a)所示，其中潮汐帶、水文帶以及過渡區(qū)分別占4.5%、25.9%和69.6%，與情景e對比，潮汐帶和過渡帶占比分別減少3.8%和20.0%，水文帶占比增加23.8%。這是由于底摩擦增大阻擋了沿岸區(qū)域的風(fēng)暴潮淹沒，同時也阻礙降雨匯流過程，加劇城區(qū)淹沒，因此降低復(fù)合淹沒中風(fēng)暴潮的影響，加劇了降雨的影響，同時削弱它們聯(lián)合作用。此外參照Shi等[20]的研究，過渡帶根據(jù)風(fēng)暴潮和降雨的相對貢獻(xiàn)可被進(jìn)一步劃分為風(fēng)暴潮主導(dǎo)、降雨主導(dǎo)與共同主導(dǎo)三種區(qū)域(見圖10(b))。隨土地類型變化的底摩擦導(dǎo)致過渡帶中風(fēng)暴潮主導(dǎo)與降雨主導(dǎo)兩區(qū)域占比減少，大部分區(qū)域為共同主導(dǎo)區(qū)，即過渡帶中風(fēng)暴潮主導(dǎo)區(qū)域向潮汐帶轉(zhuǎn)換，過渡帶中水文主導(dǎo)區(qū)向水文帶轉(zhuǎn)換，故過渡帶中只剩下風(fēng)暴潮與降雨共同主導(dǎo)的區(qū)域，原因同上。

((a)分為水文帶、潮汐帶與過渡帶，(b)將過渡帶劃分為風(fēng)暴潮主導(dǎo)區(qū)、水文主導(dǎo)區(qū)以及共同主導(dǎo)區(qū)。 (a) Hydrological zone, tidal zone and transition zone; (b) The transition zone is divided into storm surge dominant zone, hydrologic dominant zone and Equal zone.)

3 結(jié)語

本文使用一種1D/2D耦合復(fù)合淹沒水動力模型，在底摩擦根據(jù)土地利用類型進(jìn)行調(diào)整的情況下，模擬了象山縣多種情景下的淹沒過程，以探究底摩擦系數(shù)變化對淹沒的影響?？傮w而言，通過土地利用類型調(diào)整后象山縣的底摩擦增大，導(dǎo)致地表水體的流動受阻，對以降雨為來源的地表淹沒而言，流動受阻意味著降雨產(chǎn)流無法及時的匯入排水系統(tǒng)中，最終導(dǎo)致城區(qū)的淹沒加劇。而對于以風(fēng)暴潮為來源的地表淹沒而言，流動受阻意味著海水造成地表淹沒的速度降低，同時地表淹沒往海里排出的速度也降低。而排水系統(tǒng)里的水體流動不受底摩擦的影響。

以象山縣為例，在自然情況下的風(fēng)暴潮漫灘中，即不考慮堤壩、排水系統(tǒng)與降雨，底摩擦調(diào)整后大大減少了淹沒程度。若在此基礎(chǔ)上考慮排水系統(tǒng)，陸地與海洋的連通性增加，海水不僅僅是通過地表還可以通過地下管網(wǎng)或河流流入。因此底摩擦對海水的阻礙作用減弱，導(dǎo)致淹沒減少的幅度大大降低。而由于在此情景下降雨量相較于海水直接淹沒而言為小量，故底摩擦變化對降雨所致的淹沒影響較小，僅能導(dǎo)致未被風(fēng)暴潮淹沒區(qū)域的降雨致地表匯流受阻，加劇淹沒。而在風(fēng)暴潮期間，現(xiàn)實的沿海城市復(fù)合洪水中，堤壩、排水系統(tǒng)與降雨是必須要考慮的因素。在此情景下底摩擦調(diào)整減少了主要受風(fēng)暴潮影響的象山縣中部與南部沿岸的淹沒，而增加了主要受降雨影響的北部城區(qū)淹沒，但同時在這兩種作用的疊加下降雨與風(fēng)暴潮的聯(lián)合作用減弱，故最終導(dǎo)致整體上淹沒程度顯著降低。此外淹沒的分區(qū)結(jié)果顯示，潮汐帶與過渡帶的占比減少，水文帶的占比增加，且過渡帶中多為風(fēng)暴潮與降雨共同主導(dǎo)區(qū)。這進(jìn)一步說明了底摩擦調(diào)整后削弱了風(fēng)暴潮與降雨的聯(lián)合作用，復(fù)合淹沒更趨向于它們各自單獨作用的線性疊加。本研究結(jié)果有助于指導(dǎo)濱海城市針對不同區(qū)域制定對應(yīng)的防洪策略，從而減少淹沒損失。