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张 瀚，邱 静，黄本胜，杨志峰，蔡宴朋
(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；
2.广东工业大学环境生态工程研究院，广东 广州 510006)
联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的第六次评估报告第一工作组报告指出，随着进一步的全球变暖，每个地区都将在气候影响驱动下经历更加频繁的变化，例如暴雨会导致城市、道路、农田、地铁隧道和建筑物遭受洪涝灾害，城市交通和雨水排水系统被淹没，给城市适应能力带来更大的挑战[1]。
城市雨水排水系统是维护城市正常运行的重要基础设施，作为城市区域径流输送的主要方式，一旦降雨强度超过城市雨水排水系统的设计标准，便可能会造成洪涝灾害。中国现行的排水系统通常被设计为在某一设计暴雨下表现良好，设计暴雨通过对历史降雨进行统计推求后得出，一般总结为强度-历时-频率 (intensity-duration-frequency，IDF) 曲线或者暴雨强度公式的形式。在市政工程设计中，通常认为设计暴雨服从一致性假设，即在工程使用期间是不变的。气候变化增加了城市地区极端降雨的频率和强度，改变了设计降雨的一致性假设，这将会增加城市地区洪涝灾害的发生频率，带来更为严重的洪涝灾害[2-3]。因此，研究气候变化条件下，城市极端降雨对排水系统的影响就变得越发迫切[4-6]。
水文水动力学模型是目前广泛使用的研究洪涝过程的工具，建立适应城市地区的一二维耦合模型是当今城市内涝风险评估的重要一环[7-9]。InfoWorks ICM 模型作为优越的城市雨洪模型，在城市内涝模拟中得到了较为广泛的应用[10-11]，罗海婉等[12]基于InfoWorks ICM模型构建了广州市暴雨内涝模型，研究不同降雨条件下城市淹没面积、淹没水深和灾害风险的变化情况；
程涛等[13]基于高分辨率地表数据和InfoWorks ICM建立了适用于济南市海绵城市示范区的城市雨洪模型，精细化描述研究区域的洪涝过程；
叶陈雷等[14]以福州市江北城区及东北部山区为例，基于InfoWorks在城市尺度下建立水文水动力学耦合模型，提出了考虑水工建筑物及其调度规则的城市暴雨内涝模拟方法。尽管近年来已有不少学者对城市内涝问题进行了相关研究，但对于气候变化对城市区域暴雨和排水系统影响的研究仍然较少[15-18]。一方面，由于城区地表的高不透水性和排水系统的布设会带给城区特有的区域特性，这要求气候变化的影响研究往往需要聚焦于更小的空间尺度(通常1～10 km2)和更精细的时间尺度(通常小于1 h)；
另一方面，由于对气候系统中复杂的非线性成分认识和描述的不足，对局部区域暴雨事件的描述和预估往往存在着很大的不确定性。
本文选取珠三角地区广州市典型城区流域东濠涌流域为研究区，利用区域气候模式预估未来时期(2030—2050年)输出的年最大1 d降雨，结合Delta方法和年最大值法推求气候变化情景下典型城市流域短历时暴雨强度公式，利用Infoworks ICM城市雨洪模型分析未来时期城市排水系统承受的压力，研究气候变化可能对城市区域暴雨和排水系统带来的影响，以期为未来城市规划、城市防灾减灾、城市水资源规划管理的科学决策提供依据。
东濠涌流域位于广州市越秀区，地势北高南低，海拔高程在6～40 m之间，多年平均降水量约1 720 mm，降雨主要集中在6—8月，流域面积约12.39 km2。流域主要水系包括东濠涌和新河浦涌，其中东濠涌是珠江前航道广州段的重要支流之一，发源于白云山南部山下的麓湖，流经越秀区，在江湾大酒店旁汇入珠江前航道，河段全长约5 km[12]。
构建城市洪涝仿真模型需要的资料主要包括管网、DEM数据、土地利用类型和河道断面等基础资料，率定与验证模型主要需要雨量站数据、检查井水位监测数据和调研淹没水深等[12]。研究区域雨量站、水位监测点和典型内涝点的分布如图1所示。
图1 东濠涌流域位置及典型内涝点Fig.1 Location of the Donghaochong Watershed and typical waterlogging points
2.1 未来短历时降雨情景预估
城市设计暴雨是城市室外排水工程设计的重要依据, 关系到工程的安全性和经济性，2000年以来，我国城市建设环境发生了较大变化, 加之气候变化对城市降雨特性产生了较大影响，为此本文按照一般的城市设计暴雨制定方法，在气候变化条件下推求未来设计暴雨[19-21]。
2.1.1区域气候模式
采用国际理论物理中心发布的区域气候模式RegCM4.6，该模式对中国区域的模拟能力较好[22-23]。RegCM4.6运行所需要的驱动场采用CMIP5模式GFDL-ESM2M的历史时期(RF)、RCP4.5和RCP8.5情景。模式水平分辨率为20 km，垂直方向分为18层，模拟时间步长为45 s。历史时期(RF)模拟时间为1979—2000年，未来时期模拟时间为2029—2050年，模拟第一年为模式预热，不参与后续分析。模式参数化方案采用NCAR CCM3辐射传输方案、Grell积云参数化方案、BAT1e陆面参数化方案、Holtslag非局部边界方案、Zeng海洋通量参数化方案、指数松弛边界条件。
2.1.2年最大值法
根据GB 50014—2021《室外排水设计标准》暴雨强度公式编制方法的要求，暴雨强度公式编制采用年最大值法的基础资料年限至少为20 a，有条件的地区可用到30 a以上系列[24]。本研究采用广州市五山站1984—2013年的降水量数据，按照年最大值法，选取5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min共9个历时作为有效暴雨资料样本，样本数据按从大到小的顺序依次排列，计算每个历时的降雨强度，推求暴雨强度公式。
2.1.3Delta方法
Delta方法是美国全球变化研究计划推荐使用的未来气候变化情景生成方法[2]。基本原理是首先计算未来情景下预估的降雨相对于基准期情景的改变，通常称为改变因子(change factor，CF)，然后将得到的CF叠加到区域观测的降雨序列上，得到区域未来降雨的预估值。CF和未来降雨的预估值计算公式为
PSk=POkC
(1)
其中
根据区域气候模式动力降尺度输出历史时期与未来时期的年最大1d降水量结果，分别根据式(1)计算RCP4.5与RCP8.5情景下的CF，然后将CF值叠加在广州市1984—2013年的降水量数据上，得到未来时期降水量的预估值。
2.1.4P-Ⅲ型分布模型
采用在水文频率计算中广泛应用的皮尔逊Ⅲ型曲线进行水文频率计算[25]，其密度函数为
(2)
其中
(3)
2.1.5气候变化条件下暴雨公式参数求解及精度解析
GB 50014—2021《室外排水设计标准》暴雨强度公式的编制方法规定，在一般强度的地方，平均绝对方差不宜大于0.05 mm/min；
在强度较大的地方，平均相对方差不宜大于5%。根据年最大值法及皮尔逊Ⅲ型适线得到的雨强-历时-重现期(i-t-P)关系表，采用麦夸特优化算法进行非线性回归参数拟合，得到各情景暴雨公式参数及误差值见表1。皮尔逊Ⅲ型适线在历史时期(RF)和未来时期RCP4.5、RCP8.5情景下绝对均方差范围为0.060～0.069 mm/min，相对均方差分别为3.35%、3.55%和2.77%，均不超过5%，总体拟合精度较好[24]。
表1 暴雨公式参数值及误差Table 1 Parameter values and error of rainstorm formula
式(4)(5)(6)分别为RF、RCP4.5和RCP8.5情景下广州市暴雨强度公式。根据芝加哥雨型，雨峰系数采用0.415，得到不同重现期下各情景设计暴雨过程见图2。
(4)
(5)
(6)
由图2可见，RCP4.5情景相对于RF情景，不同重现期下降雨强度峰值均呈现出增加的趋势，增幅为0.073～0.319 mm/min，累积降水量增加4.37%～9.19%。RCP8.5情景相对于RF情景，降雨强度峰值在20 a重现期下增加1.591 mm/min，累积降水量在5种重现期下增幅为28.79%～33.15%。结果表明，未来时期在RCP4.5和RCP8.5情景下短历时设计降雨强度和累积降水量均呈现出不同程度的增加趋势，这将直接给排水系统带来更大的压力，从而导致洪涝灾害损失更为严重。
2.2 城市洪涝仿真模型构建
2.2.1一维管网构建
利用InfoWorks ICM城市雨洪模型构建东濠涌流域排水系统模型时，需要对节点和管道连接进行概化处理[25]。一维模型主要包括检查井、蓄水池、出水口3种，其中窨井、拐点、雨水篦子等概化为检查井节点，湖泊和池塘概化为蓄水池，排水系统的末端出流口概化为出水口。模型概化后共得到2 997个节点、3 009条管道和38个出水口，普通管道的曼宁系数设置为0.013，河道曼宁系数设置为0.03。
2.2.2子汇水区划分
子汇水区通过泰森多边形法进行划分，并根据实际情况调整，共划分2 897个子汇水区。产流表面设定为房屋、道路和其他3种类型，不同类型产流表面相关属性参数参照文献[10]确定。
(a) P=1 a
2.2.3一二维模型耦合
东濠涌研究区域的一二维模型耦合涉及：①管道与河道的耦合，InfoWorks ICM河网模型与排水管网的耦合是将管道出水口移动至河道中心线；
②管道与二维地面耦合，将处于2D区间内的节点洪水类型设置为2D，将道路的网格进行加密处理，道路高程下降15 cm，房屋不划分网格；
③二维地面与河道的耦合，将2D区间和一维河道进行关联。
2.2.4模型率定与验证
采用实测降雨数据、检查井水位和淹没数据进行模型的验证。两场实测暴雨的降雨过程见图3。20170715场次暴雨的降雨强度较小，调查没有造成大范围的淹没，而20170915场次暴雨的降雨强度较大，产生的溢流节点较多，因此采用20170715场次暴雨进行节点水位校核，20170915场次暴雨进行地面淹没水深校核。
采用纳什效率系数ENS对构建的东濠涌城市雨洪模型进行评价。图4为20170715场次暴雨检查井水位模拟结果，可见J1检查井节点水位的ENS为0.690，J2检查井节点水位的ENS为0.728，均大于0.6。对于20170915场次暴雨的地面淹没水深进行模型验证，结果见表2，可见涝点位置除黄华路误差稍大外，其余位置的实测水深和模拟水深较为一致，说明模型的精度和可靠性较好，能够用于后续研究。
(a) 20170715场次暴雨
(a) J1检查井
表2 实测与模拟水深对比Table 2 Comparison of measured and simulated water depth
3.1 气候变化对溢流节点的影响
图5为重现期为2 a和20 a条件下RF、RCP4.5和RCP8.5情景下的溢流节点分布情况。可见，相对于RF情景，RCP4.5和RCP8.5情景下东濠涌流域的溢流量和溢流节点数量均呈现出上升趋势。在重现期为2 a的RCP4.5情景下，东濠涌流域溢流节点数量增加61个，增幅为2.049%，而在重现期为2 a的RCP8.5情景下，溢流节点数量增加330个，增幅为11.085%。由图5(a)(b)(c)可见，重现期为2 a时，RF情景下溢流节点主要位于东濠涌东部(农林下路区域)，节点溢流量大多在200 m3以下；
RCP4.5情景下这一区域的最大溢流量和溢流节点数略有增加，但仍主要位于农林下路区域；
RCP8.5情景下，东濠涌流域普遍呈现出最大溢流量和溢流节点数增加的变化趋势。重现期为20 a时，相对于RF情景，RCP4.5和RCP8.5情景下溢流量以及溢流节点数均呈现出显著增加趋势，溢流量节点增加百分比分别为2.217%和13.974%。结果表明，未来时期珠三角地区可能遭受更为不利的洪涝风险灾害，高排放情景会直接增加高风险地区洪涝风险的范围。
(a) RF情景(2年一遇)
3.2 气候变化对管道超载的影响
利用管道内水深与管道深度的比值S来反映管道的超载状态，S<0.5表示管道内的水深小于管道深度的50%，处于完全不超负荷状态；
0.5≤S<0.8表示管道内的水深为管道深度的50%～80%，处于基本不超负荷状态；
0.8≤S<1表示管道内水深为管道深度的80%～100%；
1≤S<2表示管道为满载，水力坡度小于管道坡度，由于下游管道过流能力的限制而超负荷；
S=2表示管道为满载，由于管道本身过流能力限制而超负荷。表3、表4分别为RCP4.5情景和RCP8.5情景相对于RF情景下管道不同超负荷状态长度和占管道总长度比例变化的情况。可见，相对于RF情景，在重现期为20 a、RCP4.5情景下，管网超负荷状态为满载的比例增幅为 1.59%，其中由于自身过流能力限制而超负荷的比例增幅为0.92%。在5种不同重现期、RCP8.5情景下，由于下游管道过流能力不足而满载的管道增幅比例分别为3.13%、2%、2.14%、1.63%和2.17%，由于自身过流能力不足而导致管道满载运行的比例均超过6%。这表明气候变化将直接给排水管网带来更大的负担。
表3 RCP4.5情景相对于RF情景管道超负荷状态Table 3 Pipeline overload status of RCP4.5 scenario compared with that of RF scenario
表4 RCP8.5情景相对于RF情景管道超负荷状态Table 4 Pipeline overload status of RCP8.5 scenario compared with that of RF scenario
3.3 气候变化对内涝的影响
图6为不同重现期及气候情景条件下的内涝空间分布，可以看出，在重现期为2 a时，RCP4.5和RCP8.5情景下淹没深度增加，RCP8.5情景相比于RCP4.5情景更加显著。在重现期为20 a时，内涝事件更加显著，尤其在RCP8.5情景下增加了一些新的内涝点。
图7(a)为RCP4.5情景相对于RF情景典型内涝点最大积水深度变化情况，重现期为2 a时，最大积水深度增加幅度为0.005～0.055 m，增幅最大位于横枝岗医院；
重现期为20 a时，最大积水深度增加幅度为0.003～0.034 m，增幅最大位于农林下路。图7(b)为RCP8.5情景相对于RF情景典型内涝点最大积水深度变化情况，与RCP4.5情景相比，RCP8.5情景下最大积水深度增加更为显著，其中农林下路在重现期为1 a时最大积水深度增加最大，达到0.369 m，广发银行在重现期为5 a时最大积水深度增加最小，为0.020 m。结果表明，在气候变化条件下，东濠涌城市排水系统会遭受更为严重的暴雨过程，由于排水管网过流能力的不足，出水口不能及时将雨水排出，雨水会积存在中下游河道附近，产生洪涝事件，而气候变化造成降雨强度峰值和累积降水量均呈增加趋势，使排水系统节点溢流量增加，超载管道比例增加，从而导致更不利的洪涝影响。
(a) RF情景(2年一遇)
(a) RCP4.5相对于RF情景
a.利用Delta法和年最大值法相结合，导出未来时期短历时暴雨强度公式，结果表明，相对于RF情景，未来时期的RCP4.5和RCP8.5情景下短历时设计降雨强度和累积降水量均呈现出不同程度的增加趋势，这将直接给排水系统带来更大的压力，从而导致洪涝灾害损失更为严重。
b.利用InfoWorks ICM构建了东濠涌流域排水系统模型，实现了管网一维水动力过程及地表二维水动力过程的耦合。利用实测降雨数据、检查井水位和内涝点淹没数据对模型进行验证，结果表明模拟的检查井水位和内涝点积水深度与实测较为吻合，模型的精度和可靠性较好，能够反映东濠涌流域的水文过程。
c.RCP4.5和RCP8.5气候变化情景相对于RF情景，在1 a、2 a、5 a、10 a和20 a 5种重现期条件下，溢流节点数量和溢流量呈现显著的上升趋势。气候变化造成降雨强度峰值和累积降水量均呈增加趋势，超载管道比例增加，而高排放情景将更显著地增加溢流节点的数量、溢流量的幅度和超载管道的比例。
d.RCP4.5和RCP8.5情景下最大积水深度增加，RCP8.5情景相比于RCP4.5情景更加显著。RCP8.5情景在重现期为2 a时，最大积水深度增加0.005～0.055 m；
重现期为20 a时，最大积水深度增加0.003～0.034 m。这一结果表明未来时期珠三角地区可能遭受更为不利的洪涝风险灾害。
