上海复合风暴洪水灾害模拟

发布时间：2020-08-23 22:52

【摘要】：长江三角洲区域一体化是我国区域发展的国家战略,区内的核心城市上海濒江临海,在气候变化、海平面上升、地面沉降背景下,面临着台风、暴雨、高潮位和上游下泄洪水叠加的“四碰头”复合极端风暴洪水的严重威胁。本文旨在构建大气(藤田台风)-海洋(TELEMAC-TOMAWAC)-陆地(MIKE11-MIKE21)相耦合的一体化数值模拟系统,实现上海市“风”“暴”“潮”“洪”多灾种复合情景的洪涝淹没模拟。以9711号台风“温妮”作为模拟案例,模拟上海市有、无堤防条件下复合风暴洪水的淹没情景,估算其淹没面积和空间分布,定量评估复合极端风暴洪水的淹没深度和演进过程;以气候变化基本参数、海表温度和海平面上升作为输入量,采用情景模拟的方法,定量评估未来上海发生复合极端风暴洪水灾害的潜在危险。验证模型耦合方法的有效性,为复合风暴洪水的一体化模拟提供一套可行的数值模拟方法。主要研究工作和结论如下:(1)上海市复合风暴洪水数值模型的构建。结合历史资料,综合考虑风暴增水、极端暴雨、天文高潮、上游洪水、波浪、海平面上升、地面沉降和上游泄洪等因素,提出大气—海洋—陆地相耦合的一体化风暴洪水淹没模拟方法,实现藤田台风模型、TELEMAC二维海洋模型、TOMAWAC波浪模型、MIKE11一维河流模型和MIKE21二维水动力模型的耦合。模拟9711号台风“温妮”影响上海的情景,通过参数率定并与实测数据对比验证,结果表明,本研究开发的多模型嵌套和模型耦合技术检验有效,可采用本文的方法模拟上海市复合风暴洪水。(2)上海市未来情景复合风暴洪水模拟。在气候变化和多种致灾因子共同作用下,实现了对上海市未来复合风暴洪水的淹没过程模拟。根据未来海平面上升的上限情景叠加地面沉降率,模拟得出上海市2100年极端风暴洪水灾害的淹没面积可达2640 km2(占上海市总面积的49%,崇明区除外),其中水深0.2~0.5 m的淹没面积为1500 km2(占57%),0.5~1 m的面积为842 km2(占32%),1m为292 km2(占11%)。在气候变化和海平面上升背景下,风、暴、潮、洪四碰头的复合极端风暴洪水可对上海市造成灾难性影响,其中上海南部杭州湾沿岸波浪越堤效应是造成沿海洪水的主要致灾因素,黄浦江及各连通河网水系的增水穿透效应与太湖流域暴雨洪水叠加是造成内陆洪水的重要因素。(3)上海市有、无堤防情景模拟。选取9711号台风“温妮”作为天气背景,定量评估了风暴洪水的时空演进过程。一是通过1998年堤防升级改造前、后和假设无堤防淹没情景的对比,论证了沿海沿江堤防设施建设在上海市防台防汛中起到的关键性作用。结果表明,在1998年堤防升级改造后的条件下运行模型,相较于1997年真实情景,发现淹没面积明显降低,为67.63 km2,绝大部分地区积水深度在0.2 m以下,几乎没有大规模淹没区,表明1998年堤防升级改造后明显降低了淹没风险;而在无堤防“极端情景”下,9711号台风“温妮”导致的风暴洪水灾害淹没面积可达3230 km2。对该模拟结果进行二三维动态展示,可直观地发现,在海岸和流域洪水共同作用下,高风险区(1 m水深)主要分布在杭州湾沿岸、长江口沿岸、市中心和黄浦江上游地区。二是通过计算无堤防条件下复合极端风暴洪水的淹没面积和空间分布,比较了传统方法与本文方法的差异。若根据传统的极值水位切地形的方法(静态方法),上海市有4455 km2(占上海市总面积的90.6%,崇明区除外)的土地面积低于“四碰头”极端风暴潮引发的增水和高潮位(~5.1 m,黄海1985高程)。但采用本文研发的一体化数值模拟系统(动态方法),在无堤防情景下,计算所得的上海市淹没面积是3230km2(占比65.7%)。可见采用极值水位切地形方法容易引起淹没面积高估的现象,准确计算淹没区的空间分布可为财产保险和未来市政规划提供参考。本研究利用已有高质量数据,提高了情景模拟的精度和可信度,为后续构建上海洪涝灾害淹没和损失评估模型、定量评估重点区域(旅游度假区、金融中心、交通地铁系统)淹没风险、制定应急疏散方案、制定防洪措施等提供有力支持。
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV87;P429
【图文】：

技术路线图

上海市,概况,水系

第 2 章研究区与数据2.1 研究区概况上海位于中国东部弧形海岸线的中部，长江三角洲最东部，东临东海，南濒杭州湾，西临江浙两省，面积 6340.5km2。截至 2018 年，上海市常住人口 2423.7万，是世界上人口最多的特大型河口城市之一，近年来，上海市也与周围的江苏、浙江、安徽三省高速发展的众多城市共同构成了长江三角洲城市群，是世界几大城市群之一。上海市全境为冲积平原，仅西南部有部分火山岩丘。地势平坦，略呈东高西低，山脉少而低小，东部沿海由长江不断携带入海的泥沙沉积而成，崇明岛、浦东等地的面积依旧在增长中。上海属于软土地基，由于过量开采地下水、修建高层建筑和地下设施等原因导致了地面沉降。此外，上海不处于主要地震带上，因此如地震等地质类灾害鲜有发生，但因地处西太平洋台风行经路线上，临海且海拔低，易受风暴潮及暴雨内涝的威胁。

防汛墙,黄浦江,住宅楼,农田

TyphoonWinnie，编号：9711）期间，上海市遭受重创，它是 90 年代以来最严重的一次风暴潮灾害，黄浦公园的潮位上升至 5.72m，突破历史记录。暴雨和大风造成市区防汛墙决口 3 处，漫溢倒灌 20 处；金山嘴发生海水倒灌，部分海堤被冲垮；奉贤长约 22.6 km 堤防全线漫溢；松江沿江有 35 处长约 14 km 的堤防漫溢，13 处长约 158 m 的堤防溃决；浦东三标港摆渡口出现漫溢；宝山卲藻浜支流的泗塘河水越过河堤，向泰兴桥下居民区狂泄，造成 100 多人被困；兰洲河防汛墙决口达 150 m，江水涌入江浦路民宅区，马路积水最深处达 1.4 m，1500 多人被困；黄浦江闵行段江水漫堤，马桥、陈行、曹行、塘湾、梅陇等数百人被困水中[59]。据统计，有 495.7km2农田受灾，全市受灾人口 15.34 万人，死亡 7 人，倒塌房屋 540 间，经济损失 6.349 亿元[60] [61]。2013 年，台风菲特（TyphoonFitow，编号：1323）期间，据报道，黄浦江上游的河堤于 10 月 8 日坍塌，溃口宽度约为 15m，导致邻近的农田和住宅楼被淹没（图 2-2）。米市渡站水位最高达 4.61m，导致松江，青浦，金山和闵行区的洪水泛滥，估计最大淹没深度超过 2.5 m。300 多名士兵参与了应急救援，没有人员伤亡。为防止后续到来的洪水，临时防洪设施在 8 h 内建造完毕。

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