土地利用类型对滨海城市复合淹没的影响——以象山县为例_施劭瑜.pdf
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1、第 卷第期 年月中 国 海 洋 大 学 学 报 ():,土地利用类型对滨海城市复合淹没的影响 以象山县为例*施劭瑜,杨波*,江文胜,于格,王有霄(中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,山东 青岛 ;中国海洋大学环境科学与工程学院,山东 青岛 ;中国海洋大学海洋与大气学院,山东 青岛 ;中国科学院地理科学与资源研究所,北京 )摘要:本文使用一种二维风暴潮漫滩一维地下管网的耦合模型系统,根据下垫面土地利用类型调整底摩擦,模拟滨海城市象山县多种情景下的复合淹没过程。相较于将模型下垫面底摩擦系数设置为与海底相同,例如 左右量级,沿海城市真实土地利用类型的底摩擦效应更强。通过设置包括堤坝、排水系统
2、、风暴潮、降雨与底摩擦调整等个因素的多组敏感性实验,详细探讨了不同淹没情景下随土地利用类型变化的底摩擦带来的影响。结果表明,底摩擦调整后风暴潮淹没程度显著降低,但同时会加剧城区降雨导致的淹没。最终导致风暴潮与降雨的联合作用减弱,令复合淹没趋向于风暴潮与降雨单一因素所致淹没的线性叠加,故对复合淹没进行分区后水文区占比增加,潮汐区占比减少。研究结果可指导滨海城市针对不同区域制定对应的防洪策略,降低淹没风险。关键词:风暴潮漫滩;沿海城市内涝;数值模拟;底摩擦变化;象山中图法分类号:文献标志码:文章编号:():引用格式:施劭瑜,杨波,江文胜,等 土地利用类型对滨海城市复合淹没的影响 以象山县为例 中国
3、海洋大学学报(自然科学版),():,:,():*基金项目:国家重点研究发展计划项目()资助 ()收稿日期:;修订日期:作者简介:施劭瑜(),男,硕士生,研究方向为风暴潮漫滩。:*通讯作者:风暴潮是最严重的海洋灾害,世界上许多沿海地区经常受到热带气旋引发的风暴潮的威胁。近年来,受全球气候变化影响,部分地区强热带气旋活动显著增加,台风导致的风暴潮灾害不断增多。台风导致的风暴潮不仅破坏码头、港口和堤防,而且还会大面积的淹没沿海地区,从而给沿海居民、农田和水产养殖场带来巨大损失。由于中国东南沿海地区所濒临的西北太平洋热带风暴频发,加之该区域人口、财富、资源等要素密集,因此成为世界上受台风风暴潮灾害影响
4、最为严重的地区之一。年期间中国东南地区共发生 次由台风导致的风暴潮,造成 人死亡,经济损失达 亿 元 人 民 币,占 全 国 海 洋 灾 害 损 失 的 。在全球范围内许多学者对风暴潮的数值模拟进行了研究,这些研究通常集中于提高水动力模型的精度、稳定性和可靠性上。在滨海地区的风暴潮漫滩过程中影响因素很多,除了大气强迫、波浪以及降雨径流相互作用外,还受该区域地表粗糙度的影响。地表粗糙度是影响地表水体流动的重要参数,仅次于地形 ,在淹没区里,树木、草、灌木和建筑物等地面障碍物对水流施加的阻力会耗散水流和波浪的能量,从而影响流速与流向,最终影响风暴潮漫滩模拟的 结果 。在数值模型中,通常将这种地物的
5、阻碍作用参数化,并以底摩擦系数的形式体现,如根据下垫面土地利用类型来选取不同的曼宁系数。郭洪琳 在研究中考虑了土地利用类型所致的底摩擦 分 布 差 异,使 用 (,)模型模拟台风“弗雷德”()事件中温州地区的风暴潮漫滩过程。张露 在宁波市北仑区街区尺度的风暴潮漫滩数值模拟中同样考虑土地利用类型带来的底摩擦变化,刻画了风暴潮漫滩的影响。但滨海区域在遭受台风和风暴潮袭击的同时,往往还经历暴雨过程。在城市区域,上涨的海水阻碍暴雨所致积水通过城市排水系统(地下管网与河流)排出,导致城市出现内涝。因此研究滨海风暴潮漫滩问题时,不仅要考虑底摩擦随中国海洋大学学报 年土地利用类型变化的影响,还要考虑暴雨导致
6、的产汇流过程、地下排水系统的水动力过程。目前已有许多学者利用数值模型研究风暴潮、降雨与排 水 系 统 联 合 作 用 下 的 滨 海 城 市 复 合 淹 没 问题 ,但未见同时考虑土地利用类型对淹没影响的研究,而这对于提高滨海城市风暴潮淹没模拟的准确性,对指导城市防洪工作有着重要意义。本文将利用 等 建立的二维风暴潮漫滩一维地下管网耦合模型,研究在考虑城市管网条件下,土地利用类型对风暴潮淹没的影响。模型简介及配置模型简介 (,)是由美国圣母大学的 和北卡罗莱纳大学的 于 年共同开发的有限元数值模型,通常被用来进行风 暴 潮 及 漫 滩 的 模 拟 与 风 险 评 估 。()则是由美国环境保护署
7、()开发的降雨径流管理模型,如今被广泛应用于城市化地区的暴雨洪水模拟和排水系统规划、分析和设计,。将 模型与 模型通过水位的相互传递进行耦合,开发了一种二维风暴潮漫滩一维地下管网的耦合模型,检验了水量守恒性,证实了模型模拟漫滩过程的可靠性,并且在台风“菲特”()期间对象山县的风暴潮漫滩进行模拟,得到了良好的模拟结果。模型的耦合过程中并未打破原来两个模型的输入输出,所以模型设置均可按照原先模型的说明进行。模型的配置和检验在文献 中有详细描述,本文仅将模型配置简要列出,对底摩擦随土地利用类型变化做详细叙述。模型区域与网格设置本文选取中国浙江省东部沿海的滨海城市象山县为研究区域(见图)。该县地势西北
8、高,微向东南倾斜,三面环山,东南面向大目涂海湾,降雨充沛、易受风暴潮影响,且河流众多,有着复杂的排水系统。沿岸建有坚固的堤坝将海水阻挡在外,堤坝东西两端设有两个可自由开闭的闸门连接着象山县内部河流与外海。此外,该县土地利用类型多为城乡居民用地与耕地,是研究底摩擦变化对复合淹没影响的理想区域。整个计算区域的网格采用逐渐加密的非结构化三角网格构建,网格分辨率从开边界的 逐渐增加到象山县内的,堤坝在 模型中被设置为可被漫过的内部障碍边界(类型)。离岸区域水深数据来源于整合了全球陆地地形和海洋水深的 ,分辨率为,近岸水深和海岸线从中华人民共和国海 事局 下载 的 海 图 中 提 取(:)。象山县的地形
9、数据则来源于高分辨率的数字高程模型(,)(见图)。象山县内河道与排水井的空间位置数据均根据象山市政府的排水规划进行设置,共有 个计算节点与 条管线,并以河流和街道将整个区域划分为 个子汇水区,堤坝上的闸门被设置为排水系统的两个始终开启的出口(见图)。降水数据来源于象山县丹城气象站实测值。计算中的主要水文参数则参照当地水文数据和经验值进行设置。图象山县网格与陆地高程示意图 期施劭瑜,等:土地利用类型对滨海城市复合淹没的影响图象山县排水系统示意图 模型驱动场本研究中在开边界处使用俄勒冈州立大学开发的潮汐预报软件 提供的、四个分潮的调和常数来驱动水位变化(:)。使用日本气象厅(:)提供的台风路径数据
10、集,利用 的圆形台风模型 计算风场,以提供大气强迫。底摩擦方案本研究在 模型中采用二次底摩擦公式,动量方程中的底摩擦项如下:,()。()式中:,为深度平均的海水水平流速();,为海水水柱高度();为底摩擦系数,可根据以下形式进行调整:。()式中:为重力加速度;为曼宁系数,随下垫面土地利用类型的不同取不同值;为截断水深(),本文取;为常数,本文取。根 据 投 影 坐 标 系 下 年 的 象山县及其周围区域土地利用现状遥感数据获取象山县的土地利用类型,主要被分为五类,即海洋、低密度居民区(含学校、政府机构和交通设施)、裸露的岩石与沙地、常绿林与耕地。根据美国 地物数据分类标准,通过对照分别得到每种
11、土地利用类型相应的曼宁系数,代入公式中可得相应的底摩擦系数。图为象山县内对应土地利用类型的曼宁系数分布示意图。可以看出,象山县除三面环绕的海拔较高的山区林地外,其余区域均以城乡居民用地为主,主要分布在离岸较远的西北部以及近岸的东南部分,图象山县土地利用类型()及其对应曼宁系数 ()中国海洋大学学报 年而中部区域主要以耕地为主,包含小部分分布于丘陵的常绿林。灰色区域为被设置成固壁边界的高层建筑。通常情况下近海风暴潮的模拟中,的取值在 左右,且地表淹没区域下垫面与海底底摩擦系数取值相同。本研究中象山县下垫面通过土地利用类型修正后,取值在 至 之间,平均值为 ,底摩擦显著增大,且位于北部与南部沿海的
12、城区底摩擦增长幅度最大,而多为耕地的中部平原则增长幅度略小。敏感性实验通常情况下沿海城市都建有复杂的排水系统与海洋连通,等 的研究中详细讨论了排水系统对无堤坝情景下复合淹没过程的影响。结果表明,排水系统增加了陆地与海洋的连通性,对淹没的影响受制于地形因素,而降雨则会加剧复合淹没。在此基础上,为了探究随土地类型变化的底摩擦对滨海城市淹没的影响,我们将其作为敏感因子设计不同条件的两组淹没实验,模拟台风“菲特”()期间象山县的复合淹没过程:()无堤坝;()有堤坝。无堤坝情况下随土地类型变化的底摩擦对淹没的影响在极端的台风事件中可能会出现部分溃坝或者全段溃坝的情况,这意味着发生风暴潮期间大量海水将淹没
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