第18卷 第10期 中 国 水 运 Vol.18 No.10 2018年 10月 China Water Transport October 2018 气候变化对上海防汛工程设计指标的影响研究 石刚平，李世阳 （1．上海市水务规划设计研究院，上海 200233，2．上海碧波水务设计研发中心，上海 200233） 摘 要：对近些年上海市气候变化特征、防汛工程设计指标响应气候变化情况进行分析研究，在此基础上，考虑未来气候变化下城市防汛工程设计指标的变化趋势。结果表明：上海地区不同强度暴雨频数呈增加趋势，沿海区域海平面以3.3mm/a的平均速率增长；近些年黄浦江各潮位站点100年一遇设计高潮位上升约30~50cm，长江口各潮位站点200年一遇设计高潮位上升约31cm，城市排水1h设计暴雨强度也呈增大趋势；未来24h面暴雨量的增加、海平面上升以及暴雨强度的增大，将不断提高水利片面除涝最高设计水位、沿江沿海潮位站不同频率的设计高潮位以及城市排水管网的设计流量。 关键词：气候变化；防汛工程；指标设计 中图分类号：TV66 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）10-0190-03 前言 近些年，全球气候变化带来的风险对城市安全产生了重大影响。特别是沿海城市，气候持续变暖，高温、暴雨、台风等极端性气候事件发生机率增大，海平面也呈现出明显的上升趋势[1-3]。一些突发极端气候事件对城市重大防汛工程的影响逐渐从量变向质变转化。目前，国外在城市防汛工程规划设计领域，适应气候变化的研究重点多集中在沿海地区应对海平面上升的措施方面和全球气候变化下城市极端水文事件问题[4-5]。国内重点集中在海平面上升对沿海城市排涝及重要工程实施的影响和极端降水下城市暴雨积水灾害研究两个方面[6-7]。在防汛建设过程中，缺少对重大防汛工程设计指标的气候可行性系统论证，致使工程建设对气候问题估计不足，增加了风险。上海是特大型河口城市，位于长江流域和太湖流域最下游，地势低平、河网密布，属于平原感潮河网地区，易遭受流域洪水、区域暴雨、台风和高潮等多种自然灾害袭击。突发极端气候事件的增加使上海防汛保安面临更为严峻和复杂的形势，研究气候变化对上海市防汛工程设计指标的影响意义重大。 一、上海市城市气候变化特征 1．城市暴雨变化特征 根据上海市气象局各区（县）站1981~2010年暴雨资料统计成果，上海市暴雨年际变化相对均匀，年内分布不均匀。30年间发生暴雨608次，平均每年20次，几乎各个月都有暴雨出现，但暴雨基本集中在汛期6~9月份，占全部暴雨总数的74.3%。空间分布总体表现为上海地区出现暴雨频率为沿海多于内陆、市区多于郊区、东部多于西部，如图1所示。从不同强度暴雨频数的年际变化来看，各区（县）年收稿日期：2018-05-01 作者简介：石刚平（1968-），男，上海市水务规划设计研究院高级工程师，主要从事水利（水务）工程建设、规划设计、 规划管理以及水安全、水环境、水资源、水生态等方面研究工作。 李世阳（1985-），男，硕士，上海碧波水务设计研发中心高级工程师，主要研究方向为水安全、水资源和水环境。 基金项目：中国清洁发展机制基金赠款项目（2012043-02）。 30.7120.9121.1121.3121.5121.7121.930.9金山22031.1青浦231松江31.331.5212嘉定256210市区228闵行233南汇奉贤238215205246浦东225235234宝山31.7214崇明25524512最大24h面雨量分布在190~250mm，其中徐家汇站最大（251.8mm），青浦站最小（187.0mm）；最大24h雨量超过200mm（特大暴雨），各站平均发生1次；各区年最大1h雨量分布在77.1~119.6mm之间，且呈增加的趋势，超出了现有城市排水设计标准。 图1 上海市暴雨频数空间分布图 2．区域海平面变化特征 根据《中国海平面公报》和长江口、杭州湾区域潮位站点的多年资料统计分析，1980年~2014年，中国沿海海平面平均上升速率为3.0mm/a，如图2所示。其中上海附近海平面变化速率大约在1.3~5.3mm/a之间，平均上升速率约3.3mm/a。其中吕泗站海平面年上升速率约5.3mm/a，滩浒岛站海平面年上升速率约3.6mm/a，嵊山站海平面年 第10期 石刚平等：气候变化对上海防汛工程设计指标的影响研究 191 上升速率约1.3mm/a，大嶯山站海平面年上升速率约2.8mm/a。预计未来30年，上海区域海平面将继续上升70~145mm。 图2 1980~2014年中国沿海海平面变化趋势 二、防汛工程设计指标响应气候变化分析 1．气候变化对黄浦江最高设计潮位影响 进入上世纪九十年代后，上海区域特大风暴潮频频出现，沿江高潮位呈抬高趋势，黄浦江沿线潮位站点的高潮位也呈上升趋势。研究以《黄浦江现有防汛工程体系的防御能力研究》（1984年）报告中黄浦江年最高潮位频率分析成果为参照，采用吴淞站、黄浦公园站、米市渡站等潮（水）位站的年最高潮（水）位资料系列，进行频率计算，资料系列至2010年，并与1984年黄浦江各站最高潮位频率分析成果进行比较，结果表明，1984年黄浦江吴淞站、黄浦公园站、米市渡站100年一遇高潮位分别为5.74、5.36、3.92；2010年黄浦江吴淞站、黄浦公园站、米市渡站100年一遇高潮位分别为6.05、5.70、4.40，上升约30~50cm。 2．气候变化对长江口最高设计潮位影响 长江口潮位的变化除月球和太阳等天体引力产生的天文潮起决定性作用之外，还受多种因素的共同影响。一般来讲，主要的影响因素包括海平面的升降变化、上游来水的季节性和年际变化、台风暴雨等。为了全面、精确地反映气候变化对长江口潮位的影响，研究以《海塘规划潮位分析报告》（1996年）专题研究成果中长江口年最高潮位频率分析成果为参照，采用长江口沿线高桥、长兴、横沙、堡镇、浏河、三甲港、芦潮港、金山嘴等潮位站点的年最高潮（水）位资料系列，进行频率计算，资料系列至2012年，并与1996年长江口年最高潮位频率分析成果相比较，结果表明，2012年沿江代表站年最高潮位频率计算值明显高于1996年沿江代表站年最高潮位频率计算值，其中长江口沿线潮位站点2012年规划设计200年一遇的高潮位较1996年规划设计200年一遇的高潮位平均高出31cm，结果与上海沿海区域海平面变化趋势存在着非常密切的线性正相关关系。 3．气候变化对暴雨强度的影响 暴雨强度公式是设计城镇排水管渠的重要计算公式，是计算不同重现期标准下各短历时暴雨强度的必备工具，是计算暴雨地面径流和确定工程设计流量的重要依据，上海市以往一般使用的暴雨强度公式为t33.2(T0.3e0.42)(t107logT0.820.07logTe)e公式（1），该公式建立于上世纪60年代，1990年上海市气候中心与上海城市建设设计院合作编制了公式为 i9.456.7932lgTe(t5.54)0.6514公式（2）；2005年同济大学宁静、李田等编制了公式为i12.29037.9948lgTe(t8.1186)0.7032公式（3）。以上三个公式所用的暴雨资料均来源于上海市徐家汇气象站（龙华站），仅是资料年代和统计计算方法不同。为了探讨全球气候变暖及城市化进程加快对城市排水设计中暴雨强度的影响，研究结合2010年上海市气候中心《暴雨规律研究》中编制的新暴雨强度公式，新公式编制采样方法和公式参数求解方法与同济大学编制的公式（3）相同，对比分析新、旧公式相同标准下的差异，如图3所示。 图3 新制公式与旧公式3的设计暴雨强度比较 由新、旧标准不同重现期暴雨强度曲线可知：新公式的设计暴雨强度较旧公式都偏大，以上海市排水设计中最常用的降雨历时1h的设计雨量为例，新公式中1年、3年、5年重现期暴雨强度比旧公式的暴雨强度分别大了1.0、1.7、1.8mm。 三、未来气候变化对防汛工程设计指标的影响 1．面雨量增加对黄浦江最高除涝水位的影响 以上海陆域感潮河网水动力模型为基础，考虑在相同除涝设计暴雨标准不同面暴雨量（24h面暴雨量为200mm和240mm）下，对黄浦江防洪除涝面平均最高水位进行了影响分析，方案设置中有关模型的相关设计参数等均保持不变。不同面暴雨量条件下黄浦江沿线潮位站点防洪除涝最高潮位变化情况如表1所示。 表1 不同暴雨量下黄浦江代表潮位站点最高除涝水位分布 面暴雨量 黄浦公园站 米世渡站 朱泾站 泖甸站 三和站 200mm 3.99m 3.90m 3.79m 3.68m 3.58m 240mm 4.02m 4.00m 3.91m 3.77m 3.66m 结果表明：当面暴雨量增加后，相应站点的最高除涝水位也呈增长趋势，由于黄浦江的高潮位基本出现在台风暴雨高潮位期间，因此，暴雨变化下黄浦江最高除涝水位的变化情况与其设计潮位也呈线性相关关系。 2．海平面上升对水利片最高除涝水位的影响 考虑黄浦江下游吴淞站及周边水域相对海平面上升值达到10、16cm后，对上海市各水利片及黄浦江防洪除涝面平均最高水位进行了影响分析，模型初始条件及边界条件、防 192 中 国 水 运 第18卷 洪除涝标准、泵闸控制条件等，均与海平面上升前现行区域防洪除涝计算条件相同，结果表明：海平面上升后对上海市各水利片除涝高水位有显著的影响。其中，海平面上升10cm后，各水利片面平均除涝最高水位上升了0.3~5.9cm不等，平均上升2.6cm；海平面上升16cm后，各水利片面平均除涝最高水位上升了1.1~9.3cm不等，平均上升4.0cm。 3．海平面上升对海塘前沿站点最高潮位设计频率的影响 选取吴淞、长兴、横沙、南门港、中浚等站点（1984~2008年）年最高潮位资料，运用皮尔逊-Ⅲ型分布频率分析计算方法对不同重现期的设计高潮位为进行分析，考虑上海沿海区域海平面相对上升10~16cm后，对各潮位站点的设计高潮位进行修编，并对海平面上升前后不同潮位站点100年一遇、200年一遇的设计高潮位进行比较分析，结果表明：随着海平面逐渐抬升，上海市海塘沿线代表潮位站点不同重现期的设计潮位值发生改变，当海平面上升10、16cm后，各潮位站点的100年一遇、200年一遇的设计高潮位也分别相应提升了10、16cm左右，与海平面上升值呈非常密切的正相关关系。 4．暴雨强度变化对城市雨水设计流量的影响 在城镇排水工程设计中，主要根据设计暴雨重现期标准，由暴雨强度公式计算各历时的暴雨强度，然后根据暴雨强度、汇水面积、径流系数，采用推理公式计算排水流量，再按重力流逐段进行管渠的水力设计，使得每个管渠段的排水能力大于暴雨强度需要的排水流量。流量计算公式为QFq167Fi，当Ψ（径流系数）和F（汇水面积）保持不变时，城市排水设计流量与暴雨强度是息息相关。以1km2区域管网设计为例，综合径流系数取0.6，根据新、旧暴雨强度计算公式，考虑新的暴雨强度1、2、3、5年一遇分别增加了1.0、1.2、1.7、1.8mm/h变化对区域排水流量的影响，如表2所示。 表2 不同重现期的暴雨强度下城市雨水设计流量 平方公里雨水设计流量（L/s） 重现期 旧公式 新公式 变化 一年一遇 5,928.5 6,095.5 167.0 两年一遇 7,431.5 7,631.9 200.4 三年一遇 8,266.5 8,550.4 283.9 五年一遇 9,385.4 9,686.0 300.6 结果表明：现有气候变化条件下，每平方公里城市雨水设计流量均有所提高，其中一年一遇的雨水设计流量增加了167.0m3/h；两年一遇的雨水设计流量增加了200.4m3/h；三年一遇的雨水设计流量增加了283.9m3/h；五年一遇的雨水设计流量增加了300.6m3/h。 四、结论与建议 1．结论 （1）上海市暴雨频数、总量相对稳定，变化不大，但不同强度暴雨频数呈现增加趋势，其中1h暴雨量呈上升趋势明显；受全球气候变化影响，上海附近海平面变化速率约为1.3~5.3mm/a，平均上升速率约3.3mm/a。 （2）近年来，由于气候变化的影响，长江口、黄浦江各代表潮位站点设计高潮位呈上升趋势，其中1980~2010年黄浦江各潮位站点100年一遇年最高设计潮位值上升约30~50cm，长江口各潮位站点200年一遇年最高设计潮位值上升约31cm；同时城市排水标准1h设计暴雨强度也呈增大趋势。 （3）未来气候的变化对上海市防汛工程设计标准影响显著，当24h面暴雨量由200mm增加到240mm后，黄浦江各代表潮位站点的最高除涝水位平均提高了8cm。当海平面平均抬升了10cm和16cm后，各水利片面平均最高水位分别提升了2.6cm和4.0cm；长江口沿线代表潮位站点不同频率的设计高潮位也相应提高了10cm和16cm，基本呈正相关关系。当暴雨强度增加1.0mm/h后，城市排水管网设计流量增加167L/s，并呈正相关增长。 2．建议 气候的变化对城市防汛工程设计标准影响较大，防汛管理部门应根据城市气候变化趋势相应提高防汛基础设施设计和建设指标、提高城市防汛工程适应气候变化能力，保障城市防汛安全。 参考文献 [1] Gershunov A，Cayan D R，Iacobellis S F. 2009. 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