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2014 , Vol. 33 >Issue 12: 1692 - 1703

DOI: https://doi.org/10.11820/dlkxjz.2014.12.013

Orginal Article

Simulation of typhoon storm surge impacts in Shanghai based on storm surge scenarios and disaster prevention measures

  • SONG Chengcheng , 1, 2 ,
  • LI Mengya 1, 2 ,
  • WANG Jun , 1, 2 ,
  • XU Shiyuan 1, 2 ,
  • CHEN Zhenlou 1, 2
Expand
  • 1.School of Geographic Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China
  • 2. Key Laboratory of Geographic Information Science of Ministry of Education, East China Normal University, Shanghai 200241, China

Online published: 2014-12-19

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《地理科学进展》杂志 版权所有
Fold

Abstract

In order to study coastal flooding in Shanghai caused by typhoons following typical paths, the possible effects of the six severe typhoon storm surges were analyzed using MIKE21 Flow Model. Based on the probable maximum intensity of tropical cyclones and by taking into consideration sea level rise, topographic change, and seawalls subsidence, 12 scenarios were analyzed for potential storm surge impacts. The results show that, because of the high standard protective seawalls, the possibility of overtopping inundation resulting from storm surges is extremely low under the present condition. However, as the strength of influencing factors increases over time, overtopping inundation becomes more likely. In 2040, the inundation caused by a tropical cyclone landing in Shanghai can be very large, and water depth can reach 3.0 meters or more in some local areas. About 25% of seawalls would be at risk of flooding , and the inundation area of the storm surges can reach 910 km2 under the proposed scenarios. Storm surge disaster prevention measures include protecting the source areas of water supply to the city, creating urban flood retention space, increasing the protection standard of seawalls, enhancing the drainage capability of the city, and optimizing the distribution of the emergency shelters.

Key words： storm surge; scenario simulation; MIKE21 FM; hazard analysis; spatial countermeasure; Shanghai

Cite this article

SONG Chengcheng , LI Mengya , WANG Jun , XU Shiyuan , CHEN Zhenlou . Simulation of typhoon storm surge impacts in Shanghai based on storm surge scenarios and disaster prevention measures[J]. PROGRESS IN GEOGRAPHY, 2014 , 33(12) : 1692 -1703 . DOI: 10.11820/dlkxjz.2014.12.013

1 引言

气候变化、海平面上升、地面沉降等是诱发沿海极端灾害事件的重要因素。IPCC(2013)第五次评估报告(AR5)认为,1880-2012年全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势,升温0.85℃。受此影响,过去30年间,西北太平洋的台风潜在破坏力增加了约75%(Emanuel, 2005; 雷小途等, 2009)。而作为沿海最为重要的自然灾害之一,台风风暴潮影响也呈不断加剧的趋势。仅2013年,中国沿海共发生台风风暴潮过程14次,直接经济损失就达152.45亿元(国家海洋局, 2014)。
上海地处中国沿海和沿江经济带的交汇处,占据中国黄金海岸线的中部和长江出海口的优越区位,许多重大工程或产业如洋山深水港、临港新城、浦东国际机场、外高桥港区、上海石油化工区等均沿海而建。另外,作为中国先行试点的上海自由贸易区也位于该区域。按照国务院批准的《上海市城市总体规划(1990-2020)》中的“四个中心”和“现代化国际大都市”的建设目标,上海正积极推进新一轮经济转型发展。但是,全球变化导致的海平面上升等极端气候事件,快速城市化导致的严重地面沉降,以及大型工程建设带来的剧烈河口冲淤变化等,使该区域台风风暴潮灾风险不断增加,严重影响着上海社会经济的可持续发展。
灾害风险研究是预防灾害影响、降低灾害损失的重要工作(许世远等, 2006)。部分学者基于历史典型台风风暴潮或不同重现期风暴潮情景开展危险性模拟与风险评估等研究(Marfai et al, 2008; Wang, Xie et al, 2011; Wang, Xu et al, 2011; 殷杰等, 2013),尤其是近年来尝试开展了基于海平面上升、地面沉降、台风风暴潮的综合灾害风险情景分析,以及基于情景分析的台风风暴潮综合风险防范研究(Wang, Xie et al, 2011; Wang et al, 2012)。但由于前期研究所使用的海塘和地形数据精度偏低、考虑的情景因素偏少等局限,使研究结果的精确性和实用性受到限制。本文选用历史上引发长江口区强风暴增水的TC5612、TC8114和TC0012的路径,平移后组合不同热带气旋参数,构建出6组假想最优热带气旋,基于MIKE21水动力模型对上海地区进行台风风暴潮数值模拟,系统分析在复合情景下上海地区在不同热带气旋影响下的台风风暴潮最大过程增水,并针对潜在淹没区提出应急疏散预案和城市空间应对策略。

2 研究区域

上海北枕长江口,南濒杭州湾,平均海拔为4 m左右(吴淞高程),全市河网水面率达10.9%,是典型的感潮河网城市。上海是中国地面沉降和海平面上升最快的区域之一,1921-2007年地面平均沉降1.973 m,最大沉降量3.035 m(龚士良, 杨世纶等, 2008),1978-2007年年均海平面上升速率为3.83 mm/a(国家海洋局, 2007)。长江口区是海陆相互作用剧烈区域,由于近年来长江上游输沙量的不断减少及长江口深水航道工程、近岸促淤圈围工程等一系列大型海岸工程的实施,导致河口冲淤变化剧烈(虞志英等, 2013; 宋城城等, 2014)。
目前,上海一线海塘长达508 km,海塘主堤工程的防御标准为100 a一遇高潮位叠加11级风正面袭击,堤顶高程一般达9.0 m左右;大陆及长兴岛主海塘则已达到抵御200 a一遇高潮位叠加12级风正面袭击,其堤顶高程绝大部分已经达到甚至超过10 m(上海市水务局, 2013)。对比长江口各验潮站高潮位频率表(潘丽红, 2011)可知,上海地区目前发生风暴潮直接漫堤潮灾的几率很低。但在海平面上升、陆域地面沉降、近岸河口冲淤以及海塘沉降等因素复合作用下,未来上海遭受风暴潮影响的可能性依然存在,因此急需开展相关研究。

3 研究方法与数据来源

3.1 数值模型及检验

MIKE 21 FM(Flow Model)采用垂向平均二维浅水方程,计算方法采用ADI法(Alternating Direction Implicit)和DS法(Double Sweep)(DHI, 2013)。模型计算范围为18.75°~43.21°N,115.17°~138.08°E,外海地形数据来自海洋科学数据共享中心（海洋科学数据共享中心,http://mds.coi.gov.cn/。）万。上海陆域地形数据由上海市测绘院提供,沿海
海塘和黄浦江防汛墙高程数据由长江口水文资源勘测局提供。数据统一为墨卡托投影和北京1954坐标系,基准面为理论最低潮面。本文模型计算区域为高质量非结构的多层嵌套网格(图1),并在岸边及岛屿周边进行加密处理,上海近海与陆上部分网格为50 m,外海边界基本囊括台风48 h警戒线。
Fig. 1 Multiple embedded triangle mesh of the study area

图1 模型计算区域范围和多层嵌套网格

模型开边界由潮位过程控制,边界上各点不同时刻的潮水位高程通过全球潮汐预测模型DTU 10推算求得,该模型在大洋海域及中国浅海海域内综合指标最优(Cheng et al, 2012),其中包含Q1、O1、P1、K1、N2、M2、S2、K2、M4、S1在内的10个分潮的调和常数集及两个浅水分潮,分辨率为0.125°×0.125°,统一采用格林尼治时间系统。初始潮位高程由开边界潮位平均值计算得到,为2.98 m。初始边界上各点潮位和流速u0=0,v0=0。模拟运行完成后,输出研究区网格点的潮位时间序列数据,经测定,调试模型至最佳状态。采用对上海影响严重的9711号台风风暴潮过程对模型精度进行验证。图2是潮位对比结果,从图上可以看出,潮位模拟值与实测值虽存在一定误差,但最高潮位基本一致。因本文风暴潮危险性研究主要是为获取由最高潮位决定的最大淹没范围和最大淹没深度两个参数,故该数值模拟结果满足研究需要。
Fig. 2 Observed and simulated tide levels during TC9711

图2 9711台风期间上海沿岸各站潮位验证图

3.2 灾害因子趋势分析与参数设定

3.2.1 海平面上升
《2013年中国海平面公报》显示,1980-2013年,中国沿海海平面变化高于全球平均水平,平均上升速率为2.9 mm/a;上海沿海海平面比常年(1975-1993年)高72 mm,预计未来30年将上升85~145 mm。海平面上升最高月份基本对应台风高发月份,海平面上升将引起风暴潮水位上升,加剧地区风暴潮灾害。本文采用《气候变化绿皮书：应对气候变化报告(2013)》中30年间上海海平面的上升值,即至2040年相对海平面上升115 mm(王伟光等, 2013)。
3.2.2 地面沉降
地面沉降对于台风风暴潮灾害具有明显的扩大效应。上海地面沉降造成地面标高的损失,使得海水入侵和风暴潮灾害增加。利用上海1980-2005年的累积地面沉降速率,计算获得上海年均地面沉降速率为5.85 mm/a,其中中心城区黄浦江两岸沉降较为明显,最大年均沉降量达23 mm/a。利用上海现状地面高程数据,结合近年来的地面沉降速率,即可对上海地区未来目标年份的地形变化进行预测(龚士良, 杨世纶等, 2008; 王军等, 2013)。
3.2.3 河口冲淤
河口水下地形在水流、波浪、大风、泥沙和人类活动等的共同作用下不断发生着变化,是研究区风暴潮灾孕灾环境在海域的重要体现(黄静, 2012)。长江口区是海陆相互作用剧烈区域,尤其近年来长江三峡大坝建成后上游输沙量不断减少,以及河口深水航道工程、近岸促淤圈围工程等一系列大型海岸工程的实施,导致河口冲淤变化剧烈。近年来河口水下三角洲水深5 m以浅区域淤积速率减缓,水深5~10 m处出现微弱冲刷,2002-2010年期间平均垂向冲刷速率达0.02 cm/a(宋城城等, 2014)。基于2010年长江口水下地形数据,利用长江三峡大坝建成后水下地形的年均冲淤速率,即可对上海地区近岸海域未来目标年份的水下地形变化进行预测(王军等, 2013)。
3.2.4 海堤演变
江河堤防是上海城市防汛的重要设施,海塘沉降作为不易察觉的潜伏性城市地质灾害,在逐步累积的时间效应下,将会因为自然灾害发生频率的提高及灾情的加大而显,是风暴潮增水发生漫堤淹没的重要影响因素。由于海塘历史监测数据有限,本文采用龚士良、李采等(2008)对上海石化海堤1994-2004年间高程沉降的测量结果作为上海海塘的平均沉降速率,即14.22 mm/a。
3.2.5 可能最强台风
根据1949-2013年资料统计,对上海造成影响的台风有正面登陆类、浙北登陆北上类和近海北上类3种。其中,登陆类以TC5612为典型,登陆时的中心气压仅923 hPa,中心最大风速高达60 m/s,是历史上罕见的强台风;近海北上类则以TC8114和TC0012为典型,在靠近上海时的台风中心气压分别达950 hPa和955 hPa。上述3场台风虽没有直接登陆上海,但因受其外围影响,上海损失都很惨重,如果设想TC5612整条路径北抬,或者TC8114和TC0012西移,则对上海的影响将更加严重。
Fig. 3 Original paths and six designed translational paths

图3 热带气旋的原始路径及六条平移设计路径

因此,上海地区可能最强台风的参数设置中,路径的确定采用以历史上造成该区严重影响的热带气旋TC5612、TC8114和TC0012的路径为依据的平移方法(仉天宇等, 2010),登陆特征选择正面登陆类、浙北登陆北上类和近海北上类3种类型,登陆点分别设置在海堤防御能力相对较弱的浦东海堤中点(路径1)和奉贤海堤中点(路径2)。浙北登陆北上类台风以登陆点2为基准,分别向南平移40 km(路径3)和80 km(路径4),近海北上类台风路径则向西平移至陆地东部的南汇嘴附近(基准点5)(图3)。台风登陆时间则选择最利于风暴增水的天文大潮期,即将TC5612时间平移至1956-07-30 00:00~1956-08-11 00:00。台风强度参数中,中心最低气压选取西北太平洋有记录以来的进入上海附近海区的实测最低气压,即920 hPa(端义宏等, 2004),最大风速使用Atkinson等(1977)提出的风—压关系式(1)来确定,最大风速半径的计算则选择浙江水利河口研究院依据28~31°N间西北太平洋上15年的中心气压最低时的最大风速半径和台风中心移速所构造的经验公式(2)(谢亚力等, 2007)。
W R = 3.029 × ( P ∞ - P 0 ) 0.644 (1)
式中：WR为台风最大风速/(m/s),P∞为标准大气压(取1013 hPa),P0为台风中心气压/hPa。
R = R k - 0.4 × ( P 0 - 900 ) + 0.01 × ( P 0 - 900 2 (2)
式中：R为最大风速半径/km,Rk为经验常数,推荐值为40。

4 上海台风风暴潮漫堤淹没影响分析

通过对海平面上升、陆域和海域地形变化、海塘沉降、台风路径等情景要素在现状年份(2010年)和目标年份(2040年)下的排列组合,生成12种复合灾害情景(表1),在不考虑城市排涝和流域暴雨汇水的前提下,利用所建立的上海地区MIKE21 FM模型开展不同情景对应的风暴增水与影响模拟。漫堤淹没深度根据《风暴潮灾害风险评估和区划技术导则(试行)》划分成5个等级,分别是0 m,0~0.5 m,0.5~1.2 m,1.2~3.0 m,>3.0 m。
Tab. 1 Scenarios of typhoon storm surges in Shanghai

表1 上海台风风暴潮复合情景矩阵

路径类型 TC模板 初始情景(2010年) 未来情景(2040年)
S D L S D L
正面登陆类 TC5612-1 2010 2010 2010 2040 2040 2040
TC5612-2 2010 2010 2010 2040 2040 2040
浙北登陆
北上类		 TC5612-3 2010 2010 2010 2040 2040 2040
TC5612-4 2010 2010 2010 2040 2040 2040
近海北上类 TC0012-5 2010 2010 2010 2040 2040 2040
TC8114-5 2010 2010 2010 2040 2040 2040

注：台风登陆点(基准点)：1、2、3、4、5;情景要素：海平面上升(S)、陆域沉降和海域冲淤(D)、海塘沉降(L)。

4.1 正面登陆类台风风暴潮危险性

现状条件下,上海沿海发生中心气压达920 hPa,以TC5612路径为模板平移后的2种正面登陆类热带气旋时,除崇明岛北沿兴隆沙、长兴岛南岸潘石港附近出现小范围的台风风暴潮漫堤危险外,其余区域基本不受影响(图略)。统计各路径情景下漫堤淹没面积见表2,两类热带气旋造成的漫堤淹没面积分别为112.06 km2和164.58 km2,其中登陆点在奉贤海堤中点的路径2台风比路径1台风所引起的淹没范围大。对比各淹没深度所占的面积发现,在南汇东侧海堤中点登陆的路径1引起的淹没高危险区(>3 m)达到了14.99 km2,远高于其他路径,这主要是由于该条路径离海堤防御标准较低的崇明岛北沿兴隆沙附近区域较近,台风所引起的风暴增水相对较高。
到2040年,在各情景要素综合影响下,两类不同路径的正面登陆类热带气旋所造成的漫堤淹没区域除了在崇明北沿的兴隆沙附近较为一致外,其余区域分布各异(表2,图4)。路径1台风带来的风暴增水导致崇明岛东侧的圆陀角附近发生较大范围的漫堤淹没;路径2台风造成的影响最大,全市共有128.19 km的海塘和防汛墙存在漫堤危险,占到25.23%。总淹没面积达512.38 km2和909.53 km2,漫堤淹没区分别位于崇明岛的崇头、南门港、堡镇港以及奚家港附近,另外上海吴淞口和芦潮港附近也发生小范围的漫堤淹没。对比各淹没深度对应面积可知,台风风暴潮所致的各淹没深度所占面积均有较明显的增加,其中TC5612-2漫堤淹没高危险区面积分别从现状条件下的5.73 km2增至21.89 km2。统计各淹没深度所占面积可知,淹没水深在1.2~3 m和>3 m两个等级的面积在4类台风路径情景下均呈上升趋势,表明随着各情景要素强度的加大,上海地区部分海堤存在潜在危险。
Tab. 2 Inundated areas of scenario storm surges (landing in Shanghai)

表2 正面登陆类台风风暴潮各淹没深度所占面积

年份 TC路径 淹没面积/km2
0~0.5m 0.5~1.2m 1.2~3m >3m 合计
2010 TC5612-1 58.99 13.93 24.15 14.99 112.06
TC5612-2 116.79 15.52 26.54 5.73 164.58
2040 TC5612-1 374.70 70.10 41.81 25.77 512.38
TC5612-2 712.95 98.82 75.87 21.89 909.53
Fig. 4 Inundated areas under the 2040 storm surge scenarios (landing in Shanghai) (a. TC5612-1, b. TC5612-2)

图4 2040年时间情景下台风风暴潮(正面登陆类)淹没分布图

4.2 浙北登陆北上类台风风暴潮危险性

现状条件下,上海沿海发生中心气压达920 hPa,以TC5612路径为模板平移后的2种浙北登陆北上类热带气旋时,除崇明岛北沿兴隆沙、长兴岛南岸潘石港附近出现小范围的台风风暴潮漫堤危险外,其余区域基本不受影响(图5)。统计各路径情景下漫堤淹没面积见表3,两类热带气旋造成的漫堤淹没面积分别为100.13 km2和72.44 km2,其中热带气旋登陆中心距离上海较近的路径3所引起的漫堤淹没危险区相对较大。
Tab.3 Inundated areas of scenario storm surges (landing in northern Zhejiang Province)

表3 浙北登陆北上类台风风暴潮各淹没深度所占面积

年份 TC路径 淹没面积/km2
0~0.5 m 0.5~1.2 m 1.2~3 m >3 m 合计
2010 TC5612-3 70.37 21.94 7.61 0.11 100.03
TC5612-4 53.05 14.40 4.93 0.06 72.44
2040 TC5612-3 335.05 85.85 62.77 9.12 492.79
TC5612-4 113.53 38.16 18.74 4.62 175.05
Fig. 5 Inundated areas under the 2040 storm surge scenarios (landing in northern Zhejiang Province)

图5 2040年时间情景下台风风暴潮(浙北登陆北上类)淹没分布图

到2040年,在各情景要素综合影响下,两类不同路径的浙北登陆北上类热带气旋所造成的漫堤淹没区域均在崇头造成比较大的淹没区域。此外,在崇明北沿兴隆沙、南门港、堡镇港、奚家港、东侧的圆陀角附近,吴淞口和芦潮港附近等地均有不同程度的分布。路径3台风造成漫堤淹没区域与路径2大体一致,但影响不及路径2台风严重,总淹没面积达492.79 km2;路径4台风造成的影响相对较小,仅为175.05 km2(表3)。对比各淹没深度所占面积可见,台风风暴潮所致的各淹没深度所占面积均有较明显的增加,漫堤淹没高危险区面积分别从现状条件下的0.11 km2和0.06 km2增加至9.12 km2和4.62 km2。

4.3 近海北上类台风风暴潮危险性

相比前两种路径类型台风,近海北上类台风风暴潮对上海地区所造成的漫堤淹没区面积偏小。现状条件下,上海沿海发生TC0012-5和TC8114-5两场近海北上类台风风暴潮时,仅66.13 km2和69.09 km2的区域受影响,且高淹没危险区几乎接近于0(表4,图6)。2040年时间情景下,随着海平面上升、陆域和海域地形变化以及海塘演变,近海北上类台风风暴潮带来的影响有小幅度的增加,但并不明显,漫堤淹没区域集中分布在地势偏低的崇明北沿兴隆沙附近;发生以TC8114路径类型平移后的台风时,吴淞口和芦潮港附近出现小范围的受淹情况。这表明在当前堤防防御标准下,上海邻近海域发生中心气压不低于920 hPa的近海北上类台风时,其所引起的风暴潮漫堤和大范围淹没的几率较小。
Tab. 4 Inundated areas of scenario storm surges (going northward in the sea around Shanghai)

表4 近海北上类台风风暴潮各淹没深度所占面积

年份 TC路径 淹没面积/km2
0~0.5 m 0.5~1.2 m 1.2~3 m >3 m 合计
2010 TC0012-5 48.49 5.24 12.34 0.05 66.13
TC8114-5 50.72 5.52 12.80 0.05 69.09
2040 TC0012-5 82.28 7.88 2.73 1.00 93.89
TC8114-5 99.87 21.91 22.80 9.07 153.65
Fig. 6 Inundated areas under the 2040 storm surge scenarios (going northward in the sea around Shanghai)

图6 2040年时间情景下台风风暴潮(近海北上类)淹没分布图

5 讨论

5.1 台风风暴潮应急疏散策略

5.1.1 应急避难系统构建与疏散模拟方法
应急避难研究依据“点—线—面结合”的洪灾避难分析思路,将受灾区域和避难场所分别抽象成受灾点和避灾点,将道路网络抽象成线,将避灾点的服务范围抽象成面,三者共同构建避难服务系统。本文中将风暴潮灾害危险区内的镇(街道)内的居民点归并为一个整体作为一个受灾点,受灾人口则分2010年和2040年两种时间情景,其中,上海市2010年人口空间分布数据来源于全国第六次人口普查数据,2040年则采用宋健等(1982)人口预测模型计算获得。避灾点则设定在处于洪水淹没危险区之外并具有一定建筑面积和容量及洪灾避难功能的公共场所(如学校、体育场馆等),参考《国家标准各类避难场所控制指标》,避灾点容量取2 m2/人,避灾点的服务半径和范围取2000 m(一般为老人或小孩等行动不便者在1~2 h的行走距离)。各级公路行车速度则依据《公路工程技术标准(JTG B01-2003)》分别给定,步行疏散速度取90 m/min。
基于构建的上海市台风风暴潮灾害应急避难系统,考虑受灾点到避难场所的空间距离、道路网等级、行人和车辆行驶速度、避难迁移时间、受灾区人口数量、避难场所人口容量等情况,以时间最短为目标,以空间距离最近为辅的原则,计算从受灾单元到避难场所的最佳避难路径。利用C#语言编程实现算法,并集成一个兼具计算与路径可视化功能的工具(另文详述),分2010年和2040年两种人口情景模拟台风风暴潮漫堤淹水危险区下的疏散过程。
5.1.2 应急避难疏散预案编制及对比
将上海市台风风暴潮危险区分为3个受灾片区：崇明岛受灾片区,吴淞口受灾片区和南汇受灾片区。根据模拟计算结果,分别绘制各受灾片区的疏散路径图;对受灾范围、受灾人数、避难所及避难路径选择、疏散时间与效率等进行整理,分别编制不同灾害情景下的应急疏散预案。疏散路径如图7-9。台风风暴潮发生时,崇明岛的西北部、崇明北沿兴隆沙、南门港、堡镇港以及奚家港附近,上海吴淞口和芦潮港附近都处于漫堤淹没危险区中。
Fig. 7 Evacuation routes of Chongming disaster areas in 2010 and 2040

图7 2010、2040年时间情景下崇明岛受灾片区应急疏散路径

Fig. 8 Evacuation routes of Wusong disaster areas in 2010 and 2040

图8 2010、2040年时间情景下吴淞口受灾片区应急疏散路径

Fig. 9 Evacuation routes of Nanhui disaster areas in 2010 and 2040

图9 2010、2040年时间情景下南汇受灾片区应急疏散路径

利用2010年和2040年两种时间情景进行淹没区内应急疏散模拟,对比发现：在崇明岛受灾片区,2010年和2040年的应急疏散总人数分别为272812人和780980人,疏散总用时分别为4450秒和31492秒。这表明,随着崇明岛人口的大幅增加,在2040年崇明岛的应急疏散时间远不能满足上海市政府对应急避难场所的建设要求(参见2010年《上海市人民政府办公厅关于推进本市应急避难场所建设的意见》文件)。分析应急疏散预案可知,在崇明岛东部的向化镇、中兴镇和陈家镇等人口集中区域应该考虑新建避灾点。
在吴淞口受灾片区,由于吴淞口漫堤淹没危险区内的人员较为集中,2010年的应急疏散总人数为443984人,人员疏散时间较长,疏散总用时为4279秒。但是随着人口的不断增加,至2040年增加到583178人,应急疏散总用时为9718秒,尚处于可接受范围,这表明吴淞口受灾片区周围的应急避难所容量可基本满足需求。
在南汇受灾片区,2010年和2040年的应急疏散总人数分别为120221人和189321人,虽然需疏散人员远低于吴淞口受灾片区,但由于南汇受灾片区的道路密度较吴淞口受灾片区稀疏,人员应急疏散总用时较长,疏散总时间分别为3358秒和7202秒。因此,至2040年,南汇受灾片区应考虑增加交通通道建设,用于提高大团镇、万祥镇、泥城镇、海湾镇、芦潮港镇及书院镇等风暴潮漫堤淹没危险区的应急避难效率。

5.2 台风风暴潮空间应对策略

5.2.1 城市整体空间格局的应对策略
(1) 城市水源涵养区的建设
上海快速城市化打破了原有的生态环境平衡,城市生态恢复力减弱,容灾能力下降。水源涵养保护区作为城市生态功能保护区的重要组成部分,旨在保持水源涵养、补给和调节径流,能有效提高城市抵御洪灾的能力。根据以上模拟结果,上海地区应科学规划沿海潜在淹没危险区土地利用模式,在这些区域重点建设大型水源涵养林,提高新建住宅区的绿化率,同时还需加大青草沙水源地和黄浦江上游涵养林建设等。此外,根据城市低影响开发(LID)的要求,结合涝水量和涝水产生的地区,合理布局城市下凹式绿地、植草沟、人口湿地、可渗透地面、透水性停车场和广场,利用绿地、广场等公共空间蓄滞洪水。
(2) 城市蓄水空间的构建
崇明县的兴隆沙、崇头、南门港、堡镇港、奚家港,吴淞口和芦潮港附近,以及奉贤和南汇交界处等的淹没区洪水可能会出现无法及时排走的情况,为避免和缓解风暴潮洪水对城市重要区域的影响,可采用地下和地上同时利用的立体空间策略,形成临时储存、滞留洪水的系统。上述区域的道路、运动场等的地下空间可规划建设大型蓄水槽,用于分洪和贮洪;地上空间的调节池则可以与城市开放空间如公园绿地、大型运动场地相结合,平时作为休闲娱乐空间使用,风暴潮洪水发生时则作为储水空间使用。
5.2.2 城市局部空间格局的应对策略
(1) 提高和维护堤防防御水平
一方面,上海目前部分岸段堤防防御能力偏低,有待提高防御标准。崇明北沿尤其是兴隆沙附近为应对2040年可能极端台风风暴潮影响,应加高海堤约0.88~1.31 m,宝山海塘则应加高海堤约0.61~1.06 m;另一方面,地面沉降会显著改变下垫面状态,加之海平面上升对水位的叠加作用,会直接导致防汛工程设防标准降低,南汇与奉贤相邻处的岸堤、金山石化海堤以及长兴岛马家港附近海堤的沉降应予以充分重视。此外,随着长江口深水航道整治、青草沙水源地等重大工程建设实施和杭州湾自然环境演化,部分海塘前沿滩地冲刷加剧,再加上潮流对海塘基部的侵蚀,海塘溃堤风险将进一步增大,因此要及时做好海塘保滩工程以及内青坎整治工程。
(2) 提升城市建成区排涝能力
在城市排涝系统建设时,应考虑风暴洪水的叠加影响。目前,上海城市排涝系统建设主要考虑的是暴雨内涝灾害的影响,而对风暴潮洪水因素未作充分考虑,未来时间情景下一旦出现超过沿岸海堤防御标准的极端高潮位,将导致沿岸漫堤洪水,而目前一些地区的排水系统将无法满足需要。至2040年在极端风暴潮影响下,上海市的风暴潮洪水量将有可能达4.27×108 m3,大部分集中在崇明县的兴隆沙、南门港、堡镇港、奚家港、崇明岛西北角,吴淞口和芦潮港附近,奉贤和南汇交界处等区域。若以上海目前3100 m3/s的排涝能力计算(吴晓丹, 2012),大约需38 h才能排完,无法满足城市洪灾应急需要,因此这些区域排涝能力亟需提升。
(3) 优化城市防灾避难场所布局
基于不同情景下的风暴潮危险区划图,结合受灾人员和避难资源的时空分布格局,应合理规划应急避难场所。应急疏散模拟的结果表明：随着研究区人口的增长,至2040年崇明岛东部的向化镇、中兴镇和陈家镇等人口集中区的避灾点远不能满足应急避难需求,因此应考虑新建避灾点。此外,还应充分利用公园类、绿地广场类和体育场馆类等开放空间,通过仿真模拟疏散过程,制定最优应急避难方案,并定期组织高淹没危险区中的人员进行应急避难演习,以提升城市应急管理能力和水平。

6 结论

本文利用现有长江口地区潮位站的台风风暴潮历史资料,应用MIKE21 FM模型建立了适用于上海地区台风风暴潮的数值模型,在此基础上以历史上引发上海地区强风暴增水的热带气旋为模板,平移构建出6组最优热带气旋,并在海平面上升、陆域和海域地形变化、海塘沉降等复合情景下对2040年时间情景下发生的台风风暴潮进行最大过程增水的模拟与分析,结论如下：
(1) 现状条件下(2010年),由于高标准海塘防护,上海地区发生台风风暴潮漫堤淹没的几率极低。但随着海平面上升、地面沉降和海域冲淤、海塘演变等各情景要素强度的加大,风暴增水引起的漫滩淹没逐渐严重。在2040年复合情景下,以正面登陆类热带气旋造成的影响为最大,局部地区淹没深度可达3.0 m以上,全市25.23%的海塘和防汛墙存在漫堤危险,路径1和路径2台风造成的漫堤淹没危险区的面积分别达到512.38 km2和909.53 km2。
(2) 对比分析2010年和2040年人口情景下的应急避难疏散预案发现,至2040年,崇明岛东部的向化镇、中兴镇和陈家镇等地应急避难场所容量不足,故该区域人口集中区应该考虑新建避灾点;南汇受灾片区则应考虑增加交通要道的建设,用于提高大团镇、万祥镇、泥城镇、海湾镇、芦潮港镇及书院镇等风暴潮漫堤淹没危险区的应急避难效率。
(3) 基于台风风暴潮漫堤危险性模拟以及受灾片区的应急疏散模拟结果,针对性地提出了保护城市水源涵养区、开挖城市蓄水空间、提高部分海塘设防水平、加强城市排涝系统建设和优化城市应急避难场所布局等空间应对方案。研究成果为上海市新一轮城市总体规划“城市安全与综合防灾规划”提供了科学依据。

The authors have declared that no competing interests exist.

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