基于水文學和水力學法的洪水風險圖繪制

張溪

摘 要：以洪水風險分析和制圖為基礎(chǔ)的非工程性洪水損失預(yù)防措施在近年來受到了越來越多的關(guān)注，本文主要介紹了利用水文學和水力學法來繪制洪水風險圖的原理及過程，使讀者對洪水風險圖有大致了解。

關(guān)鍵詞：風險；二維模型；淹沒狀況

隨著洪水位明顯偏高，大洪水顯著偏多，對社會、經(jīng)濟、環(huán)境影響日益嚴重，水災(zāi)害問題受到廣泛關(guān)注。為了減少洪水損失，需要進行防洪整治，目前國際上將防洪整治措施通常分為兩大類，一類是工程性措施，一類是非工程性措施。由于工程性措施花費高、建設(shè)困難、可能帶來未知的危險這些缺點，我們在預(yù)防洪水損失方面越來越多的注重非工程措施，它包括洪水預(yù)報、發(fā)布洪水警報、劃定泛洪區(qū)、洪水保險等措施。非工程性措施由于其費用小、作用大的特點被愈來愈多的使用。洪水風險圖作為非工程措施的基礎(chǔ)，是非常重要的環(huán)節(jié)。我們重點介紹文學和水力學法來繪制洪水風險圖的原理及過程。

1 洪水風險圖的概念

洪水風險是由于洪水影響因素眾多和人類對自然界認知的局限性，目前無法預(yù)知未來洪水發(fā)生的確切時間和真實過程。針對某一風險的洪水，分析和計算洪水淹沒的區(qū)域及相應(yīng)的經(jīng)濟損失，并按一定的規(guī)格在流域地形圖上描繪和標明便得出洪水風險圖。

因此可以定義，洪水風險圖是對可能發(fā)生的超標準洪水的洪水演進路線、到達時間、淹沒水深、淹沒范圍及流速大小等過程特征進行預(yù)測，以標示洪泛區(qū)內(nèi)各處受洪水災(zāi)害的危險程度的一種重要的防洪非工程措施。

2 洪水風險圖的意義

（1）根據(jù)洪水風險圖，防汛人員可對重大洪災(zāi)發(fā)生的原因和可能后果做到胸中有數(shù)，進行合理的水情調(diào)度，防患于未然。

（2）合理制定防洪指揮方案，避免臨危出亂，可以迅速作出正確搶險救災(zāi)方案，將洪水災(zāi)情減小到最低程度。

（3）合理確定需要避災(zāi)的對象，避災(zāi)的目的地及路線。

（4）合理評價各項防洪措施的經(jīng)濟效益。

（5）合理確定不同風險區(qū)域的不同防護標準。

（6）合理估計洪災(zāi)損失，為防洪保險提供依據(jù)

簡而言之洪水風險圖可以使人們更直觀地了解和認識到災(zāi)難性洪水發(fā)生后可能的水文后果和災(zāi)害損失概況。

3 用水文學和水力學法制圖過程

此法的主要過程主要有降雨分析、徑流分析和洪流分析三個過程。

1.降雨分析過程和徑流分析

（1）平均降雨量可由流域特性來確定，對于流域面積較大、測站較多、資料較齊全的地區(qū)，利用算術(shù)平均法、加權(quán)平均法、泰森多邊形法、等雨量線法來求。

（2）蒸發(fā)量計算：降雨經(jīng)過蒸發(fā)、土壤截留、填洼、下滲等損失過程才能形成凈雨。損失中主要計算蒸發(fā)量，可由三層蒸發(fā)模式計算，可得出每一層的蒸發(fā)量，降雨量減去蒸發(fā)量即為凈雨量，其中蒸發(fā)能力由測站測定。

（3）產(chǎn)流量計算：PE>0，則產(chǎn)流；否則不產(chǎn)流。產(chǎn)流時有，a=WMM（1-（1-W/WM）^（1/（b+1）），當PE+a=WMM有R=PE+W-WM。其中a為土壤含水量的最大值，WMM為 包氣帶最大含水量，W為總蓄水量，WM為總蓄水容量。

（4）概率分析是對平均降雨量進行排頻，可進行統(tǒng)一處理和分別處理，做出皮爾遜Ⅲ型曲線。由此曲線可以得到某一重現(xiàn)期的降雨量，即為設(shè)計洪水。

（5）雨量圖的繪制是對概率分析得出的降水量進行時間和空間的分配得出降雨量過程線，分配時遵循可能發(fā)生、最大發(fā)生、峰型集中、主峰偏后的對工程最不利的原則來分配。

（6）對于資料有限的地區(qū)，用點雨量作為面降雨量，不同頻率下對應(yīng)不同降雨量hp=kp*h，并求出每一時刻的降雨量，對1～6h有htp=h1p*t1-n2，對6h～24h有htp=h24p*24n3-1*t1-n3，再根據(jù)當?shù)氐乃氖謨?，可以求出每一時刻的降雨量，繪制雨量圖。

（7）由設(shè)計洪水過程線推求水位過程線，常用的水文學方法包括單位線法、等流時線

法、抵償河長法、馬斯京根法、調(diào)蓄演算法等。對于河網(wǎng)匯流或坡面漫流計算采用水力學方法比較合適，如一維非恒定流和二維非恒定流方法以及它們的簡化形式等。

2.洪流分析

洪流分析是用水文學和水力學法估算洪泛區(qū)淹沒狀況的最后階段。淹沒狀況主要指淹沒面積、深度和持續(xù)時間，我們可以徑流過程線估計。

（1）地貌特性和淹沒狀況：根據(jù)往年潰堤情況以及洪泛區(qū)的洪流受到流域地形地貌的影響，總結(jié)出來洪流的4種地形和對應(yīng)的淹沒類型：坡度較緩慢平原地區(qū)為擴散型淹沒，坡度較緩慢但存在攔蓄水利工程地區(qū)為攔蓄型，坡度中等地區(qū)為直線型，陡坡地區(qū)和峽谷地區(qū)為沿河型。下表為地貌和淹沒形式對應(yīng)表。

據(jù)此表可以根據(jù)當?shù)氐牡孛餐茰y洪流淹沒樣式，大致推測流向，為繪制洪水風險圖提供依據(jù)。

（2）洪流模型模擬概要

模擬洪流時，一維模型是洪泛區(qū)洪水穩(wěn)定定向流動時建立的模型，用一維水力學方法解決，河道非恒定流的水動力學模擬基于圣維南方程。由連續(xù)方程和動力學方程組成。我們在此基礎(chǔ)上也建立二維模型。與一維數(shù)學模型相比，二維數(shù)學模型能夠提供更加詳細的水情信息，隨著數(shù)值計算方法和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，二維水動力學模型已經(jīng)成為水利工程界分析河道洪水、潰堤洪水和潰壩洪水時的常用技術(shù)手段。通過二維洪流模型的建立，我們可以將洪水風險圖更加細化，使風險圖描述的更為我們所用。

一般水流都是不穩(wěn)定的，我們據(jù)此特性建立二維模型，其中包括加速項、慣性項、水面坡度項和摩阻項。鑒于用不穩(wěn)定流公式計算需要很長時間，并且在不同地區(qū)一些相對不重要的項影響很小，我們根據(jù)不同地區(qū)的洪流情況列出了洪流模擬中哪些項可以省略，哪些不可以省略。

其中×為不包含的項，√為包含的項，☆為近似處理的項。

4 洪水風險圖的內(nèi)容

（1）正文

（2）可能發(fā)生的淹沒地區(qū)圖：洪水風險圖采用大比例尺地形圖勾繪而成。在勾繪洪水淹沒范圍的邊界時，要考慮洪水的可能路徑，結(jié)合地形情況，如以公路、河堤、圩堤、高地等作為淹沒區(qū)邊界，最好在實地查勘后進行。對可能的淹沒區(qū)域，應(yīng)采用彩色編碼區(qū)，其顏色及深淺可以表示淹沒深度的變化，也可用數(shù)字標明淹沒深度。

（3）淹沒水位圖：把估算的水位標注在流域的各個斷面上，同時將實測記錄標在眾所周知的建筑物或電線桿上。

（4）沿程水位分布圖：顯示沿程水位分布圖，其中包括實際水位和估算水位。

（5）顯示淹沒水位的圖片，目的是警示人們，圖片上應(yīng)注明“詳細調(diào)查報告可以索取”。

（6）調(diào)查報告概要：應(yīng)刊登在市政當局印制的報紙上。

6 編語

目前洪水風險圖的使用越來越廣泛，但是由于模型誤差以及統(tǒng)計方法誤差的存在，洪水風險圖并不能完全預(yù)報出洪水淹沒面積、深度和持續(xù)時間，仍需要全國乃至全世界水利學者的深入研究。我們大學生不僅要學習前輩的知識經(jīng)驗，更要發(fā)揮自主創(chuàng)新能力，解決其中的誤差，更精確地預(yù)報可能發(fā)生的損失情況。

參考文獻

[1]洪水風險分析制圖實用指南/孫桂華，王善序，王金鑾，劉金平編譯.北京：水利水電出版社，1992.10

[2]治河與防洪/柳學振，佟名輝.北京：水利水電出版社，1991.5