白馬湖片防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制研究

楊萬紅 劉雪琴

（作者單位：江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 225127）

一、引言

我國水利工程經(jīng)過長期建設(shè)，已形成了較為完善的防洪減災(zāi)體系，發(fā)揮了巨大作用，但洪水風(fēng)險(xiǎn)管理滯后于防洪工程建設(shè)，現(xiàn)有洪水風(fēng)險(xiǎn)管理能力與社會(huì)日漸提高的防洪安全保障需求的矛盾仍然突出。制定洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是在歷史水災(zāi)調(diào)查基礎(chǔ)上，運(yùn)用水文學(xué)、水力學(xué)等進(jìn)行洪水淹沒分析，并將分析成果疊加到專題地圖上，能夠反映某一區(qū)域在不同來源、不同頻率的洪水發(fā)生時(shí)，可能遭受洪水淹沒的范圍和災(zāi)害程度，是重要的非工程防洪減災(zāi)措施之一，可為合理布置防洪工程、科學(xué)管理洪泛區(qū)和指導(dǎo)防汛搶險(xiǎn)、避洪轉(zhuǎn)移、土地利用規(guī)劃等工作提供決策依據(jù)。

隨著高新技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，洪水淹沒分析方法經(jīng)歷了從通過收集歷史洪災(zāi)調(diào)查資料勾畫洪水淹沒范圍，到采用水文學(xué)和水力學(xué)方法建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行演算并繪制風(fēng)險(xiǎn)圖的過程。白馬湖片為坡地排水區(qū)、抽排圩區(qū)和混合排水區(qū)，合理模擬產(chǎn)匯流和洪水演進(jìn)過程，編制該區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，對于有效提高防洪減災(zāi)能力，加強(qiáng)洪水風(fēng)險(xiǎn)管控具有重要意義。研究利用MIKE 系列軟件建立一、二維耦合模型，根據(jù)白馬湖實(shí)測水位、出湖流量資料和坡地設(shè)計(jì)洪水、圩區(qū)泵站實(shí)際運(yùn)行過程，合理率定平原地區(qū)NAM（降雨徑流）模型主要參數(shù)，準(zhǔn)確反映了白馬湖片坡地、圩區(qū)、混合區(qū)的排水特點(diǎn)和洪水演進(jìn)過程，確保了洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制成果的準(zhǔn)確性、合理性。

二、防洪保護(hù)區(qū)概況

白馬湖片防洪保護(hù)區(qū)位于洪澤湖大堤以東、蘇北灌溉總渠以南、里運(yùn)河以西、老三河和S331 省道以北，面積為1091km2。該區(qū)域降水量年內(nèi)分配不均，汛期6～9月降雨量約占全年的70%。白馬湖是區(qū)域洪水的調(diào)蓄湖泊，總面積113.4km2，汛限水位6.8m，相應(yīng)庫容1.40 億m3；設(shè)計(jì)排澇水位7.50m，相應(yīng)庫容2.16 億m3；設(shè)計(jì)防洪水位8.00m，相應(yīng)庫容2.71 億m3，防洪庫容1.31 億m3。白馬湖主要入湖河道有草澤河、潯河、望良河、花河等，主要在白馬湖西側(cè)，主要出湖河道有新河、運(yùn)西河、阮橋河等，出湖口門分別為淮安站、北運(yùn)西閘、阮橋閘。

白馬湖是區(qū)域洪澇的調(diào)蓄湖泊，區(qū)域暴雨與上游洪水經(jīng)常遭遇，由于地勢低洼，受四面高水圍困，澇水外排出路不暢，洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，新中國成立以來1954年、1956年、1974年、1984年、1987年、1991年、2003年、2006年、2007年洪澇都造成了較大災(zāi)害損失。

三、洪水分析模型

研究利用MIKE 11、MIKE 21、MIKE FLOOD 等系列軟件建立洪水分析模型并進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合雨量站分布和水系特點(diǎn)，在NAM 模型中把保護(hù)區(qū)劃分為11 個(gè)子流域，分別建立降雨徑流模型，模擬子流域的產(chǎn)匯流過程。

1.模型構(gòu)建

根據(jù)原始地形資料生成地形DEM，然后把DEM 導(dǎo)入MIKE Zero，構(gòu)建三角網(wǎng)格。對于一些因地形原因生成的面積太小或角度太小等不規(guī)則三角網(wǎng)格，利用MIKE Zero 對其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，網(wǎng)格總數(shù)為52485 個(gè)（含白馬湖湖區(qū)）。

由于白馬湖片防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)的河網(wǎng)溝渠縱橫交錯(cuò)、水系復(fù)雜，該研究用于建模的河道（河段）總數(shù)達(dá)272條（段），斷面總數(shù)為1717 個(gè)。MIKE 21 模型中采用概化的擋水構(gòu)筑物來模擬保護(hù)區(qū)內(nèi)高于地面0.5m 以上的道路、堤防等。

2.模型參數(shù)率定

模型參數(shù)主要包括NAM 降雨徑流模型參數(shù)和河道糙率。由于白馬湖片入湖河道沒有流量監(jiān)測站，部分相鄰子流域之間河道相通，子流域匯水范圍隨水情和工情不同而變化，且該區(qū)域有坡地自流、圩區(qū)抽排和混合排水，為了準(zhǔn)確模擬區(qū)域產(chǎn)匯流過程，在模型中適當(dāng)增加圩區(qū)內(nèi)部的有關(guān)排澇溝，排澇站根據(jù)運(yùn)行辦法和排澇站前水位進(jìn)行控制，并按照排澇站位置和流量匯入圩外河道。由于各入湖河道的匯水區(qū)面積較小，選取典型區(qū)域利用經(jīng)過驗(yàn)證的公式計(jì)算結(jié)果對NAM模型參數(shù)進(jìn)行率定，合理地模擬入湖流量過程。根據(jù)入湖流量、出湖流量過程，計(jì)算白馬湖山陽站水位，將計(jì)算水位與實(shí)測水位進(jìn)行對比，反復(fù)調(diào)整NAM 模型相關(guān)參數(shù)，直至水位差小于允許值，且計(jì)算水位過程與實(shí)測過程一致為止。

為確保NAM 參數(shù)的準(zhǔn)確性、合理性和適應(yīng)性，選取兼有三種匯水區(qū)的草澤河片，按照其理論公式計(jì)算的洪水過程，先對NAM 模型的部分參數(shù)進(jìn)行初步調(diào)試，與水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)和實(shí)際排水狀況相適應(yīng)，減少調(diào)試的難度和工作量，流量對比如圖1所示。

圖1 20年一遇NAM 參數(shù)調(diào)試流量對比圖

圖2 2003年實(shí)測水位與計(jì)算水位對比圖

圖3 2006年白馬湖實(shí)測水位與計(jì)算水位對比圖

圖4 2007年白馬湖水位實(shí)測值與計(jì)算值對比圖

在初步確定主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取典型年實(shí)測資料對NAM 模型參數(shù)進(jìn)行最終率定，客觀反映各條入湖河道的入湖流量過程。為了減小初始條件等對計(jì)算成果的影響，本研究選用資料較全且有代表性的完整次降雨過程進(jìn)行模擬計(jì)算，選取2003年7月8日至17日（10 天）、2006年6月30日至7月7日（8 天）進(jìn)行參數(shù)率定，選取2007年7月6日至13日（8 天）進(jìn)行模型驗(yàn)證。率定時(shí)先把白馬湖的初始水位分別設(shè)置為2003年7月8日、2006年6月30日的實(shí)測水位6.95m、6.76m，然后將計(jì)算時(shí)段內(nèi)的實(shí)測降雨量、出湖流量導(dǎo)入模型進(jìn)行調(diào)試計(jì)算，當(dāng)計(jì)算山陽站水位和實(shí)測水位一致時(shí)，確定模型參數(shù)。水位對比見圖2、圖3。

根據(jù)對比，計(jì)算的白馬湖山陽站最高水位與2003年、2006年實(shí)測水位相近，水位變化過程基本一致，最高洪水位到達(dá)時(shí)間相同，最大差值分別為0.16m、0.11m，小于允許值0.2m，表明調(diào)試參數(shù)合理、準(zhǔn)確。一維河道糙率結(jié)合以往區(qū)域內(nèi)河道設(shè)計(jì)采用的糙率，在MIKE 11 河網(wǎng)模型中對河道糙率進(jìn)行了概化處理，根據(jù)率定結(jié)果，糙率一般為0.0225，局部河段糙率略有調(diào)整，最小值為0.022，最大值為0.03。

3.模型驗(yàn)證

選取2007年作為典型年對模型進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，白馬湖山陽站計(jì)算水位與2007年實(shí)測水位相近，水位變化過程基本一致、最高洪水位到達(dá)時(shí)間相同，最大水位差為0.10m，小于允許值0.2m（見圖4），參數(shù)和模型與實(shí)際情況基本相符，可以用該模型對白馬湖片防洪保護(hù)區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行各種工況的模擬計(jì)算。

四、研究成果與分析

白馬湖片防洪保護(hù)區(qū)的外河洪水有洪澤湖、入江水道三河段、灌溉總渠、高郵湖和里運(yùn)河潰堤洪水，內(nèi)河洪水主要為白馬湖潰堤洪水。洪水風(fēng)險(xiǎn)模擬計(jì)算方案共34 個(gè)，其中外河洪水12 個(gè)，內(nèi)河洪水15 個(gè)，暴雨內(nèi)澇4 個(gè)，實(shí)況年3 個(gè)。實(shí)況年2003年、2006年、2007年實(shí)際淹沒面積分別為68.72 萬畝、80.59 萬畝、52.30 萬畝，模擬計(jì)算淹沒面積分別為63.65 萬畝、81.12 萬畝、51.22 萬畝，相對誤差率分別為7.38%、0.66%、2.07%，均符合洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則要求，證明了洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制成果的準(zhǔn)確性、合理性。

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制成果表明，洪澤湖水位高、水量大、歷時(shí)長，洪澤湖潰堤，除洪澤湖、灌溉總渠和入江水道堤防、局部高地外全部淹沒，淹沒該區(qū)域面積為1066km2，占總面積的98%，最大淹沒水深大于5m，淹沒范圍大，淹沒水深大，淹沒歷時(shí)長，影響人口多，淹沒損失大，是白馬湖片最大的洪水威脅。入江水道、高郵湖潰堤，寶應(yīng)湖及周邊低洼區(qū)全部淹沒，白馬湖西南、南部和東部低洼區(qū)大部分被淹沒，其他區(qū)域基本沒有淹沒風(fēng)險(xiǎn)，淹沒面積155～189km2，最大淹沒水深為3.5m，淹沒范圍、淹沒水深較大，歷時(shí)較長，影響人口較多，淹沒損失較大。灌溉總渠、里運(yùn)河、白馬湖潰堤，淹沒范圍主要集中在潰口下游的圩區(qū)，淹沒面積、水深與潰口所在圩區(qū)的面積、地形密切相關(guān)，淹沒面積小，淹沒水深小。

在洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型和編制成果的基礎(chǔ)上，開發(fā)完成了基于B/S 架構(gòu)的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)和實(shí)時(shí)洪澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，既可查詢展示已有風(fēng)險(xiǎn)圖成果，也可依據(jù)實(shí)時(shí)水情、雨情、工情和未來預(yù)報(bào)雨量，通過遠(yuǎn)程操作實(shí)時(shí)重置邊界條件進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)模擬計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)圖繪制和洪水演進(jìn)動(dòng)態(tài)展示，實(shí)現(xiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警。

五、結(jié)論

根據(jù)白馬湖片防洪保護(hù)區(qū)水利特點(diǎn)，將其匯水區(qū)劃分為11 個(gè)子流域，利用NAM 模型分別建立降雨徑流模型，模擬子流域的產(chǎn)匯流過程，選擇代表性子流域，根據(jù)其設(shè)計(jì)洪水和白馬湖出湖流量、山陽站水位，經(jīng)多次調(diào)試、率定和驗(yàn)證后的模型，能夠客觀、合理模擬坡地匯水區(qū)、抽排圩區(qū)和混合排水區(qū)的產(chǎn)匯流特性和入湖流量過程。

研究成果表明，洪澤湖潰堤，除洪澤湖、灌溉總渠和入江水道堤防、局部高地外全部淹沒，是白馬湖片最大的洪水威脅；入江水道、高郵湖潰堤，寶應(yīng)湖及周邊低洼區(qū)全部淹沒，白馬湖西南、南部和東部低洼區(qū)大部分被淹沒，其他區(qū)域基本沒有淹沒風(fēng)險(xiǎn)；灌溉總渠、里運(yùn)河、白馬湖潰堤淹沒范圍主要集中在潰口下游的圩區(qū)，淹沒面積小，淹沒水深小。

在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制基礎(chǔ)上，研發(fā)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)和實(shí)時(shí)洪澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)水情信息，遠(yuǎn)程操作重置邊界條件進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)模擬計(jì)算并實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警，對于白馬湖片防洪減災(zāi)具有重要意義。今后應(yīng)根據(jù)實(shí)際雨情、工情和險(xiǎn)情，進(jìn)一步完善洪澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警。本研究成果可為其他類似地區(qū)洪水模擬計(jì)算方法、風(fēng)險(xiǎn)圖繪制、風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)和洪澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)提供技術(shù)參考■