洛陽市洪水演進數(shù)值模擬及風險分析

楊雪菲，楊 帆，靳潤芳，徐 梁

（洛陽水利勘測設計有限責任公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

洪水風險管理是我國防洪減災的重要基礎，在防洪規(guī)劃、防洪減災工程、非工程措施部署、國土資源管理等方面都具有重要作用。制作洪水風險圖評價洪水風險，需采用可靠的信息，選擇科學的方法，建立可靠而高效的模型[1-2]。建立研究區(qū)域的洪水演進水動力模型是洪水風險分析計算的基礎，根據(jù)洪水分析得到的淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等要素，結合淹沒區(qū)社會經(jīng)濟情況分析評估洪水影響。本文系統(tǒng)應用一維、二維及管網(wǎng)模型研究洛陽市區(qū)洪水風險。

1 區(qū)域概況

洛陽位于河南西部、黃河中游，總面積1.52 萬km2，其中市區(qū)面積803 km2，總人口717.02 萬，其中市區(qū)人口230.95 萬，常住人口城鎮(zhèn)化率59.1%。洛陽市城市地位顯著，需建立國家級安全城市，尤其以保證洪水安全為重。流經(jīng)洛陽市城區(qū)內(nèi)的河流有伊河、洛河、澗河、瀍河。伊、洛、澗、瀍河穿過市區(qū)。洛陽市河流水系圖見圖1。

圖1 洛陽市中心城區(qū)水系及一維模型范圍

2 模型建立

2.1 河道一維模型構建

采用Mike11 模型計算市區(qū)內(nèi)河洪水演進，通過側向連接以及設置側堰公式計算，模擬堤防漫溢情況下，一維和二維模型水量交換。一維模型建模對象包括洛河、伊河、甘水河、澗河、瀍河5 條河流，以及邙山渠、中州渠、南城壕、鐵路防洪渠、大明渠、秦嶺防洪渠、新區(qū)西干渠、東干渠、伊濱區(qū)安瀾街排澇渠、開拓大道排澇渠共10 條市區(qū)內(nèi)排澇渠。一維模型建模范圍見圖1。

2.2 地面二維模型構建

地面二維模型采用Mike21 模型。二維模型計算范圍包括洛陽市澗西區(qū)、西工區(qū)、老城區(qū)、瀍河回族區(qū)、洛龍區(qū)5 個區(qū)計算范圍見圖2。

圖2 洛陽市二維模型計算范圍

二維水力學模型中，采用規(guī)則網(wǎng)格或不規(guī)則網(wǎng)格，對于規(guī)則網(wǎng)格，邊長不宜超過300 m，對于不規(guī)則網(wǎng)格，最大網(wǎng)格面積不宜超過0.1 km2，重要地區(qū)、地形變化較大部分的計算網(wǎng)格要適當加密。城市洪水分析的計算網(wǎng)格一般控制在0.05 km2以下。

2.3 地下管網(wǎng)模型構建

地下管網(wǎng)模型采用MikeUrban模型。MikeUrban模型是基于地理信息系統(tǒng)的用于模擬城市給排水管網(wǎng)系統(tǒng)的建模軟件，可以用于模擬城市排水區(qū)的地表雨水徑流、水質(zhì)變化和泥沙運動等，能夠勝任模擬復雜的自由水面流和管道壓力流的地下管網(wǎng)系統(tǒng)。整個排水管網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)模擬能夠劃分為兩個步驟：降雨徑流模塊和管網(wǎng)水力模塊。其中，降雨徑流模塊的輸出結果是后者的上邊界條件。

城市管網(wǎng)包括地下雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)等，污水管網(wǎng)一般不參與城市排澇，本次暫不考慮。因此，管網(wǎng)模型構建采用本次收集的572條雨水干管，見圖3。

圖3 雨水管網(wǎng)分布圖

2.4 模型耦合及邊界處理

城市內(nèi)河洪水漫溢或決口后，河道洪水流入市區(qū)，部分通過雨水口或檢查井進入地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)；暴雨在城市地表形成徑流，部分雨水直接流入河道，大部分通過雨水口或人工口進入地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)然后排入河道。為準確描述河道一維、地面二維、地下管網(wǎng)模型間的互相影響，需建立河道一維、地面二維和地下管網(wǎng)耦合模型。市區(qū)二維模型和內(nèi)河一維模型的河道兩岸進行側向耦合，一維模型和地下管網(wǎng)模型排水口進行耦合，地下管網(wǎng)模型檢查井和相應的二維模型計算網(wǎng)格耦合，見圖4。耦合采用Mike Flood實現(xiàn)，見圖5。

圖4 數(shù)學模型耦合方案

圖5 模型耦合示意圖

3 模型計算成果

暴雨洪水期間，雨水首先在地面填洼和下滲，滿足產(chǎn)流條件（蓄滿或超滲產(chǎn)流）后，在地表形成徑流，地表徑流一部分通過地面漫流排入河道，另一部分經(jīng)過集水井進入地下管道后排入河道，組合內(nèi)河上游洪水，經(jīng)市區(qū)排入河道。若暴雨強度超出市區(qū)排澇能力，暴雨將在地面積水，形成內(nèi)澇；若河道洪水超出河道行洪能力，洪水將漫過堤防或造成堤防決口進入市區(qū)。洛陽市區(qū)暴雨洪水輸移過程示意圖見圖6。

圖6 洛陽市區(qū)暴雨洪水輸移過程示意圖

3.1 暴雨內(nèi)澇方案結果

對暴雨內(nèi)澇方案，計算了20 年一遇頻率內(nèi)澇洪水，從1 h、2 h、6 h和12 h等4 個歷時凈雨分析市區(qū)淹沒過程。1 h、6 h和12 h等4 個時段市區(qū)淹沒過程見圖7～圖9。

圖7 洛陽市區(qū)20 年一遇1 h 水深分布圖

圖8 洛陽市區(qū)20 年一遇6 h 水深分布圖

圖9 洛陽市區(qū)20 年一遇12 h 水深分布圖

（1）1 h淹沒情況

降雨歷時1 h，總降雨量56.9 mm。水深小于0.3 m的區(qū)域面積達到13.9 km2。水深大于0.3 m的區(qū)域面積很小，為0.4 km2。中州西路、建設路、凱旋路沿線區(qū)域，古城快速路、東環(huán)路、王城大道合圍區(qū)域，積水淹沒情況較多。

（2）6 h淹沒情況

降雨歷時6 h，累計降雨量為81.6 mm，隨著降雨的進行，水深小于0.3 m的區(qū)域進一步擴大，達到18 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的區(qū)域面積增大，達到1.4 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的區(qū)域面積減小，達到1.5 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區(qū)域面積增大，達到4.3 km2。中心城區(qū)地勢低洼的區(qū)域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒，一般在0.8 m左右。

（3）12 h 淹沒情況

降雨歷時12 h，累計降雨量為90.0 mm。水深大于0.3 m的區(qū)域面積進一步增加，達到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的區(qū)域面積減小，達到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m 的區(qū)域面積增大小，達到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區(qū)域面積增大，達到4.8 km2。水深大于2.0 m、小于3.0 m的區(qū)域面積增大，達到3.1 km2。中心城區(qū)地勢低洼的區(qū)域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒，一般在1 m左右。

3.2 漫溢方案結果

對漫溢方案，計算了50 年一遇頻率洪水。經(jīng)過計算，洛陽市內(nèi)河道在50 年一遇上游來水情況下無漫溢發(fā)生，因此對漫溢方案，分別從1 h、6 h 和12 h 等4 個時段分析市區(qū)淹沒過程即可。見圖10～圖12。

圖10 洛陽市區(qū)50年一遇1 h水深分布圖

圖11 洛陽市區(qū)50年一遇1 h水深分布圖

圖12 洛陽市區(qū)50年一遇12 h水深分布圖

（1）1 h淹沒情況

降雨歷時1 h，總降雨量66.1 mm。水深大于0.3 m的區(qū)域面積進一步增加，達到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的區(qū)域面積減小，達到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的區(qū)域面積增大小，達到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區(qū)域面積增大，達到4.8 km2。

水深大于2.0 m、小于3.0 m 的區(qū)域面積增大，達到3.1 km2。中心城區(qū)地勢低洼的區(qū)域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒，一般在1 m 左右。

（2）6 h 淹沒情況

降雨歷時6 h，累計降雨量為94.9 mm。水深大于0.3 m 的區(qū)域面積進一步增加，達到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m 的區(qū)域面積減小，達到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的區(qū)域面積增大小，達到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區(qū)域面積增大，達到4.8 km2。水深大于2.0 m、小于3.0 m 的區(qū)域面積增大，達到3.1 km2。中心城區(qū)地勢低洼的區(qū)域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒，一般在1.1 m 左右。

（3）12 h 淹沒情況

降雨歷時12 h，累計降雨量為104.6 mm。水深大于0.3 m的區(qū)域面積進一步增加，達到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的區(qū)域面積減小，達到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的區(qū)域面積增大小，達到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區(qū)域面積增大，達到4.8 km2。水深大于2.0 m、小于3.0 m 的區(qū)域面積增大，達到3.1 km2。中心城區(qū)地勢低洼的區(qū)域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒，一般在1.2 m左右。

4 結論

（1）不同方案下水深大于0.05 m的最大淹沒區(qū)面積為119.4 km2，淹沒農(nóng)田面積796.0 hm2，淹沒居民地面積3980.0 萬m2，受影響公路長度930.0 km，受影響鐵路長度6.2 km，受影響重點單位598 個，受影響人口總數(shù)101.6 萬人。

（2）從水深等級分布上看，受影響的地物約57%分布在0.05 m～0.3 m的水深范圍內(nèi)，符合城市內(nèi)澇洪水的特性，并隨著水深的分布的增加，受影響的地物隨之減少，符合洪災影響的一般規(guī)律。

（3）從受影響對象所在的行政區(qū)來看，洛龍區(qū)受影響面積占轄區(qū)面積比例最大，約為31%，瀍河回族區(qū)最小，約為13%。

（4）同等條件下，淹沒面積、淹沒農(nóng)田面積、淹沒房屋面積、受影響公路長度、受影響鐵路長度、受影響人口總數(shù)各項隨著洪水重現(xiàn)期的增大而增加，符合一般規(guī)律。