平原河網(wǎng)地區(qū)洪澇風(fēng)險(xiǎn)快速分析方法研究

◎?yàn)蹙靶?盧嘉琪 劉國(guó)慶 范子武 楊帆 洪云飛

1.南京水利科學(xué)研究院；2.水利部太湖流域水治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院

1.引言

洪澇災(zāi)害是我國(guó)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害，全國(guó)大部分地區(qū)都不同程度受到洪水威脅[1]。減輕洪水災(zāi)害的措施包括工程措施和非工程措施，隨著治水工程建設(shè)，我國(guó)大江大河基本形成了完備的防洪工程體系，開展洪水預(yù)報(bào)、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制[2]、防洪工程調(diào)度研究、洪澇災(zāi)害防御指揮系統(tǒng)等非工程措施是當(dāng)前洪澇災(zāi)害防御的主要手段[3]。目前國(guó)內(nèi)已開展了重點(diǎn)保護(hù)區(qū)、洪泛區(qū)、城市及部分中小河流不同重現(xiàn)期的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，為防洪規(guī)劃、防洪工程建設(shè)、防汛搶險(xiǎn)、土地開發(fā)利用、提高全社會(huì)防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)等方面發(fā)揮了重要作用[4]。但是洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是反映特定洪水，特定方案情景下的洪水風(fēng)險(xiǎn)分布，區(qū)域內(nèi)雨情、水情和工情不斷變化，洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)隨之變化，因此開展實(shí)時(shí)洪水風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)分析對(duì)防汛應(yīng)急指揮更具有實(shí)際意義。

歷史水災(zāi)法、水文學(xué)法和水力學(xué)法[5]是洪水風(fēng)險(xiǎn)分析的主要方法。在數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)滿足前提下，推薦采用計(jì)算精度高的水力學(xué)方法開展洪水風(fēng)險(xiǎn)分析。在平原河網(wǎng)地區(qū)，由于地面高程均在河湖水位以下，為抵御洪水，城市內(nèi)已建成眾多圩區(qū)[6]。圩區(qū)在平原河網(wǎng)地區(qū)已成為區(qū)域重要防洪工程措施，人為的控制圩區(qū)內(nèi)外的水量交換，大大增加了平原圩區(qū)的水文過程的復(fù)雜性，此外平原河網(wǎng)地區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程高、工程眾多、河網(wǎng)密布，這些因素均增加了區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)分析的難度，采用一二維耦合的水力學(xué)模型模擬場(chǎng)次實(shí)況暴雨，模擬速度慢[7-8]，不能滿足防汛應(yīng)急管理需要，因此可快速模擬平原河網(wǎng)地區(qū)洪水淹沒的洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析模擬方法更具實(shí)際應(yīng)用意義。

平原河網(wǎng)地區(qū)洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析快速方法是在一維水文―水力學(xué)耦合模型模擬結(jié)果基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建平原河網(wǎng)地區(qū)河道水位與圩區(qū)內(nèi)部水位關(guān)系，從而進(jìn)行平原河網(wǎng)地區(qū)洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析。

2.平原河網(wǎng)區(qū)一維水文—水動(dòng)力學(xué)耦合模型

2.1 平原河網(wǎng)區(qū)水文模型

平原河網(wǎng)地區(qū)水文模型要考慮下墊面的多樣性，對(duì)流域面上的產(chǎn)流進(jìn)行模擬，即要模擬產(chǎn)流的時(shí)間和空間分布。平原河網(wǎng)地區(qū)匯流主要具有匯流歷時(shí)短，水面平緩，水流方向不定，閘泵工程多，人為影響因素多[8]。

構(gòu)建水文模型時(shí)，根據(jù)區(qū)域下墊面類型劃分為不同匯水單元，產(chǎn)流模型主要采用固定比例徑流模型與初期損失模型相結(jié)合、Green-Ampt模型兩種模型，匯流模型采用非線性水庫(kù)模型，把子流域作為非線性水庫(kù)處理從而實(shí)現(xiàn)匯流計(jì)算[10]。

2.2 平原河網(wǎng)區(qū)一維水動(dòng)力模型

平原河網(wǎng)區(qū)一維水動(dòng)力學(xué)模型采用圣維南基本方程組，此方程組是描述河流一維運(yùn)動(dòng)的漸變不恒定水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的偏微分方程組，其中包含連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程兩部分[11]。

圣維南方程組屬于擬一階線性雙曲型偏微分方程組，現(xiàn)有的數(shù)學(xué)理論目前還無(wú)法求出方程一般情況下的解析解，一般都采用數(shù)值方法進(jìn)行求解，該項(xiàng)目采用Preissmann隱式格式有限差分法進(jìn)行離散求解方程組。

3.平原河網(wǎng)地區(qū)洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析快速方法

通過一維水文―水動(dòng)力學(xué)模型模擬，可實(shí)現(xiàn)水文產(chǎn)匯流、一維河網(wǎng)水動(dòng)力、水利工程群調(diào)度模擬，計(jì)算得到河網(wǎng)水位，然后開展洪泛區(qū)二維淹沒。

3.1 計(jì)算原理

設(shè)圩區(qū)總面積AP，水面面積AW，地面面積AG，河道最高水位Zmax，地面每個(gè)網(wǎng)格高程Zi，地面的網(wǎng)格數(shù)量n，河道內(nèi)面積也按照地面網(wǎng)格切割為n份，此時(shí)該圩區(qū)第i條河流的等效淹沒水深為ih圩區(qū)水面率為rn=AW/AG。假設(shè)前提：河道在水面變化幅度范圍內(nèi)是垂直矩形上下；河道內(nèi)無(wú)堤防（和地面一致），河道水流可以流到任何比他水位低的堤防；每個(gè)網(wǎng)格面積均分；圩區(qū)和網(wǎng)內(nèi)水系相互連通水位最大值一致，河道內(nèi)需要流出到地面上的水量為：

將一維河網(wǎng)水位與圩區(qū)關(guān)聯(lián)，獲得圩區(qū)內(nèi)可代表圩區(qū)的河道控制水位，然后根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格高程，圩區(qū)水面率，結(jié)合GIS分析方法獲得各圩區(qū)網(wǎng)格淹沒水深，從而得到淹沒圖。

3.2 方法可行性分析

平原河網(wǎng)圩區(qū)二維淹沒快速分析方法基于一維水文-水動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果，可以得到圩區(qū)內(nèi)河網(wǎng)水位，這個(gè)水位是假若發(fā)生降雨，河道堤防不發(fā)生漫溢情況下河道的水位，現(xiàn)在要計(jì)算地面淹沒情況，即代表河道的水漫溢到地面的面積及水深情況，圩區(qū)內(nèi)堤防發(fā)生漫溢后最后結(jié)果是圩區(qū)內(nèi)河道內(nèi)外水位持平，根據(jù)水量平衡得到以上公式。此方法可以反映場(chǎng)次暴雨的產(chǎn)匯流過程以及河道演進(jìn)，然后又能快速計(jì)算區(qū)域淹沒分析。此方法既保留了水力學(xué)方法的高精度，又能解決快速計(jì)算洪泛區(qū)淹沒，可實(shí)現(xiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算二維淹沒的實(shí)時(shí)計(jì)算和分析。

4.江蘇太湖地區(qū)實(shí)況暴雨風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 區(qū)域概況及典型場(chǎng)次暴雨選取

太湖地區(qū)位于長(zhǎng)江三角洲核心地區(qū)，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、大中型城市最密集的地區(qū)之一，面積約為1.96萬(wàn)km2。研究區(qū)域?yàn)榻K省太湖地區(qū)包括湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽(yáng)澄淀泖區(qū)、杭嘉湖（蘇）四個(gè)水利分區(qū)。梅雨和臺(tái)風(fēng)暴雨是造成太湖地區(qū)洪澇災(zāi)害的主要原因，在特殊自然環(huán)境和高強(qiáng)度人類活動(dòng)的強(qiáng)烈影響下，存在圩區(qū)內(nèi)水循環(huán)復(fù)雜，過程機(jī)制不明確等問題。江蘇省太湖地區(qū)區(qū)域內(nèi)水系發(fā)達(dá)，根據(jù)水體流向大體可分為入長(zhǎng)江、入黃浦江、入太湖和內(nèi)部調(diào)節(jié)河道四類。區(qū)域閘泵工程和圩區(qū)眾多，區(qū)域防洪工程主要包括長(zhǎng)江沿線工程、南排太湖工程、城市防洪工程、水庫(kù)控制工程和區(qū)域骨干工程，區(qū)域萬(wàn)畝以上圩區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)基本達(dá)到50年一遇，主城區(qū)基本達(dá)到200年一遇的標(biāo)準(zhǔn)。

通過分析2020年汛期降雨數(shù)據(jù)得到各站點(diǎn)日降雨量，以日降雨量最大的站點(diǎn)為代表站，計(jì)算該站點(diǎn)前后幾日連續(xù)降雨同時(shí)降雨量總和最大的一段時(shí)間為模擬場(chǎng)次實(shí)況洪水，選擇7月12日0:00-7月20日18:00的場(chǎng)次暴雨開展洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析。7月15日多處降雨等級(jí)超過100mm，達(dá)到此次降雨峰值，具體分布見圖1。

圖1 7月15日降雨分布圖

4.2 太湖地區(qū)一維水文-水動(dòng)力河網(wǎng)模型

4.2.1 模型構(gòu)建與邊界

模型模擬邊界西至太湖流域邊界，北至長(zhǎng)江，南至太湖，東至黃浦江，面積為2.16萬(wàn)km2。根據(jù)2020年實(shí)況暴雨工程調(diào)度資料、圩區(qū)、河道、下墊面等基礎(chǔ)資料，構(gòu)建一維河網(wǎng)模型，模型包括望虞河、蘇南運(yùn)河、錫澄運(yùn)河等8751個(gè)河段，設(shè)置湖泊、水庫(kù)調(diào)蓄點(diǎn)136個(gè)，構(gòu)建水閘1145座、泵站760座、圩區(qū)1109個(gè)，邊界控制點(diǎn)84個(gè)，該模型為水文-水動(dòng)力一體化模型，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域產(chǎn)匯流與河網(wǎng)模擬。

模型計(jì)算上邊界為區(qū)域內(nèi)雨量站實(shí)況降雨，太湖地區(qū)各片區(qū)實(shí)況暴雨雨量值見圖2。太湖地區(qū)各水位初始邊界為實(shí)況暴雨發(fā)生時(shí)河網(wǎng)水位，各代表站點(diǎn)潮位過程見圖3。工程調(diào)度邊界為實(shí)況暴雨發(fā)生時(shí)排江、排湖工程與圩區(qū)排澇實(shí)際工程調(diào)度規(guī)則。

圖2 太湖地區(qū)實(shí)況暴雨典型站點(diǎn)降雨過程圖

圖3 太湖地區(qū)實(shí)況水位過程

4.2.2 模型驗(yàn)證

分析修改后模型是否能通過率定驗(yàn)證，采用Nash-Sutcliffe系數(shù)NSE和相關(guān)系數(shù)R2對(duì)模型有效性進(jìn)行評(píng)定。Nash-Sutcliffe系數(shù)良好反映模擬計(jì)算值系列與實(shí)測(cè)系列數(shù)量級(jí)近似程度，相關(guān)系數(shù)可以分析出模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)系列吻合程度。根據(jù)2020年7月12日-7月20日時(shí)段數(shù)據(jù)驗(yàn)證，參選分布均勻的內(nèi)部檢測(cè)斷面，即湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽(yáng)澄淀泖區(qū)三個(gè)分區(qū)均選擇典型監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行率定驗(yàn)證，共計(jì)17個(gè)。

從率定結(jié)果（表1、圖4）可以看出，多數(shù)納什系數(shù)大于0.9，接近1，模型模擬結(jié)果較好，模擬水位與實(shí)測(cè)水位趨于一致，城市水位誤差控制在0.02m以內(nèi)，相關(guān)系數(shù)高，模型總體結(jié)果可信。

表1 部分站點(diǎn)率定結(jié)果分析表

圖4 部分監(jiān)測(cè)斷面驗(yàn)證結(jié)果

4.3 淹沒風(fēng)險(xiǎn)分析

在一維河網(wǎng)計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上得到太湖地區(qū)圩區(qū)控制水位，然后采用洪水風(fēng)險(xiǎn)分析二維淹沒快速分析方法，計(jì)算得到太湖地區(qū)場(chǎng)次暴雨發(fā)生情況下淹沒水深和淹沒面積，具體結(jié)果見表2。

表2 2020年“7/12.7/20”實(shí)況暴雨洪水風(fēng)險(xiǎn)要素結(jié)果表

將2020年“7.12-7.20”實(shí)況暴雨洪水淹沒情況與太湖地區(qū)分布圖進(jìn)行疊加，統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域淹沒情況，太湖地區(qū)總受淹面積1346.02km2，受淹沒影響較大的市區(qū)主要有常州市的栗陽(yáng)市城區(qū)、金壇區(qū)、武進(jìn)區(qū)，宜興市城區(qū)，揚(yáng)中市城區(qū)，無(wú)錫市的惠山區(qū)、張家港市、梁溪區(qū)，蘇州市的常熟市城區(qū)、相城區(qū)、昆山市和吳江區(qū)?？傮w受淹圩區(qū)783個(gè)，其中湖西區(qū)受淹圩區(qū)258個(gè)，武澄錫虞區(qū)受淹圩區(qū)129個(gè)：陽(yáng)澄淀泖區(qū)受淹圩區(qū)396個(gè)，其中橫南聯(lián)圩、鎮(zhèn)區(qū)聯(lián)圩、月字圩、徐家漾聯(lián)圩、五一北聯(lián)圩等圩區(qū)淹沒深度較大。淹沒水深主要集中在0.05～0.3m這個(gè)范圍區(qū)間內(nèi)，占77%，各片區(qū)受淹水深大于2m的面積非常少，僅占0.004%。

4.4 合理性分析

從水位、水量平衡兩方面對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性分析。選取三個(gè)分區(qū)的典型水位站點(diǎn)，將模擬計(jì)算的最高水位值和實(shí)測(cè)水位值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表3。得到相對(duì)誤差均值為2.36%，總體計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為接近，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

表3 典型站點(diǎn)計(jì)算最高水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比表

根據(jù)方案所選，太湖地區(qū)入流整體來源為降雨產(chǎn)流，并向長(zhǎng)江、太湖、黃浦江匯入，部分通過自身調(diào)蓄作用滯留。對(duì)2020年“7月12日-7月20日”太湖地區(qū)實(shí)況暴雨進(jìn)行平衡計(jì)算，水量平衡結(jié)果見表4，分析表明：太湖地區(qū)降雨產(chǎn)流的總水量中64.59%北排長(zhǎng)江、12.78%向南排入太湖、16.07%向下游排入黃浦江、6.56%由內(nèi)部河道調(diào)蓄，整體水量平衡。

表4 2020年“7/12.7/20”太湖地區(qū)實(shí)況暴雨水量分配表

5.結(jié)論

采用一二維耦合水力學(xué)方法計(jì)算的洪泛區(qū)洪水淹沒要素計(jì)算1天達(dá)數(shù)小時(shí)，平原河網(wǎng)區(qū)淹沒分析計(jì)算更是因?yàn)殚l泵工程多、河道數(shù)量多，洪水淹沒分析計(jì)算時(shí)長(zhǎng)更長(zhǎng)，不能滿足洪澇風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)計(jì)算和應(yīng)用的要求。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者也在研究洪水風(fēng)險(xiǎn)淹沒快速計(jì)算方法，遙感影像解譯方法多用在洪災(zāi)后評(píng)估中，基于元胞自動(dòng)機(jī)思想的建模方法目前還在發(fā)展的初步階段。平原河網(wǎng)地區(qū)洪澇風(fēng)險(xiǎn)快速分析方法是水力學(xué)與GIS分析相結(jié)合的快速計(jì)算地區(qū)淹沒范圍的方法，該方法精度高，速度快，可為洪災(zāi)預(yù)測(cè)、防汛應(yīng)急管理提供技術(shù)支撐。