城市堤防漫決模擬

鮑建華

摘要 洪水災(zāi)害是我國(guó)城市中發(fā)生較為頻繁且破壞性較大的自然災(zāi)害之一，阻礙城市可持續(xù)發(fā)展。針對(duì)已有研究中設(shè)定堤防一點(diǎn)漫決堤情景模擬方法較為單一的缺點(diǎn)，提出多點(diǎn)堤防漫決堤洪水演進(jìn)方法。以哈爾濱市松北區(qū)為實(shí)證研究區(qū)，以水動(dòng)力學(xué)方法為基礎(chǔ)，以不規(guī)則網(wǎng)格為洪水災(zāi)害數(shù)值模型骨架，以一、二維非恒定流為洪水災(zāi)害數(shù)值模型控制方程，綜合構(gòu)建堤防多點(diǎn)同時(shí)漫決堤情景下洪水演進(jìn)模型，并對(duì)研究區(qū)不同洪水頻率情景進(jìn)行模擬。研究結(jié)果表明，該方法可以較好地模擬多點(diǎn)破堤情景下，即0.5%頻率、1%頻率、2%頻率的洪水演進(jìn)及疊加效果，其中當(dāng)破堤1 h后研究區(qū)最大淹沒(méi)水深可達(dá)3 m以上，同時(shí)利用GIS空間可視化技術(shù)對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行可視化表達(dá)，為防洪規(guī)劃設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞 洪災(zāi);危險(xiǎn)性評(píng)價(jià);漫決堤;松北區(qū);情景模擬

中圖分類號(hào)：X4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2019）06-033-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.06.013

Simulation and Empirical Study of MultiPoint Overflow Dike of Urban Embankment：Taking Songbei District in Harbin as an Example

BAO Jian-hua （College of Tourism and Geographical Science，Jilin Normal University，Siping，Jilin136000）

Abstract Flood disaster is one of the most frequent and destructive natural disasters in Chinese cities.In view of the shortcoming of the scenario simulation method of setting a point overburst in the study，a multipoint embankment flood evolution method was proposed. Based on the hydrodynamic method，with irregular grid as the model skeleton and unsteady flow as the model governing equation，the flood evolution model under the situation of multipoint levee overrunning and bursting at the same time was constructed comprehensively，and the different flood frequency scenarios in the study area were simulated. The results showed that this method could well simulate the flood evolution and superposition results of 0.5%，1% and 2% frequency in the case of multipoint dike breaking，in which the maximum submerged depth of the research area could reach more than 3 m after 1 h of dike breaking. Meanwhile，GIS spatialvisualization technology was used to visualize the research results. The research results can provide decision basis for flood control planning and designing.

Key words Flood;Risk assessment;Flood burst its banks; Songbei District; Scenario simulation

目前，基于水動(dòng)力學(xué)方法的洪水?dāng)?shù)值模擬研究是洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性分析的主要途徑。國(guó)外Liang等[1]采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)方式，整合一、二維水動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性模擬;Bladee等[2]、Morales-Hemandez等[3]基于有限體積法分別構(gòu)建一、二維水動(dòng)力學(xué)模型，并提出基于數(shù)值通量的方式將二者進(jìn)行耦合。隨著有限差分法的廣泛應(yīng)用，Lai等[4]提出了適合大尺度水動(dòng)力模擬的一、二維耦合模型，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)江流域洪水演進(jìn)模擬。我國(guó)一些學(xué)者依據(jù)一、二維水動(dòng)力學(xué)模型耦合[5-6]，采用重疊計(jì)算區(qū)域法[7-8]、邊界迭代法[9]、基于堰流公式[10]的水量守恒法及基于數(shù)值通量的水量與動(dòng)量守恒方法進(jìn)行求解。重疊計(jì)算區(qū)域法要求上下游同時(shí)采用一、二維模型耦合聯(lián)解，且滿足水位相等、進(jìn)出流量相等的限制條件;堰流公式法需要滿足水量守恒且水力傳遞關(guān)系需合理;邊界迭代法在進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬時(shí)，需要注意邊界的設(shè)定及與外界水量交換過(guò)程。已有洪水演進(jìn)模擬成果多假設(shè)一點(diǎn)破堤的情況[11-12]，難以滿足實(shí)際需要。

針對(duì)上述問(wèn)題，采用有限體積法求解一、二維非恒定流耦合洪水演進(jìn)模型;引入不規(guī)則矢量網(wǎng)格解決動(dòng)量交換、不規(guī)則潰口、堰流公式流量系數(shù)選取不確定性等問(wèn)題。不規(guī)則網(wǎng)格能夠較好反映地物走勢(shì)、形狀、位置等，且可以存儲(chǔ)下墊面屬性數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

哈爾濱市松北區(qū)（126°33′ E，45°48′ N）位于松花江北岸，面積736.8 km2（圖1）。松北區(qū)冬長(zhǎng)夏短，春季干旱多風(fēng)，夏季溫暖多雨，秋季短暫早霜，冬季寒冷積雪。區(qū)內(nèi)河流縱橫，水量豐枯不均，主要江河有松花江及其支流金水河和呼蘭河，河流正常年份水量充沛，洪澇年份兩岸易受水災(zāi)影響，如1998年洪水災(zāi)害對(duì)哈爾濱市造成巨大損失。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

空間數(shù)據(jù)采用哈爾濱市松北區(qū)DEM和快鳥影像（分辨率0.61 m）數(shù)據(jù)，下墊面數(shù)據(jù)（下建筑、路網(wǎng)、河道等）由快鳥影像解譯得到。通過(guò)下墊面矢量數(shù)據(jù)與不規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)的交操作，獲得具有下墊面信息的不規(guī)則網(wǎng)格;屬性數(shù)據(jù)包括歷史洪峰流量、頻率、防洪堤壩及防洪規(guī)劃數(shù)據(jù)，由哈爾濱市水科院提供。

2. 2 研究方法

2.2.1 洪水?dāng)?shù)值演進(jìn)模型構(gòu)建

2.2.1.1 模型不規(guī)則網(wǎng)格劃分 以往洪水分析數(shù)值模型的計(jì)算多采用規(guī)則網(wǎng)格，但適應(yīng)區(qū)域邊界的能力較差。網(wǎng)格形狀的選擇要考慮如下因素：首先要反映水流動(dòng)的方向性，即盡量垂直與等高線方向布設(shè);其次，網(wǎng)格邊界是水量交換的通道，應(yīng)盡量沿道路、二級(jí)河流布設(shè);再次，考慮到計(jì)算的穩(wěn)定性，相鄰網(wǎng)格間高程和面積差距不易過(guò)大;最后，網(wǎng)格一般為四邊形，只在一些特殊區(qū)域采用三角形或五邊形[13-14]。依據(jù)等高線、路網(wǎng)、河流水系以及已有建筑等情況，將研究區(qū)劃分為1 626個(gè)不規(guī)則網(wǎng)格（網(wǎng)格平均面積0.326 km2），3 355個(gè)通道（通道平均長(zhǎng)度0.587 km），如圖2所示。

2.2.1.2 模型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建 采用GIS空間關(guān)聯(lián)方法將下墊面信息與不規(guī)則網(wǎng)格進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使其具備下墊面基礎(chǔ)地理信息。通過(guò)一定的編碼規(guī)則（圖3），使網(wǎng)格和通道產(chǎn)生聯(lián)系，明確一個(gè)網(wǎng)格周圍有哪些通道，一個(gè)通道兩側(cè)有哪些網(wǎng)格。由ARCGIS的空間分析功能，綜合運(yùn)用面線轉(zhuǎn)換、求交、求并等方法，建立網(wǎng)格通道拓?fù)潢P(guān)系，通過(guò)圖層屬性表轉(zhuǎn)換為TXT文件，供程序輸入。

2.2.1.3 基本方程 松北區(qū)洪水演進(jìn)數(shù)值模擬模型是以一、二維非恒定流方程為基礎(chǔ)，根據(jù)地形、地物的特點(diǎn)，將模擬范圍劃分為不規(guī)則網(wǎng)格，以這些網(wǎng)格為基本單位，利用有限體積法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，求解研究區(qū)內(nèi)的淹沒(méi)范圍和水深。在計(jì)算時(shí)，通過(guò)網(wǎng)格對(duì)地形地物進(jìn)行概化，設(shè)置網(wǎng)格類型、高程、糙率、面積修正率等參數(shù)，網(wǎng)格與網(wǎng)格之間的水量交換通過(guò)通道實(shí)現(xiàn)。對(duì)于空間尺度較小，不足以概化為網(wǎng)格的二級(jí)河道，概化成特殊通道，

二維連續(xù)方程：

++=0（1）

二維動(dòng)量方程：

+++gh+=0（2）

+++gh+=0（3）

式中，h表示水深;H表示水位（H=h+z，z為下墊面高程）;q表示源匯項(xiàng)，在模型中代表有效降雨強(qiáng)度;M、N分別表示x、y方向上的單寬流量;u、v分別表示流速在x、y方向的分量;n表示糙率系數(shù);g表示重力加速度;t表示時(shí)間。

一維非恒定流基本控制方程：

++gA=-gASf（4）

式中，Q表示截面流量;A表示計(jì)算斷面的過(guò)水面積;Sf表示摩阻坡降;t表示時(shí)間;l 表示網(wǎng)格通道長(zhǎng)度。

寬頂堰溢流公式：

Q=mσsH（5）

式中，Qj表示堰頂堰單寬流量;m表示流量系數(shù);Qs表示淹沒(méi)系數(shù);H表示堰頂水深。

流速計(jì)算公式：

V=/h（6）

式中，V表示水流速度;M、N分別表示x、y方向上的單寬流量;h表示水深。

采用Visual C++語(yǔ)言編程。程序流程為：讀取網(wǎng)格信息，讀取通道信息，讀取降雨信息，而后進(jìn)入循環(huán)，判斷通道類型，計(jì)算通道流量，計(jì)算網(wǎng)格水深。計(jì)算結(jié)果以CSV格式輸出，與ARCGIS結(jié)合，便于結(jié)果的可視化處理。

2.2.2 洪水淹沒(méi)范圍提取方法 首先，由遙感影像及土地利用圖提取下墊面信息，如房屋、播種面積、水產(chǎn)面積等;人口、經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)量數(shù)據(jù)依據(jù)哈爾濱市統(tǒng)計(jì)年鑒獲得，并將此類屬性數(shù)據(jù)利用GIS關(guān)聯(lián)到矢量數(shù)據(jù)中;其次，將網(wǎng)格數(shù)據(jù)與下墊面矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間交操作，使得網(wǎng)格具有下墊面屬性數(shù)據(jù);最后，利用GIS的空間統(tǒng)計(jì)方法得到洪災(zāi)淹沒(méi)范圍及承災(zāi)體數(shù)量。

3 結(jié)果分析

3.1 洪水演進(jìn)過(guò)程模擬

洪水淹沒(méi)是河道水位壅高超過(guò)堤防，或是洪水沖破堤防流入保護(hù)區(qū)所形成的災(zāi)害[16]。由于堤防較長(zhǎng)[17]，險(xiǎn)情往往在多處發(fā)生。下面分析了研究區(qū)3種頻率洪水情況下5處堤防漫決的工況：

（1）50年一遇洪水，洪峰流量16 300 m3/s，5處堤防漫決1 h，總水量29 340萬(wàn)m3。淹沒(méi)范圍及水深分布如圖4所示。

（2）100年一遇洪水，洪峰流量19 200 m3/s，5處堤防漫決1 h，總水量34 560萬(wàn)m3。淹沒(méi)范圍及水深分布如圖5所示。

（3）200年一遇洪水，洪峰流量22 200 m3/s，5處堤防漫決1 h，總水量39 960萬(wàn)m3。淹沒(méi)范圍及水深分布如圖6所示。

圖4～6中藍(lán)色為淹沒(méi)范圍，顏色越深表示水深越大。部分網(wǎng)格中積水深超過(guò)3 m。由于多個(gè)點(diǎn)漫決存在淹沒(méi)的疊加效應(yīng)，是城市防洪對(duì)策必須考慮的情況。

3.2 洪水淹沒(méi)范圍承災(zāi)體提取

承災(zāi)體是指直接受到災(zāi)害影響或損害的物體，包括人、財(cái)產(chǎn)、設(shè)施。城市主要包括居民人口、房屋、居委會(huì)、單位數(shù)量、類型及營(yíng)業(yè)收入;農(nóng)村主要包括村鎮(zhèn)個(gè)數(shù)、受災(zāi)戶數(shù)與人數(shù)、房屋數(shù)量、農(nóng)作物播種面積與產(chǎn)量、水產(chǎn)產(chǎn)量。松北區(qū)淹沒(méi)范圍承災(zāi)體情況見(jiàn)表1。

4 討論與結(jié)論

以一、二維非恒定流為基本方程，采用不規(guī)則網(wǎng)格進(jìn)行離散，結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)哈爾濱市松北區(qū)洪水漫決過(guò)程進(jìn)行了演進(jìn)，得到2%、1%、0.5%洪水多點(diǎn)漫決時(shí)的淹沒(méi)范圍及水深分布，并進(jìn)行了承災(zāi)體提取，統(tǒng)計(jì)了淹沒(méi)損失。數(shù)值計(jì)算中，尋求合適的網(wǎng)格尺寸是下一步重點(diǎn)工作內(nèi)容。此外，下滲及下墊面物理特性也是影響計(jì)算精度的重要因素，也是今后研究的重要方面。

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責(zé)任編輯：李楊