城市堤防漫決模擬

鮑建華

摘要 洪水災害是我國城市中發生較為頻繁且破壞性較大的自然災害之一，阻礙城市可持續發展。針對已有研究中設定堤防一點漫決堤情景模擬方法較為單一的缺點，提出多點堤防漫決堤洪水演進方法。以哈爾濱市松北區為實證研究區，以水動力學方法為基礎，以不規則網格為洪水災害數值模型骨架，以一、二維非恒定流為洪水災害數值模型控制方程，綜合構建堤防多點同時漫決堤情景下洪水演進模型，并對研究區不同洪水頻率情景進行模擬。研究結果表明，該方法可以較好地模擬多點破堤情景下，即0.5%頻率、1%頻率、2%頻率的洪水演進及疊加效果，其中當破堤1 h后研究區最大淹沒水深可達3 m以上，同時利用GIS空間可視化技術對研究結果進行可視化表達，為防洪規劃設計提供決策依據。

關鍵詞 洪災;危險性評價;漫決堤;松北區;情景模擬

中圖分類號：X4 文獻標識碼：A 文章編號：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，基于水動力學方法的洪水數值模擬研究是洪水災害危險性分析的主要途徑。國外Liang等[1]采用動態鏈接庫方式，整合一、二維水動力學模型，實現洪水災害危險性模擬;Bladee等[2]、Morales-Hemandez等[3]基于有限體積法分別構建一、二維水動力學模型，并提出基于數值通量的方式將二者進行耦合。隨著有限差分法的廣泛應用，Lai等[4]提出了適合大尺度水動力模擬的一、二維耦合模型，實現了長江流域洪水演進模擬。我國一些學者依據一、二維水動力學模型耦合[5-6]，采用重疊計算區域法[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值通量的水量與動量守恒方法進行求解。重疊計算區域法要求上下游同時采用一、二維模型耦合聯解，且滿足水位相等、進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系需合理;邊界迭代法在進行洪水演進模擬時，需要注意邊界的設定及與外界水量交換過程。已有洪水演進模擬成果多假設一點破堤的情況[11-12]，難以滿足實際需要。

針對上述問題，采用有限體積法求解一、二維非恒定流耦合洪水演進模型;引入不規則矢量網格解決動量交換、不規則潰口、堰流公式流量系數選取不確定性等問題。不規則網格能夠較好反映地物走勢、形狀、位置等，且可以存儲下墊面屬性數據。

1 研究區概況

哈爾濱市松北區（126°33′ E，45°48′ N）位于松花江北岸，面積736.8 km2（圖1）。松北區冬長夏短，春季干旱多風，夏季溫暖多雨，秋季短暫早霜，冬季寒冷積雪。區內河流縱橫，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影響，如1998年洪水災害對哈爾濱市造成巨大損失。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

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

2. 2 研究方法

2.2.1 洪水數值演進模型構建

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

2.2.1.2 模型網絡拓撲關系構建 采用GIS空間關聯方法將下墊面信息與不規則網格進行關聯，使其具備下墊面基礎地理信息。通過一定的編碼規則（圖3），使網格和通道產生聯系，明確一個網格周圍有哪些通道，一個通道兩側有哪些網格。由ARCGIS的空間分析功能，綜合運用面線轉換、求交、求并等方法，建立網格通道拓撲關系，通過圖層屬性表轉換為TXT文件，供程序輸入。

2.2.1.3 基本方程 松北區洪水演進數值模擬模型是以一、二維非恒定流方程為基礎，根據地形、地物的特點，將模擬范圍劃分為不規則網格，以這些網格為基本單位，利用有限體積法進行數值計算，求解研究區內的淹沒范圍和水深。在計算時，通過網格對地形地物進行概化，設置網格類型、高程、糙率、面積修正率等參數，網格與網格之間的水量交換通過通道實現。對于空間尺度較小，不足以概化為網格的二級河道，概化成特殊通道，

二維連續方程：

++=0（1）

二維動量方程：

+++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，在模型中代表有效降雨強度;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;g表示重力加速度;t表示時間。

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表示計算斷面的過水面積;Sf表示摩阻坡降;t表示時間;l 表示網格通道長度。

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;Qs表示淹沒系數;H表示堰頂水深。

流速計算公式：

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++語言編程。程序流程為：讀取網格信息，讀取通道信息，讀取降雨信息，而后進入循環，判斷通道類型，計算通道流量，計算網格水深。計算結果以CSV格式輸出，與ARCGIS結合，便于結果的可視化處理。

2.2.2 洪水淹沒范圍提取方法 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、水產面積等;人口、經濟、產量數據依據哈爾濱市統計年鑒獲得，并將此類屬性數據利用GIS關聯到矢量數據中;其次，將網格數據與下墊面矢量數據進行空間交操作，使得網格具有下墊面屬性數據;最后，利用GIS的空間統計方法得到洪災淹沒范圍及承災體數量。

3 結果分析

3.1 洪水演進過程模擬

洪水淹沒是河道水位壅高超過堤防，或是洪水沖破堤防流入保護區所形成的災害[16]。由于堤防較長[17]，險情往往在多處發生。下面分析了研究區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m3。淹沒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m3。淹沒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m3。淹沒范圍及水深分布如圖6所示。

圖4～6中藍色為淹沒范圍，顏色越深表示水深越大。部分網格中積水深超過3 m。由于多個點漫決存在淹沒的疊加效應，是城市防洪對策必須考慮的情況。

3.2 洪水淹沒范圍承災體提取

承災體是指直接受到災害影響或損害的物體，包括人、財產、設施。城市主要包括居民人口、房屋、居委會、單位數量、類型及營業收入;農村主要包括村鎮個數、受災戶數與人數、房屋數量、農作物播種面積與產量、水產產量。松北區淹沒范圍承災體情況見表1。

4 討論與結論

以一、二維非恒定流為基本方程，采用不規則網格進行離散，結合GIS技術對哈爾濱市松北區洪水漫決過程進行了演進，得到2%、1%、0.5%洪水多點漫決時的淹沒范圍及水深分布，并進行了承災體提取，統計了淹沒損失。數值計算中，尋求合適的網格尺寸是下一步重點工作內容。此外，下滲及下墊面物理特性也是影響計算精度的重要因素，也是今后研究的重要方面。

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責任編輯：李楊