白馬湖片防洪保護區洪水風險圖編制研究

楊萬紅 劉雪琴

（作者單位：江蘇省水利勘測設計研究院有限公司 225127）

一、引言

我國水利工程經過長期建設，已形成了較為完善的防洪減災體系，發揮了巨大作用，但洪水風險管理滯后于防洪工程建設，現有洪水風險管理能力與社會日漸提高的防洪安全保障需求的矛盾仍然突出。制定洪水風險圖是在歷史水災調查基礎上，運用水文學、水力學等進行洪水淹沒分析，并將分析成果疊加到專題地圖上，能夠反映某一區域在不同來源、不同頻率的洪水發生時，可能遭受洪水淹沒的范圍和災害程度，是重要的非工程防洪減災措施之一，可為合理布置防洪工程、科學管理洪泛區和指導防汛搶險、避洪轉移、土地利用規劃等工作提供決策依據。

隨著高新技術特別是計算機技術的不斷發展，洪水淹沒分析方法經歷了從通過收集歷史洪災調查資料勾畫洪水淹沒范圍，到采用水文學和水力學方法建立數學模型進行演算并繪制風險圖的過程。白馬湖片為坡地排水區、抽排圩區和混合排水區，合理模擬產匯流和洪水演進過程，編制該區域洪水風險圖，對于有效提高防洪減災能力，加強洪水風險管控具有重要意義。研究利用MIKE 系列軟件建立一、二維耦合模型，根據白馬湖實測水位、出湖流量資料和坡地設計洪水、圩區泵站實際運行過程，合理率定平原地區NAM（降雨徑流）模型主要參數，準確反映了白馬湖片坡地、圩區、混合區的排水特點和洪水演進過程，確保了洪水風險圖繪制成果的準確性、合理性。

二、防洪保護區概況

白馬湖片防洪保護區位于洪澤湖大堤以東、蘇北灌溉總渠以南、里運河以西、老三河和S331 省道以北，面積為1091km2。該區域降水量年內分配不均，汛期6～9月降雨量約占全年的70%。白馬湖是區域洪水的調蓄湖泊，總面積113.4km2，汛限水位6.8m，相應庫容1.40 億m3；設計排澇水位7.50m，相應庫容2.16 億m3；設計防洪水位8.00m，相應庫容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，主要出湖河道有新河、運西河、阮橋河等，出湖口門分別為淮安站、北運西閘、阮橋閘。

白馬湖是區域洪澇的調蓄湖泊，區域暴雨與上游洪水經常遭遇，由于地勢低洼，受四面高水圍困，澇水外排出路不暢，洪澇災害頻繁發生，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行計算。結合雨量站分布和水系特點，在NAM 模型中把保護區劃分為11 個子流域，分別建立降雨徑流模型，模擬子流域的產匯流過程。

1.模型構建

根據原始地形資料生成地形DEM，然后把DEM 導入MIKE Zero，構建三角網格。對于一些因地形原因生成的面積太小或角度太小等不規則三角網格，利用MIKE Zero 對其進行優化調整，網格總數為52485 個（含白馬湖湖區）。

由于白馬湖片防洪保護區內的河網溝渠縱橫交錯、水系復雜，該研究用于建模的河道（河段）總數達272條（段），斷面總數為1717 個。MIKE 21 模型中采用概化的擋水構筑物來模擬保護區內高于地面0.5m 以上的道路、堤防等。

2.模型參數率定

模型參數主要包括NAM 降雨徑流模型參數和河道糙率。由于白馬湖片入湖河道沒有流量監測站，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，且該區域有坡地自流、圩區抽排和混合排水，為了準確模擬區域產匯流過程，在模型中適當增加圩區內部的有關排澇溝，排澇站根據運行辦法和排澇站前水位進行控制，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面積較小，選取典型區域利用經過驗證的公式計算結果對NAM模型參數進行率定，合理地模擬入湖流量過程。根據入湖流量、出湖流量過程，計算白馬湖山陽站水位，將計算水位與實測水位進行對比，反復調整NAM 模型相關參數，直至水位差小于允許值，且計算水位過程與實測過程一致為止。

為確保NAM 參數的準確性、合理性和適應性，選取兼有三種匯水區的草澤河片，按照其理論公式計算的洪水過程，先對NAM 模型的部分參數進行初步調試，與水利工程規劃設計和實際排水狀況相適應，減少調試的難度和工作量，流量對比如圖1所示。

圖1 20年一遇NAM 參數調試流量對比圖

圖2 2003年實測水位與計算水位對比圖

圖3 2006年白馬湖實測水位與計算水位對比圖

圖4 2007年白馬湖水位實測值與計算值對比圖

在初步確定主要參數的基礎上，選取典型年實測資料對NAM 模型參數進行最終率定，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行模擬計算，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）進行參數率定，選取2007年7月6日至13日（8 天）進行模型驗證。率定時先把白馬湖的初始水位分別設置為2003年7月8日、2006年6月30日的實測水位6.95m、6.76m，然后將計算時段內的實測降雨量、出湖流量導入模型進行調試計算，當計算山陽站水位和實測水位一致時，確定模型參數。水位對比見圖2、圖3。

根據對比，計算的白馬湖山陽站最高水位與2003年、2006年實測水位相近，水位變化過程基本一致，最高洪水位到達時間相同，最大差值分別為0.16m、0.11m，小于允許值0.2m，表明調試參數合理、準確。一維河道糙率結合以往區域內河道設計采用的糙率，在MIKE 11 河網模型中對河道糙率進行了概化處理，根據率定結果，糙率一般為0.0225，局部河段糙率略有調整，最小值為0.022，最大值為0.03。

3.模型驗證

選取2007年作為典型年對模型進行驗證。根據計算結果，白馬湖山陽站計算水位與2007年實測水位相近，水位變化過程基本一致、最高洪水位到達時間相同，最大水位差為0.10m，小于允許值0.2m（見圖4），參數和模型與實際情況基本相符，可以用該模型對白馬湖片防洪保護區的洪水風險進行各種工況的模擬計算。

四、研究成果與分析

白馬湖片防洪保護區的外河洪水有洪澤湖、入江水道三河段、灌溉總渠、高郵湖和里運河潰堤洪水，內河洪水主要為白馬湖潰堤洪水。洪水風險模擬計算方案共34 個，其中外河洪水12 個，內河洪水15 個，暴雨內澇4 個，實況年3 個。實況年2003年、2006年、2007年實際淹沒面積分別為68.72 萬畝、80.59 萬畝、52.30 萬畝，模擬計算淹沒面積分別為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%，均符合洪水風險圖編制技術細則要求，證明了洪水風險圖編制成果的準確性、合理性。

洪水風險圖編制成果表明，洪澤湖水位高、水量大、歷時長，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，寶應湖及周邊低洼區全部淹沒，白馬湖西南、南部和東部低洼區大部分被淹沒，其他區域基本沒有淹沒風險，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，歷時較長，影響人口較多，淹沒損失較大。灌溉總渠、里運河、白馬湖潰堤，淹沒范圍主要集中在潰口下游的圩區，淹沒面積、水深與潰口所在圩區的面積、地形密切相關，淹沒面積小，淹沒水深小。

在洪水風險計算模型和編制成果的基礎上，開發完成了基于B/S 架構的洪水風險圖管理系統和實時洪澇風險預報預警系統，既可查詢展示已有風險圖成果，也可依據實時水情、雨情、工情和未來預報雨量，通過遠程操作實時重置邊界條件進行洪水風險模擬計算、風險圖繪制和洪水演進動態展示，實現洪水風險實時預報預警。

五、結論

根據白馬湖片防洪保護區水利特點，將其匯水區劃分為11 個子流域，利用NAM 模型分別建立降雨徑流模型，模擬子流域的產匯流過程，選擇代表性子流域，根據其設計洪水和白馬湖出湖流量、山陽站水位，經多次調試、率定和驗證后的模型，能夠客觀、合理模擬坡地匯水區、抽排圩區和混合排水區的產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，寶應湖及周邊低洼區全部淹沒，白馬湖西南、南部和東部低洼區大部分被淹沒，其他區域基本沒有淹沒風險；灌溉總渠、里運河、白馬湖潰堤淹沒范圍主要集中在潰口下游的圩區，淹沒面積小，淹沒水深小。

在洪水風險圖編制基礎上，研發洪水風險圖管理系統和實時洪澇風險預報預警系統，能夠根據實時水情信息，遠程操作重置邊界條件進行洪水風險模擬計算并實時預報預警，對于白馬湖片防洪減災具有重要意義。今后應根據實際雨情、工情和險情，進一步完善洪澇風險預報預警。本研究成果可為其他類似地區洪水模擬計算方法、風險圖繪制、風險圖管理系統和洪澇風險預報預警系統研發提供技術參考■