防洪保護區洪水風險動態模擬系統研究與應用

許小華，丁志雄，李德龍,3，張秀平

(1.江西省水利科學研究院，南昌 330029；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038; 3.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京210098)

洪澇災害是嚴重威脅人類生存與發展的主要自然災害之一，防洪減災成為全世界日益關注的重大問題，對洪澇災害風險進行科學有效的預測和評估是科學防災減災救災的基礎。編制洪水風險圖是實踐治水新思路，落實從“控制洪水”向“洪水管理”轉變和開展洪水風險管理的重要基礎工作，開展洪水風險動態模擬技術研究有利于促進防洪減災信息化建設，滿足防洪搶險“實時監測、快速傳輸、優化決策、精確調配、高效管理”需求，實現“早預測、早發現、早預防、早決策、早調度、早處置、早排除”等目標，有效減少洪澇災害損失，全面提升防洪減災技術水平和能力，是國家的前瞻性、戰略性信息基礎建設工作之一。

近年來，隨著洪水風險圖研究[1-4]在全國范圍內展開，國內學者在洪水風險分析系統研發方面已有較為廣泛而深入的研究[5-13]，這些研究主要圍繞大壩、蓄滯洪區、山區等地區建立一維河道和二維水動力耦合模型，并在此基礎上研發了洪水分析系統，而針對承擔防洪任務重的防洪保護區鮮有類似系統研究。本文以贛撫大堤防洪保護區為研究對象，研究贛撫大堤防洪保護區洪水風險動態模擬技術，實現實時快速地進行洪澇災害風險模擬與評估，是提高防洪保護區洪澇災害風險識別和損失評估能力的重要非工程措施。同時也可有效彌補靜態風險圖在實際應用中的不足，為洪水調度、防災減災、工程建設等多個領域提供決策支持，提高防御洪澇災害能力。

1 研究區概況

江西省河湖水系眾多，受五河(贛、撫、信、饒、修)一湖(鄱陽湖)及長江干流的洪水影響巨大，洪澇災害頻繁，是我國防洪任務繁重的省份之一。贛撫大堤位于江西省中部，是江西省最重要的防洪大堤，是贛撫平原區域東西兩側的防洪屏障。其主要由贛江下游東岸堤防(簡稱贛東大堤)和撫河下游西岸堤防(簡稱撫西大堤)及其附屬建筑物組成，堤線總長174.516 km，保護區范圍(地理位置如圖1所示)涉及南昌市、新干縣、樟樹市、豐城市、進賢縣、南昌縣等地區；位于東經115°21′～116°23′、北緯27°41′～28°50′之間；南到新干縣的溧江水、西以贛東大堤為界限，北鄰贛江南支，東臨撫西大堤和清豐山溪的發源地玉華山腳。贛撫大堤防洪保護區面積達2 126 km2，保護耕地116萬畝，保護人口共計378.52萬人，保護區內有5條鐵路、3座機場、3條國道等國家重要交通設施及大批工礦企業，是江西省政治、經濟、文化、交通的核心地區和工農業生產基礎，贛撫大堤安危關系到江西省的社會穩定和經濟發展。

圖1 贛撫大堤防洪保護區研究范圍圖Fig.1 The study area of Ganfu Grand Dyke

2 總體思路

以贛撫大堤防洪保護區為研究區，研究復雜條件下大型防洪保護區的洪水風險分析方案，構建洪水分析計算模型、洪水損失評估模型，開展避洪轉移分析，形成防汛實用化的洪水風險成果體系；結合水文、氣象、工程等實時監測數據，構建受大型湖泊、河流和保護區內交錯河流渠道共同來水影響的復雜條件下洪水風險動態模擬模型；研發基于web的洪水風險實時分析系統，實現功能齊全、界面友好、提供人機交互功能的，能對任意工況和搶險措施洪水模擬、災情分析與評估、避洪轉移分析和風險分析報告生成的洪水風險實時分析系統。為防汛會商決策提供數據和技術支持，以提高防洪保護區洪水風險預測、決策、管理水平為目標，探索防洪保護區洪水風險圖動態模擬技術與應用。

對贛撫大堤防洪保護區自然地理、水文氣候、水系環境和社會經濟狀況等區域特征進行實地調研，收集研究區基礎地理信息數據、水文、社會經濟、工程調度等資料；明確洪水來源、洪水量級、邊界條件等信息，構建最優洪水組合方案和洪水風險圖編制計算方案；根據對保護區內的網格剖分、邊界條件設置，研究基于贛江、撫河、鄱陽湖以及清豐山溪、龍溪河等多條內河和渠道洪水共同作用下的贛撫大堤防洪保護區二維洪水模擬模型，并利用歷史資料對該模型進行率定及驗證；利用邊界條件動態模擬、潰口動態模擬、防洪搶險措施效果動態模擬等技術，實現研究范圍內任意位置的洪水動態模擬，在此基礎上開展洪水影響與損失評估、避洪轉移分析和風險圖繪制；研發基于web的洪水風險實時分平臺，實現贛撫大堤防洪保護區及相關區域的實時洪水計算分析，為防災減災提供決策服務支撐(見圖2)。

3 洪水分析計算模型

洪水分析計算模型是基于二維非恒定流水動力學方程[14-17]，根據地形、地物特點，采用不規則網格技術，利用差分的方法進行數值計算，求出洪水在各運動時刻的流速、流向和水深。另外，對區域內的堤防、公路、涵閘、鐵路等，在模型中作為特殊通道，考慮其對水流的影響作用。

3.1 模型基本原理

(1)基本方程。模型建立在二維非恒定流方程的基礎上，其基本方程是：

連續方程：

(1)

動量方程：

式中：H為水深，m；Z為水位，m；M、N分別為x、y方向的單寬流量，m2/s；u、v分別為流速在x、y方向的分量，m/s；n為糙率系數(無量綱)；g為重力加速度，m/s2；t為時刻，s；q為源匯項，模型中代表有效降雨強度和排水強度，其中有效降雨強度指計算時段內降雨量形成的徑流量，由降雨量乘以徑流系數求得。排水強度是指城市區域地下排水管網系統的排水強度。

(2)控制方程的離散方式。為了達到既簡化計算方法，提高模型運算速度，又保證基本控制方程的守恒性、穩定性和較高的計算精度，模型在基本狀態變量的離散化布置方式上，借鑒了體積積分形式的顯式有限差分法的優點[18-20]。在網格的形心計算水深，在網格周邊通道上計算法向單寬流量，同時，水深與流量在時間軸上分層布置，交替求解。由初始時刻已知的每個網格水位，通過動量方程求得DT(步長)時刻各條通道上的單寬流量，再把結果代入連續方程求得2DT時刻所有網格的水位，如此不斷循環計算直到結束。物理意義清晰，并且有利于提高計算的穩定性，如圖3所示。

圖3 交替計算方式示意圖Fig.3 Sketch of the alternate computed mode

(3)模型中的降雨和排水計算。通過降雨徑流系數法確定降雨在模型計算網格上的水量，將計算得到的降雨水量疊加到計算網格上得到降雨影響的水位和流量，各模型網格的徑流系數與各網格內的土地利用類型分布有關，根據不同土地利用類型的經驗徑流系數取值后，按面積加權獲得各網格的綜合徑流系數。利用城市雨洪管網排水模型，確定排水管道的入水口、出水口和排水分區與二維模型網格和特殊道路通道的拓撲關系，在二維模型計算中耦合排水管網模型的計算輸出，在每個計算步長中疊加每個計算網格的水位和流量。

3.2 模型構建

(1)模型范圍。為便于模擬贛江、撫河和贛撫大堤保護區內潰口洪水的相互影響情況，因此模型建立考慮贛江和撫河也納入洪水二維模擬的計算范圍進行整體二維洪水模型計算，同時考慮泉港滯洪區的計算范圍，模型范圍對于贛江上至峽江(二)水文站、下至外洲水文站；撫河從李家渡水文站至三陽水文站；對于贛撫大堤保護區內上至龍溪河及清豐山溪各支流山區入流，下至撫河故道入流金溪湖。

(2)網格剖分。在對贛撫大堤洪水分析模型進行網格剖分時，主要考慮的線狀工程地物包括贛東大堤、撫河西堤、新市隔堤、晏公堤、薌水左右堤、清豐山溪左右堤、小港排洪道左右堤、鴉豐聯圩、石灘聯圩、白土圩、陳埠圩、箭江分洪道—棠墅港—撫河故道兩岸堤防以及其他一些主要圩堤和區內的輸水渠、主干道路、高速公路、鐵路等；考慮的面狀地物信息主要是贛撫大堤保護區內的建筑物分布以及保護區內象湖、大沙湖、芳溪湖、青山湖、艾溪湖、瑤湖等一些較大的湖泊水域。采用無結構不規則多邊形進行網格剖分，并在重要地區、地形和平面形態變化較大地區的計算網格適當加密(如青豐山溪河道、道路堤防交叉區域等)，將整個研究區域劃分成不規則網格37 033個(如圖4所示)，保護區內網格最大面積不超過0.09 km2(約為300 m×300 m)、最小面積0.009 6 km2、網格平均面積0.045 km2。

(3)網格高程。模型網格高程從1∶1萬DEM數據中提取，取每個網格內所有DEM柵格高程的平均值作為網格形心點的高程；針對湖泊型網格，根據實地調查情況將DEM進行適當修正后作為其底高程；河道網格高程由河道實測斷面數據插值后提取得到。

(4)網格屬性賦值。為每個網格賦類型、高程、糙率、面積修正率等屬性。

(5)特殊通道處理。對于對洪水演進有影響，但平均寬度均未達到網格平均尺寸的輸水渠及小型河流，作為特殊型河道通道進行概化。主干道路、鐵路、堤防和橋梁作為阻水通道處理。

(6)糙率確定。參考其他相關區域的糙率，并結合贛撫大堤防洪保護區下墊面實際情況進行糙率取值。每個網格可能包含多種土地利用類型，則用面積加權平均進行求取網格的糙率(見表1)。

表1 研究區域糙率取值表Tab.1 The roughness value of the study area

(7)初始及邊界條件設定。

①初始條件根據歷年水文統計資料，本文在贛撫大堤防洪保護區二維洪水分析模擬計算中，假定了初始的水體分布狀態，即假設贛江初始水深3 m、撫河初始水深2.5 m、保護區內河流初始水深1.5 m、保護區內湖泊初始水深2 m。

②邊界條件。上游邊界條件：贛江以經峽江水庫調蓄后的峽江(二)水文站的流量過程作為模型中贛江的入流邊界條件；贛江支流袁河以江口水庫出流及江口水庫以下至贛江之間的區間來水作為贛江支流袁河的入流邊界；贛江支流錦江以高安水位站洪水過程加上高安至贛江之間的區間來水作為贛江支流錦江的入流邊界；撫河以李家渡水文站的流量過程作為模型中撫河的入流邊界條件；贛撫大堤保護區東南部山區龍溪河、薌水、豐水、富水、槎水、白土水等支流的入流，采用各支流上游匯流區域實時降雨的產匯流計算的流量過程為輸入條件，產匯流模型為江西省水文局推薦的經驗模型。下游邊界條件：贛江出流邊界為外洲水文站水位流量關系；位于贛江中游樟樹附近左岸的泉港滯洪區達到啟用條件時也作為出流邊界條件。贛撫大堤防洪保護區內部清豐山溪下游的棠墅港-撫河故道及撫河河道出流邊界均為三陽站水位過程。

3.3 模型參數率定及驗證

(1)模型率定。選擇與河道斷面資料(2013-2015年實測資料)最接近的2010年6月16日-7月6日實測洪水過程進行贛江河道模型和撫河河道模型的率定，河道初始糙率根據土地利用類型確定。取贛江的新干、樟樹、豐城、市汊、撫河的溫家圳等站點的實測水位或流量進行對比分析，通過人工試錯法，在率定過程中不斷調整河道的糙率等參數，使得計算序列與實測序列的流量過程與水位過程均吻合，并通過納什系數(Nash-Sutcliffe Efficiency)來衡量吻合程度。同時控制洪峰流量相對誤差不超10%，峰值水位誤差不超0.40 m。最后得到贛江的糙率為0.025～0.042，撫河的糙率為0.022～0.037。

(2)模型驗證。本文選用與現狀河道斷面比較接近的2012年洪水資料進行模型的驗證，驗證的洪水過程時段為2012年6月17日-7月6日，贛江的新干、樟樹、豐城、市汊以及撫河的溫家圳等站點的模擬結果與實測數據對比圖(水位均為黃海高程)如圖5所示。由圖5和表2可知模型對贛江、撫河2012年洪水的驗證結果精度較高。驗證計算的各站模擬結果的納什系數、洪峰水位絕對誤差、洪峰流量相對誤差，統計結果見表2。

圖5 各站點2012年水位實測值與計算值對比Fig.5 Comparative analysis of the measured and calculated water level in 2012

3.4 洪水影響分析

在洪水淹沒分析的基礎上開展災情評估，分析洪澇水災害的淹沒情況以及直接經濟損失，能夠為贛撫大堤防洪保護區的防洪預案制定、防洪工程調度運用、搶險救災、防洪效益評估、土地利用規劃、洪水保險等提供科學的信息參考，為有效減輕該區域的洪澇災害影響提供技術支撐。洪災損失評估的工作流程如圖6所示。

表2 2012年洪水模擬結果Tab.2 The result of the flood simulation in 2012

圖6 洪水影響分析工作流程Fig.6 The workflow of the flood impact analysis

①通過現場實地調查、數學模型模擬計算或遙感分析方法確定洪水淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等致災特性指標；②搜集社會經濟調查資料、社會經濟統計資料以及空間地理信息資料，運用面積權重法、回歸分析法等對社會經濟數據進行空間求解，生成具有空間屬性的社會經濟數據庫，反映社會經濟指標的分布差異；③洪水淹沒特征分布與社會經濟特征分布通過空間地理關系進行拓撲疊加，獲取洪水影響范圍內不同淹沒水深下社會經濟不同財產類型的價值及分布；④選取具有代表性的典型地區、典型單元、典型部門等分類作洪災損失調查統計，根據調查資料估算不同淹沒水深(歷時)條件下，各類財產洪災損失率，建立淹沒水深(歷時)與各類財產洪災損失率關系表或關系曲線；⑤根據影響區內各類經濟類型和洪災損失率關系計算洪災經濟損失。通常將第①～③步稱作災情統計。

3.5 避洪轉移分析

在已收集整理的基礎資料以及得到的洪水分析計算和洪水影響分析成果基礎上，根據相關規范要求，選取各潰口最不利工況的洪水分析計算方案，獲取最大淹沒包絡范圍，利用淹沒水深、流速、淹沒歷時等條件開展區內避洪轉移分析。根據轉移安置場所劃定的就近避難優先、地面高程適宜、避洪場所資源共享、安全性、通達性和災民容量等原則，利用ArcGIS軟件建立路網分析計算模型，通過設定道路的等級、通過的交通方式、不同天氣條件下的通過速度等條件，計算分析出所有轉移單元與相應轉移安置區通過時間最短的路徑，經現場檢驗核實后，最終確定轉移路線，并繪制相應轉移安置圖。具體工作流程如圖7所示。

圖7 避洪轉移分析工作流程Fig.7 The workflow of the flood diversion analysis

4 動態模擬系統實現

4.1 系統構架

贛撫大堤防洪保護區洪水風險動態模擬系統建設以水利專業數據和空間數據為基礎，以洪水風險管理、防洪減災等為目標，建成能夠成為江西省洪水風險實時分析的示范應用系統。在標準規范體系、信息安全體系的基礎上進行系統設計，系統總體分為五層，從下至上分別是：數據層、數據支撐層、服務層、核心業務功能層和用戶操作層；系統結構層層支撐，保證各應用系統的可靠運行、資源共享與一體化管理。系統技術構架體系如圖8所示。

圖8 實時分析系統技術構架圖Fig.8 The technical framework sketch of real-time analysis system

系統采用面向服務的整體架構模型，采用先進的、基于SOA技術路線的多層分布式應用體系架構。系統技術構架如圖8所示。系統采用B/S結構，使用MVC框架模式。技術上，前端使用HTML5、CSS、Javascript、JQuery、EasyUI等技術，交互頁面使用ASP.NET技術；后臺功能使用C#開發，在.Net Framework 4.0作為開發平臺，以Visual Studio. NET進行開發；Web服務器使用IIS7，GIS數據服務器ArcGIS Server 10.2，數據存儲使用文件系統和Oracle11g數據庫結合的方式。

4.2 系統功能

為了要實現系統建設目標，選取贛江、撫河的部分河段及鄱陽湖區作為模型范圍進行研究區洪水風險動態模擬系統研究，系統包括：實時洪水信息、洪水模擬計算、計算結果展示、洪水影響分析、避險轉移分析、風險分析報告生成、系統管理以及訪問其他系統等8個功能，如圖9和圖10所示。

圖9 系統總體功能框架圖Fig.9 The framework of the system function

圖10 實時洪水分析計算主界面展示Fig.10 The main interface of the real-time flood analysis

實時洪水信息功能包括實時監測數據的預處理，洪水淹沒地圖上的水深、水位展示，河道縱斷面水位查詢展示、河道橫斷面水位查詢展示，實時洪水信息動態展示等。

洪水模擬計算功能包括實時洪水潰口模擬計算、長歷時的洪水滾動模擬計算、歷史洪水模擬計算、設計洪水模擬計算等。

計算結果展示功能可以實現最大水深圖、淹沒歷時圖、到達時間圖、洪水流速圖、潰口信息查詢、通道流量查詢、網格淹沒信息、動態淹沒展示、方案信息、成果導出等。

洪水影響分析功能可以實現按行政區查詢洪水影響信息、按水深分級查詢洪水影響信息、按到達時間分級查詢洪水影響信息以及影響重點單位的信息查詢分析等。

避險轉移分析功能可以實現洪水影響的轉移單元、轉移路線、安置區等避險轉移信息的查詢分析。

風險分析報告生成功能可以實現實時洪水風險分析、歷史與設計洪水風險分析的報告自動生成，并對生成的報告進行管理。

系統管理功能包括地圖服務配置、水雨情數據庫連接配置、分析模型管理、社會經濟數據管理、洪水風險分析方案管理、用戶權限管理、日志管理等。

訪問其他系統功能可以實現快速直接訪問其他的相關系統如：實時雨水情信息系統、洪水預報系統、洪水風險圖編制成果展示系統等。

5 結 語

本文以贛撫大堤防洪保護區為例，綜合考慮了區內所受鄱陽湖、贛江、撫河以及保護區內河渠、暴雨內澇等多來源暴雨洪水的共同作用和影響等因素，研究構建了適合復雜條件下的一二維耦合洪水分析模型，結果顯示贛江、撫河各水位站模擬計算的水位納什效益系數均在0.94以上，洪峰水位絕對誤差均不超過0.2 m，模型精度較高。在構建模型基礎上，運用HTML5、Java、ASP.NET等計算機技術研究開發了贛撫大堤防洪保護區的洪水風險實時分析系統，實現了實時洪水風險信息的分析和展示，在贛江和撫河等區域的任意位置，能實時動態模擬潰口洪水和暴雨內澇等洪水的演進過程并快速展示模擬結果，實時計算相應洪水影響分析和避洪轉移分析結果，為防災減災管理工作提供了科學決策技術手段，對推動我省防洪水利信息化和洪水風險管理模式具有積極引導作用，具有較好的推廣前景。

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