基于GIS的渾河沈陽城市河段超標準洪水淹沒范圍分析探討

馬明超

摘要：研究城市發生超標準洪水時的受水災影響范圍對于城市防洪至關重要。以ARCGIS應用軟件為平臺，利用渾河沈陽城市河段主城區的DEM模型和水文分析數據，通過對比渾河沈陽城市河段的洪水風險圖，分析了該河段右岸三環內主城區的超標準洪水淹沒范圍。分析方法能夠滿足超標準洪水淹沒分析的應用，并可為其他城市或河流超標準洪水防御預案的編制提供借鑒。

關鍵詞：超標準洪水;洪水淹沒范圍;GIS;DEM;渾河沈陽城市河段

中圖法分類號：TV122.1文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.003

文章編號：1006 - 0081（2021）06 - 0016 - 05

1 研究背景

隨著中國城市化進程的加快和城市化程度的提高，城市在社會經濟發展中的作用也不斷增大。因此，城市的防洪工作對國民經濟和社會可持續穩定發展具有重要意義[1]。沈陽是中國東北地區重要的中心城市。渾河及其主要支流滿堂河、小沙河、楊官河、白塔堡河、南運河、衛工河等流經沈陽市中心城區，其汛期流量大、水位高，枯水期流量小，季節性非常明顯。經過多年持續建設，全市河流基本形成了比較完整的防洪排澇工程體系。沈陽市現有的城市防洪體系是依據GB50201《防洪標準》構建的，考慮了中心城區常住人口規模、城市社會經濟地位、洪水類型及對城市安全的影響、自然及技術經濟條件、流域防洪規劃對城市防洪的安排等多方面因素，包含工程措施和非工程措施，但是其應對的都是防洪標準內的洪水災害，對于超標準洪水的影響范圍和應對措施并無分析。

2020年3月，為應對可能發生的水旱災害領域“黑天鵝”“灰犀牛”事件，水利部召開會議推進編制超標準洪水防御預案，要求所有大江大河和重要支流以及有防洪任務的縣級以上城市參與編制。為指導渾河沈陽城市河段超標準洪水防御預案的編制，需要明確渾河發生超標準洪水時沈陽城市河段的影響范圍。

2現有防洪體系及超標準洪水量級設定

2.1 防洪工程概況

渾河沈陽城市河段范圍為沈陽撫順交界-沈陽西四環橋，其兩岸依靠現狀高地和堤防基本形成了完整的防洪體系，兩岸現狀防洪情況見表1，兩岸設防標準見圖1，兩堤之間右岸非行洪區起止范圍從南京橋上游1 409 m處-長青橋北橋臺處，總長8.2 km，主要分為王家莊地區和天壇地區。渾河沈陽城市河段主要支流為牤牛河、楊官河、張官河和白塔堡河，目前各河道中上游防洪標準均為20 a一遇，牤牛河下游金家屯-河口段（渾河回流段）右岸防洪標準為300 a一遇，左岸防洪標準為100 a一遇，其他河道渾河回流段防洪標準為100 a一遇。

2.2 攔跨（穿）河建筑物

渾河沈陽城市河段現有攔河水工建筑物6處，擬建攔河水工建筑物1處。渾河沈陽城市河段內跨（穿）河建筑物共24座，其中鐵路橋5座，穿河隧道2座（八三隧道、五愛隧道），已建公路橋17座。主城區河段兩岸現有穿堤洞口17處，其中左岸5處，右岸12處;過堤人行通道6處。現有穿堤（跨河）工程37處，其中：引水10處，排水16處，熱網管線1處，通訊電纜7處，燃氣管線2處，電力管線路1處。主要攔河建筑物和跨河橋梁見圖2。

2.3 防洪薄弱環節

根據渾河堤防工程、跨欄河工程建設情況及主要支流分布情況，沈陽城市防洪薄弱地段主要分布在伯官大橋以上左岸豐樂村、右岸煙臺村，鳥島左右岸，王家灣，新立堡橋-長青橋左岸，長青橋右岸非行洪區，長大鐵路橋左岸，云龍湖橋以下蘇家屯區段、渾河閘-西四環等處。此外全河段現有穿堤洞口、涵閘較多，部分節點達不到300 a一遇防洪標準，左堤渾河橋至長青橋段有3處人行穿堤口和1處公園入口，遇特大洪水時是防洪的薄弱環節，容易形成險情。防洪薄弱點見圖3。

2.4 超標準洪水量級設定

根據渾河沈陽城市河段堤防建設情況，按照現有防洪標準提升一個量級進行超標準洪水量級的設定，分別將渾河沈陽城市河段劃分為右岸入沈陽界（小仁鏡村）-金家屯段、金家屯-渾河閘段、渾河閘-西四環段、左岸入沈陽界（下伯官壩）-渾河閘段、渾河閘-西四環橋段5個區段。渾河沈陽城市河段超標洪水量級劃分情況及超標對應流量見圖4和表2。

3 分析方法與成果驗證

3.1 分析工具

地理信息系統（GIS）現已被廣泛應用于諸多領域，在洪水治理方面實現了快速、準確、科學模擬以及預測洪水淹沒范圍的作用[2]，ARCGIS應用工具則能夠提供強大的GIS空間分析功能，通過建立GIS模型完成了洪水模擬分析的全過程。數字高程模型（DEM）可以通過有限的地形高程數據實現對地面地形的數字化模擬，用一組有序數值陣列形式表示地面高程，本次分析需要的是渾河沈陽城市河段兩岸主城區的DEM模型。水文數據用于分析計算渾河沈陽河段河道不同頻率下的洪水流量以及對應流量下河道沿程水面線，水面線成果見表3。

3.2 分析方法

本次分析采用有源淹沒分析的方法，需要考慮地形之間的“流通”淹沒情形，即洪水只淹沒它能流到的地方，這種情形適用于如江河、水庫等高發區向周邊領域范圍擴散的洪水區[3]。本次分析中以渾河沈陽河段干流為洪水擴散種子點，兩岸城區高程在洪水水位以下的區域均為與種子點相接的連通區，洪水通過連通區向周圍擴散，最終形成連片的淹沒區域。

在ARCGIS平臺建立分析模型，導入渾河沈陽城市河段兩岸主城區的DEM數據，形成洪水淹沒分析的基礎。在水文分析得到的一維洪水水面線上選取若干點位，每個點位繪制帶有水位屬性的河道橫斷線，并向左右兩岸延伸至該點水位可能淹沒的城區范圍以外，然后將河道橫斷線轉為點要素，采用自然鄰域法利用轉化后的點要素，按照鄰近點基于區域大小按比例對這些點要素進行插值，形成以水位為基本數據的柵格圖形。

建立面圖層，面圖層涵蓋范圍要比可能淹沒區的范圍稍大，用面圖層剪切上述插值形成的柵格圖形，形成比淹沒范圍稍大的淹沒區柵格圖形。利用柵格計算器，用淹沒區柵格圖形減去渾河沈陽河段城區DEM模型，即用洪水水位減去地面高程，得到區域內的淹沒水深，此時的水深數值可能存在負值，即地面高程高于洪水水位的區域，再通過空間提取數值為正的區域，得到正常的洪水淹沒區。洪水淹沒分析技術路線見圖5，以渾河沈陽城市河段為例的分析過程見圖6。

3.3 成果分析

按照上述分析方法計算的渾河沈陽河段右岸主城區三環內的500 a一遇超標準洪水淹沒區域為東至新立堡橋及二環路，西至沈陽繞城高速路，北至沈陽繞城高速大轉彎互通、向工街、沈陽故宮以南、東陵西路以南，南至渾河右岸灘地。從中水北方勘測設計研究有限責任公司于2016年編制的沈陽城市洪水風險圖看出，渾河沈陽河段右岸主城區三環內的500 a一遇超標準洪水淹沒區域為東至新立堡橋及二環路，西至沈陽繞城高速路，北至沈山線鐵路橋、沈陽故宮以南、長安路以南，南至渾河右岸灘地。

沈陽城市風險圖考慮的是在渾河右岸輝山明渠入河口、東方威尼斯堤防、長大鐵路橋下游右岸堤防3處產生潰口時，以二維洪水演進過程形成的洪水淹沒范圍，其分析過程更符合洪水流動的實際情況。本次分析過程為在選取的每個洪水水面線點位都產生潰口時，假想洪水不向其他方向流動，僅向右岸城區以插值水位平推過去形成洪水淹沒范圍，是一個靜態分析的過程，即當水位為超標準洪水位時，水位高于地面的區域均為淹沒區，以此分析的成果偏保守。洪水風險圖是模擬發生超標準洪水時，堤防產生若干潰口，洪水不斷進入城區的淹沒成果，是一個動態分析的過程，模擬成果更接近實際洪水演進過程，因此形成的洪水淹沒范圍比洪水風險圖所示的淹沒范圍稍大。對比兩種方法的分析成果，洪水淹沒區的圍以及淹沒區水深總體趨勢相似，因此本次分析的成果基本能夠反映超標準洪水發生時渾河沈陽城市河段的影響范圍，可為超標準洪水防御預案的編制提供參考。兩種分析成果對比見圖7。

4 結 語

本文分析了一種計算超標準洪水淹沒范圍及淹沒水深的簡便方法，能夠為短期內需要編制超標準洪水防御預案，但又缺乏以往類似洪水風險圖等相關成果的城市或河流在編制預案時提供借鑒。本方法較為精簡方便，且易于實現，考慮的超標準洪水發生情形沒有統一分析兩岸同時發生超標準洪水的情況。超標準洪水淹沒范圍的分析以及防御預案的編制涉及眾多復雜、變化和不確定的因素，例如環境變化情況下的洪水演變特征、流域范圍內防洪排澇體系標準和能力、暴雨洪水監測預報體系與預警發布機制的建立、防洪工程整體應急調度的可操作性等，這些都影響著超標準洪水的形成和演進過程，并決定著采取何種措施應對超標準洪水，因此超標準洪水淹沒范圍的分析以及防御預案的編制是一項長期的、需要不斷修編完善的任務[4]。未來超標準洪水防御的研究要充分考慮到上述各方面對洪水分析的影響，使超標準洪水防御預案的編制更為科學，對防汛工作起到更為切實可行的指導作用。

參考文獻：

[1] 黃克榮. 論城市防洪在國民經濟建設中的地位和作用[J]. 當代建設，1997（4）：12-15.

[2] 葛小平，許有鵬，張琪，等.GIS支持下的洪水淹沒范圍模擬[J]. 水科學進展，2011，13（1）：456-460.

[3] 金哲，肖旋旎.基于GIS的洪水淹沒區分析[J].吉林水利，2014（6）：30-62，37.

[4] 程曉陶.防御超標準洪水需有全局思考[J]. 中國水利，2020（13）：8-10.

（編輯：李 晗）