洛陽市洪水演進數值模擬及風險分析

楊雪菲，楊 帆，靳潤芳，徐 梁

（洛陽水利勘測設計有限責任公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

洪水風險管理是我國防洪減災的重要基礎，在防洪規劃、防洪減災工程、非工程措施部署、國土資源管理等方面都具有重要作用。制作洪水風險圖評價洪水風險，需采用可靠的信息，選擇科學的方法，建立可靠而高效的模型[1-2]。建立研究區域的洪水演進水動力模型是洪水風險分析計算的基礎，根據洪水分析得到的淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等要素，結合淹沒區社會經濟情況分析評估洪水影響。本文系統應用一維、二維及管網模型研究洛陽市區洪水風險。

1 區域概況

洛陽位于河南西部、黃河中游，總面積1.52 萬km2，其中市區面積803 km2，總人口717.02 萬，其中市區人口230.95 萬，常住人口城鎮化率59.1%。洛陽市城市地位顯著，需建立國家級安全城市，尤其以保證洪水安全為重。流經洛陽市城區內的河流有伊河、洛河、澗河、瀍河。伊、洛、澗、瀍河穿過市區。洛陽市河流水系圖見圖1。

圖1 洛陽市中心城區水系及一維模型范圍

2 模型建立

2.1 河道一維模型構建

采用Mike11 模型計算市區內河洪水演進，通過側向連接以及設置側堰公式計算，模擬堤防漫溢情況下，一維和二維模型水量交換。一維模型建模對象包括洛河、伊河、甘水河、澗河、瀍河5 條河流，以及邙山渠、中州渠、南城壕、鐵路防洪渠、大明渠、秦嶺防洪渠、新區西干渠、東干渠、伊濱區安瀾街排澇渠、開拓大道排澇渠共10 條市區內排澇渠。一維模型建模范圍見圖1。

2.2 地面二維模型構建

地面二維模型采用Mike21 模型。二維模型計算范圍包括洛陽市澗西區、西工區、老城區、瀍河回族區、洛龍區5 個區計算范圍見圖2。

圖2 洛陽市二維模型計算范圍

二維水力學模型中，采用規則網格或不規則網格，對于規則網格，邊長不宜超過300 m，對于不規則網格，最大網格面積不宜超過0.1 km2，重要地區、地形變化較大部分的計算網格要適當加密。城市洪水分析的計算網格一般控制在0.05 km2以下。

2.3 地下管網模型構建

地下管網模型采用MikeUrban模型。MikeUrban模型是基于地理信息系統的用于模擬城市給排水管網系統的建模軟件，可以用于模擬城市排水區的地表雨水徑流、水質變化和泥沙運動等，能夠勝任模擬復雜的自由水面流和管道壓力流的地下管網系統。整個排水管網系統的動態模擬能夠劃分為兩個步驟：降雨徑流模塊和管網水力模塊。其中，降雨徑流模塊的輸出結果是后者的上邊界條件。

城市管網包括地下雨水管網、污水管網等，污水管網一般不參與城市排澇，本次暫不考慮。因此，管網模型構建采用本次收集的572條雨水干管，見圖3。

圖3 雨水管網分布圖

2.4 模型耦合及邊界處理

城市內河洪水漫溢或決口后，河道洪水流入市區，部分通過雨水口或檢查井進入地下排水管網系統；暴雨在城市地表形成徑流，部分雨水直接流入河道，大部分通過雨水口或人工口進入地下排水管網系統然后排入河道。為準確描述河道一維、地面二維、地下管網模型間的互相影響，需建立河道一維、地面二維和地下管網耦合模型。市區二維模型和內河一維模型的河道兩岸進行側向耦合，一維模型和地下管網模型排水口進行耦合，地下管網模型檢查井和相應的二維模型計算網格耦合，見圖4。耦合采用Mike Flood實現，見圖5。

圖4 數學模型耦合方案

圖5 模型耦合示意圖

3 模型計算成果

暴雨洪水期間，雨水首先在地面填洼和下滲，滿足產流條件（蓄滿或超滲產流）后，在地表形成徑流，地表徑流一部分通過地面漫流排入河道，另一部分經過集水井進入地下管道后排入河道，組合內河上游洪水，經市區排入河道。若暴雨強度超出市區排澇能力，暴雨將在地面積水，形成內澇；若河道洪水超出河道行洪能力，洪水將漫過堤防或造成堤防決口進入市區。洛陽市區暴雨洪水輸移過程示意圖見圖6。

圖6 洛陽市區暴雨洪水輸移過程示意圖

3.1 暴雨內澇方案結果

對暴雨內澇方案，計算了20 年一遇頻率內澇洪水，從1 h、2 h、6 h和12 h等4 個歷時凈雨分析市區淹沒過程。1 h、6 h和12 h等4 個時段市區淹沒過程見圖7～圖9。

圖7 洛陽市區20 年一遇1 h 水深分布圖

圖8 洛陽市區20 年一遇6 h 水深分布圖

圖9 洛陽市區20 年一遇12 h 水深分布圖

（1）1 h淹沒情況

降雨歷時1 h，總降雨量56.9 mm。水深小于0.3 m的區域面積達到13.9 km2。水深大于0.3 m的區域面積很小，為0.4 km2。中州西路、建設路、凱旋路沿線區域，古城快速路、東環路、王城大道合圍區域，積水淹沒情況較多。

（2）6 h淹沒情況

降雨歷時6 h，累計降雨量為81.6 mm，隨著降雨的進行，水深小于0.3 m的區域進一步擴大，達到18 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的區域面積增大，達到1.4 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的區域面積減小，達到1.5 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區域面積增大，達到4.3 km2。中心城區地勢低洼的區域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒，一般在0.8 m左右。

（3）12 h 淹沒情況

降雨歷時12 h，累計降雨量為90.0 mm。水深大于0.3 m的區域面積進一步增加，達到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的區域面積減小，達到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m 的區域面積增大小，達到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區域面積增大，達到4.8 km2。水深大于2.0 m、小于3.0 m的區域面積增大，達到3.1 km2。中心城區地勢低洼的區域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒，一般在1 m左右。

3.2 漫溢方案結果

對漫溢方案，計算了50 年一遇頻率洪水。經過計算，洛陽市內河道在50 年一遇上游來水情況下無漫溢發生，因此對漫溢方案，分別從1 h、6 h 和12 h 等4 個時段分析市區淹沒過程即可。見圖10～圖12。

圖10 洛陽市區50年一遇1 h水深分布圖

圖11 洛陽市區50年一遇1 h水深分布圖

圖12 洛陽市區50年一遇12 h水深分布圖

（1）1 h淹沒情況

降雨歷時1 h，總降雨量66.1 mm。水深大于0.3 m的區域面積進一步增加，達到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的區域面積減小，達到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的區域面積增大小，達到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區域面積增大，達到4.8 km2。

水深大于2.0 m、小于3.0 m 的區域面積增大，達到3.1 km2。中心城區地勢低洼的區域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒，一般在1 m 左右。

（2）6 h 淹沒情況

降雨歷時6 h，累計降雨量為94.9 mm。水深大于0.3 m 的區域面積進一步增加，達到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m 的區域面積減小，達到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的區域面積增大小，達到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區域面積增大，達到4.8 km2。水深大于2.0 m、小于3.0 m 的區域面積增大，達到3.1 km2。中心城區地勢低洼的區域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒，一般在1.1 m 左右。

（3）12 h 淹沒情況

降雨歷時12 h，累計降雨量為104.6 mm。水深大于0.3 m的區域面積進一步增加，達到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的區域面積減小，達到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的區域面積增大小，達到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區域面積增大，達到4.8 km2。水深大于2.0 m、小于3.0 m 的區域面積增大，達到3.1 km2。中心城區地勢低洼的區域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒，一般在1.2 m左右。

4 結論

（1）不同方案下水深大于0.05 m的最大淹沒區面積為119.4 km2，淹沒農田面積796.0 hm2，淹沒居民地面積3980.0 萬m2，受影響公路長度930.0 km，受影響鐵路長度6.2 km，受影響重點單位598 個，受影響人口總數101.6 萬人。

（2）從水深等級分布上看，受影響的地物約57%分布在0.05 m～0.3 m的水深范圍內，符合城市內澇洪水的特性，并隨著水深的分布的增加，受影響的地物隨之減少，符合洪災影響的一般規律。

（3）從受影響對象所在的行政區來看，洛龍區受影響面積占轄區面積比例最大，約為31%，瀍河回族區最小，約為13%。

（4）同等條件下，淹沒面積、淹沒農田面積、淹沒房屋面積、受影響公路長度、受影響鐵路長度、受影響人口總數各項隨著洪水重現期的增大而增加，符合一般規律。