陽(yáng)澄淀泖區(qū)動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的編制及其管理系統(tǒng)的開發(fā)

鐘桂輝,劉曙光,張梟鳴,胡子琛,俞燕彥

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092; 2.北京艾森思科技有限公司,北京 100085)

陽(yáng)澄淀泖區(qū)動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的編制及其管理系統(tǒng)的開發(fā)

鐘桂輝1,劉曙光1,張梟鳴1,胡子琛1,俞燕彥2

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092; 2.北京艾森思科技有限公司,北京 100085)

基于大量的實(shí)測(cè)和調(diào)研資料,建立了能反映陽(yáng)澄淀泖區(qū)現(xiàn)狀河網(wǎng)、圩區(qū)分布及水工建筑物調(diào)度的水動(dòng)力模型,經(jīng)率定和驗(yàn)證后能夠用于該區(qū)域的洪水模擬。基于Web技術(shù)、GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),研發(fā)了嵌套水動(dòng)力模型的動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)。針對(duì)任意降雨、邊界條件、水工建筑物參數(shù)及調(diào)度參數(shù),系統(tǒng)能快速調(diào)用模型進(jìn)行模擬計(jì)算并生成動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。與在線預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警,為洪水風(fēng)險(xiǎn)圖在防洪減災(zāi)、洪水管理、洪水預(yù)報(bào)等方面提供技術(shù)支撐和應(yīng)用借鑒。

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖; 洪水管理系統(tǒng); 水動(dòng)力模型； 陽(yáng)澄淀泖區(qū)

1968年美國(guó)會(huì)通過(guò)《全國(guó)洪水保險(xiǎn)法》推動(dòng)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖誕生以來(lái),洪水風(fēng)險(xiǎn)圖在世界各國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用[1-6]。我國(guó)自2004年開始洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制試點(diǎn)工作,至今已經(jīng)在全國(guó)很多地區(qū)編制了包括防洪保護(hù)區(qū)、中小流域、蓄滯洪區(qū)及城區(qū)等不同類型的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖,為我國(guó)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的繪制和洪水風(fēng)險(xiǎn)管理探索出了經(jīng)驗(yàn)、理論和方法[7-13]。洪水風(fēng)險(xiǎn)圖作為防洪減災(zāi)的重要技術(shù)支撐,是制定流域防洪規(guī)劃、規(guī)范和約束經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展行為、部署防洪工程及非工程措施、開展洪水保險(xiǎn)和防汛搶險(xiǎn)救災(zāi)等工作的重要依據(jù)。

隨著全球氣候變暖、海平面上升及城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,洪水風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)并將繼續(xù)發(fā)生顯著變化,洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的靈活運(yùn)用及動(dòng)態(tài)更新已成為流域及各級(jí)洪水管理部門重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。特別是太湖流域,人口眾多、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),特殊的地理環(huán)境和氣候特點(diǎn),使得該地區(qū)洪澇災(zāi)害頻繁,損失嚴(yán)重。全球氣候變暖使得太湖流域臺(tái)風(fēng)和暴雨趨勢(shì)增強(qiáng),海平面的上升又降低了流域洪水外排的能力。人口、資產(chǎn)密度的急速增長(zhǎng),土地利用方式的急劇改變,流域內(nèi)水面率與河網(wǎng)通達(dá)率的下降,洪水風(fēng)險(xiǎn)的不確定性及危害性在不斷增加[14-16]。另外,太湖流域水系復(fù)雜,河湖密布,近50%的面積位于圩區(qū)或城市大包圍之中,圩區(qū)及城市大包圍是平原低洼地區(qū)防洪除澇的有效措施,但大量的澇水外排,導(dǎo)致圩外河網(wǎng)水位迅速大幅上漲,如2015年6月,太湖流域遭受3場(chǎng)強(qiáng)降雨侵襲,圩區(qū)及城市大包圍的澇水外排使得大運(yùn)河水位迅速上升,大運(yùn)河全線水位超警戒,無(wú)錫段水位達(dá)到5.18 m(1991年歷史高水位4.88 m),區(qū)域及流域防洪壓力大大增加。防洪減災(zāi)及洪水風(fēng)險(xiǎn)管理需要洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的支撐,也需要探索動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖,預(yù)見(jiàn)未來(lái)洪水風(fēng)險(xiǎn),推廣洪水風(fēng)險(xiǎn)圖在其他領(lǐng)域的應(yīng)用,并從而提高洪水風(fēng)險(xiǎn)的管理能力[17]。

計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息化平臺(tái)的快速發(fā)展,使集成水文、氣象、模型計(jì)算、數(shù)據(jù)同化、GIS展示等為一體的動(dòng)態(tài)洪水圖編制成為可能。本文以太湖流域陽(yáng)澄淀泖區(qū)為研究對(duì)象,基于大量的基礎(chǔ)實(shí)測(cè)和調(diào)研資料,建立了高精度的一、二維耦合的水動(dòng)力模型,結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù),將模型嵌套于洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的編制。洪水風(fēng)險(xiǎn)的增長(zhǎng)是氣候變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性增長(zhǎng)共同作用的結(jié)果[16]。因此,開展針對(duì)氣候變化、人類活動(dòng)和防洪工程體系綜合影響下的洪水模擬,動(dòng)態(tài)生成洪水風(fēng)險(xiǎn)圖進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)分析和預(yù)測(cè),能有效增強(qiáng)區(qū)域的洪水綜合管理與應(yīng)急響應(yīng)的能力。

1 水動(dòng)力模型

1.1 區(qū)域概況

陽(yáng)澄淀泖區(qū)位于太湖流域東北部,屬太湖下游的一個(gè)水利分區(qū),西至望虞河,北倚長(zhǎng)江,南至太浦河,面積4 314 km2。區(qū)內(nèi)河網(wǎng)縱橫交錯(cuò),湖泊眾多,有大小河道2萬(wàn)余條,湖蕩146個(gè)。

區(qū)域外圍有長(zhǎng)江控制線、環(huán)太湖控制線、望虞河?xùn)|岸控制線、太浦河北岸控制線、運(yùn)河澹臺(tái)湖段東岸控制線、淀山湖昆山堤段控制線六大防洪工程。這些控制線沿線設(shè)有各種閘門及泵站,并按照聯(lián)合調(diào)度的控制規(guī)則來(lái)控制和調(diào)節(jié)外圍洪水。區(qū)域內(nèi)部除了有通江骨干河道、大小湖蕩進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)外,還建有大小聯(lián)圩366個(gè),面積占總研究區(qū)域面積的50%。每個(gè)圩區(qū)都有多個(gè)泵站和節(jié)制閘進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)各自圩區(qū)的防洪排澇。

陽(yáng)澄淀泖區(qū)地勢(shì)低平,河道水面比降小,水流流速緩慢,上游受太湖洪水下泄影響,下游又受長(zhǎng)江潮位頂托,排水難度大,洪澇滯蓄時(shí)間長(zhǎng)。洪澇特點(diǎn)表現(xiàn)為:①洪澇災(zāi)害頻繁。根據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì),平均每4～5 a發(fā)生一次洪澇災(zāi)害。新中國(guó)成立以來(lái),相繼發(fā)生了1954、1991、1999年流域性大洪水。②平原河網(wǎng)地區(qū)洪澇不分。洪澇災(zāi)害主要以平原河網(wǎng)地區(qū)受災(zāi)為主,每遇大范圍持久降雨或局部大暴雨時(shí),難以區(qū)分洪災(zāi)和澇災(zāi)。③洪澇災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失巨大。④城市化發(fā)展導(dǎo)致區(qū)域防洪形勢(shì)更趨嚴(yán)峻。城市基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)使不透水地面面積擴(kuò)大、水面率減少,對(duì)產(chǎn)匯流特性產(chǎn)生了較大影響;城市防洪除澇能力的增強(qiáng)和區(qū)域大規(guī)模的圩區(qū)建設(shè),又造成地區(qū)排澇量進(jìn)一步加大,致使圩外河道水位上漲加快,高水位持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng),加重了流域區(qū)域防洪除澇壓力[17]。

1.2 水動(dòng)力模型的建立與驗(yàn)證

選擇丹麥水動(dòng)力研究所開發(fā)的MIKE FLOOD軟件建立一、二維耦合模型。

一維水動(dòng)力模型的基本方程是圣維南方程組,包括水流連續(xù)方程和動(dòng)量方程:

(1)

(2)

式中:x為距離;t為時(shí)間;A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;Q為流量;h為水位;q為旁側(cè)入流量;C為謝才系數(shù);R為水力半徑;g為重力加速度。

二維水動(dòng)力模型基于三維不可壓縮的N-S(Navier-Stockes)方程,服從Bousinesq渦黏假定和靜水壓力假定,采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與蛙跳格式(leap frog)、通過(guò)控制體積法求解連續(xù)方程和動(dòng)量方程。

耦合模型是將一維河網(wǎng)兩岸的堤防與二維地面進(jìn)行側(cè)向連接,實(shí)現(xiàn)水量、動(dòng)量的實(shí)時(shí)交換,保證數(shù)學(xué)模型在空間、時(shí)間上的計(jì)算精度[18-19]。

1.2.1 水動(dòng)力模型的建立

a. 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理。數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù) 、河道斷面數(shù)據(jù)。河流水系數(shù)據(jù)、DEM高程數(shù)據(jù)、道路交通及土地利用等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來(lái)自江蘇省測(cè)繪局提供的2013年全要素矢量地圖,比尺為1∶10 000。水文數(shù)據(jù)為歷史觀測(cè)數(shù)據(jù),包括1951—2015年23個(gè)水文站點(diǎn)的降水資料,典型年主要測(cè)站的水位資料,水文數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和校正。骨干河道的斷面為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),測(cè)量間距為2 km,斷面變化較大及轉(zhuǎn)折點(diǎn)處進(jìn)行了加密。其他河道斷面為全國(guó)水利普查數(shù)據(jù)。模型中的斷面進(jìn)行了插值處理,一般每500 m一個(gè)計(jì)算斷面。

b. 河網(wǎng)概化。區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)復(fù)雜,湖蕩連通,且50%的區(qū)域面積為圩區(qū)控制。為了保證模型的精度,建模時(shí)盡量真實(shí)再現(xiàn)原有河網(wǎng)狀況。將河道分為圩內(nèi)、圩外兩大類。圩外河道盡量按實(shí)際情況全面放入模型中,半高地和高地處的河道(主要集中在常熟、昆山和太倉(cāng)地區(qū))按調(diào)蓄水面積進(jìn)行概化。圩內(nèi)河道盡量保留與圩外河網(wǎng)直接由閘泵相連的骨干河道,考慮洪水期水閘基本關(guān)閉,模型只考慮泵站的布置和抽排能力。調(diào)查每個(gè)圩區(qū)的水面率,根據(jù)實(shí)際水面率對(duì)圩區(qū)增加了適量的調(diào)蓄水面。湖泊處理成虛擬河道加上調(diào)蓄水面,湖泊實(shí)際水面面積與虛擬河道水面面積的差作為附加調(diào)蓄面積添加在調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)處。模型共概化河道949條(其中圩外河道483條,圩內(nèi)河道466條)，湖泊50個(gè),計(jì)算水位點(diǎn)6 988個(gè)、計(jì)算流量點(diǎn)4 699個(gè),模型河網(wǎng)如圖1所示。

圖1 陽(yáng)澄淀泖區(qū)水系概化

c. 水工建筑物處理。區(qū)域內(nèi)水工建筑物主要包括水閘和泵站兩種。望虞河、太湖、長(zhǎng)江、太浦河沿線閘門按照實(shí)際閘門的位置、規(guī)模及調(diào)度情況加入模型,邊界河道和澹臺(tái)湖以上(非城區(qū)包圍)沿運(yùn)河?xùn)|岸上的城區(qū)包圍的水工建筑物也按實(shí)際閘門的位置、規(guī)模及調(diào)度情況模擬。因圩區(qū)內(nèi)有大量的水閘和泵站,在保證圩區(qū)排澇總量不變的基礎(chǔ)上,根據(jù)圩區(qū)規(guī)模、圩區(qū)排澇能力和圩區(qū)實(shí)際泵站分布進(jìn)行概化處理。洪水期間圩區(qū)水閘關(guān)閉。經(jīng)概化處理,模型包含泵站480個(gè)、水閘86個(gè)。

d. 城市大包圍的處理。城市大包圍相當(dāng)于一個(gè)大圩區(qū),研究區(qū)域內(nèi)主要有蘇州城區(qū)、昆山城區(qū)、吳江城區(qū)、常熟城區(qū)和太倉(cāng)城區(qū)。城市大包圩考慮了所有的水閘和泵站,水閘和泵站的位置、規(guī)模及調(diào)度按實(shí)際情況處理。

e. 網(wǎng)格剖分及耦合連接。為保證模型的精度,將每個(gè)圩區(qū)單獨(dú)網(wǎng)格剖分,沿江的半高地與高地區(qū)域統(tǒng)一進(jìn)行網(wǎng)格剖分,局部地區(qū)進(jìn)行加密,共生成網(wǎng)格82 904個(gè),平均網(wǎng)格面積0.04 km2。一、二維耦合采用側(cè)向連接,將一維河道的堤防與二維陸域進(jìn)行連接。

f. 邊界條件、初始條件及參數(shù)選取。陽(yáng)澄淀泖區(qū)是太湖流域一個(gè)獨(dú)立的水利分區(qū),南、北和西邊分別以長(zhǎng)江、望虞河、太浦河和太湖口門為開邊界。東部邊界主要包括青松大包圍與嘉寶大包圍,根據(jù)調(diào)度實(shí)際,陽(yáng)澄淀泖區(qū)難以向東泄洪,從區(qū)域防洪不利情況考慮,不考慮通過(guò)青松、嘉寶大包圍向下游排水,僅考慮淀山湖通過(guò)攔路港向下游泄洪以及吳淞江與鹽鐵塘與下游的水量交換,因此東部邊界基本為閉邊界,僅泖甸站與黃渡站為水位控制的開邊界。京杭運(yùn)河參照2015年實(shí)測(cè)最大值,給定流量188 m3/s。初始流量設(shè)為零,初始水位設(shè)為河道多年平均高水位。河道糙率的初始值選擇文獻(xiàn)[20]中各河道的給定值,陸域的糙率按《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則(試行)》賦予初值,率定時(shí)局部進(jìn)行調(diào)整。

g. 設(shè)計(jì)暴雨。本文涉及的降雨有20年一遇、50年一遇、100年一遇最大24 h設(shè)計(jì)面暴雨;50年一遇、100年一遇最大15 d設(shè)計(jì)面暴雨;“91北”、“99南”最大30 d設(shè)計(jì)面暴雨。最大24 h設(shè)計(jì)暴雨選取了楓橋、平望、直塘、花橋30年以上長(zhǎng)系列資料適線法計(jì)算,并進(jìn)行點(diǎn)面折算,利用《江蘇省暴雨洪水圖集》[21]最大24 h設(shè)計(jì)暴雨概化雨型進(jìn)行時(shí)段雨量分配,并同時(shí)控制1 h、6 h降雨量。蒸發(fā)和滲透的影響采用初損后損法扣損,不考慮初損,后損為1 mm/h。長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨中,蒸發(fā)和滲透的影響較大,不能單純用扣損法。選擇區(qū)域內(nèi)23個(gè)雨量站1951—2012年長(zhǎng)系列資料進(jìn)行了長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨的計(jì)算,并利用泰森多邊形進(jìn)行點(diǎn)面關(guān)系折算,設(shè)計(jì)典型年為1999年型,最大15 d同頻控制。最后再利用文獻(xiàn)[20]的模型,按照土地類型進(jìn)行蒸發(fā)和入滲計(jì)算,得到分片后的設(shè)計(jì)面凈雨。

1.2.2 模型率定和驗(yàn)證

選取2009年7月21日至8月10日洪水進(jìn)行率定,率定后各河道的曼寧系數(shù)介于0.0225～0.035之間。選取2012年8月6—15日、2013年10月6—13日兩場(chǎng)典型洪水進(jìn)行驗(yàn)證。湘城站、陳墓站和金家壩站是陽(yáng)澄淀泖區(qū)最具代表性的水位站點(diǎn),兩段驗(yàn)證期內(nèi)各站點(diǎn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較小(圖2),絕大部分水位誤差控制在5 cm以內(nèi), NASH確定性系數(shù)介于0.83～0.98之間(表1),表明模型精度良好。

圖2 部分水位站實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位對(duì)比

水位站名年份最高水位/m出現(xiàn)日期實(shí)測(cè)計(jì)算實(shí)測(cè)計(jì)算水位最大誤差/m確定性系數(shù)湘城陳墓巴城金家壩20123．673．6008-1008-100．070．8320133．843．7710-0910-090．070．9220123．753．6608-1008-100．090．9320133．823．8010-0910-100．020．9620123．593．5308-1008-100．060．8420133．843．7410-0910-090．100．9120123．763．6908-1008-100．070．9120134．023．9810-0910-100．040．98

2 動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖

所謂動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖,是指能任意設(shè)置不同頻率的降雨,更改模型邊界條件、任意設(shè)置水工建筑物參數(shù)和調(diào)度規(guī)則、預(yù)設(shè)不同潰口位置和潰口發(fā)展過(guò)程,實(shí)現(xiàn)快速調(diào)用模型計(jì)算并生成洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。同時(shí),洪水風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)程能動(dòng)態(tài)展示;不同的方案可以調(diào)用對(duì)比;重點(diǎn)地區(qū)的水位和流量可以進(jìn)行關(guān)注、預(yù)測(cè)并報(bào)警。

為完成上述目的,首先,基于Web技術(shù)、GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)研發(fā)了B/S (Browser/Server)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)。考慮到該系統(tǒng)主要用于防洪規(guī)劃、風(fēng)險(xiǎn)分析、防洪決策,系統(tǒng)采用面向服務(wù)(SOA)的體系架構(gòu),將應(yīng)用程序的不同功能單元(數(shù)據(jù)庫(kù)、模型等)通過(guò)定義好的接口和契約進(jìn)行鏈接,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換和功能實(shí)現(xiàn)。然后,開發(fā)了MIKEF LOOD模型相關(guān)模塊數(shù)據(jù)交互組件的接口,包括降雨更改接口、在線數(shù)據(jù)調(diào)用接口、水工建筑物更改及調(diào)用接口,預(yù)設(shè)的潰口接口等。系統(tǒng)可以靈活調(diào)用模型模塊,更改相關(guān)參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖在系統(tǒng)中的編制。

2.1 動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)

系統(tǒng)的開發(fā)基于JAVAEE技術(shù)[22],將數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)、企業(yè)級(jí)Java組件、命名和目錄服務(wù)、動(dòng)態(tài)頁(yè)面生成、XML、JSON、事務(wù)管理等有機(jī)集成在一起,并且提供集群等高級(jí)特性,使之特別適合構(gòu)建復(fù)雜的大型應(yīng)用系統(tǒng),并且保證系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性。采用輕量級(jí)的構(gòu)建方法,在POJO的基礎(chǔ)上,封裝了Spring、Spring MVC和Hibernate,實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的構(gòu)架、強(qiáng)大的功能、良好的擴(kuò)展性以及在不同的應(yīng)用服務(wù)器之間的高可移植性。系統(tǒng)建立的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)的及數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳遞、水動(dòng)力模型的封裝和調(diào)用、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖結(jié)果的動(dòng)態(tài)展示、動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的編制及部分關(guān)注點(diǎn)水位的預(yù)報(bào)預(yù)警。系統(tǒng)采用分層的設(shè)計(jì)架構(gòu),整個(gè)架構(gòu)分為4層:應(yīng)用層、認(rèn)證層、組件層和數(shù)據(jù)層,各層都有一套定義好的接口和構(gòu)件,具體見(jiàn)圖3。

系統(tǒng)的主界面如圖4所示,主要由菜單欄,圖層區(qū)和顯示區(qū)。菜單欄顯示了系統(tǒng)的主要功能,包括區(qū)域概況、靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)圖、動(dòng)態(tài)計(jì)算、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)及結(jié)果查看5個(gè)部分。

區(qū)域概況是區(qū)域的基本信息的概述,包括地理信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、行政區(qū)劃及歷史洪水等。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 系統(tǒng)主界面

靜態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖成果進(jìn)行分類展示,任意計(jì)算方案的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖都可以保存入庫(kù)并顯示。點(diǎn)擊“靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)圖”菜單,系統(tǒng)會(huì)以分類表格的形式羅列出該區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)圖研究成果,包括名稱、類型、相關(guān)的說(shuō)明以及風(fēng)險(xiǎn)圖圖件(圖4)。已完成的靜態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖有3類:①歷史洪水風(fēng)險(xiǎn)圖,主要是2009年、2012年、2013年典型年洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。②不同頻率設(shè)計(jì)暴雨下內(nèi)澇洪水風(fēng)險(xiǎn)圖,包括20年、50年、100年一遇最大24 h設(shè)計(jì)暴雨;50年、100年一遇最大15 d設(shè)計(jì)暴雨;“91北”、“99南”最大30 d設(shè)計(jì)暴雨下的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。③潰堤洪水風(fēng)險(xiǎn)圖,經(jīng)調(diào)研和論證后假定部分堤防發(fā)生潰堤,從而編制的潰堤洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。

動(dòng)態(tài)計(jì)算即為改變降雨及邊界等參數(shù)的動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)方案計(jì)算,計(jì)算結(jié)果保存在“結(jié)果查看”中,并能生成動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。

實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)是動(dòng)態(tài)計(jì)算的延伸,將降雨和邊界條件與實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)庫(kù)連接,系統(tǒng)一方面能對(duì)實(shí)時(shí)的降雨、水文站點(diǎn)水位、河道流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析;另外一方面,可以用實(shí)時(shí)水雨情為變動(dòng)參數(shù)調(diào)用模型滾動(dòng)計(jì)算,展現(xiàn)當(dāng)前水雨情下水動(dòng)力模型模擬預(yù)測(cè)的洪水風(fēng)險(xiǎn)信息。系統(tǒng)還設(shè)置了研究區(qū)域重要關(guān)注點(diǎn)(斷面、河道水位、流量),并給關(guān)注點(diǎn)設(shè)置預(yù)警閥值,當(dāng)模型滾動(dòng)計(jì)算中關(guān)注點(diǎn)出現(xiàn)超出預(yù)警閥值時(shí),能進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)預(yù)警。

結(jié)果查看是以模型計(jì)算的結(jié)果為依據(jù),動(dòng)態(tài)展示一維水位流量變化過(guò)程、二維洪水演進(jìn)過(guò)程,自動(dòng)生成洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)圖、洪水淹沒(méi)歷時(shí)風(fēng)險(xiǎn)圖及洪水到達(dá)時(shí)間洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。

2.2 動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制

動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)中的水動(dòng)力模型,進(jìn)行降雨條件的任意更改,如改變成其他設(shè)計(jì)頻率的降雨,或者依據(jù)天氣預(yù)報(bào)情況更改區(qū)域內(nèi)水文站點(diǎn)的降雨,同時(shí)還可以改變其他邊界條件,如改變邊界的水位過(guò)程、潮位過(guò)程、水閘泵站的參數(shù)、潰口的位置等,實(shí)現(xiàn)對(duì)任意洪水方案的快速模擬,圖5為動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖更改參數(shù)設(shè)置的界面。

動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)圖參數(shù)的更改包括5個(gè)部分:方案信息、降雨條件、邊界條件、泵站、水閘及潰口。“方案信息”是對(duì)新計(jì)算方案基本信息的設(shè)置和保存,方案信息包括:方案名稱、計(jì)算開始時(shí)間、計(jì)算結(jié)束時(shí)間、輸出步長(zhǎng)和方案描述信息。“降雨條件”提供降雨時(shí)序數(shù)據(jù)的查看及批量修改,降雨時(shí)序數(shù)據(jù)柱狀圖展示,雨量站的地圖定位。“邊界條件”提供水位時(shí)序數(shù)據(jù)的查看和批量修改,水位過(guò)程線展示,邊界點(diǎn)的地圖定位。“泵站”提供泵站參數(shù)的更改和設(shè)置,包括:泵站的起排水位、終排水位和排水能力,可分別按行政區(qū)劃分片批量設(shè)置,也可以單獨(dú)設(shè)置每個(gè)泵站的參數(shù)。“水閘”提供水閘參數(shù)的更改和設(shè)置,與泵站類似,可以批量修改也可以單獨(dú)設(shè)置。“潰口”可以假設(shè)潰口,進(jìn)行潰口、漫堤的動(dòng)態(tài)洪水分析計(jì)算。

參數(shù)更改設(shè)置完成后,通過(guò)模型模擬計(jì)算接口驅(qū)動(dòng)MIKE11水動(dòng)力模塊、MIKE21水動(dòng)力模塊和MIKE FLOOD耦合模型,迅速進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算,計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出到數(shù)據(jù)庫(kù)接口,并按照一定的表結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中,形成一個(gè)新方案洪水風(fēng)險(xiǎn)圖數(shù)據(jù),本文模型較為精細(xì),82 904個(gè)計(jì)算網(wǎng)格,模擬24 h暴雨內(nèi)澇的時(shí)間約為20 min。以新方案計(jì)算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)圖配圖、添加輔助信息、說(shuō)明信息和洪水風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)信息,在結(jié)果查看模塊中生成新的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖,從而完成一個(gè)動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的編制。洪水風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空模擬結(jié)果可以在“結(jié)果查看”中進(jìn)行回放、暫停及動(dòng)畫展示。動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖可以用JPG等不同格式的不同圖幅、比例尺和分辨率查看和輸出。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),采用一、二維耦合技術(shù)建立了陽(yáng)澄淀泖區(qū)平原河網(wǎng)水動(dòng)力模型,該模型包括河道949條,泵站480個(gè),水閘86個(gè),計(jì)算網(wǎng)格82 904個(gè)。模型的建立充分考慮了平原復(fù)雜河網(wǎng)間水量的交換、水工建筑物的影響及調(diào)度、圩區(qū)及城市大包圍的影響等。采用歷史洪澇數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了率定和驗(yàn)證,絕大部分水位誤差小于5 cm,精度較高,能夠用于該地區(qū)其他洪水方案的洪水風(fēng)險(xiǎn)分析和洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的編制。

通過(guò)多學(xué)科交叉、多模型耦合及先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件,研發(fā)了基于Web技術(shù)、GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將水動(dòng)力模型通過(guò)接口嵌入其中,實(shí)現(xiàn)已完成方案的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖查詢及動(dòng)態(tài)展示;對(duì)任意組合洪水方案進(jìn)行快速模擬計(jì)算,生成動(dòng)態(tài)洪澇風(fēng)險(xiǎn)圖;與實(shí)時(shí)水雨工情數(shù)據(jù)庫(kù)連接,滾動(dòng)計(jì)算并預(yù)報(bào)預(yù)警。系統(tǒng)能為防洪減災(zāi)、洪水管理、城市規(guī)劃避洪搶險(xiǎn)提供決策依據(jù)。當(dāng)然,該系統(tǒng)還需要進(jìn)一步完善,如需要進(jìn)一步提高模型的運(yùn)行速度,今后考慮將其他水文模型及水動(dòng)力模型入庫(kù),實(shí)現(xiàn)任意模型的選擇、模擬及洪水預(yù)報(bào)預(yù)警。

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DynamicfloodriskmappinganddevelopmentofamanagementsystemforYangcheng&DianmaoDistrict//

ZHONG Guihui1, LIU Shuguang1, ZHANG Xiaoming1,HU Zicheng1,YU Yanyan2

(1.CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.BeijingAisensiScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100085,China)

A hydrodynamic model integrated with river networks, ponler areas and the controlling of hydraulic structures was established. After validation and calibration with sufficient measured data and current situation investigation, this numerical model can successfully simulate the flood. Based on Web, GIS and database technology, the management system of dynamic flood risk maps coupledwith the hydrodynamic model was developed. Dynamic flood risk mapping can be produced after the employment of the hydrodynamic model,which can deal with multiple customized data, including precipitation, boundary conditions, parameters of hydraulic structuresand scheduling disciplines. Combined with online forecasting data, the management system can provide technical support and references for the application of flood risk maps on flood control and disaster relief, as well as flood management and forecasting in China.

dynamic flood risk mapping; flood management system; hydrodynamic model; Yangcheng & Dianmao District

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃 (2014BAL05B02)

鐘桂輝(1971—),女,副教授,博士研究生,主要從事防洪減災(zāi)研究。E-mail:guihui_zhong@tongji.edu.cn

劉曙光(1962—),男,教授,博士,主要從事防洪減災(zāi)研究。E-mail:liusgliu@tongji.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.06.011

TV877

A

1006-7647(2017)06-0062-07

2017-01-09 編輯：鄭孝宇)