寧波鄞東南平原洪澇風險分析與動態預報預警系統研究

孫飛飛，江雨田，任立良，孫如飛，趙思遠，朱從飛

(1. 寧波市水利水電規劃設計研究院有限公司，浙江 寧波 315192； 2. 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098)

1980年，中國洪水風險圖的編制提上日程[1]。2002年吳義陽[2]在地區洪澇災害發生后對風險進行評估，得出小流域短暫強降水將引起洪澇災害，導致經濟損失和人員傷亡的結論。此結論對后續的洪水風險圖編制有著重要影響。2007年李娜等[3]以上海為例，繪制了城市在防洪工程措施受損和暴雨來襲時的洪水風險圖。2007年梁忠民等[4]研究了GIS技術與洪水風險圖相結合的系統，并投入使用，為之后兩者相結合的系統提供了寶貴經驗。2020年章杭惠等[5]提出建立洪水風險實時分析系統以及探索"風險共擔"的洪水管理模式等方面的建議。

浙江省洪水風險圖編制開始于1989年，2003年開始加快制作洪水風險圖的進度[6]。但由于當時技術、經濟條件的制約，洪水風險圖是靜態的紙質形式，這類洪水風險圖精度低，難以及時更新，不能達到防汛防臺的實際要求。為了解決浙江省各級防汛部門對洪水風險圖部署和運用的實際需求，同時規范、指導全面推進工作的實施，浙江省防汛防臺抗旱指揮部統一部署，編制了《浙江省洪水風險圖編制規劃(2016-2019)》《浙江省洪水風險圖編制實施方案》(2016-2020)，寧波市鄞州區鄞東南平原洪水風險圖編制項目是此次規劃實施的重點內容之一。

本研究從鄞東南地區防洪減災、防汛管理等實際需求角度出發，在鄞東南地區建設“覆蓋整個建設范圍且擁有獨立數據庫及信息查詢管理、洪水風險分析評估、洪水風險圖繪制”等功能的動態洪水風險圖管理與應用系統。系統以動態洪水風險預報預警技術作為支撐，對即將到來的臺風進行提前的模擬、分析及評估——對洪水的演進進行實時跟蹤，根據實際水雨情及氣象信息預測可能發生的洪潮情形，并進行洪水演進計算，根據洪水演進計算結果實時繪制洪水風險圖、動態模擬城市受淹與退水過程、快速提取決策信息。通過信息化、技術化的手段，加強洪水風險管理，提前預估可能存在的洪澇風險，并針對性地提出相對可行的避險、搶險方案，實現從“被動抗洪抗災”向“主動防洪防災”轉變，最大限度地降低洪澇災害損失。

1 研究區基本情況

鄞州區地處長三角南翼、浙江省東部沿海，是計劃單列市寧波市六區之一[7](圖1)。流域內地勢南高北低、東高西低，形成由南向北的排水格局[8]。鄞東南平原河道縱橫交錯，現狀河網水面率6.4%。寧波市隸屬亞熱帶季風氣候區，雨量豐沛，經常受到臺風、海潮、洪澇等自然災害影響[9]。據寧波市水利局統計，自1949年起，臺風襲擊寧波市共計166次。其中，造成不同程度損失的有50次，年均0.7次。近10年來，對流域影響較大的有2012年“海葵”臺風、2013年“菲特”臺風、2015年“燦鴻”臺風、“杜鵑”臺風、2016年“莫蘭蒂”臺風和2018年“山竹”臺風等。

2 甬江流域洪水模擬數學模型構建

本研究以鄞州區境內隸屬甬江流域的鄞東南平原作為洪澇風險動態預報預警系統的研究范圍，區域面積約314 km2。考慮到鄞東南平原排水條件與整個甬江流域東排區的排水情況互為動態關系，計算范圍拓展至整個甬江流域東排區，計算范圍面積約4 265 km2。研究選用既能模擬平原河網洪水演進又能反映區域淹沒情況的洪水模擬數學模型——甬江流域洪水模擬數學模型。該模型中，河道計算采用一維非恒定流，同時耦合平原調蓄和雨水管網排水能力，針對整個甬江流域的河道洪水及平原淹沒過程進行模擬[10]。模型上邊界是采用暴雨推求洪水，通過山區河道匯流和水庫調度，作為平原河網上邊界；推算平原區水田、水面、城鎮、旱地及非耕地的凈雨過程作為平原陸域上邊界；流域下邊界為外海甬江口及杭州灣的潮位過程；內邊界為甬江流域內部河網、閘泵、平原陸域調蓄空間。模型邊界條件充分考慮了流域洪水成因特點，適用性程度較高。

2.1 甬江流域洪水模擬數學模型原理

2.1.1流域水文模擬

流域水文模擬主要用于山區產匯流計算和平原區域產流計算。考慮到甬江流域東排區城市化程度較高，故將平原下墊面細分成旱地及非耕地、水面、水田、城鎮[11]。

2.1.1.1產流計算

甬江流域屬于濕潤半濕潤地區。根據多位研究員研究及應用驗證，山區、平原區的旱地及非耕地采用三水源新安江模型進行產流計算較為合適[12]。蒸散發計算采用三層模型[13]，產流計算按照蓄滿產流方式進行。

2.1.1.2匯流計算

洪水資料較為完備地區的坡面匯流計算采用“線性水庫匯流模型方法”；當集水面積大于50 km2時，無資料地區坡面匯流計算采用“浙江省瞬時單位線法”；當集水面積小于50 km2時，采用“浙江省推理公式法”[14]。如果分區內有水庫，先通過水庫調洪演算計算出水庫的下泄流量過程，再通過馬斯京根法進行河道匯流演算，得出進入下游河道的洪水流量過程。

2.1.2水庫洪水預報調度模擬

水庫在實際防汛應用中，根據不同水庫的保護目標、洪水量級的大小、洪水所處的階段不同，會有多種調度運行模式，如按照水庫控制運行計劃模式、指令調度模式、時間序列調度模式、補償調度模式等。

2.1.3潮位預報模擬

鄞東南平原排水受到奉化江、甬江干流潮水頂托影響，臺風期間潮水位變化主要受天文潮、臺風風暴增水影響。本研究以天文潮調和分析方法為基礎，結合增水預測分析，通過天文潮與增水值進行耦合實現潮位預報。天文潮潮位高度公式如下：

(1)

式中j——分潮數；v——格林威治天文相角；v0——t=0時刻的v值；S0——長期平均海水位高度；H、g——調和常數。

2.1.4河網水動力模擬

河網采用節點-河道模型，水域和陸域劃分為調蓄小分區，將河網、水域和陸域組成統一的數學模型[15](圖2)。

2.2 模型率定及驗證

產匯流模型參數率定以流域內亭下水庫1988—2017年16場洪水資料為例，選取洪峰流量、峰現時間、徑流量和洪水過程確定性系數為主要評定指標。以甬江流域2012年“海葵”臺風、2015年“燦鴻”臺風和2015年“杜鵑”臺風作為參證洪水，進行平原河網水動力參數率定計算。

基于《浙江省洪水風險圖編制技術細則(試行)》(2015)中的相關規定，以“菲特”“莫蘭蒂”和“山竹”3場臺風進行甬江流域洪水模擬數學模型驗證。其中 “菲特”臺風亭下水庫流量過程確定性系數為0.91，甬江流域各代表站點計算與實測的水位誤差差值小于等于8 cm，各代表點計算與實測的淹沒水深差值小于等于12 cm；“莫蘭蒂”臺風甬江流域各代表站點計算與實測的水位誤差差值小于等于6 cm；“山竹”臺風橫溪水庫流量過程確定性系數為0.94，甬江流域各代表站點計算與實測的水位誤差差值小于等于8 cm，33個居民小區中有28個居民小區計算與實測的淹沒水深差值符合《浙江省洪水風險圖編制技術細則(試行)》(2015)要求。綜合分析后得到居民小區淹沒合格率達到84.8%，滿足《洪水風險圖編制導則》的要求，因此本模型能夠用于洪水分析及洪水影響分析計算。

3 洪澇風險動態預報預警系統設計

3.1 系統架構

整個系統劃分為信息感知層、數據服務層、應用支撐層、業務應用層。服務端使用Java語言，前端頁面使用Html5、CSS3語言，地圖基于ArcGIS平臺開發。基于網絡數據庫、應用“瀏覽器/服務器”模式開發基礎信息管理、實時洪水風險分析評估等子系統，可運行于Windows/Linux環境。系統結構見圖3。

3.2 動態洪水風險分析評估子系統

動態洪水風險分析評估子系統利用已建立的洪水模擬數學模型分析計算鄞東南平原動態洪水，預報預警洪澇災害。洪水分析計算以氣象降雨預報為依托，結合甬江流域內實時水雨工情信息，兼顧實時防汛調度指令，融合各部門防汛信息，開展暴雨洪水對編制范圍內影響全過程的預判、跟蹤與評估。

3.2.1降雨預報

在洪水發生過程中，已發生時段的降雨數據來源為甬江流域內實時監測的雨量數據，系統自動在后臺滾動將實時點雨量數據存入數據庫中，將點雨量數據轉化成為各產流分區的面雨量數據；預報時段的降雨數據可以根據需要進行人工配置，按照山區和平原，或者流域進行區分，并選擇典型降雨進行時空分配。

3.2.2水庫、閘泵調度

在洪水發生過程中，已發生時段的水庫、閘門、泵站調度數據來源為甬江流域內實時監測的水庫、閘門、泵站工情數據，預報時段的水庫、閘泵調度數據來源為防汛部門的水庫、閘泵調度指令或自身控制運行計劃。

3.2.3產匯流計算

產匯流計算采用基于水文學方法的產匯流模型作為底層計算引擎，為平原河網水動力計算提供上游山區來水邊界條件和平原凈雨邊界條件。根據降雨分析計算方案確定的降雨邊界以及水庫調度方案確定的水庫調度方式，對范圍內進行產流計算和匯流計算。

3.2.4潮位分析計算

實時潮位預報為平原河網水動力計算提供下邊界條件。在洪水發生過程中，已發生時段的潮位過程采用實時監測的潮位數據，預報時段的潮位過程，系統采用天文潮預報疊加風暴增水的方式得到完整的潮位過程。

3.2.5洪水演進計算

洪水演進計算采用基于水力學方法的河網水動力模型作為底層計算引擎，模擬洪水在平原河道、平原陸域的演進過程[16]。選定產匯流方案、潮位計算方案和閘泵調度方案，進行洪水演進計算，計算河道和平原洪水過程，輸出各代表站點水位過程、典型斷面水位流量過程，并分析淹沒水深、淹沒歷時等信息，以此對洪澇災害進行預報預警。水位分析成果見圖4。

3.3 系統應用

3.3.1“米娜”臺風應用情況

2019年第18號臺風“米娜”于10月1日在舟山市普陀區沈家門登陸，登陸時中心附近最大風力11級。為了防范和應對“米娜”臺風可能帶來的洪澇災害，9月29日至10月2日，根據防汛形勢分別計算分析了5組方案，見表1。

表1 “米娜”臺風計算方案說明

3.3.1.1系統預報精度評估

在5組水位預報成果中，方案4(10月1日16時)計算時，氣象預報降雨與后續實際降雨較為一致,故選擇10月1日16時方案最高水位預報值與實測值進行對比見表2，部分代表性站點水位過程見圖5。從圖表可以看出，流域內各水位站點實測最高水位基本在預報區間之內，精度較好。

表2 “米娜”臺風系統預報水位與實測水位對比

a) 姜山站

b) 鄞州公園站

c) 江東內河站圖5 “米娜”臺風方案4部分站點計算與實測水位過程線對比

d) 五鄉新站續圖5 “米娜”臺風方案4部分站點計算與實測水位過程線對比

3.3.1.2臺風復演

“米娜”臺風結束后，利用本系統對臺風期間洪水演進過程進行了復演。降雨過程采用實測值，水庫、閘門、泵站按照實際調度，外海潮位采用實測潮位值，平原河網初始水位采用洪水初期的實際水位，模擬過程168 h，結果見表3、圖6。

表3 “米娜”臺風復演甬江流域各代表站點最高洪水位驗證成果

a) 姜山站

b) 鄞州公園站圖6 “米娜”臺風復演方案部分站點計算與實測水位過程線對比

c) 江東內河站

d) 五鄉新站續圖6 “米娜”臺風復演方案部分站點計算與實測水位過程線對比

3.3.2“利奇馬”臺風應用情況

2019年第9號臺風“利奇馬”于2019年8月10日以超強臺風的強度在臺州市溫嶺城南鎮沿海登陸。8月9日至8月11日，系統共計算8組方案。其中“8月10日9時”方案計算時，氣象預報降雨與后續實際降雨較為接近，故選擇該方案最高水位預報值與實測值進行對比，結合一系列代表站點計算與實測水位過程線對比圖可以看出：鄞東南片區各水位站點預報最高水位與實測最高水位均存在不同程度的差距，分析其具體原因，預報降雨提供的數值偏小，導致模型計算結果與實測結果存在一定差距。

臺風結束后，利用本系統對臺風期間洪水演進過程進行了復演。由代表測站計算與實測水位過程線對比圖分析可知，計算與實測水位過程吻合較好。復演各代表站點最高洪水位驗證成果見表4。

表4 “利奇馬”臺風復演鄞東南地區各代表站點最高洪水位驗證成果

4 結論

a) 選擇了水文學方法和水力學方法分析，建立甬江流域洪水模擬數學模型，模擬了特定頻率洪水發生時，鄞東南平原內可能的淹沒范圍、淹沒水深、淹沒時長，依據分析結果，編制鄞東南平原動態洪水風險圖。

b) 產匯流模型參數率定以流域內亭下水庫1988—2017年16場洪水資料為例，選取洪峰流量、峰現時間、徑流量和洪水過程確定性系數為主要評定指標。以甬江流域“海葵”臺風、“燦鴻”臺風、“杜鵑”臺風作為參證洪水，進行平原河網水動力參數率定計算。經模型驗證，確定性系數、計算與實測的水位誤差差值等值均在《浙江省洪水風險圖編制技術細則(試行)》(2015)要求范圍內，因此甬江流域洪水模擬數學模型能夠用于洪水分析及洪水影響分析計算。

c) 建立鄞東南平原洪澇風險動態預報預警系統，實現洪水風險分析、洪水過程模擬演進和風險圖成果的查詢和輸出。系統應用時選取了“利奇馬”和“米娜”兩場臺風，對“利奇馬”臺風進行實時洪水演進模擬時，由于預報降雨提供的數值偏小，導致模型計算結果與實測結果存在一定差距。但在“利奇馬”臺風復演時，鄞東南平原各代表站計算與實測水位過程吻合較好。對“米娜”臺風進行實時洪水演進模擬和臺風復演時，鄞東南平原各代表站計算與實測水位過程吻合較好。經評估，鄞東南平原洪澇風險動態預報預警系統預報精度較好。