基于水動力模型的洪水風(fēng)險分析研究

劉新莊，王齊鋒，王艷艷，陳偉娜

(山脈科技股份有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快[1]，城市“熱島效應(yīng)”與“雨島效應(yīng)”日趨顯現(xiàn)[2]，城市不透水面積增加，地表匯流速度加快，下滲減小，導(dǎo)致城市洪水風(fēng)險倍增[3]。與此同時，大多數(shù)老城區(qū)排水設(shè)施建設(shè)落后，排水管網(wǎng)管理不當(dāng)，雨污合流，不但造成水體污染，也嚴(yán)重影響了排水管網(wǎng)的排水能力[4]。與以往相比，城市化率的提高，意味著城市中聚集了更多的人口和更加繁榮的經(jīng)濟(jì)，這也預(yù)示著城市洪水在同等淹沒條件下，將有更多的人群受災(zāi)和更加慘痛的經(jīng)濟(jì)損失[5]。總體來說，城市洪水災(zāi)害已成為影響經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要威脅。

1 福安市城區(qū)基本情況

福安市隸屬于福建省寧德市，位于福建省東北部。福安市水系發(fā)達(dá)，河流流域面積在30 km2以上的19條，流域面積在20 km2～30 km2的4條，賽江為福建省五大水系之一，干支流總長433 km，流域面積5638 km2。其中流經(jīng)福安市城區(qū)的河流包括賽江(也稱富春江)、龜湖溪和秦溪。福安城區(qū)河流水系見圖1。

圖1 福安城區(qū)河流水系圖

根據(jù)白塔水文站多年實(shí)測資料分析，福安市城區(qū)洪水成因主要是臺風(fēng)暴雨所致，上游為暴雨中心，雨量集中，暴雨強(qiáng)度大，加之山脈險峻，上游河床比降陡，水流急，有典型的山丘地區(qū)河流洪水暴漲暴落特點(diǎn)，一般洪峰歷時僅4h～8h。據(jù)統(tǒng)計(jì)，福安城區(qū)澇災(zāi)經(jīng)常發(fā)生的地帶主要為：錦雞垅、洋邊、荷塘坪、上下城河路(東鳳市場至工商局)，街尾新村等。

2 洪水實(shí)時分析模型構(gòu)建

2.1 洪水預(yù)報系統(tǒng)設(shè)計(jì)

福安市洪水預(yù)報系統(tǒng)基于Windows操作系統(tǒng)，采用B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)。以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用COM+組件(包括WebGIS組件和計(jì)算分析組件)為中間層，通過IIS服務(wù)提供瀏覽器界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的用戶交互，充分利用對圖像與多媒體的支持與分布式的處理功能，使GIS應(yīng)用、信息系統(tǒng)應(yīng)用，共同完成系統(tǒng)目標(biāo)，最后采用FLEX+IFRAME容器模式嵌入IIS發(fā)布的各種頁面，并為下一步系統(tǒng)的拓展留下接口。

2.2 一維水動力模型

采用圣維南方程組作為河道非恒定流控制方程。一維水動力模型采用Preiss mann四點(diǎn)隱式差分格式進(jìn)行方程離散，運(yùn)用四級聯(lián)解法進(jìn)行模型求解[6]。其中，上邊界選在白塔水文站處，給定該水文站的流量過程；下邊界選在江家渡水位站處，給定該水位站的水位-流量關(guān)系。秦溪、白塔至福安市城區(qū)的區(qū)間入流通過點(diǎn)源方式考慮。

據(jù)分析，采用2005年9月1日9時～2005年9月3日9時共48 h白塔水文站實(shí)測的洪水過程作為典型洪水。根據(jù)白塔站不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)流量，對典型洪水過程進(jìn)行縮放，得到白塔站相應(yīng)的設(shè)計(jì)流量過程。此外，由于秦溪流域很小，流域內(nèi)無實(shí)測洪水?dāng)?shù)據(jù)，考慮到白塔水文站與秦溪流域相距很近，下墊面情況基本相同，按照相似性原則，秦溪的流量過程采用白塔水文站洪水過程進(jìn)行縮放得到。根據(jù)已批復(fù)的《福安市富春溪組團(tuán)排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃(2016～2030)》，白塔站20 a一遇洪水設(shè)計(jì)流量為11300 m3/s，秦溪相應(yīng)流量為297 m3/s；白塔站50 a一遇洪水設(shè)計(jì)流量為13600 m3/s，秦溪相應(yīng)流量為358 m3/s。

圖2 白塔水文站典型洪水過程

2.3 二維水動力模型

采用守恒形式的二維淺水方程，采用有限體積法離散控制方程，采用HLLC格式的近似Rie mann算子計(jì)算界面通量[7-8]。對于道路、渠道，排洪溝等線狀地物盡量采用四邊形網(wǎng)格，除此之外的其他區(qū)域盡量采用三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格平均邊長為25 m，共計(jì)46275個單元。

2.4 一、二維耦合模型

耦合邊界為一維河道邊界。在耦合邊界處，將采用Villemonte堰流公式計(jì)算漫過堤防進(jìn)入二維面中的流量。具體過程為：一維模型將耦合邊界處的的水位傳遞給二維模型，二維模型根據(jù)耦合邊界處的水位計(jì)算得到流量，再傳遞回給一維數(shù)學(xué)模型[9-10]。

2.5 模型率定驗(yàn)證

由于河道沿程沒有實(shí)測洪水?dāng)?shù)據(jù)，再加上河道整治，洪痕發(fā)生變化，故從批復(fù)的工程中選取20 a一遇、50 a一遇水面線對一維水動力模型糙率進(jìn)行率定，河道全段糙率初值為0.05，率定后河道糙率取值見表1。

表1 河道糙率取值(率定后)

率定、驗(yàn)證結(jié)果見圖5和圖6。由結(jié)果可知，一維河道參數(shù)設(shè)置基本合理，計(jì)算水面線與已有水面線成果基本吻合，誤差小于20 cm。

圖5 20 a一遇模型率定結(jié)果

圖6 50 a一遇模型驗(yàn)證結(jié)果

3 典型洪水分析計(jì)算成果

3.1 不同頻率下的洪水模擬

經(jīng)模型計(jì)算，各種工況下最大淹沒水深、淹沒歷時等洪水模擬結(jié)果分別見圖7。

經(jīng)分析，不同洪水頻率下，各城區(qū)的淹沒范圍如下：

(1)北部城區(qū)：當(dāng)遭遇10 a一遇洪水時，交溪左右岸發(fā)生漫堤，導(dǎo)致北部城區(qū)被淹。

(2)秦溪：當(dāng)遭遇10 a一遇洪水時，左岸會發(fā)生漫堤，且局部地勢低洼區(qū)域由于排洪溝倒灌，造成秦溪左岸城區(qū)被淹；當(dāng)遭遇50 a一遇洪水時，右岸城區(qū)可能被淹。

(3)桃花島：當(dāng)遭遇10 a一遇洪水時，桃花島基本全被洪水淹沒。

(4)龜湖溪：當(dāng)遭遇30 a一遇洪水時，龜湖溪右岸的主城區(qū)，基本被淹；受上、下城排澇溝洪水倒灌及龜湖溪左岸漫堤影響，龜湖溪左岸附近區(qū)域被淹。

(5)交溪：①交溪右岸的南部區(qū)域未漫堤；當(dāng)遭遇30 a一遇洪水時，交溪右岸主城區(qū)(坂中片區(qū))發(fā)生漫堤，淹沒范圍從其南部區(qū)域向全區(qū)域延伸；②當(dāng)遭遇10 a一遇頻率洪水時，陽和社區(qū)南部區(qū)域被淹，當(dāng)洪水頻率提高到20 a一遇時，陽和社區(qū)基本被淹，而且受上、下游排澇溝洪水倒灌影響，城陽鎮(zhèn)福安客運(yùn)站附近區(qū)域被淹；當(dāng)遭遇30 a一遇頻率洪水時，交溪左岸的主城區(qū)被淹；當(dāng)遭遇50 a一遇頻率洪水時，交溪左岸的巖湖坂片區(qū)、老城區(qū)片區(qū)部分區(qū)域被淹，其中，老城區(qū)片區(qū)坂中大橋下游堤防高程較低、發(fā)生漫堤，坂中大橋上游附近堤段高程較高、尚未漫堤。

針對本方案48 h洪水演進(jìn)過程，10 a一遇、20 a一遇、30 a一遇、50 a一遇洪水頻率下，CPU計(jì)算模式下耗時為20 min、24 min、47 min、55 min；GPU計(jì)算模式下耗時為14.7 min、16.8 min、18.6 min、20.2 min。

為了說明計(jì)算結(jié)果合理性，將模型計(jì)算的50 a一遇最大淹沒水深與已有城區(qū)洪水風(fēng)險圖成果進(jìn)行對比，見圖8～圖9。

圖8 模型計(jì)算范圍

圖9 現(xiàn)有50 a一遇淹沒范圍

對比可知，從洪水淹沒水深分布來看，兩者基本一致，差異較為明顯的區(qū)域?yàn)檑嘀写髽蛏嫌胃浇幌蟀秴^(qū)域(圖8虛線框處)。其中，已有城區(qū)洪水風(fēng)險圖成果顯示，該區(qū)域受淹；本模型計(jì)算結(jié)果顯示該區(qū)域未受淹。造成該差異的可能原因有：

(1)已有城區(qū)洪水風(fēng)險圖成果為基于50 a一遇洪水水面線計(jì)算成果計(jì)算城區(qū)淹沒，該水面線為恒定流；而本模型計(jì)算的50 a一遇城區(qū)淹沒范圍對應(yīng)的漫堤時的水面線為一維河道實(shí)時計(jì)算的水面線成果，為非恒定流。對于恒定流而言，所計(jì)算的水面線未考慮河道的調(diào)蓄作用，理論上水面線成果偏高，從而導(dǎo)致淹沒范圍偏大。

(2)地形差異現(xiàn)有50 a一遇洪水淹沒范圍圖繪制時間較早，不排除期間有河道清淤、采砂以及堤防加高等人為活動導(dǎo)致堤岸高程可能與當(dāng)前堤岸高程有差別。

3.2 10 a一遇暴雨內(nèi)澇模擬

根據(jù)已有成果，福安市城區(qū)10 a一遇降雨強(qiáng)度過程見圖10。考慮遭遇外江10 a一遇洪水過程，城區(qū)淹沒見圖11。

圖10 福安市城區(qū)10 a一遇雨強(qiáng)過程

(a)最大淹沒水深圖 (b)洪水淹沒歷時

最大淹沒水深、淹沒歷時等洪水模擬結(jié)果分別見圖11(a)、(b)。由計(jì)算結(jié)果可知，10 a一遇暴雨遭遇外江10 a一遇洪水條件下，坂中排水分區(qū)、溪東排水分區(qū)、秦溪排水分區(qū)受淹較為嚴(yán)重，巖湖坂排水分區(qū)和老城區(qū)排水分區(qū)次之，陽頭排水分區(qū)局部受淹。本方案48 h暴雨內(nèi)澇洪水演進(jìn)過程，GPU模式計(jì)算耗時為26 min。

4 作業(yè)預(yù)報及風(fēng)險分析

福安市洪水預(yù)報系統(tǒng)接入了白塔水文站的實(shí)測流量數(shù)據(jù)作為一維河道上邊界，下邊界采用出口斷面處的水位流量關(guān)系。當(dāng)發(fā)生洪水時，可錄入白塔水文站的實(shí)測流量數(shù)據(jù)構(gòu)建新的方案進(jìn)行實(shí)時計(jì)算，模擬白塔水文站下游的洪水演進(jìn)情況，根據(jù)模擬的洪水淹沒結(jié)果進(jìn)行洪水風(fēng)險分析。

洪水風(fēng)險分析的基本分析步驟為：將模型計(jì)算得到不同工況的洪水淹沒矢量數(shù)據(jù)、網(wǎng)格水深制作成洪水水情特征分布圖層，與城區(qū)的各種要素圖層進(jìn)行疊加，利用洪災(zāi)損失評估系統(tǒng)和GIS平臺，通過空間地理關(guān)系進(jìn)行疊加分析，統(tǒng)計(jì)得到不同洪水方案的各類社會經(jīng)濟(jì)淹沒損失情況。洪水風(fēng)險分析工作流程見圖12。

圖12 洪水影響分析工作流程圖參考文獻(xiàn)

5 結(jié)論

本項(xiàng)目采用一維-二維耦合水動力方法，構(gòu)建福安城區(qū)洪水實(shí)時分析模型。并分別采用20 a一遇、50 a一遇水面線成果對一維模型糙率進(jìn)行率定和驗(yàn)證。且對10 a一遇暴雨內(nèi)澇洪水進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，一、二維水動力模型能很好的模擬暴雨內(nèi)澇和洪水淹沒過程，且GPU計(jì)算能顯著提高模型的計(jì)算效率，減少模型計(jì)算耗時，能滿足洪水實(shí)時分析對模型計(jì)算效率的需求。