“22·06”韶關城區洪澇模擬研究

林煥新，牟麗琴，雷保聚

(1.水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120；2.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610；3.廣東水利電力職業技術學院，廣東 廣州 510635；4.韶關市水務局，廣東 韶關 512026)

0 引言

受全球氣候變遷和人類活動影響，以及城市化水平提高，近年來我國極端天氣事件增多，各城市因局部強降雨造成的洪澇災害頻發[1]。2022年6月北江流域發生特大暴雨洪水，5月21日—6月21日“龍舟水”期間，韶關市全市平均降水量847.2mm，較歷史極值(1954年552.2mm)增加53.4%；經上游水庫調節后，韶關城區洪峰流量仍超過20年一遇，造成堤防漫溢和暴雨洪澇災害。僅2022年6月19日韶關(曲江)國家氣象站3、6、12、24h降水量均突破1951年建站以來的歷史記錄。其中6h最大雨強247.8mm(此前歷史極值135mm，增幅84%)、12h最大雨強264.1mm(此前歷史極值155.5mm，增幅70%)、24h最大雨強300.2mm(此前歷史極值208.8mm，增幅44%)。創紀錄和突發性暴雨造成韶關市嚴重的洪澇災害損失，并引起社會的關切。受持續強降雨影響，6月21日15時韶關(二)站出現56.86m的洪峰水位，模型計算流量9094m3/s，超20年一遇標準(8900m3/s)，僅次于2006年“7·15”洪水。本次洪澇模擬研究以韶關城區為研究對象，結合流量、水位、降雨、地形、影像等數據，通過構建韶關城區暴雨洪水二維模型模擬韶關本次暴雨洪水過程，為后續防洪減災方案的制定和流域城市防洪排澇規劃修編提供技術支撐。

1 模型構建

1.1 模型軟件簡介

HEC-RAS(River Analysis System，河道水力分析模型)，由美國陸軍工程師兵團(USACE)水文工程中心(HEC)開發，1995年發布基于Windows風格的HEC-RAS1.0，用于取代Dos時代的HEC-2。HEC-RAS可進行一維恒定流和非恒定流的河道水力模擬和水質計算[2]。該軟件普遍用于國外防洪規劃、風險評估和淹沒分析，2013年HEC-RAS入選國家防辦公布的重點地區風險圖編制項目軟件名錄，在河流洪水演進模擬[3]、水面線計算均有廣泛的應用。2015年發布的HEC-RAS5.0版本加入二維計算模塊，能實現一二維連接計算，純二維計算，降雨產匯流計算等[4-6]，同時該軟件具有較強的開放性，與遙感、GIS軟件和雷達衛星數據交互性較好[7-8]。2023年已經更新至6.4版本[9]。

1.2 洪澇模型構建

1.2.1建模范圍

建模范圍主要是湞江新韶站、武江犁市站至北江孟州壩的河道和中心城區的匯流區域(如圖1所示)，考慮到孟州壩對城區的壅水影響，進一步將北江下邊界下移25km至濛里壩上。二維計算面積約189km2，計算河道總長60km。

圖1 模型研究范圍

1.2.2陸地河道地形嵌套

考慮河道水面線、洪水漫堤和暴雨淹沒的情景，本次采用不同精度的DEM數據，城市陸地采用10mDEM、濱河帶采用2.5mDEM，河道內地形采用1∶500大斷面數據插值成2.5mDEM，按照河道內、濱河帶、陸地的順序進行嵌套處理。

1.2.3網格布置和加密

模型計算網格42萬，進行網格剖分時考慮濱河帶和河道內堤防、沙洲、水工建筑物作為網格剖分的約束條件。其中，城市陸地網格尺寸30m×30m，濱河帶網格尺寸5m×5m(沿堤線布置)，河道內網格尺寸20m×20m(順水流布置)，以滿足河道內行洪、濱河帶洪水漫堤、陸地雨水產匯流和內澇積水等需求，三者網格如圖2所示。河道內糙率根據實測洪水流量水位進行率定驗證，陸地糙率根據建筑物、道路、植被等不同土地類型相應賦值。

圖2 模型網格示意圖

1.2.4水工建筑物

孟洲壩電站閘壩共12孔，泄洪閘凈寬192m，為寬頂堰，堰頂高程42.74m。在二維計算水閘的泄流能力、壅水程度結合孟洲壩電站設計階段成果進行復核后給定相關參數。

1.3 模型率定和驗證

1.3.1邊界條件

上邊界選用湞江新韶站、武江犁市站實測流量，下邊界選用濛里壩上實測水位，支流采用龍歸水龍歸站和馬壩河馬壩站的實測流量。孟州壩上游中心城區采用同期降雨，計算區間產匯流，考慮區間產匯流面積較小并經對比城區多個站點雨量過程，直接采用韶關水位站觀測逐時雨量過程。模型模擬時間為2022年6月19—22日，共4d。

1.3.2外江水位、流量率定

采用上述時段，對湞江新韶站、東河橋站，武江犁市站、西河橋站，北江韶關站、孟州壩上水位進行率定；采用2008、2012、2016年洪峰計算時段進行驗證。率定、驗證如圖3—12所示，率定峰值水位誤差小于10cm，3場洪水驗證峰值水位誤差小于20cm，水面線計算基本合理。韶關站現狀無流量監測，水文部門演算韶關站洪峰流量9320m3/s，本次模型計算流量9094m3/s，相差較小、僅2.5%。

圖3 韶關站水位率定圖(2022年6月19日08時—22日08時)

圖4 新韶站水位率定圖(2022年6月19日08時—22日08時)

圖5 東河橋站水位率定圖(2022年6月19日08時—22日08時)

圖6 西河橋站水位率定圖(2022年6月19日08時—22日08時)

圖7 孟州壩壩上水位率定圖(2022年6月19日08時—22日08時)

圖8 韶關站流量計算成果圖(2022年6月19日08時—22日08時)

圖9 孟州壩入庫流量率定圖(2022年6月19日08時—22日08時)

圖10 韶關站水位驗證圖(2008年6月13日18時—15日06時)

圖11 韶關站水位驗證圖(2012年6月24日6時—25日12時)

圖12 韶關站水位驗證圖(2016年3月20日12時—24日12時)

1.3.3城區洪澇點淹沒點水位驗證

結合模型計算結果，對城區主要洪澇淹沒點水深進行實地調查，見表1。從表1可以看出，除個別點位誤差較大之外，總體上計算水深與實際淹沒水深較為吻合，其中洪水淹沒部分相差一般小于0.1m，內澇淹沒部分相差相對較大，最大誤差30%，平均相對誤差約為11%，計算結果總體合理。

表1 城區典型淹沒區域調查結果與計算結果對比

1.3.4航拍影像驗證

6月21日洪水實測水位過程顯示，韶關中心城區一帶包括東河橋、西河橋、韶關站和孟州壩洪峰水位最高期間(15—19時)，水位隨時間變化幅度很小，韶關站逐時差分別為5、3、3、17cm，因此期間的航拍影像是洪痕和最大淹沒范圍驗證的重要手段，結合分辨率2.5m DEM的高程分析、實地調查和模型計算，可相互驗證洪痕水位的合理性。

以韶關市龍洲島為例，在島東側斜坡進行淹沒調查，從斜坡淹沒淤積線，結合21日15時許航拍地形和最新地形圖，估算圖13紅線位置洪峰水位為55.7m，與圖14模型計算55.8m相差在10cm內。圖13—15中，不僅龍洲島，百旺橋東側轉盤的附近整體淹沒形態計算也與航拍影像相似。

圖13 龍洲島及周邊6月21日15時許航拍圖

圖14 龍洲島及周邊6月21日15時模型計算淹沒圖

圖15 龍洲島現場洪痕調查

2 模型成果分析

2.1 考慮和不考慮降雨對匯流量的影響

如圖16所示，對應韶關城區附近兩次較大降雨過程，韶關城區先后兩次在6月19日17時左右和6月21日15時左右出現洪峰流量和水位。為分析洪澇成因，本次擬定了中心區間降雨和不降雨兩種工況。考慮中心城區降雨較不降雨，下游孟州壩站洪峰流量增加了205m3/s，且整體峰現時間提前。圖16表明，洪峰變化與降雨疊加過程較為匹配。

圖16 韶關城區下游孟州壩洪峰和降雨過程(m3/s，mm)

2.2 洪澇淹沒影響分析

中心城區降雨和不降雨兩種工況計算成果如圖17(a)(b)所示。根據模型計算結果比對，結合地形和航拍影像分析和現場調查，洪澇淹沒區主要分為以下3類：

圖17 韶關城區洪澇災害分布圖

(1)洪水漫溢淹沒區。如圖17(a)所示，在不考慮市區降雨工況，洪水主要淹沒區是因為堤防漫溢且堤后低洼的區域，包括湞江東岸執信小學附近，湞江武江匯合口海關附近，武江西岸青少年宮附近，北江東岸北江綠化廣場、南郊、百旺大橋轉盤附近。調查執信小學附近最大淹沒水深2.6m(如圖18所示)。

圖18 湞江南路執信小學一帶洪痕(調查淹沒水深2.6m)

(2)澇水淹沒區。如圖17(b)所示，考慮中心城區降雨的工況，在內陸洪水位以上區域或者受堤防保護的區域，包括工業西路、工業中路、湞江中等職業學校等，由于局部地形低洼，特大暴雨期間排水不及造成嚴重內澇。調查工業中路欣美緣屋澇水淹沒水深1.5m(如圖19所示)。

圖19 工業中路欣美緣屋一帶澇水淹沒痕跡(調查淹沒水深1.5m)

(3)洪水頂托排澇不暢的淹沒區。主要位于濱江帶，由于外江水位基本接近堤岸高程左右，暴雨匯集同時產生嚴重的內澇影響，如：碧水花城、南郊、百旺大橋轉盤東側等區域，總體淹沒水深相對較小，如碧水花城、南郊濱江帶淹沒水深總體在0.5m以內。

3 結論與展望

采用HEC-RAS模型軟件構建了韶關城區二維暴雨洪澇模型，對韶關市北江“22·06”特大暴雨洪水進行了洪澇模擬分析，模擬中心城區外江水位過程和內澇積水情況，結論如下：

(1)基于HEC-RAS構建的韶關城區二維暴雨洪澇模型計算結果總體上與實際情況較為吻合，外江水位站實測和計算最高水位小于10cm，因洪水漫溢和內澇產生的淹沒水深調查值和計算值平均相對誤差約11%，能夠用于支撐相關調查和分析工作，可作為防洪排澇規劃的重要技術支撐。

(2)基于實測水位過程、高精度DEM和航拍洪峰期間洪水淹沒情況，結合HEC-RAS的二維分析和展示功能，可以驗證模型計算的合理性和改進計算精度。

(3)模擬計算的城區嚴重洪澇淹沒點與實際調研基本一致，結合HEC-RAS開放、便捷的淹沒繪制功能和自帶的GIS分析計算功能，可滿足相關分析要求。或是進一步加強與ARCGIS等軟件的交互輸出等功能[10]，可為防洪風險圖的編制提供便利的解決方案。也為制定系統性、綜合性的防洪規劃方案和措施提供有力支撐[11]。

(4)相較于如SWMM在城市內澇應用較為廣泛[12]，HEC-RAS尚未加入管網計算模塊，本次在韶關城市內澇模擬計算取得較好的效果，與洪水位接近地面水位甚至漫越堤防、管網頂托排水困難有較大的關系。后續需要加強HEC-RAS與其他管網計算功能耦合應用的研究。