新疆和田地區(qū)山丘區(qū)中小河流洪水淹沒范圍初步研究

肖 俊

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院,新疆 烏魯木齊 830000）

近年來強降雨導(dǎo)致的汛期洪澇災(zāi)害頻發(fā),我國每年洪水導(dǎo)致的損失約為美國洪災(zāi)損失的10 倍[1]。2021 年10 月22日習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會強調(diào),“十四五”是推動黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵時期,要抓好重大任務(wù)貫徹落實,力爭盡快見到新氣象。會議提出的首要任務(wù)就是,加快構(gòu)建抵御自然災(zāi)害防線,要立足防大汛、抗大災(zāi),針對防汛救災(zāi)暴露出的薄弱環(huán)節(jié),迅速查漏補缺,補好災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測短板,補好防災(zāi)基礎(chǔ)設(shè)施短板。

目前,洪水淹沒范圍的計算方法大致有四種,分別為水力學(xué)公式+空間地形疊加法、一維水力學(xué)模型+空間地形疊加法分析計算、二維水力學(xué)模型、一二維耦合水力學(xué)模型。孫映宏等[2]運用水文—水力學(xué)耦合模型對瓶窯站典型洪水進(jìn)行率定和驗證,成功運用到2012 年“海葵”臺風(fēng)的實時預(yù)報應(yīng)用中。趙雪瑞等[3]采用一維水動力學(xué)模型對淠河流域洪水預(yù)測機型計算,研究成果已用于安徽中小河流洪水預(yù)報系統(tǒng)。蘇德慧等[4]采用DEM 水力學(xué)模型編制深圳市坪山區(qū)洪水風(fēng)險圖,提高洪水風(fēng)險圖編制精度和質(zhì)量。本文基于DEM 水力學(xué)模型自主研發(fā)編譯準(zhǔn)二維洪水淹沒數(shù)學(xué)模型（Python 語言進(jìn)行編譯,調(diào)用ARCGIS 函數(shù)庫）來進(jìn)行洪水淹沒數(shù)值模擬,對和田山丘區(qū)40 條中小河流進(jìn)行洪水淹沒范圍模型計算（以奴爾河為例）,采用水力學(xué)公式+空間地形疊加法和一維水力學(xué)模型+空間地形疊加法進(jìn)行驗證。本文運用自主研發(fā)的準(zhǔn)二維洪水淹沒數(shù)學(xué)模型,對和田山丘區(qū)40 條中小河流進(jìn)行洪水淹沒范圍模型計算（以奴爾河為例）,借助于Python 編程語言,開發(fā)水動力學(xué)計算模型,通過ARCGIS 的模塊提取淹沒范圍及相關(guān)參數(shù),與河流的空間地形相疊加,形成不同洪水標(biāo)準(zhǔn)下的淹沒范圍線。

1 基本情況

1.1 工作目標(biāo)

基于暴雨時空特征數(shù)據(jù)、流域及其河道地形地勢、沿河村落及城（集）鎮(zhèn)、水庫、堤防等基礎(chǔ)資料,以及遙感影像、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、山丘區(qū)設(shè)計暴雨洪水等成果,針對中小河流流域單元,獲取中小河流水系及河道地形,分析典型頻率洪水和工程超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒情況,繪制洪水淹沒范圍圖。

1.2 工作任務(wù)

基于2013 年～2015 年洪水風(fēng)險圖項目中已完成的重點防洪區(qū)洪水風(fēng)險圖,水利部組織開展公里網(wǎng)尺度的重點防洪區(qū)風(fēng)險評估與制圖。針對我區(qū)重要河流且兩岸有人居住或農(nóng)田等防洪保護(hù)對象的河段,開展區(qū)內(nèi)重要河流及中小河流（流域50 km2以上）洪水淹沒圖編制。

資料整理：按照中小河流洪水淹沒圖編制要求整理資料,繪制工作底圖,保證完整性、配套性、合理性。

計算范圍確定：以中小河流所在流域為單元,將兩岸有人居住或農(nóng)田等防洪保護(hù)對象的河段確定為計算范圍。

河道地形處理：在計算范圍內(nèi)合理布設(shè)河道橫斷面,采用已有測量斷面成果或提取河道縱橫斷面數(shù)據(jù)。

洪水分析：有水庫、堤防等防洪工程設(shè)計洪水成果的河段,采用相應(yīng)的設(shè)計洪水成果。沒有水庫、堤防等防洪工程設(shè)計洪水成果的河段,采用已有資料或通過分析計算獲得典型頻率（5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇、50 年一遇、100 年一遇）設(shè)計暴雨洪水成果,進(jìn)而分析各頻率洪水淹沒情況。

1.3 工作范圍

本次和田地區(qū)需開展的洪水災(zāi)害風(fēng)險評估區(qū)劃分工作的河流共計40 條河流,根據(jù)和田地區(qū)洪水淹沒范圍圖編制河流名錄（由和田地區(qū)水旱災(zāi)害防御中心與自治區(qū)水利廳水旱災(zāi)害防御中心共同確定）,按照要求精細(xì)化處理的河流19 條,簡化處理的河21 條,本次工作范圍內(nèi)40 條河流均按照精細(xì)化來處理的,其中流域面積1000 km2以上的河流18 條,流域面積1000 km2以下的河流22 條。

計算區(qū)域起點：以中小河流干流所在源頭向下,至集水面積為200 km2的河段位置,作為計算區(qū)域的起點。如果起點以上附近有特別重要的沿河防洪保護(hù)目標(biāo),應(yīng)當(dāng)將其納入計算范圍。

計算區(qū)域終點：沿干流向河流下游推進(jìn),至集水面積最大3000 km2為止的河段位置,作為計算區(qū)域的終點。

計算范圍：在起點和終點之間,將面積小于200 km2的主要流域作為計算范圍的支流處理；基于起點和終點,并考慮支流情況,確定計算流域,選擇所在河道為計算范圍。

2 設(shè)計洪水分析

根據(jù)和田地區(qū)洪水淹沒范圍圖編制河流名錄（由和田地區(qū)水旱災(zāi)害防御中心與自治區(qū)水利廳水旱災(zāi)害防御中心共同確定）,本次和田地區(qū)需要開展的洪水災(zāi)害風(fēng)險評估區(qū)劃工作的河流共計40 條河流,其中流域面積1000 km2以上的河流18 條,流域面積1000 km2以下的河流22 條。

計算原則：采用已有設(shè)計洪水成果,根據(jù)目前掌握的資料情況及河流的區(qū)域特性計算相應(yīng)河流的設(shè)計洪水成果,按照各縣市分別介紹每條河流的洪水情況。

3 淹沒范圍計算

3.1 淹沒范圍計算原則及方法

和田地區(qū),針對40 條河流的具體情況,采用三種方法開展洪水淹沒圖制作工作：①水力學(xué)公式+空間地形疊加法,主要用于驗證基于DEM 水力學(xué)模型；②一維水力學(xué)模型+空間地形疊加法,主要用于驗證基于DEM 水力學(xué)模型；③基于DEM 水力學(xué)模型（采用自主研發(fā)的編制模型）,本次主要采用第三種方法。

3.2 基于DEM 水力學(xué)模型構(gòu)建

3.2.1 準(zhǔn)備工作

（1）基礎(chǔ)條件

通過Python 和ARCGIS 軟件平臺,采用Python 語言調(diào)用ARCGIS 軟件的函數(shù)庫,借助于Python 編程語言,開發(fā)水動力學(xué)計算模型,通過ARCGIS 的模塊提取淹沒范圍及相關(guān)參數(shù)。

（2）邊界條件

1∶10000 地形圖生成對應(yīng)河流的DEM,河道中心線（流向）、河道初始邊界線。將1∶10000 地形圖中的等高線處理之后,選擇ARCGIS 中Arctoolbox 的3Danalyst 工具,進(jìn)行柵格插值,地形轉(zhuǎn)柵格生成DEM,通過已生成的DEM 將河流矢量化,生成河道中心線（流向）,見圖1～圖2。

圖1 1:1 萬地形圖生成DEM

圖2 DEM 生成河道中心線（流向）

3.2.2 計算模塊

在Python 平臺下的淹沒范圍計算需要以下幾個模塊,通過參數(shù)設(shè)定,對ARCGIS 和Python 要進(jìn)行一個關(guān)聯(lián)操作：邊界線預(yù)處理——預(yù)處理（邊界線）——DEM 水面線計算——水面線網(wǎng)格。

（1）柵格預(yù)處理

將DEM 進(jìn)行加密。

（2）邊界線處理

將ARCGIS 平臺下的圖層文件,包括河道中心線圖層和河道范圍線圖層調(diào)入Python 平臺下,調(diào)整方向,進(jìn)行預(yù)處理。

（3）預(yù)處理邊界線

將ARCGIS 平臺下的柵格文件調(diào)入Python 平臺下,通過Python 模塊生成中間文件（縱橫斷面）及初始的起始水位的試算。

（4）淹沒范圍計算（模塊構(gòu)建）

在Python 平臺下,編譯構(gòu)建淹沒范圍模塊,基于水動力模型原理的基礎(chǔ)上,將不同頻率洪水要素的參數(shù)調(diào)入,通過構(gòu)建Python 淹沒范圍模塊,計算出柵格格式的水面線,并計算出不同洪水頻率下的淹沒范圍面文件（SHP 文件）及相應(yīng)的水深、行進(jìn)流速、淹沒范圍柵格文件。

（5）柵格文件后處理

對以上計算出的水深、行進(jìn)流速、淹沒范圍柵格文件進(jìn)行處理和修正,使其更加平滑順暢。

（6）淹沒范圍單元網(wǎng)格計算

為了與本次的洪水風(fēng)險區(qū)劃分軟件的輸入要素對應(yīng)字段相匹配（水深、流速、時間）、相銜接,編制Python 模塊,生成ARCGIS 的shp 文件（屬性字段分別于洪水風(fēng)險區(qū)劃分軟件要求一致）。

（7）淹沒范圍單元網(wǎng)格賦值計算

對不同洪水頻率下的淹沒范圍面文件（shp 文件）的單元網(wǎng)格的水深、行進(jìn)流速的字段屬性進(jìn)行賦值。典型淹沒范圍計算成果成果要素見圖3。

圖3 典型河流（和田奴爾河）洪水淹沒計算成果要素圖

圖4 5 年、10 年一遇模型計算和單斷面計算的淹沒范圍

4 淹沒范圍的成果及初步驗證

本次主要采用DEM 水力學(xué)模型（通過Python 編制ARCGIS 模塊的淹沒范圍）。目前奴爾有實測大斷面資料,選擇奴爾河一段為例,以下是不同實測控制斷面的水位流量關(guān)系曲線,根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計洪峰流量可查出不同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計洪水位。將設(shè)計洪水位對應(yīng)的左右岸水邊點坐標(biāo)（X、Y、Z）導(dǎo)入ARCGIS 中,與河流的空間地形相疊加,形成不同洪水標(biāo)準(zhǔn)下的淹沒范圍線。計算結(jié)果見表1。

表1 5 年一遇各控制斷面水邊點

通過對奴兒河流域5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇、50 年一遇、100 年一遇淹沒范圍的計算結(jié)果進(jìn)行分析,可以看出模型計算的淹沒范圍邊界線與單斷面計算的控制斷面水邊點位置差異很小,說明本次構(gòu)建的模型合理可行。

5 結(jié)論

（1）首次借助于Python 語言進(jìn)行編譯,調(diào)用ARCGIS 函數(shù)庫,自主研發(fā)了準(zhǔn)二維洪水淹沒范圍計算數(shù)學(xué)模型,并采用水力學(xué)公式+空間地形疊加法和一維水力學(xué)模型+空間地形疊加法進(jìn)行驗證,控制斷面水邊點位置幾乎無差異。

（2）該模型通過對奴兒河流域淹沒范圍計算,得到了優(yōu)良結(jié)果,因此可以運用到和田地區(qū)40 條河流的淹沒范圍計算,為和田地區(qū)洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃分和防治區(qū)劃分提供理論依據(jù),不僅解決了實際工程中面臨的難題,還極大的提高了工作效率。

（3）本次準(zhǔn)二維洪水淹沒水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型的研發(fā)及應(yīng)用,為洪水災(zāi)害風(fēng)險評估區(qū)劃提供了有效的技術(shù)支撐,加快推動了構(gòu)建抵御自然災(zāi)害防線的步伐,同時為構(gòu)建數(shù)字孿生流域及智慧水利的建設(shè)奠定了一定的基礎(chǔ)。