基于GIS的渾河沈陽城市河段超標(biāo)準洪水淹沒范圍分析探討

馬明超

摘要：研究城市發(fā)生超標(biāo)準洪水時的受水災(zāi)影響范圍對于城市防洪至關(guān)重要。以ARCGIS應(yīng)用軟件為平臺，利用渾河沈陽城市河段主城區(qū)的DEM模型和水文分析數(shù)據(jù)，通過對比渾河沈陽城市河段的洪水風(fēng)險圖，分析了該河段右岸三環(huán)內(nèi)主城區(qū)的超標(biāo)準洪水淹沒范圍。分析方法能夠滿足超標(biāo)準洪水淹沒分析的應(yīng)用，并可為其他城市或河流超標(biāo)準洪水防御預(yù)案的編制提供借鑒。

關(guān)鍵詞：超標(biāo)準洪水;洪水淹沒范圍;GIS;DEM;渾河沈陽城市河段

中圖法分類號：TV122.1文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.003

文章編號：1006 - 0081（2021）06 - 0016 - 05

1 研究背景

隨著中國城市化進程的加快和城市化程度的提高，城市在社會經(jīng)濟發(fā)展中的作用也不斷增大。因此，城市的防洪工作對國民經(jīng)濟和社會可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義[1]。沈陽是中國東北地區(qū)重要的中心城市。渾河及其主要支流滿堂河、小沙河、楊官河、白塔堡河、南運河、衛(wèi)工河等流經(jīng)沈陽市中心城區(qū)，其汛期流量大、水位高，枯水期流量小，季節(jié)性非常明顯。經(jīng)過多年持續(xù)建設(shè)，全市河流基本形成了比較完整的防洪排澇工程體系。沈陽市現(xiàn)有的城市防洪體系是依據(jù)GB50201《防洪標(biāo)準》構(gòu)建的，考慮了中心城區(qū)常住人口規(guī)模、城市社會經(jīng)濟地位、洪水類型及對城市安全的影響、自然及技術(shù)經(jīng)濟條件、流域防洪規(guī)劃對城市防洪的安排等多方面因素，包含工程措施和非工程措施，但是其應(yīng)對的都是防洪標(biāo)準內(nèi)的洪水災(zāi)害，對于超標(biāo)準洪水的影響范圍和應(yīng)對措施并無分析。

2020年3月，為應(yīng)對可能發(fā)生的水旱災(zāi)害領(lǐng)域“黑天鵝”“灰犀牛”事件，水利部召開會議推進編制超標(biāo)準洪水防御預(yù)案，要求所有大江大河和重要支流以及有防洪任務(wù)的縣級以上城市參與編制。為指導(dǎo)渾河沈陽城市河段超標(biāo)準洪水防御預(yù)案的編制，需要明確渾河發(fā)生超標(biāo)準洪水時沈陽城市河段的影響范圍。

2現(xiàn)有防洪體系及超標(biāo)準洪水量級設(shè)定

2.1 防洪工程概況

渾河沈陽城市河段范圍為沈陽撫順交界-沈陽西四環(huán)橋，其兩岸依靠現(xiàn)狀高地和堤防基本形成了完整的防洪體系，兩岸現(xiàn)狀防洪情況見表1，兩岸設(shè)防標(biāo)準見圖1，兩堤之間右岸非行洪區(qū)起止范圍從南京橋上游1 409 m處-長青橋北橋臺處，總長8.2 km，主要分為王家莊地區(qū)和天壇地區(qū)。渾河沈陽城市河段主要支流為牤牛河、楊官河、張官河和白塔堡河，目前各河道中上游防洪標(biāo)準均為20 a一遇，牤牛河下游金家屯-河口段（渾河回流段）右岸防洪標(biāo)準為300 a一遇，左岸防洪標(biāo)準為100 a一遇，其他河道渾河回流段防洪標(biāo)準為100 a一遇。

2.2 攔跨（穿）河建筑物

渾河沈陽城市河段現(xiàn)有攔河水工建筑物6處，擬建攔河水工建筑物1處。渾河沈陽城市河段內(nèi)跨（穿）河建筑物共24座，其中鐵路橋5座，穿河隧道2座（八三隧道、五愛隧道），已建公路橋17座。主城區(qū)河段兩岸現(xiàn)有穿堤洞口17處，其中左岸5處，右岸12處;過堤人行通道6處?，F(xiàn)有穿堤（跨河）工程37處，其中：引水10處，排水16處，熱網(wǎng)管線1處，通訊電纜7處，燃氣管線2處，電力管線路1處。主要攔河建筑物和跨河橋梁見圖2。

2.3 防洪薄弱環(huán)節(jié)

根據(jù)渾河堤防工程、跨欄河工程建設(shè)情況及主要支流分布情況，沈陽城市防洪薄弱地段主要分布在伯官大橋以上左岸豐樂村、右岸煙臺村，鳥島左右岸，王家灣，新立堡橋-長青橋左岸，長青橋右岸非行洪區(qū)，長大鐵路橋左岸，云龍湖橋以下蘇家屯區(qū)段、渾河閘-西四環(huán)等處。此外全河段現(xiàn)有穿堤洞口、涵閘較多，部分節(jié)點達不到300 a一遇防洪標(biāo)準，左堤渾河橋至長青橋段有3處人行穿堤口和1處公園入口，遇特大洪水時是防洪的薄弱環(huán)節(jié)，容易形成險情。防洪薄弱點見圖3。

2.4 超標(biāo)準洪水量級設(shè)定

根據(jù)渾河沈陽城市河段堤防建設(shè)情況，按照現(xiàn)有防洪標(biāo)準提升一個量級進行超標(biāo)準洪水量級的設(shè)定，分別將渾河沈陽城市河段劃分為右岸入沈陽界（小仁鏡村）-金家屯段、金家屯-渾河閘段、渾河閘-西四環(huán)段、左岸入沈陽界（下伯官壩）-渾河閘段、渾河閘-西四環(huán)橋段5個區(qū)段。渾河沈陽城市河段超標(biāo)洪水量級劃分情況及超標(biāo)對應(yīng)流量見圖4和表2。

3 分析方法與成果驗證

3.1 分析工具

地理信息系統(tǒng)（GIS）現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，在洪水治理方面實現(xiàn)了快速、準確、科學(xué)模擬以及預(yù)測洪水淹沒范圍的作用[2]，ARCGIS應(yīng)用工具則能夠提供強大的GIS空間分析功能，通過建立GIS模型完成了洪水模擬分析的全過程。數(shù)字高程模型（DEM）可以通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對地面地形的數(shù)字化模擬，用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程，本次分析需要的是渾河沈陽城市河段兩岸主城區(qū)的DEM模型。水文數(shù)據(jù)用于分析計算渾河沈陽河段河道不同頻率下的洪水流量以及對應(yīng)流量下河道沿程水面線，水面線成果見表3。

3.2 分析方法

本次分析采用有源淹沒分析的方法，需要考慮地形之間的“流通”淹沒情形，即洪水只淹沒它能流到的地方，這種情形適用于如江河、水庫等高發(fā)區(qū)向周邊領(lǐng)域范圍擴散的洪水區(qū)[3]。本次分析中以渾河沈陽河段干流為洪水?dāng)U散種子點，兩岸城區(qū)高程在洪水水位以下的區(qū)域均為與種子點相接的連通區(qū)，洪水通過連通區(qū)向周圍擴散，最終形成連片的淹沒區(qū)域。

在ARCGIS平臺建立分析模型，導(dǎo)入渾河沈陽城市河段兩岸主城區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，形成洪水淹沒分析的基礎(chǔ)。在水文分析得到的一維洪水水面線上選取若干點位，每個點位繪制帶有水位屬性的河道橫斷線，并向左右兩岸延伸至該點水位可能淹沒的城區(qū)范圍以外，然后將河道橫斷線轉(zhuǎn)為點要素，采用自然鄰域法利用轉(zhuǎn)化后的點要素，按照鄰近點基于區(qū)域大小按比例對這些點要素進行插值，形成以水位為基本數(shù)據(jù)的柵格圖形。

建立面圖層，面圖層涵蓋范圍要比可能淹沒區(qū)的范圍稍大，用面圖層剪切上述插值形成的柵格圖形，形成比淹沒范圍稍大的淹沒區(qū)柵格圖形。利用柵格計算器，用淹沒區(qū)柵格圖形減去渾河沈陽河段城區(qū)DEM模型，即用洪水水位減去地面高程，得到區(qū)域內(nèi)的淹沒水深，此時的水深數(shù)值可能存在負值，即地面高程高于洪水水位的區(qū)域，再通過空間提取數(shù)值為正的區(qū)域，得到正常的洪水淹沒區(qū)。洪水淹沒分析技術(shù)路線見圖5，以渾河沈陽城市河段為例的分析過程見圖6。

3.3 成果分析

按照上述分析方法計算的渾河沈陽河段右岸主城區(qū)三環(huán)內(nèi)的500 a一遇超標(biāo)準洪水淹沒區(qū)域為東至新立堡橋及二環(huán)路，西至沈陽繞城高速路，北至沈陽繞城高速大轉(zhuǎn)彎互通、向工街、沈陽故宮以南、東陵西路以南，南至渾河右岸灘地。從中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司于2016年編制的沈陽城市洪水風(fēng)險圖看出，渾河沈陽河段右岸主城區(qū)三環(huán)內(nèi)的500 a一遇超標(biāo)準洪水淹沒區(qū)域為東至新立堡橋及二環(huán)路，西至沈陽繞城高速路，北至沈山線鐵路橋、沈陽故宮以南、長安路以南，南至渾河右岸灘地。

沈陽城市風(fēng)險圖考慮的是在渾河右岸輝山明渠入河口、東方威尼斯堤防、長大鐵路橋下游右岸堤防3處產(chǎn)生潰口時，以二維洪水演進過程形成的洪水淹沒范圍，其分析過程更符合洪水流動的實際情況。本次分析過程為在選取的每個洪水水面線點位都產(chǎn)生潰口時，假想洪水不向其他方向流動，僅向右岸城區(qū)以插值水位平推過去形成洪水淹沒范圍，是一個靜態(tài)分析的過程，即當(dāng)水位為超標(biāo)準洪水位時，水位高于地面的區(qū)域均為淹沒區(qū)，以此分析的成果偏保守。洪水風(fēng)險圖是模擬發(fā)生超標(biāo)準洪水時，堤防產(chǎn)生若干潰口，洪水不斷進入城區(qū)的淹沒成果，是一個動態(tài)分析的過程，模擬成果更接近實際洪水演進過程，因此形成的洪水淹沒范圍比洪水風(fēng)險圖所示的淹沒范圍稍大。對比兩種方法的分析成果，洪水淹沒區(qū)的圍以及淹沒區(qū)水深總體趨勢相似，因此本次分析的成果基本能夠反映超標(biāo)準洪水發(fā)生時渾河沈陽城市河段的影響范圍，可為超標(biāo)準洪水防御預(yù)案的編制提供參考。兩種分析成果對比見圖7。

4 結(jié) 語

本文分析了一種計算超標(biāo)準洪水淹沒范圍及淹沒水深的簡便方法，能夠為短期內(nèi)需要編制超標(biāo)準洪水防御預(yù)案，但又缺乏以往類似洪水風(fēng)險圖等相關(guān)成果的城市或河流在編制預(yù)案時提供借鑒。本方法較為精簡方便，且易于實現(xiàn)，考慮的超標(biāo)準洪水發(fā)生情形沒有統(tǒng)一分析兩岸同時發(fā)生超標(biāo)準洪水的情況。超標(biāo)準洪水淹沒范圍的分析以及防御預(yù)案的編制涉及眾多復(fù)雜、變化和不確定的因素，例如環(huán)境變化情況下的洪水演變特征、流域范圍內(nèi)防洪排澇體系標(biāo)準和能力、暴雨洪水監(jiān)測預(yù)報體系與預(yù)警發(fā)布機制的建立、防洪工程整體應(yīng)急調(diào)度的可操作性等，這些都影響著超標(biāo)準洪水的形成和演進過程，并決定著采取何種措施應(yīng)對超標(biāo)準洪水，因此超標(biāo)準洪水淹沒范圍的分析以及防御預(yù)案的編制是一項長期的、需要不斷修編完善的任務(wù)[4]。未來超標(biāo)準洪水防御的研究要充分考慮到上述各方面對洪水分析的影響，使超標(biāo)準洪水防御預(yù)案的編制更為科學(xué)，對防汛工作起到更為切實可行的指導(dǎo)作用。

參考文獻：

[1] 黃克榮. 論城市防洪在國民經(jīng)濟建設(shè)中的地位和作用[J]. 當(dāng)代建設(shè)，1997（4）：12-15.

[2] 葛小平，許有鵬，張琪，等.GIS支持下的洪水淹沒范圍模擬[J]. 水科學(xué)進展，2011，13（1）：456-460.

[3] 金哲，肖旋旎.基于GIS的洪水淹沒區(qū)分析[J].吉林水利，2014（6）：30-62，37.

[4] 程曉陶.防御超標(biāo)準洪水需有全局思考[J]. 中國水利，2020（13）：8-10.

（編輯：李 晗）