洪水分析軟件在洪水風險圖編制中的應用

馬建明，喻海軍，張大偉，張洪斌，吳濱濱，穆 杰

（1.中國水利水電科學研究院，100038，北京；2.水利部防洪抗旱減災工程技術(shù)研究中心，100038，北京）

洪水分析軟件在洪水風險圖編制中的應用

馬建明1，2，喻海軍1，2，張大偉1，2，張洪斌1，2，吳濱濱1，2，穆 杰1，2

（1.中國水利水電科學研究院，100038，北京；2.水利部防洪抗旱減災工程技術(shù)研究中心，100038，北京）

依托全國重點地區(qū)洪水風險圖編制項目，中國水利水電科學研究院主持開展了洪水分析軟件研發(fā)，通過整合國內(nèi)優(yōu)勢模型技術(shù)，開發(fā)了包括復雜水利工程調(diào)度模擬的一維河網(wǎng)計算引擎，高分辨率二維洪水分析計算引擎、快速非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成模塊，集成國內(nèi)外廣泛使用的SWMM管網(wǎng)模型，基于自主研發(fā)的GIS平臺，完成了一維、二維洪水模型和城市管網(wǎng)模型的前后處理功能研發(fā)，實現(xiàn)了一二維耦合以及城市管網(wǎng)與二維模型耦合。形成了兩個軟件產(chǎn)品，為中小河流、防洪保護區(qū)、蓄滯洪區(qū)以及城市洪水分析提供技術(shù)支撐。

洪水分析軟件；洪水風險圖編制；洪水數(shù)值模型

洪水數(shù)值模型是分析獲取洪水運動及淹沒信息的主要手段，在預警預報、災害評估等方面發(fā)揮著重要作用。針對國內(nèi)洪水分析軟件研發(fā)存在實用性和通用性較差等方面的問題，中國水利水電科學研究院聯(lián)合南京水利科學研究院、河海大學、山東大學等單位，依托全國重點地區(qū)洪水風險圖項目，在已有基礎(chǔ)上組織研發(fā)了通用洪水分析軟件IFMS和IFMSUrban。

一、軟件簡介

1.總體框架

IFMS及IFMSUrban主要由模型引擎、GIS平臺、計算后處理以及擴展工具等模塊組成，并以工作空間作為數(shù)據(jù)存儲和管理的集合，洪水分析所使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果數(shù)據(jù)均包含在工作空間內(nèi)。工作空間又分為模型要素、計算方案兩個部分，其中模型要素包含洪水分析所需的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如一維河網(wǎng)、二維網(wǎng)格、管網(wǎng)、時間序列、雨量站等數(shù)據(jù)，計算方案包括用戶選取的模型要素數(shù)據(jù)、配置參數(shù)以及計算結(jié)果數(shù)據(jù)。模型要素是分析計算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，利用不同的模型要素可以創(chuàng)建不同的計算方案，提高了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的復用率，避免了重復數(shù)據(jù)的處理工作。計算方案是模型要素與相關(guān)配置參數(shù)的集合，不同的計算方案可共用相同的模型要素數(shù)據(jù)，用戶可以選擇同一組模型要素數(shù)據(jù)，設(shè)置不同邊界條件來組成不同的計算方案，也可以選擇不同的模型要素組合來形成不同的計算方案。洪水分析軟件IFMS及IFMSUrban的主體框架如圖1所示。

2.模型引擎

IFMS及IFMSUrban耦合集成了一維河網(wǎng)模型、二維水動力模型、排水管網(wǎng)模型以及三者的耦合交互模塊，可應用于河道、湖泊、蓄滯洪區(qū)、城市排水管網(wǎng)等洪水分析計算。

一維河網(wǎng)模型提供了兩個計算引擎：①基于隱式有限差分格式的一維引擎，可以適用于大型復雜的平原河網(wǎng)，具備模擬復雜調(diào)度規(guī)則和工況的能力，在太湖等河網(wǎng)區(qū)域得到了成功的應用；②基于顯式有限體積法的一維引擎，具備模擬大坡度山區(qū)性河網(wǎng)的能力。

圖1 軟件主體框架圖

二維洪水模擬模型采用Godunov型格式進行數(shù)值離散，其中Riemann問題采用Roe格式進行求解，重力源項采用特征分級離散，保證模型的守恒性，阻力源項采用隱式離散提高模型的穩(wěn)定性，采用MUSCL空間重構(gòu)和預測矯正法使得模型具有時間和空間二階精度，能夠適應復雜地形，水面間斷也可計算，還能捕捉激波。同時，二維模型可以采用面積修正系數(shù)的方式來考慮地表建筑物（如居民樓），并可以在邊元上概化線狀阻水建筑物（如鐵路、高速公路），簡化了建模工作，提高了計算效率。排水管網(wǎng)模型采用國內(nèi)外廣泛應用的SWMM模型，并對模型進行了一系列的改進和完善，模型具備計算城市產(chǎn)匯流的能力，提供了恒定流、運動波和動力波等方法供選擇，能夠模擬壓力流和明渠流。一二維模型實現(xiàn)了多線程并行計算，支持在多核心計算設(shè)備上進行高效模擬計算。

在上述不同單一模型引擎的基礎(chǔ)上，IFMS及IFMSUrban還實現(xiàn)了河網(wǎng)與二維模型的側(cè)向及正向耦合、在二維邊元上概化考慮一維河網(wǎng)的一二維耦合以及管網(wǎng)與二維的垂向耦合等不同形式的模型耦合。另外，IFMS及IFMSUrban還集成了高效的網(wǎng)格剖分工具，可以快速方便地進行各種類型網(wǎng)格的剖分，如非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格、四邊形網(wǎng)格和混合網(wǎng)格的剖分。

3.GIS平臺

洪水分析軟件 IFMS及 IFMS Urban以自主研發(fā)的GIS平臺為基礎(chǔ)框架，運用DirectX渲染技術(shù)將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過模型的計算、分析、編輯及可視化展示建立了一套能應用于洪水分析專業(yè)模型平臺。平臺基于D3D硬件加速高效圖形渲染技術(shù)，實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的無極縮放和漫游瀏覽，提供基本的矢量數(shù)據(jù)標繪功能，支持對通用數(shù)據(jù)（如DEM、遙感影像、矢量數(shù)據(jù)）的加載顯示，并以圖層化的方式管理。平臺支持GPU加速，能夠顯著提高渲染效率以及響應速度，同時采用空間索引樹查詢，提高圖形查詢效率。

4.應用場景

（1）IFMS的應用場景

①河道、湖泊以及近岸水流數(shù)值模擬。IFMS提供多個河網(wǎng)引擎供用戶選擇，具備模擬山區(qū)及平原河網(wǎng)水流的能力，二維模型采用有限體積法，能夠準確模擬計算常見的淺水流動，如湖泊及近岸水流等。

②河道、湖庫、地表等水體交換模擬。IFMS實現(xiàn)了一維模型與二維模型的雙向耦合，可以方便地模擬暴雨、潰壩、決堤、潮水等引起的河道和地表洪水演進。

（2）IFMSUrban的應用場景

①城市暴雨內(nèi)澇分析。IFMS Urban具備模擬計算城市降雨產(chǎn)流、城市排水系統(tǒng) （包括管網(wǎng)和河網(wǎng)）的水流運動能力，可以通過構(gòu)建一二維耦合的水動力模型，模擬城市洪水地表演進過程。

②城市暴雨內(nèi)澇實時預測預警系統(tǒng)。耦合氣象精細預報、實時雨水情，快速預測可能積水的街道和積水深度，為城市實時內(nèi)澇預警提供支撐。

③城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)評估和優(yōu)化設(shè)計。IFMSUrban提供運動波、動力波和恒定流等多種計算方法，可以處理大型管網(wǎng)排水系統(tǒng)，具備模擬壓力流和無壓流的能力，能夠方便地對城市排水管網(wǎng)進行評估和優(yōu)化設(shè)計。

④城市雨洪調(diào)蓄設(shè)施的評估和優(yōu)化設(shè)計。IFMSUrban包含獨立的地表產(chǎn)流、地表漫流和管渠匯流模塊，能夠有效地對一些常見的低影響開發(fā)措施、排水設(shè)施（如泵站、蓄水池）進行評估和優(yōu)化。

二、軟件應用案例

1.沂沭河上片防洪保護區(qū)洪水風險圖編制

山東省沂沭河上片防洪保護區(qū)屬沂沭泗流域，分布于沂河、沭河干流兩岸，總面積約3 408 km2。沂沭河上片防洪保護區(qū)的洪水風險圖編制采用IFMS建立河道一維與保護區(qū)二維耦合的非恒定流水動力模型進行洪水分析計算，以堰流方式模擬潰口進洪過程。對于匯入沂河和沭河的支流，在模型中按照集中入流考慮。對于保護區(qū)內(nèi)的線性地物（公路、鐵路、堤防等）等，通過設(shè)置其所在網(wǎng)格邊的高程來反映。保護區(qū)共剖分了183 494個不規(guī)則網(wǎng)格。

以100年一遇設(shè)計洪水為例，亭子頭潰口洪水沿著低洼地帶向南運動，約8小時后洪水穿過兗石鐵路繼續(xù)向東南運動，16小時后洪水開始穿越膠新鐵路。隨后，洪水呈現(xiàn)出整體向東運動的態(tài)勢，25小時左右穿越臨沭鐵路，35小時左右洪水到達玉白河，洪水向前運動的態(tài)勢終止，洪水淹沒范圍基本達到最大。

圖2 2010年三岔河水位實測值與計算值對比圖

2.成都城區(qū)洪水風險圖編制

成都城區(qū)洪水風險圖編制采用IFMSUrban建立地表二維和一維耦合的非恒定流水動力模型進行洪水分析計算。排水管網(wǎng)和河網(wǎng)中水流模擬計算采用一維模型，地表其他區(qū)域的水流運動采用二維模型計算，對于涉及降雨的方案，需要進行降雨產(chǎn)流計算，采用IFMSUrban中的產(chǎn)流模塊進行計算。

成都城區(qū)范圍內(nèi)涉及的河道眾多，建模選取了其中較為重要的大小河流共55條，收集或測量斷面近700個。收集到約25萬條排水管道信息，采用IFMSUrban中管網(wǎng)處理工具進行拓撲檢查修正、屬性糾錯與管線概化之后，最終保留管道約1.5萬條。網(wǎng)格剖分以成都城區(qū)繞城高速作為邊界約束，以道路、堤防、河流等作為內(nèi)部約束，共剖分了130 252個不規(guī)則網(wǎng)格。

在產(chǎn)流計算時，根據(jù)不同區(qū)域特點采用兩種策略：①有管網(wǎng)的區(qū)域采用劃分匯水區(qū)的方法進行產(chǎn)流計算，共劃分約15 442個子匯水區(qū)，此徑流優(yōu)先進入管道；②沒有管網(wǎng)的區(qū)域，直接采用二維模型在網(wǎng)格上計算產(chǎn)流，徑流在地表上流動。計算產(chǎn)流時考慮的因素主要包括不透水率、坡度、下滲率等因素。二維模型的參數(shù)主要是糙率，根據(jù)土地利用類型分別給定。

根據(jù)成都市洪水來源，共設(shè)計了21個洪水內(nèi)澇計算方案，分為4類：一是暴雨方案，二是外洪方案，三是暴雨洪水組合方案，四是歷史典型暴雨方案。

在上述工作基礎(chǔ)上，采用IFMS Urban構(gòu)建了動態(tài)的實時分析模型，開發(fā)了基于B/S架構(gòu)的成都中心城區(qū)洪水風險圖管理平臺。系統(tǒng)以應用為導向?qū)⑷S洪水仿真展示和管理、洪水分析以及災情評估等功能有機結(jié)合，綜合考慮效率、并發(fā)、穩(wěn)定、安全等因素，為災前預測預警和防洪調(diào)度、災中群眾和物資轉(zhuǎn)移及安置、災后損失評估提供輔助決策支持。

3.大遼河左岸防洪保護區(qū)洪水風險圖編制

大遼河左岸防洪保護區(qū)位于遼寧省中南部，保護區(qū)上至大遼河三岔河口，下至入?？冢瑓^(qū)內(nèi)涉及海城市、大石橋市、營口市。大遼河左岸防洪保護區(qū)的洪水分析采用IFMS模型，其中大遼河河道部分采用一維河網(wǎng)模型，保護區(qū)采用二維水動力學模型，并在潰堤處進行一二維耦合。網(wǎng)格剖分采用非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，即三角形與四邊形相結(jié)合的方式，并在網(wǎng)格剖分時考慮道路、鐵路和堤防等阻水物，局部進行加密處理，最終共剖分了163 381個網(wǎng)格。一維河網(wǎng)模型上游采用流量邊界，下游采用潮位過程作為邊界。

選擇2010年8月2日—9月13日之間實際發(fā)生的洪水過程對模型進行驗證，如圖2所示，模型計算水位與實測水位過程總體上比較吻合，表明模型具有較好的模擬效果。

根據(jù)現(xiàn)場實地勘察，沿大遼河左岸共選取了5個可能的潰口，分別計算了遭遇50年一遇和100年一遇洪水時潰堤造成的洪水風險情況。

4.南河（岷江）洪水風險圖編制

南河（岷江）位于四川省東南部，面積約2 631 km2，涉及河流主要為南河（岷江）干流，河長約41.6 km，平均坡度為0.001。采用IFMS構(gòu)建水動力學模型，其中南河（岷江）干流及支流采用一維河網(wǎng)模型概化，兩岸淹沒區(qū)采用二維水動力學模型概化，并對潰堤洪水進行一二維耦合洪水分析計算。在編制區(qū)域內(nèi)共考慮堰、閘、壩、橋等涉水建筑26處。網(wǎng)格剖分采用非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，并在網(wǎng)格剖分時考慮高速公路、鐵路和堤防等阻水物，局部進行加密處理，共剖分了85 749個網(wǎng)格。一維河網(wǎng)模型上游采用流量作為邊界條件，下游采用水位流量關(guān)系作為邊界條件。

河道糙率根據(jù)防洪規(guī)劃報告的推薦值選取，并采用2010年8月典型洪水的洪痕數(shù)據(jù)進行率定。采用2013年6、7月以及2016年7月3場典型洪水進行驗證，對比斷面實測水位和計算水位，滿足精度要求。率定和驗證成果如表1和表2所示。

根據(jù)洪水來源、洪水量級、洪水組合方式等，選取楠桿堰潰口分別計算了遭遇20年一遇、50年一遇和100年一遇設(shè)計洪水時洪水風險情況。

5.河北大陸澤、寧晉泊蓄滯洪區(qū)實時洪水分析

大陸澤及寧晉泊蓄滯洪區(qū)位于河北省南部，面積2 041 km2，是全國第三大滯洪區(qū)，同時也是海河流域第一大滯洪區(qū)和關(guān)鍵防洪工程。針對大陸澤、寧晉泊蓄滯洪區(qū)范圍廣、行洪河道多、調(diào)度規(guī)則復雜以及上游來流影響大等特點，將設(shè)計范圍從蓄滯洪區(qū)擴展至其上游相關(guān)小流域，小流域總面積約1.3萬km2。

小流域采用新安江水文模型對12條主要河道進行洪水預報，并經(jīng)2016年“7·19”洪水驗證。

蓄滯洪區(qū)采用IFMS中的一二維耦合模型建立了快速高效實時的洪水分析模型，實現(xiàn)了復雜洪水演進過程的實時分析，兼顧一維河道、二維地表以及堰閘和分區(qū)滯洪調(diào)度等實時調(diào)控，并且基于北方流域特征考慮了入滲過程對洪水演進的影響。在建立模型過程中，通過在二維邊元上概化一維河網(wǎng)的處理方法，保證二維網(wǎng)格尺寸均勻，提升了計算效率和穩(wěn)定性；同時采用并行計算技術(shù)，蓄滯洪區(qū)洪水實時分析模型可在短時間內(nèi)完成歷時一周的洪水淹沒過程，滿足實時計算時效性要求，為防汛決策爭取寶貴的時間。

表1 南河（岷江）干支流2010年典型洪水率定表

表2 南河（岷江）典型洪水驗證表

三、結(jié) 論

①洪水分析軟件IFMS和IFMSUrban基于自主研發(fā)的GIS平臺，具有便捷、高效、能夠處理海量數(shù)據(jù)等特點。軟件采用工作空間統(tǒng)一存儲和管理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)分為模型要素和解決方案分開管理，提高了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的復用率，避免了重復數(shù)據(jù)的處理工作。

②洪水分析軟件IFMS和IFMS Urban耦合集成了先進和快速的一維河網(wǎng)模型、二維模型和城市排水模型等水動力學計算引擎，能夠處理湖泊、河流、近岸以及城市管網(wǎng)等眾多方面的涉水問題。

③洪水分析軟件IFMS和IFMS Urban在防洪保護區(qū)、蓄滯洪區(qū)、中小河流、城市等不同類型區(qū)域的成功應用，表明IFMS和IFMSUrban具備處理復雜問題的能力，具有廣闊的推廣應用前景?！?/p>

[1]張大偉,李丹勛,陳稚聰,等.潰堤洪水的一維、二維耦合水動力模型及應用[J].水力發(fā)電學報,2010(2).

[2]Yu H,Huang G,Wu C.Efficient Finite-Volume Model for Shallow-Water Flows Using an Implicit Dual Time-Stepping Method[J].Journal of Hydraulic Engineering,2015,141(6).

[3]Song L,Zhou J,Guo J,et al.A robustwell-balanced finite volumemodel for shallow water flows with wetting and drying over irregular terrain[J]. Advances in Water Resources,2011, 34(7).

[4]朱德軍,陳永燦,王智勇,等.復雜河網(wǎng)水動力數(shù)值模型 [J].水科學進展, 2011,22(2).

[5]Zhang H B,Wang Y L,Liang Q H,et al.Non-negative depth reconstruction for a two-dimensional partial inertial inundation model[J].Journal of Hydroinformatics,2014,16(5).

[6]喻海軍.城市洪澇數(shù)值模擬技術(shù)研究[D].廣州∶華南理工大學,2015.

[7]王船海,李光熾,向小華,等.實用河網(wǎng)水流計算[M].南京：河海大學出版社,2015.

[8]Wang Z L,Geng Y F.Two-dimensional shallow water equations with porosity and their numerical scheme on unstructured grids[J].Water Science and Engineering,2013,6(1).

[9]GIRON S J,ROESNER L A, ROSSMAN L A,et al.A new applications manual for the Storm Water Management Model Storm Water Management Model(SWMM)[J].Environmental Modelling& Software,2010, 25(6).

責任編輯 韋鳳年

Adoption of evaluation software in flood risk map drawing

Ma Jianming,Yu Haijun,Zhang Dawei,Zhang Hongbin,Wu Binbin,Mu Jie

China Institute of Water Resources and Hydropower Research(IWHR)developed flood analysis software together with implementation of national flood risk map project for major areas.A storm water management model (SWMM)was developed through integration of advancedmodelling technology,including one-dimensional river network computing engine for complicated water structure scheduling simulation,high resolution two-dimensional flood calculation engine and rapid unstructured grid generation module.Based on self-developed GIS platform,coupling of one-dimension and two-dimension as well as coupling of urban pipe network with two-dimensional model can be realized.The created two software products provide technical support for risk analysis of small and medium rivers, flood protection zones,flood detention and retention zones and prevention of urban floods.

flood analysis software;flood risk map drawing;flood numerical model

TV877+TV122

：B

：1000-1123（2017）05-0017-04

2016-10-15

馬建明，教授級高級工程師。

全國重點地區(qū)洪水風險圖編制項目；國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0803107；2016YFC0803109）。