基于IFMS軟件實(shí)現(xiàn)新疆某中小河流洪水計(jì)算及風(fēng)險(xiǎn)分析

王玉麗，陳平星，李 萌

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，830002，烏魯木齊）

基于IFMS軟件實(shí)現(xiàn)新疆某中小河流洪水計(jì)算及風(fēng)險(xiǎn)分析

王玉麗，陳平星，李 萌

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，830002，烏魯木齊）

介紹了利用IFMS軟件開(kāi)展新疆某中小河流洪水計(jì)算及風(fēng)險(xiǎn)分析的作業(yè)流程及辦法,重點(diǎn)介紹了IFMS二維模型構(gòu)建流程,并針對(duì)當(dāng)前IFMS軟件功能特點(diǎn)，歸納出了典型區(qū)、典型時(shí)刻水量思路，利用IFMS二維計(jì)算后處理功能，配合ArcGIS軟件空間分析及統(tǒng)計(jì)匯總功能，反映各轄區(qū)典型淹沒(méi)區(qū)典型時(shí)刻洪水淹沒(méi)特征。

IFMS；中小河流；洪水風(fēng)險(xiǎn)圖；二維模型；網(wǎng)格剖分；洪水影響；新疆

根據(jù)水利部（辦汛函〔2013〕893號(hào)）確定的重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制總體安排，需要完成新疆某河流洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制任務(wù)。本中小河流洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制采用水力學(xué)法，需要研究區(qū)域河道漫溢洪水演進(jìn)過(guò)程，對(duì)洪水前鋒的到達(dá)時(shí)間、洪水流速、淹沒(méi)水深等要素進(jìn)行計(jì)算，并需考慮高于路面0.5m以上的線狀物、橋、涵、閘等要素的影響；考慮該河流編制區(qū)上游河道寬約200m左右，且在中小河流治理項(xiàng)目中已測(cè)量大部分1∶2 000帶狀地形圖，因此該河流洪水計(jì)算選用二維模型。

IFMS（Integrated Flood Modeling System）是中國(guó)水利水電科學(xué)研究院主持研發(fā)的國(guó)產(chǎn)洪水分析軟件，軟件包括復(fù)雜水利工程調(diào)度模擬的一維河網(wǎng)計(jì)算引擎，高分辨率二維洪水分析計(jì)算引擎、快速非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成模塊，可實(shí)現(xiàn)一維、二維洪水模型和城市管網(wǎng)模型的前后處理及分析計(jì)算、一二維耦合以及城市管網(wǎng)與二維模型耦合?？蓾M足該河流二維模型基礎(chǔ)要素處理及洪水分析計(jì)算需求。

一、IFMS建模過(guò)程

IFMS構(gòu)建該河流二維模型步驟包括：網(wǎng)格剖分、高程插值、設(shè)置糙率、道路橋涵等阻（過(guò)）水建筑物概化、設(shè)置初始水位、定義邊界條件、設(shè)置控制參數(shù) （包括起止時(shí)間及步長(zhǎng)、干濕閾值、流速閾值、水深閾值）、模型檢查、模型初始化及模型運(yùn)算等。二維模型構(gòu)建流程見(jiàn)圖1。

1.網(wǎng)格剖分

采用IFMS不規(guī)則四邊形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，需要考慮的基礎(chǔ)要素包括：外邊界、河道中心線、范圍線、外范圍線（范圍線外擴(kuò)1 000m）、阻水線狀地物、堤防護(hù)岸。

2.網(wǎng)格剖分尺寸

該河流編制區(qū)范圍內(nèi)基礎(chǔ)地形圖資料比例尺為1∶50 000和1∶10 000，采樣高程離散點(diǎn)間距80×80m至200× 200m；河道及沿岸收集有1∶2 000帶狀地形圖資料，采樣高程離散點(diǎn)間距10×10m至30×30m。參照《技術(shù)大綱》網(wǎng)格剖分密度初步設(shè)定以及高程離散點(diǎn)密度，該河流網(wǎng)格剖分尺寸設(shè)定如下：

河道中心線沿岸網(wǎng)格尺寸自上邊界30×30m過(guò)渡到下游邊界附近10×10m。堤防、道路等構(gòu)筑物周邊網(wǎng)格尺寸10×10m至100×100m。河道內(nèi)范圍線至河道外范圍線間網(wǎng)格剖分尺寸80×80m。其他計(jì)算范圍內(nèi)網(wǎng)格尺寸100×100m。

圖1 IFMS二維模型構(gòu)建流程

表1 土地利用現(xiàn)狀與糙率對(duì)照表

3.離散剖分

該河流采用離散剖分模式，剖分步驟如下：

（1）模型基礎(chǔ)要素導(dǎo)入

將處理好的計(jì)算范圍、河道中心線、范圍線、外范圍線、道路、堤防護(hù)岸連線等模型要素導(dǎo)入IFMS。

（2）離散點(diǎn)插值

對(duì)導(dǎo)入邊界和控制線要素按網(wǎng)格密度設(shè)定進(jìn)行線（段）批量離散插值。離散點(diǎn)插值密度設(shè)置如下：

河道中心線（自下至上）離散點(diǎn)插值距離10～30m。道路（距離河道中心線距離自近至遠(yuǎn)）離散點(diǎn)插值距離10～100m。堤防連線離散點(diǎn)插值距離10～50m。河道范圍線離散點(diǎn)插值距離15～30m。外范圍線離散點(diǎn)插值距離40～60m。計(jì)算范圍外邊界線（段）離散點(diǎn)插值60～100m。

（3）離散剖分結(jié)果

該河流創(chuàng)建離散剖分時(shí)共形成13個(gè)剖分子集。對(duì)離散化圖層的各個(gè)子區(qū)進(jìn)行離散化剖分工作，過(guò)程中及時(shí)處理節(jié)點(diǎn)總數(shù)為奇數(shù)或節(jié)點(diǎn)間距過(guò)密問(wèn)題。各子區(qū)完成離散剖分后，融合各剖分子區(qū)，形成整體網(wǎng)格剖分結(jié)果，將剖分結(jié)果構(gòu)建為二維網(wǎng)格，作為該河流洪水計(jì)算基礎(chǔ)模型，繼續(xù)開(kāi)展模型要素處理及概化工作。該河流離散化剖分形成網(wǎng)格數(shù)量49 468個(gè)。

4.網(wǎng)格屬性賦值

（1）網(wǎng)格單元高程點(diǎn)插值

利用ArcGIS處理生成好的離散點(diǎn)文件（asc格式），對(duì)網(wǎng)格單元進(jìn)行高程離散點(diǎn)插值，讀取計(jì)算區(qū)域地形散點(diǎn)數(shù)據(jù)（*.asc），并按插值參數(shù)設(shè)定為權(quán)重3，平滑度1進(jìn)行插值。

（2）線狀阻水建筑物概化

模型考慮的線狀阻水建筑物為模擬區(qū)域內(nèi)的主要道路、鐵路以及堤防護(hù)岸。在剖分網(wǎng)格時(shí)已將道路、堤防等線狀地物作為離散子集控制線因素，保證網(wǎng)格邊元與線狀地物空間走向的一致性。參照外業(yè)測(cè)量獲取的路面高程、堤頂高程數(shù)據(jù)，在IFMS軟件中選中剖分好的二維網(wǎng)格邊元要素，參考高程點(diǎn)信息按高程漸變特征逐個(gè)邊元賦高程。

（3）橋涵概化

在IFMS軟件中，選中橋涵分布點(diǎn)二維網(wǎng)格邊元要素，按外業(yè)測(cè)量成果修改邊元高程為橋底高程，增大邊元上游相鄰網(wǎng)格單元糙率，形成有阻水效果的過(guò)水口門。

（4）糙率處理

利用ArcGIS數(shù)據(jù)處理工具歸納編制各縣鄉(xiāng)級(jí)行政區(qū)域現(xiàn)狀用地類型，對(duì)歸納后的用地類型賦糙率，不同用地類型及相應(yīng)糙率按表1確定。

利用IFMS軟件網(wǎng)格單元糙率賦值功能，讀取整理好的土地利用shp文件，按用地類型賦相應(yīng)糙率。其中非行政轄區(qū)覆蓋網(wǎng)格糙率統(tǒng)一給定為0.035。

（5）其他參數(shù)設(shè)計(jì)

IFMS二維方案控制參數(shù)設(shè)置分析控制部分參數(shù)，干濕閾值給定0.01，CFL數(shù)0.7。模型計(jì)算初始條件處理方法為：二維網(wǎng)格初始水位全部按0處理。洪水模擬時(shí)段取3天（72h），模擬時(shí)間步長(zhǎng)為60s。

5.模型合理性檢驗(yàn)

因該河流編制區(qū)域基本無(wú)實(shí)測(cè)洪水資料，可采用的合理性檢驗(yàn)方式有兩種：一是參考現(xiàn)有歷史洪水資料，將該河流20年一遇設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果與歷史洪水影響情況予以比對(duì)；二是參考該河流中小河流治理河道構(gòu)筑物10年現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算該河道10年一遇設(shè)計(jì)洪水（構(gòu)筑物現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)年）與20年一遇設(shè)計(jì)洪水（高一級(jí)別防洪標(biāo)準(zhǔn)年），比對(duì)計(jì)算結(jié)果淹沒(méi)情況與構(gòu)筑物設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證堤防防洪情況與計(jì)算結(jié)果是否基本一致。對(duì)比情況見(jiàn)表2、表3。

表2 某河各頻率設(shè)計(jì)洪水與歷史洪水淹沒(méi)情況對(duì)照 （1畝=1/15 hm2）

表3 某河各頻率設(shè)計(jì)洪水與河道沿線構(gòu)筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

由于該河流不存在漫溢或者潰堤的實(shí)測(cè)資料，河道外二維區(qū)域網(wǎng)格糙率無(wú)法利用實(shí)測(cè)資料率定。經(jīng)過(guò)對(duì)比計(jì)算，發(fā)現(xiàn)二維網(wǎng)格糙率對(duì)洪水淹沒(méi)的影響較小，采用一定范圍內(nèi)的糙率分別計(jì)算得到的淹沒(méi)范圍等差別較小。

計(jì)算得到10年一遇范圍與該河流防洪工程設(shè)計(jì)報(bào)告中10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，兩者大體一致，僅局部有所差別，通過(guò)對(duì)DEM圖的高程進(jìn)行反復(fù)比較，可知計(jì)算結(jié)果基本符合地形變化的趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果基本合理。

二、計(jì)算結(jié)果分析

1.淹沒(méi)典型區(qū)、典型時(shí)刻確定

基于IFMS軟件二維模型各頻率洪水計(jì)算結(jié)果，疊加編制區(qū)行政區(qū)域數(shù)據(jù)、河道面數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件空間數(shù)據(jù)分析功能、XLS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總功能、IFMS二維計(jì)算后處理功能，對(duì)洪水淹沒(méi)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取及特征展示，統(tǒng)計(jì)分析流程見(jiàn)圖2。

圖2 洪水計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析流程

2.上游轄區(qū)淹沒(méi)特征情況

該河流渠首發(fā)生百年一遇混合型場(chǎng)次洪水，洪水歷時(shí)時(shí)間為72 h，洪水從渠首處，經(jīng)0.67 h即可到達(dá)上游轄區(qū)。2015年7月2日2點(diǎn)30分時(shí)，轄區(qū)洪量為489907.56m3。河道蓄洪能力為388247.85m3，漫溢水量為101659.70m3，占總水量的20.75%。

洪水行進(jìn)過(guò)程中，在上游轄區(qū)某村附近、公路以南河道兩岸有洪水漫溢情況發(fā)生，此處河道外漫溢洪水面積約0.35 km2，漫溢處最大淹沒(méi)水深為0.25m，最大流速為1.25m3/s，基本不構(gòu)成洪水威脅。洪水在某村南1.5 km處流速及水深達(dá)到最大。河道內(nèi)最大水深為1.75m。最大流速為3.8 m3/s。中游轄區(qū)、下游轄區(qū)計(jì)算結(jié)果分析略。

3.特征值匯總

某河流編制區(qū)洪水特征值匯總見(jiàn)表4。

4.水量特征趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)該河流編制區(qū)各行政轄區(qū)不同頻率洪水特征值,繪制轄區(qū)典型時(shí)刻水量趨勢(shì)見(jiàn)圖3、圖4、圖5。

圖3 上游轄區(qū)不同頻率洪水典型時(shí)刻水量趨勢(shì)

表4 某河流編制區(qū)洪水特征值匯總表

圖4 中游轄區(qū)不同頻率洪水典型時(shí)刻水量趨勢(shì)

圖5 下游轄區(qū)不同頻率洪水典型時(shí)刻水量趨勢(shì)

三、結(jié)論

選用IFMS軟件進(jìn)行該河流洪水分析計(jì)算，計(jì)算模型采用二維模型，根據(jù)河流水文分析特征，選用河流上游建有河道構(gòu)筑物的渠首作為上邊界條件，模型構(gòu)建過(guò)程中充分考慮河道地形與周邊地形精度差異，堤防（護(hù)岸）、線狀阻水建筑邊元吸附要求，網(wǎng)格數(shù)量及尺寸過(guò)渡要求（軟件運(yùn)行效率）。網(wǎng)格剖分采用離散剖分模式，網(wǎng)格數(shù)量基本介于4萬(wàn)～5萬(wàn)之間，網(wǎng)格尺寸河道內(nèi)10～30m，河道外影響區(qū)域30～300m。該情況下單場(chǎng)次洪水計(jì)算約4h，模型計(jì)算速度適中。

因水文資料匱乏，該河流模型計(jì)算結(jié)果主要利用河道構(gòu)筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)及歷史洪水損失進(jìn)行初步驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)照DEM高程數(shù)據(jù)，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果基本符合地形變化的趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果合理性分析，模型計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)際情況，分析得到的淹沒(méi)范圍、水深、流速等結(jié)果能夠?yàn)楣こ桃?guī)劃提供基本參考?！?/p>

責(zé)任編輯 楊 軼

Flood calculation and risk analysis for medium and small rivers in Xinjiang based on IFMS software

Wang Yuli,Chen Pingxing,LiMeng

Discussions aremade on operation procedure and methods of flood calculation and risk analysis for small and medium rivers in Xinjiang with utilization of IFMS software.Special focus places on procedure of two-dimensional model formation.In accordance with the characteristics on current IFMS software,water quantity in typical area and moment are derived.Features of flood inundation at typical inundated zone and typicalmoment are presented bymeans of processing functions after IFMS two-dimensional calculation,together with ARCGIS software space analysis and statistical summarizing.

IFMS;medium and small rivers;flood riskmap;two-dimensionalmodel;mesh generation;flood impact;Xinjiang

TV877+TV122

：B

：1000-1123（2017）05-0069-04

2016-09-29

王玉麗，主任,高級(jí)工程師,主要從事數(shù)據(jù)處理、制圖、GIS相關(guān)咨詢、水利信息化相關(guān)工作。

全國(guó)重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目。