動態(tài)洪水風(fēng)險圖在佛山城區(qū)防洪中的應(yīng)用

杜文印，肖 羽

（廣東省水文局佛山水文分局，廣東 佛山 528000）

0 引言

洪水風(fēng)險圖是對可能發(fā)生的超標(biāo)準(zhǔn)洪水的洪水演進(jìn)路線、到達(dá)時間、淹沒水深、淹沒范圍及流速大小等過程特征進(jìn)行預(yù)測，以標(biāo)示洪泛區(qū)內(nèi)各處受洪水災(zāi)害的危險程度的一種重要的防洪非工程措施，簡單來說，洪水風(fēng)險圖是反映洪水風(fēng)險大小和城區(qū)分布的地圖[1]，是防洪非工程措施中一種重要的方法。根據(jù)洪水風(fēng)險圖并結(jié)合洪泛區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)顩r，可以做到：1）合理制定洪泛區(qū)的土地利用規(guī)劃，避免在風(fēng)險大的區(qū)域出現(xiàn)人口與資產(chǎn)過度集中；2）合理制定防洪指揮方案，避免臨危出亂；3）合理確定需要避災(zāi)的對象，避災(zāi)的目的地及路線；4）合理評價各項防洪措施的經(jīng)濟(jì)效益；5）合理確定不同風(fēng)險區(qū)域的不同防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)；6）合理估計洪災(zāi)損失，為防洪保險提供依據(jù)。

城市是人口、資產(chǎn)高度集中的地區(qū)，一旦發(fā)生洪澇災(zāi)害，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，政治影響大。因此，綜合利用各種措施，減輕城市洪澇災(zāi)害損失對中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定具有十分重要的現(xiàn)實意義。目前我國重要城市均逐步開展洪水風(fēng)險圖的制作與應(yīng)用，所制作的洪水風(fēng)險圖基本屬于靜態(tài)的，即在特定頻率洪水發(fā)生時的淹沒范圍、受淹區(qū)域內(nèi)的最大水深和淹沒歷時等信息，但這些洪水風(fēng)險圖在使用過程中存在信息量少、更新難度大、難以共享等缺點[2]36。為此以廣東省佛山城區(qū)為例，介紹根據(jù)當(dāng)前預(yù)測的城區(qū)降雨和外江洪水發(fā)展情況，制作實時、動態(tài)的城市洪水淹浸風(fēng)險圖，以更加方便、精確地指導(dǎo)搶險救災(zāi)進(jìn)行決策。

1 佛山城區(qū)概況

佛山地處廣東省中南部珠江三角洲腹地，人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，地處北回歸線以南，屬南亞熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，又受海洋氣候調(diào)節(jié)，春季潮濕多雨，夏季較熱，雨量充沛；降雨在面上分布不均，降雨年際變化大，豐水年是枯水年的 1.9 倍。降雨年內(nèi)分配也不均勻，雨量多集中在每年 4—9 月，約占全年降雨量的 80%[3]。

佛山城區(qū)是指禪城區(qū)的中心城區(qū)，不包含南莊部分，面積約 77 km2。城區(qū)內(nèi)河涌水系發(fā)達(dá)，其中主干河涌 15 條，長度為 49.2 km；支干河涌 7 條，長度為 16.5 km；支涌 33 條，長度為 31.3 km。各河涌近年均經(jīng)過清淤整治，1997 年以前，各河涌出口水閘大部分為自流式，內(nèi)河涌需引水時，水流在潮汐作用下經(jīng)水閘自然注入，排水時經(jīng)水閘自然流出到外江。自 1994 年以來，外江河床逐年下切，各水閘自然注入、流出狀態(tài)受到影響，不能滿足城市防洪排澇的需求，各水閘均陸續(xù)改造為泵站，具有雙向抽排水功能，總排水能力為 832.8 m3/s[4]43-48，比改造前抽排水能力提升約 86%。目前城區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)均為 10 年一遇 24 h 設(shè)計，暴雨 24 h 排完且不致災(zāi)。防洪堤圍主要為佛山大堤，長度為 19.92 km，防洪標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，其它堤段防洪標(biāo)準(zhǔn)為五十年一遇[4]1。

佛山城區(qū)暴雨積水在 2005 年前不太突出，只是個別低洼地帶遇大暴雨時略有積水。2005年6 月5日佛山市 3 h 暴雨約 150 mm，造成佛山城區(qū)各大道路均有 30～40 cm 的水浸現(xiàn)象，直接經(jīng)濟(jì)損失約1.78 億元。近幾年，經(jīng)過城區(qū)排水管網(wǎng)和內(nèi)河涌改造，以及修訂實施城區(qū)防暴雨預(yù)案等措施，頻繁的短歷時強(qiáng)降雨在城區(qū)水浸黑點雖有時仍有 30～50 cm水浸現(xiàn)象發(fā)生，但經(jīng)濟(jì)損失已大幅下降。佛山城區(qū)內(nèi)澇受降雨強(qiáng)度、地形分布、河網(wǎng)水位、排澇泵站和排水管網(wǎng)能力等綜合因素的影響，具有典型的“珠三角”城市內(nèi)澇特點[5]。在繪制佛山城區(qū)洪水風(fēng)險圖時應(yīng)考慮降雨、外江洪水、風(fēng)暴潮、堤防潰決洪水、水閘泵站及以上各種組合影響，城市洪水風(fēng)險成因組合示意圖如圖 1 所示。

為滿足城區(qū)內(nèi)水雨情的監(jiān)測要求，及監(jiān)測系統(tǒng)適用性的檢驗，佛山城區(qū)已建成水位、雨量監(jiān)測點13 個，其中 3 個陸地監(jiān)測水位站點，8 個內(nèi)河涌水位監(jiān)測站點，2 個雨量站點，另外外江還有 3 個水位、雨量監(jiān)測站點。

圖1 城市洪水風(fēng)險成因組合示意圖

2 佛山城區(qū)洪水風(fēng)險圖應(yīng)用

2.1 動態(tài)洪水風(fēng)險圖的繪制

動態(tài)洪水風(fēng)險圖繪制的基礎(chǔ)是佛山城區(qū)暴雨內(nèi)澇模擬模型，以佛山城區(qū)為研究范圍，將預(yù)測的未來短時降雨情況作為輸入條件之一，結(jié)合城區(qū)高精度數(shù)字地圖、地下排水管網(wǎng)資料、內(nèi)河涌及外江水位、泵站調(diào)度等信息，運(yùn)用二維非恒定流水動力學(xué)模型模擬城區(qū)受暴雨（主要因素）、外洪等影響情況，將模型計算通過轉(zhuǎn)換，形成系統(tǒng)中專用的模型數(shù)據(jù)后存儲于數(shù)據(jù)庫中，然后利用等值線（面）技術(shù)自動生成模塊，形成各網(wǎng)格最大淹沒水深等值線（面）圖層，最終，系統(tǒng)將最大淹沒水深等值線（面）圖層與基本行政區(qū)劃圖、河流、最大淹沒范圍圖、防洪工程分布圖等基本信息圖層相融合，并添加指北箭頭、比例尺、圖例和方案說明等輔助信息形成特定方案的洪水風(fēng)險圖。通過水情信息的實時監(jiān)測與管理、暴雨淹浸模擬、洪水預(yù)警、實時動態(tài)的洪水風(fēng)險圖制作及 GIS 應(yīng)用等技術(shù)手段，可為佛山城區(qū)的防汛、內(nèi)澇預(yù)警和應(yīng)急調(diào)度提供決策依據(jù)和技術(shù)支持。

2.2 動態(tài)洪水風(fēng)險圖繪制的關(guān)鍵信息

動態(tài)洪水風(fēng)險圖中使用的信息主要有實時的降雨、內(nèi)河涌水位、水閘泵站運(yùn)行情況，以及高精度GIS 地形數(shù)據(jù)和地下排水管網(wǎng)資料，關(guān)鍵信息是較為準(zhǔn)確的未來 1～3 h 降水和外江洪水預(yù)報結(jié)果。使用的具體信息可以歸納為以下 3 類：

1）基礎(chǔ)信息。主要是城區(qū)高精度的 GIS 地形數(shù)據(jù)和地下排水管網(wǎng)資料，這是模型網(wǎng)格劃分、水流及泄水能力計算和洪水風(fēng)險圖繪制的基礎(chǔ)信息。

2）實時信息。包括實時的陸地及內(nèi)河涌的雨情和水情、氣象（包括雷達(dá)回波圖和衛(wèi)星云圖），以及內(nèi)河涌出入口的水閘、泵站的水位和開關(guān)情況等信息，主要反映研究范圍內(nèi)的氣象、水情、雨情和工程運(yùn)行情況，是系統(tǒng)運(yùn)行和洪水風(fēng)險圖繪制的重要信息。

3）預(yù)測信息。主要是區(qū)域范圍內(nèi)未來降雨和外江洪水的預(yù)測，是動態(tài)洪水風(fēng)險圖繪制的關(guān)鍵信息。洪水預(yù)測按常規(guī)水文預(yù)報作業(yè)進(jìn)行；降雨預(yù)測主要有使用雷達(dá)測雨預(yù)報和氣象部門專業(yè)的精細(xì)化降雨預(yù)報 2 種，兩者都是對佛山市按 1 km×1 km的格網(wǎng)預(yù)報當(dāng)前之后的第 1，2 和 3 h 降雨分布，更新時間均為 6 min，即每隔 6 min 產(chǎn)生 1 組新的城區(qū)預(yù)報格網(wǎng)的未來 3 h 的預(yù)報降雨量。

根據(jù)基礎(chǔ)、重要、關(guān)鍵信息模擬模型運(yùn)行的框圖如圖 2 所示。

圖2 模擬模型運(yùn)行框圖

2.3 動態(tài)洪水風(fēng)險圖繪制的應(yīng)用

根據(jù)城區(qū)暴雨特點對內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，按模型計算方式和所采用的降雨數(shù)據(jù)的不同，將生成的風(fēng)險圖應(yīng)用分為自動預(yù)警、實時預(yù)報、歷史查詢和方案設(shè)計，以及根據(jù)生成的風(fēng)險圖及預(yù)警信息發(fā)布，指導(dǎo)城市防汛決策應(yīng)用，具體情況如下：

1）自動預(yù)警。根據(jù)雨量站實測的降雨數(shù)據(jù)和預(yù)測的雨量數(shù)據(jù)綜合判斷，根據(jù)設(shè)定的閾值系統(tǒng)自動運(yùn)行，判斷條件可分為 2 種，當(dāng)所有雨量站過去 3 h且預(yù)測區(qū)域未來 3 h 內(nèi)降雨均為 0 mm 時，模型不運(yùn)行；當(dāng)任一雨量站過去 3 h 或者預(yù)測區(qū)域內(nèi)任一點未來 3 h 內(nèi)降雨達(dá)到某一閾值時，模型開始自動運(yùn)行，且閾值不同，系統(tǒng)運(yùn)行間隔也可不同，可根據(jù)服務(wù)器每次運(yùn)行、各種信息收集的時間綜合考慮，一般設(shè)定為 6 min 的倍數(shù)，使用較多的間隔為 0.5 和 1.0 h 。

2）實時預(yù)報。通過系統(tǒng)設(shè)定的實測降雨和預(yù)測降雨閾值，以及預(yù)報的基準(zhǔn)時間、預(yù)熱期和預(yù)見期等，自動開展作業(yè)預(yù)報，繪制相應(yīng)的洪水風(fēng)險圖，并發(fā)出預(yù)警信息。

3）歷史查詢?？梢詫θ我鈿v史時段的暴雨過程的洪水風(fēng)險圖及相關(guān)資料進(jìn)行查詢，該內(nèi)容以圖片和 Word 文檔形式存放在系統(tǒng)指定的文件庫中。

4）方案設(shè)計?？梢詫⑷我辉O(shè)計暴雨過程作為降雨計算輸入條件，繪制生成洪水風(fēng)險圖，以實現(xiàn)對未來特定洪水風(fēng)險的防治預(yù)案及措施等。

5）城市防汛決策指導(dǎo)。預(yù)警生成的洪水風(fēng)險圖成果可分為城區(qū)網(wǎng)格最大積水深度分布圖、重要單位積水信息圖和主要道路最大積水深度分布圖。

圖3 是城區(qū)網(wǎng)格最大積水深度分布圖，展示城區(qū)各網(wǎng)格上可能出現(xiàn)的淹沒最大水深，可在圖中右側(cè)列表中查看詳細(xì)的網(wǎng)格編號、最大水深、最大水深出現(xiàn)時間及淹沒歷時等信息。

圖4 是城區(qū)重要單位積水信息圖，展示城區(qū)重要單位附近可能出現(xiàn)的淹沒最大水深，可在圖中右側(cè)列表中查看詳細(xì)的單位名稱、積水深度、淹沒歷時及所在網(wǎng)格等信息。

圖5 是城區(qū)主要道路最大積水深度分布圖，展示城區(qū)主要道路上可能出現(xiàn)的淹沒最大水深，可在圖中右側(cè)列表中查看詳細(xì)的道路編號、最高水位時刻、最大水深及淹沒歷時等信息。

預(yù)警系統(tǒng)可與短信平臺相連，將預(yù)警的有關(guān)信息以短信的方式，發(fā)送到值班人員、相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及預(yù)計淹沒水深較大的重要單位與區(qū)域的防汛責(zé)任人的手機(jī)上，利于及時了解、掌握雨水情信息，以方便防汛指揮決策，有針對性地采取相應(yīng)的措施與預(yù)案，最大可能地減少暴雨洪水對城區(qū)的影響。

3 動態(tài)洪水風(fēng)險圖應(yīng)用效果

佛山城區(qū)內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)自 2012年5 月在佛山試運(yùn)行以來，2 年間先后應(yīng)用于數(shù)場較大降雨的城市動態(tài)洪水風(fēng)險預(yù)警分析，大部分積水點的計算精度能夠滿足預(yù)警要求，在幾場暴雨計算結(jié)果與實際調(diào)查對比中，模型計算誤差均不超過 0.04 m，精度級別屬于良好[2]37，并能將預(yù)警重點單位、路段積水信息提前 0.5 h 發(fā)送到相關(guān)責(zé)任人手機(jī)上，指導(dǎo)內(nèi)河涌提前預(yù)排，降低水位，對預(yù)警嚴(yán)重區(qū)域安排人員采取疏浚下水管道及入口等應(yīng)急措施，對城市的防災(zāi)減災(zāi)具有一定的指導(dǎo)作用。

圖3 城區(qū)網(wǎng)格最大積水深度分布

圖4 城區(qū)重要單位積水信息

圖5 城區(qū)主要道路最大積水深度分布

4 結(jié)語

利用動態(tài)洪水風(fēng)險圖在佛山城區(qū)降雨期間的應(yīng)用，對重要區(qū)域、單位和路段的淹浸情況分別進(jìn)行預(yù)警，將預(yù)測的降雨與城市防汛搶險預(yù)案聯(lián)系起來，為防汛部門實現(xiàn)分時、分區(qū)甚至分級預(yù)警提供了依據(jù)[6]。但在今后的使用中還要注意以下幾點：

1）要提高預(yù)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時性，并更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，特別是城市改造后的微地形與排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)更新，確保動態(tài)洪水風(fēng)險圖的準(zhǔn)確；

2）進(jìn)一步完善內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)的功能，使生成的風(fēng)險圖更加細(xì)化、具體、可靠，并自動將信息傳送給指定人員；

3）加強(qiáng)應(yīng)用城市動態(tài)洪水風(fēng)險圖的執(zhí)行力度，作為一項非常有效的洪水管理非工程措施，應(yīng)確保預(yù)警信息、防汛減災(zāi)預(yù)案與防汛責(zé)任人之間的聯(lián)系與落實，最大程度地減少暴雨對城市的影響與損失。

[1]李娜，程曉陶，邱紹偉. 上海市城區(qū)洪水風(fēng)險圖制作[J].中國防汛抗旱，2009 (6): 38-41.

[2]張旭，姚文廣，譚徐明.《洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則》編訂經(jīng)過及主要內(nèi)容說明[J]. 中國水利，2005 (17): 36-37.

[3]《佛山年鑒》編纂委員會. 2013 年佛山年鑒[M]. 佛山：佛山年鑒社，2013: 37-38.

[4]佛山市人民政府，佛山市防汛防旱防風(fēng)指揮部辦公室.佛山市防汛防旱防風(fēng)工作手冊[R]. 佛山：佛山市人民政府，2006.

[5]杜文印，李娜，王靜. 水動力學(xué)模型在佛山城市內(nèi)澇預(yù)警中的應(yīng)用研究[J]. 水利信息化，2012 (6): 11-19.

[6]王靜，李娜，程曉陶. 城市洪澇仿真模型改進(jìn)與應(yīng)用[J].水利學(xué)報，2010 (12): 1393-1400.