基于數(shù)值模型的動態(tài)洪水風(fēng)險圖繪制系統(tǒng)研究

劉鐵錘，胡 波，佘亮亮，仇傳楨

（寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

洪水風(fēng)險圖是通過歷史調(diào)查、水文分析及洪水模擬計算，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)行模擬預(yù)測，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專題地圖。洪水風(fēng)險圖在國內(nèi)是洪澇災(zāi)害防御的重要非工程措施之一，在合理布置防洪工程、科學(xué)管理洪泛區(qū)、指導(dǎo)防汛搶險等工作中發(fā)揮十分重要的作用[1]。本研究利用 GIS 和 Web開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)動態(tài)洪水風(fēng)險圖在線繪制分析。

皎鄞區(qū)間地處東部沿海地帶、甬江流域上游，遭遇臺風(fēng)及熱帶風(fēng)暴侵襲頻繁，受地形因素影響常為該地區(qū)的暴雨中心，同時疊加上游皎口水庫泄洪影響，下游地區(qū)防洪壓力較大。皎鄞區(qū)間主要干流章溪下游接鄞江，鄞江為感潮河道，當(dāng)區(qū)間發(fā)生大洪水與下游高潮位相遇的情形，造成鄞江鎮(zhèn)排水不利，容易發(fā)生洪澇災(zāi)害。在新的防洪減災(zāi)工作要求形勢下，常規(guī)的靜態(tài)洪水風(fēng)險圖已經(jīng)不能滿足區(qū)域防洪排澇的需要，建設(shè)動態(tài)洪水風(fēng)險圖繪制系統(tǒng)[2]可實時動態(tài)地指導(dǎo)區(qū)域防洪排澇工作、提高防洪減災(zāi)科學(xué)水平、優(yōu)化防汛工作方式，保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

海曙區(qū)皎鄞區(qū)間洪水風(fēng)險圖繪制與管理系統(tǒng)基于 B/S 形式開發(fā)，結(jié)合 GIS 技術(shù)，采用組件化技術(shù)構(gòu)建，并可實現(xiàn)用戶的多客戶端同時在線訪問。

系統(tǒng)以 GIS 和計算機(jī)技術(shù)為依托，后臺綜合集成數(shù)據(jù)庫技術(shù)，采用流域水文、水動力學(xué)計算模型，結(jié)合氣象部門降雨預(yù)報能夠快捷進(jìn)行洪水預(yù)報及洪水演進(jìn)計算，建成高效、可靠、實用、先進(jìn)的洪水風(fēng)險分析計算系統(tǒng)，以人機(jī)交互方式進(jìn)行洪水風(fēng)險分析，對區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)和社會進(jìn)行洪水影響分析，以反映洪水風(fēng)險影響程度[3]，基于 WebGIS 的洪水風(fēng)險圖系統(tǒng)建設(shè)[4-5]，通過瀏覽器前端進(jìn)行淹沒歷時、范圍等要素的分層渲染與圖形展示處理，為皎鄞區(qū)間防洪決策提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。系統(tǒng)框架如圖 1 所示，主要分為 3 個層次，具體如下：

1）數(shù)據(jù)資源層。采集并集成流域、水系、工程、模型、地理、計算結(jié)果、社會經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)。

2）應(yīng)用支撐層。構(gòu)建洪水計算分析模型接口服務(wù)，并在數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)層提供電子地圖、風(fēng)險圖繪制、系統(tǒng)權(quán)限管理等服務(wù)，為系統(tǒng)建設(shè)提供技術(shù)支撐。

3）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。建設(shè)動態(tài)洪水計算、洪水影響分析、風(fēng)險圖在線繪制的子系統(tǒng)，通過降雨分析、潮位預(yù)報、水庫調(diào)度和洪水演算等流程計算洪水水位和流量，對保護(hù)對象進(jìn)行淹沒影響，并在線繪制風(fēng)險圖圖件。

1.2 計算模型接口設(shè)計

洪水計算分析模型采用 C# 語言進(jìn)行編程，通過規(guī)范化設(shè)計，提供封裝的 Web Services 接口，為業(yè)務(wù)應(yīng)用層提供各類模型支撐服務(wù)。業(yè)務(wù)應(yīng)用層通過 Web Services 接口調(diào)用，驅(qū)動數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，并將 Web Services 接口獲取模型計算結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫中，供業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行洪水影響分析。模型集成框架如圖 2 所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

圖2 模型集成框架圖

2 洪水計算分析模型

2.1 水文學(xué)水力學(xué)分析方法

洪水風(fēng)險分析方法主要有水文學(xué)法、水力學(xué)法和歷史水災(zāi)法，結(jié)合皎鄞區(qū)間具體情況和已有資料，并依據(jù)《洪水風(fēng)險圖編制技術(shù)細(xì)則》，本次模型綜合運用水文學(xué)法和水力學(xué)法進(jìn)行洪水風(fēng)險分析計算。

研究區(qū)域為典型的濕潤半濕潤地區(qū)，山區(qū)、平原區(qū)的旱地和非耕地使用三水源新安江模型的方法計算產(chǎn)流。根據(jù)研究區(qū)域特征，將流域根據(jù)下墊面的水文、地理特征等分為若干個單元面積，產(chǎn)匯流模型選擇基于蓄滿產(chǎn)流模式的模型，匯流計算采用推理公式法，并考慮區(qū)間水庫的預(yù)報調(diào)度作用。

平原地區(qū)選取水力學(xué)方法進(jìn)行河網(wǎng)建模計算。依據(jù)流域的水利工程及河道資料，把流域水系概括為水域及河網(wǎng)兩者構(gòu)成的體系。水域起到水量調(diào)蓄和傳輸?shù)淖饔?；河網(wǎng)是流域輸送水流的主要載體。模型下邊界通過潮位預(yù)報提供計算邊界，水力學(xué)方法通過數(shù)值求解一維圣維南方程組，求出每一河道指定斷面處及節(jié)點上的水位、流量等水力變量。

一維圣維南方程組基本方程如下：

式中：A為過水?dāng)嗝婷娣e；Q為斷面流量；v為流速；h為水深；t為時間；Sf為摩阻坡度；S0為底坡。

隨著平原河網(wǎng)水位的升高，洪水會漫溢到平原低洼地區(qū)。為了模擬漫灘情況下各片區(qū)對洪水的調(diào)蓄作用，采用二維水流方程進(jìn)行地面漫流演算。將地形概化處理以表征總體情況，將平原區(qū)基于高程數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，構(gòu)成模型計算的基本元素對象，二維水流方程以網(wǎng)格剖分的結(jié)果作為基本計算單元，計算網(wǎng)格與臨近網(wǎng)格間坡降，考慮水流方向等因素，通過水流在網(wǎng)格間演算，對平原各網(wǎng)格逐時段水深過程求解，實現(xiàn)平原區(qū)地面漫流演算。

2.2 區(qū)域概況

鄞州區(qū)皎口水庫至鄞江鎮(zhèn)區(qū)間流域面積為89.7 km2，區(qū)域內(nèi)有山區(qū)和平原，山區(qū)源短流急，易產(chǎn)生洪水，平原區(qū)面積大約為 20 km2，為主要的人口聚集區(qū)，受區(qū)域洪水及皎口水庫泄洪影響較大，為區(qū)域主要的防洪保護(hù)對象。皎鄞區(qū)間主要有章水鎮(zhèn)、龍觀鄉(xiāng)、鄞江鎮(zhèn)等行政區(qū)域。

區(qū)間主流樟溪，河長約為 16 km，河道坡降為36∶10 000，現(xiàn)狀河道寬度為 50～70 m，樟溪自皎口水庫而下東南流經(jīng)章水鎮(zhèn)、龍觀鄉(xiāng)至鄞江鎮(zhèn)西首處分二流：一流沿光溪約 1 km 至洪水灣出；一流經(jīng)它山堰入鄞江干流。樟溪分段河長及堤段信息詳如表 1 所示，流域水系圖如圖 3 所示。

區(qū)間地處東部沿海地帶，遭受臺風(fēng)及熱帶風(fēng)暴侵襲頻繁，是造成皎鄞區(qū)間洪水的主要原因；且由于皎鄞區(qū)間上游周公宅水庫及皎口水庫泄洪對皎鄞區(qū)間有較大影響，若上游調(diào)洪不當(dāng)，會加劇皎鄞區(qū)間洪澇災(zāi)害的發(fā)生；區(qū)間下游接鄞江，鄞江為感潮河網(wǎng)，當(dāng)區(qū)間發(fā)生大洪水與下游高潮相遇的情形，鄞江鎮(zhèn)排水條件不利，容易發(fā)生洪澇災(zāi)害。

表1 樟溪河道資料

圖3 皎鄞區(qū)間水系圖

2.3 模型概化

洪水風(fēng)險分析模型的建立主要是根據(jù)流域的土地利用類型和工程條件，按照水文學(xué)和水力學(xué)方法分析計算流域洪水演進(jìn)及匯流過程，并對低洼區(qū)域淹沒狀況進(jìn)行分析。

根據(jù)流域下墊面、河道水系和流域內(nèi)工程資料，將流域水系概化成由山區(qū)、河網(wǎng)、平原和工程組成的體系，流域概化圖如 4 所示。

將區(qū)域內(nèi)流域按照分水嶺分成山區(qū)區(qū)域 18 個片區(qū)，經(jīng)過產(chǎn)匯流計算后，為河網(wǎng)模型計算提供上邊界?？紤]流域特點，產(chǎn)匯流模型主要采用蓄滿產(chǎn)流進(jìn)行計算。

河網(wǎng)是流域輸送水流的載體，對洪水進(jìn)行調(diào)蓄和輸送。考慮主流樟溪及支流匯水情況，將河道概化為 22 個斷面，通過差分圣維南方程組，數(shù)值求解斷面處的水位流量過程。洪水演進(jìn)過程中部分?jǐn)嗝姘l(fā)生漫堤情況，結(jié)合平原剖分網(wǎng)格進(jìn)行二維水流演進(jìn)計算，以求得平原區(qū)淹沒情況。

圖4 流域概化圖

模型概化后，以山區(qū)產(chǎn)匯流過程作為上邊界，下邊界為鄞江潮位過程，同時在模型構(gòu)建中考慮閘和堰等內(nèi)邊界的調(diào)蓄作用。

2.4 邊界設(shè)定

計算模型上邊界為區(qū)間暴雨及上游皎口水庫泄洪流量，下邊界為潮位過程。

暴雨計算是根據(jù)氣象部門短臨降雨或數(shù)值預(yù)報結(jié)果，預(yù)測未來一段時間內(nèi)降雨的時空分布，作為皎鄞區(qū)間的預(yù)報計算暴雨過程輸入。

由于皎口水庫位于皎鄞區(qū)間上游，其下泄洪水直接影響?zhàn)ㄛ磪^(qū)間的洪水計算過程。因此，皎口水庫的下泄流量過程將作為皎鄞區(qū)間洪水風(fēng)險分析的邊界條件。在實際應(yīng)用中可通過水庫洪水預(yù)報調(diào)度計算得到皎口水庫泄流過程。在系統(tǒng)中對結(jié)果進(jìn)行實時集成。

計算考慮潮位頂托對區(qū)域排水的影響，利用潮位預(yù)報模型和大數(shù)據(jù)方法進(jìn)行下邊界潮位計算。

2.5 模型驗證

模型參數(shù)主要包括山區(qū)的產(chǎn)匯流模型參數(shù)和河道的概化參數(shù)和糙率等信息，通過對 2000 年的“桑美”、2005 年的“麥莎”、2007 年的“羅莎”臺風(fēng)進(jìn)行率定，以確定流域模型參數(shù)。為了提高模型的模擬精度和可靠性，使模型更好地應(yīng)用于洪水風(fēng)險圖編制，本次模型采用“菲特”臺風(fēng)期間洪水過程進(jìn)行驗證。

2013 年第 23 號熱帶風(fēng)暴“菲特”由 9 月 30 日4 時在菲律賓附近洋面生成至 10 月 1 日 17 時加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，3 日 5 時加強(qiáng)為臺風(fēng)，5 日加強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng)，風(fēng)力為 14 級，移動方向為西北偏北，后轉(zhuǎn)為西北西，并于 7 日 1 時 15 分登陸福鼎市沙埕鎮(zhèn)。之后雖然強(qiáng)度迅速減弱，但此次臺風(fēng)減弱后的低壓云團(tuán)在 24 號臺風(fēng)“丹娜絲”的頂托下，移動緩慢長時間停留在浙江地區(qū)造成大范圍的強(qiáng)降水?！胺铺亍迸_風(fēng)期間皎鄞區(qū)間由于受降雨及上游皎口水庫泄流過程影響，區(qū)域低洼地段淹沒水深較深，受災(zāi)嚴(yán)重。

模型驗證考慮模型計算輸入，包括皎口水庫泄流過程及皎鄞區(qū)間暴雨洪水過程分析。經(jīng)過模型計算，鐘家潭水位站在“菲特”臺風(fēng)期間，實測與計算水位過程對比如圖 5 所示。

圖5 “菲特”臺風(fēng)期間鐘家潭水位過程計算成果與實測對比結(jié)果

由圖 5 可知，“菲特”臺風(fēng)鐘家潭水位實測過程與計算過程結(jié)果趨勢基本一致，實測最高水位發(fā)生在 2013 年 10 月 7 日 11 時，最高水位為 6.14 m，模型計算結(jié)果最高水位為 6.29 m，誤差為 0.15 m，最高水位發(fā)生時刻一致。

平原區(qū)選取嶺下村小店對面、后隆橋上游左側(cè)、龍觀鄉(xiāng)政府后中溪河右邊等 3 處淹沒水深進(jìn)行模型驗證，采用“菲特”臺風(fēng)期間以上 3 個平原地點最大淹沒水深計算結(jié)果和實測值進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖 6 所示。

由圖 6 可知，“菲特”臺風(fēng)期間嶺下村小店對面、后隆橋上游左側(cè)、龍觀鄉(xiāng)政府后中溪河右邊最大淹沒水深分別為 0.8，0.8 和 0.7 m，計算最大淹沒水深分別為 0.88，0.88 和 0.72 m，誤差分別為 0.08，0.08 和 0.02 m，淹沒計算情況與實測值基本一致。

圖6 “菲特”臺風(fēng)期間皎鄞區(qū)間平原區(qū)計算與實測淹沒情況對比結(jié)果

由模型驗證結(jié)果可見，模型模擬誤差在合理范圍內(nèi)，模擬精度較高，計算結(jié)果合理。

3 系統(tǒng)建設(shè)

動態(tài)洪水預(yù)報是一個需根據(jù)最新氣象洪水情勢進(jìn)行滾動預(yù)報的作業(yè)過程，對預(yù)報結(jié)果及影響情況進(jìn)行在線自動化分析，并實現(xiàn)動態(tài)洪水風(fēng)險圖計算機(jī)繪制，輔助提高洪水預(yù)報的預(yù)見期及防汛減災(zāi)科學(xué)性。

3.1 動態(tài)洪水分析計算

動態(tài)洪水風(fēng)險圖繪制系統(tǒng)可通過實時雨水情及氣象信息，利用計算模型進(jìn)行洪水預(yù)報及演進(jìn)模擬，為防汛部門提供更加及時、準(zhǔn)確的洪水風(fēng)險信息，有利于區(qū)域防汛減災(zāi)決策。

在系統(tǒng)中結(jié)合空間地圖，通過 Web頁面輸入預(yù)測數(shù)據(jù)，調(diào)用后端計算模型進(jìn)行在線動態(tài)計算，計算完成后讀取數(shù)據(jù)庫結(jié)果，在線實現(xiàn)洪水風(fēng)險動態(tài)分析計算。

3.2 洪水風(fēng)險影響分析

對重要控制點水位信息進(jìn)行洪水分析，主要包括節(jié)點名稱、所在河道、最高水位、最高水位時刻及水位過程圖等分析河道水位是否超警戒等指標(biāo)。

淹沒影響分析：重點區(qū)域主要為區(qū)政府、市場、醫(yī)院、學(xué)校、工廠、賓館等保護(hù)對象區(qū)域，結(jié)合其地坪高程分析重點區(qū)域中防洪保護(hù)對象名稱、最大水深、淹沒時長等信息，地圖上根據(jù)顏色深淺按級別展示積水深度。

3.3 洪水風(fēng)險圖動態(tài)繪制

結(jié)合 WebGIS 功能，通過預(yù)設(shè)風(fēng)險圖模板，通過系統(tǒng)查詢接口獲取計算結(jié)果數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)中在線動態(tài)繪制出圖，根據(jù)時間動態(tài)繪制風(fēng)險變化圖。

4 結(jié)語

對水文學(xué)、水力學(xué)方法進(jìn)行耦合開發(fā)，通過封裝 Web Services 接口建立寧波市海曙區(qū)皎口水庫下游至鄞江鎮(zhèn)區(qū)間洪水分析計算模型，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供洪水計算服務(wù)，經(jīng)過實例驗證模型計算結(jié)果滿足精度要求。本系統(tǒng)基于 WebGIS 技術(shù)進(jìn)行建設(shè)，考慮系統(tǒng)的運行效率，將 WebGIS 響應(yīng)速度控制在 3 s內(nèi)，一般查詢響應(yīng)速度控制在 2 s 內(nèi)，確保系統(tǒng)連續(xù)24 h 不間斷工作，系統(tǒng)能夠在線實現(xiàn)洪水的動態(tài)演進(jìn)模擬及洪水風(fēng)險圖的繪制，可較好地滿足實際應(yīng)用需求，有效提升區(qū)域防洪應(yīng)急管理能力，支撐區(qū)域洪水風(fēng)險管理制度建立，減少人民群眾生命財產(chǎn)損失，具有顯著的防洪減災(zāi)和社會效益。