基于高精度DEM的城市洪水風險圖編制應用案例分析

蘇德慧 趙 楊 毛葉豐 劉 昊 林甬梁 林 翔

（1.海綿城市雨水收集利用技術(shù)有限公司，寧波 315100；2.北京雨人潤科生態(tài)技術(shù)有限公司，北京 100005）

1 洪水風險圖應用

目前全球范圍內(nèi)的洪澇災害無論是從數(shù)量和規(guī)模都呈現(xiàn)出快速增加的趨勢，成為全球面臨的重大挑戰(zhàn)。根據(jù)聯(lián)合國發(fā)布的《災害的代價2000—2019》[1]，過去20 年間，全球共發(fā)生7 348起災害事件，造成123萬人死亡，受災人口高達40億人，直接經(jīng)濟損失達2.97萬億美元，其中全球的洪水災害數(shù)量從1 389起上升到3 254起，占災害總數(shù)的40%；在全球十個受災最多的國家中，中國共發(fā)生577 起災害事件居全球首位，是世界上災害尤其洪澇災害最嚴重的國家。除中國外，美國（467起）、印度（321起）、菲律賓（304起）和印度尼西亞（278起）緊隨其后。世界十大歷史洪水災害中，前5 次均發(fā)生在中國，如1975 年河南發(fā)生的板橋水庫垮塌造成的特大洪水災害，1998 年長江大洪水、2012年北京“7·21”暴雨洪水、2021年鄭州“7·20”特大暴雨洪水等。洪澇災害的數(shù)量、規(guī)模及損失近年來呈快速增加的趨勢，洪澇災害成為多數(shù)城市的痛點和難點問題。

洪水災害增加的原因主要有極端天氣和城市化。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）公布的最新評估報告[2]表明，過去50年，極端天氣事件特別是強降雨、高溫熱浪等極端事件呈增多增強的趨勢，預計今后在全球氣候變暖大背景下，這種極端事件將更加頻繁。極端天氣造成暴雨洪水頻發(fā)，現(xiàn)有的工程設(shè)計體系將被迫做出大幅調(diào)整，如過去的20年中，全球很多地區(qū)的100年一遇設(shè)計降雨和設(shè)計洪水發(fā)生頻率降低為20年一遇左右，對工程設(shè)計造成了巨大挑戰(zhàn)，美國休斯敦的設(shè)計降雨自2000年以來已經(jīng)做了兩次大的修改和調(diào)整，設(shè)計降雨由過去的100年一遇變?yōu)?0年一遇至20年一遇。除極端天氣外，城市化是洪水災害增加的另外一個原因。1972—2020年間，中國75個主要城市面積擴大7.46 倍，城市化導致城市硬質(zhì)下墊面劇增，相同降雨條件下地表形成的洪水峰值增加數(shù)倍以上，洪水風險大幅增加。

美國、歐洲、日本等國家在洪水風險圖的繪制和應用已經(jīng)超過50年，實踐證明，洪水風險圖的繪制和應用是一項非常有效的非工程策略，是當今城市規(guī)劃和防洪排水中重要的技術(shù)支撐，對于當?shù)氐姆篮榕艥骋?guī)劃、工程設(shè)計、洪澇風險現(xiàn)狀評估、洪澇災害損失評估、推動洪水保險、加強防汛應急管理、優(yōu)化城市綜合國土規(guī)劃、提高公眾洪水風險意識、減少洪澇災害損失起到了重要作用。

以美國為例，1968 年由國會和美國聯(lián)邦應急署（Federal Emergency Management Agency, FEMA）主導的國家洪水保險法案（National Flood Insurance Program，NFIP）[3]主要包括洪水風險圖繪制、洪水平原管理法規(guī)和洪水保險3個主要部分，其中的主要工作之一是利用水文水力學模型在全國范圍內(nèi)制作洪水風險圖，并且逐步推廣到全國的大部分城鎮(zhèn)社區(qū)。同時制定發(fā)布了洪水平原管理和開發(fā)政策，建立了洪水保險體系，成為美國在城市開發(fā)過程中防洪排澇、保護水資源和水生態(tài)的主要法律法規(guī)和策略。目前美國80%的社區(qū)都建立了洪水風險圖和洪水保險制度。

國內(nèi)洪水風險圖的編制最早由中國水利水電科學研究院的劉樹坤、程曉陶自1980年開始在國內(nèi)一些區(qū)域開展研究。洪水風險圖的試點工作開始在遼河、珠江、黃河下游等流域的干流段進行，沈陽、廣州、海口、深圳、哈爾濱等城市也相繼開始了城市區(qū)域試點工作[4]。1997年發(fā)布《洪水風險圖制作說明》[5]對洪水風險圖的編制做了分期規(guī)劃和制作技術(shù)說明，有效推動了全國范圍洪水風險圖的研制進程。2004 年，國家防汛抗旱總指揮部辦公室確立了全面推動我國洪水風險圖編制工作的思路，組織編制了《洪水風險圖編制導則》[6]。2009年，發(fā)布了《洪水風險圖編制技術(shù)細則（試行）》[7]，但洪水風險圖編制應用一直沒有納入水利和城鎮(zhèn)建設(shè)開發(fā)的強制執(zhí)行的法規(guī)，所以目前在國內(nèi)仍處于比較分散的試用階段。

目前我國正在經(jīng)歷大規(guī)模的快速城市化過程，超大型城市不斷涌現(xiàn)，城市人口占比例迅速提高。城市化極大改變了區(qū)域原有的水文水力學特征，大量道路、房屋建設(shè)增加了下墊面的不透水率，地表徑流產(chǎn)生量大大增加，與此同時，相當部分河流的排水通道卻被擠壓占用，增加了城市洪澇災害的風險，因此城市洪澇治理和洪水風險圖編制更加迫切和重要。

2 洪水風險圖編制方法

受測量技術(shù)和地形數(shù)據(jù)數(shù)量和精度制約，長期以來歐美主流的洪水風險圖的模擬分析和編制主要是針對人口密集的河流，多采用一維水文水力學流域模型，集中于河道內(nèi)外的流動、水位變化、過流能力、兩岸淹沒范圍等，建立了以一維河道河網(wǎng)為基礎(chǔ)的洪水風險圖。以美國為例[3]，洪水風險圖的制作主要是利用水文學模型HEC-HMS（Hydrological Engineering Center，Hydrological Model System）和水力學模型HEC-RAS（Hydrological Engineering Center，River Analysis System，RAS），對于全國的主要河流，按照不同降雨條件下、不同頻率的洪水，如10年一遇、50年一遇、100年一遇、500年一遇給出洪水淹沒范圍及洪水風險圖、洪水河道，并發(fā)布洪水風險圖技術(shù)報告，指出應用的方法及模型。河道內(nèi)洪水淹沒深度和范圍如圖1 所示。

圖1 河道內(nèi)洪水淹沒深度和范圍示意圖

上述洪水風險圖缺點是精度有限，依賴于河道和周邊地形、流向，對于一些尺度較大的河流、未開發(fā)的天然區(qū)域比較適合。對于城市區(qū)域、由于受到城市復雜地形、基礎(chǔ)設(shè)施和建筑嚴重阻擋影響時，一維模型呈現(xiàn)出很大的缺陷和局限性，無法給出超出河道斷面外的城市大面積地表漫流和洪水淹沒的詳細信息、無城市道路、小區(qū)和一些重要設(shè)施的水位和洪澇淹沒信息。相比之下，二維水力學模型更加適合于模擬水流通過城市區(qū)域復雜幾何地形的情況，如城市街道和建筑物、道路、立交橋和其他設(shè)施，結(jié)合高精度的地形圖，二維模型能夠準確地模擬城市地面復雜的水流、積水的漫溢及消退過程。只是由于地形數(shù)據(jù)的精度和獲取往往比較困難，很大程度上限制了這些模型在洪水風險圖編制上的廣泛應用。

近年來，激光雷達技術(shù)（LIDAR-Light detection and ranging）以及地理信息系統(tǒng)（GIS）在工程領(lǐng)域得到廣泛應用和發(fā)展，可以獲取大面積、高精度的城市地形圖，使得利用二維水力學模型模擬城市復雜地形條件下地表洪水流動過程成為可能。激光雷達代表光探測和測距，是一種遙感方法，它使用脈沖激光形式的光來測量到地球的距離（可變距離）。這些光脈沖與機載系統(tǒng)記錄的其他數(shù)據(jù)相結(jié)合，生成關(guān)于地球形狀及其表面特征的精確三維信息。反射被記錄為數(shù)百萬個單獨的點，統(tǒng)稱為“點云”，代表物體在表面上的三維位置，包括建筑物、植被和地面。通常會提供3種不同的高程數(shù)據(jù)，分別為數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）和數(shù)字地形模型（Digital Terrian Model，DTM）。DSM 是一種高程模型，其中包含地形的高程及地面以上的要素，如建筑物、植被、塔和其他基礎(chǔ)設(shè)施。

目前DEM 已大量應用在洪水風險圖編制和相關(guān)水文水力學模型中，而對于城市內(nèi)的復雜地形，只有當網(wǎng)格精度到2 m以下時（圖2），才能對城市復雜條件的地表特征，如建筑物、道路、內(nèi)河、池塘水體等進行識別，從而實現(xiàn)洪水精準模擬，大幅提高洪水風險圖的精度與質(zhì)量。目前傳統(tǒng)的洪水風險圖制作受地形圖精度限制，因此對于城市洪澇風險模擬和洪水風險圖編制還有待優(yōu)化和提高。

圖2 寧波南部商務(wù)區(qū)附近的DEM/DSM地形圖比較

3 洪水風險圖編制應用案例

基于激光雷達測量技術(shù)所獲取深圳田坑水流域內(nèi)約20 km2范圍內(nèi)0.25 m網(wǎng)格的高精度地形數(shù)據(jù)（DEM），對流域內(nèi)的河流、池塘、排水渠道、街道、橋涵等地形地貌和地表排水設(shè)施進行精準識別。在此基礎(chǔ)上，利用GIS建立水文模型（HEC-HMS）及二維的水力學模型（HEC-RAS6.0）。

3.1 區(qū)域簡介

田坑水位于深圳坪山區(qū)，是龍崗河在深圳市境內(nèi)的一級支流，位于龍崗河的中下游河段，流域位于坪山區(qū)的西北部。田坑水流域面積20.9 km2，全長約10.9 km，天然平均坡降約為4.3‰（圖3）。

圖3 田坑水流域示意圖

3.2 水文模型的選用與建立

項目中采用了精度和可靠性較高的分布式水文模型HEC-HMS[8]（圖4）。該模型軟件由美國陸軍工程兵團自70年代開發(fā)并且不斷升級改造，旨在模擬流域水系的完整水文過程，模型匯集了美國主要經(jīng)典的水文分析模型方法，如下滲損失方法、單位線法線和水文匯流分析。

圖4 水文模型的建立范圍、框架和界面示意圖

（1）設(shè)計降雨。模型采用的設(shè)計降雨來源于《深圳市城市設(shè)計暴雨雨型研究—深圳市排水防澇綜合規(guī)劃》（2014年2月）成果。

（2）流域劃分。按照DEM 地形、街道、排水管網(wǎng)、行政區(qū)劃等要素，將流域內(nèi)進一步劃分為42 個子匯水區(qū)。最大匯水區(qū)面積1.4 km2，最小匯水區(qū)面積0.1 km2，匯水區(qū)的平均面積為0.75 km2。完成劃分后，將有關(guān)流域和匯水分區(qū)進一步導入HEC-HMS 模型。田坑水流域上游的3個水庫，均為供水水庫，且匯水面積小。經(jīng)過分析，對于洪水風險下游影響很小，在分析中不再考慮。

（3）模型方法、參數(shù)確定和輸入。水文模型中降雨損失采用SCS CN（Soil Conservation Service Curve Number）方法，主要根據(jù)下墊面的土地類型，確定相應的CN 值以及損失計算。該方法參數(shù)容易確定，計算簡單，通用性較好。

產(chǎn)匯流模型中采用SCS 單位線法（SCS Unite Hydrograph），該方法是美國在1960年代推出的比較成熟的水文算法，適應性較廣，且無顯著的流域水文特征限制，參數(shù)選取簡單，易于計算，在美國和其他地區(qū)應用較多。

河道匯流計算采用動力波法（Kinetic Wave）。該方法以河道的幾何尺寸（如寬度、邊坡、底寬等）進行模擬計算，也是一種簡單易用的方法。

3.3 水力學模型選用與建立

水力學模型采用美國的HEC-RAS6.0 模型和軟件[9]，主要應用其最新的二維水力學計算模型部分來完成水力學計算和分析。該二維模型結(jié)合GIS 技術(shù)引入了Ras Mapper 具有超強的地形處理能力、計算能力，能夠?qū)Π偃f個以上做不均勻網(wǎng)格處理，計算區(qū)域可達百萬平方公里，河道和重點部分做加密網(wǎng)格處理，模型同時具備超強的加速計算能力。

HEC-RAS6.0 是目前最前沿的水力學計算軟件，可以模擬城市復雜的洪水地表流動，河渠匯流、流速、水深、水面線和淹沒范圍計算以及洪水風險圖的編制等。該二維模型采用了“高分辨率亞網(wǎng)格模型”或者“子網(wǎng)格”進行計算的新技術(shù)?！白泳W(wǎng)格”是指使用詳細的底層地形來開發(fā)代表單元和單元面的幾何和水力屬性表，這一功能可以允許建模者使用更大的計算單元，而不會丟失控制流動運動的底層地形的太多數(shù)據(jù)。這項技術(shù)可以加大計算網(wǎng)格和計算區(qū)域，同時不丟失地形的精度數(shù)據(jù)，可以極大地提高模型的計算區(qū)域，使大尺度城市洪澇模擬變得容易。

（1）二維水力學模型的建立。模型研究范圍包括田坑水流域內(nèi)約20 km2，含田坑水、三角樓水、老鴉山水等周邊區(qū)域含南部龍崗河支流花鼓坪水等。

（2）二維模型主要計算參數(shù)取值。城市復雜地形DEM/DSM 簡化處理：受到樹木、草地、各種建筑物、圍墻、道路、立交橋、過河橋梁等影響，城市地表產(chǎn)匯流過程十分復雜，為滿足地表水流二維模型模擬的需求，測量獲得的DEM/DSM模型需要做進一步的分析處理后方可應用。因此為能夠得到滿足城市真實地表匯流情況模擬的城市地表高程數(shù)據(jù)，需要對數(shù)據(jù)進行一定處理，如需要保留擋水建筑物的高程信息（如建筑、擋墻等）的同時應去除掉不真實的擋水設(shè)施（如樹木、植物、過河橋梁）信息等。

計算區(qū)域的網(wǎng)格：主要為10 m×10 m，其中河道上下游部分分別采用加密網(wǎng)格2.5 m×2.5 m、5 m×5 m。計算網(wǎng)格總數(shù)320 809個，網(wǎng)格最大為198 m2、最小為6.25 m2。

曼寧阻力系數(shù)：主要按網(wǎng)格內(nèi)土地類型進行劃分。其中道路、廣場不透水區(qū)域取值0.013～0.020、草地樹林取值0.06～0.08、自然河道取值0.03～0.04、混凝土河道取值0.013。

排水干管、箱涵系統(tǒng)的簡化處理：對于流域內(nèi)幾條主要排水干管、箱涵的簡化（限于HEC-RAS 管道模擬能力弱，洪水風險圖主要針對高重現(xiàn)期地表流動和風險，因此忽略了排水支管部分，對于主要排水干管、箱涵（大于2 m），對地形做了開槽明渠化的簡化處理。

模型流量輸入與邊界條件：包括田坑水流域內(nèi)7個節(jié)點流量（TKS01-TKS07）、三角樓水（TKS-TRIB1）、老鴉山水（TKS-TRIB2），還有其他周邊區(qū)域的5 個入流量（OFF01-OFF05）、花鼓坪水交口上游（LGH-TRIB01）、龍崗河入流，水力學模型范圍、匯水分區(qū)及邊界流量示意見圖5、圖6。南部邊界部分、東部邊界、龍崗河入流邊界按照水文模型計算中的設(shè)計流量和流量過程輸入，出流邊界設(shè)置為均勻流出流邊界。上述入流流量數(shù)據(jù)均來自上節(jié)的水文模型。

圖5 水力學模型范圍、匯水分區(qū)示意圖

圖6 水力學模型邊界流量示意圖

（3）模型初步驗證。2021年7月21日，坪山區(qū)發(fā)生了強降雨，降雨總歷時約12 h?？予鲄^(qū)雨量監(jiān)測站7 月21 日累計降雨量165 mm，其中最大1 h降雨量達60.5 mm。在該降雨事件中，田坑水流域內(nèi)大水灣住宅區(qū)、秀新橋等區(qū)域遭受較嚴重的洪澇災害，如圖7所示。根據(jù)2021年7月21日的實際降雨資料，結(jié)合模型進行模擬分析，對于田坑水流域?qū)嶋H積水觀測點的積水范圍與模型結(jié)果進行對比分析，結(jié)果表明模擬的一些主要淹沒積水區(qū)和實際觀測和發(fā)生的積水范圍情況二者接近，見表1。

圖7“2021.7.21”坪山區(qū)暴雨洪水實測點位置示意圖

表1 模型結(jié)果和實測值對比m

3.4 計算結(jié)果和洪水風險圖編制

田坑水流域局部區(qū)域（龍?zhí)镏行墓珗@及龍興路區(qū)域）、田坑水全流域在50 年一遇，24 h 降雨條件的模擬結(jié)果如圖8、圖9 所示。圖10 為田坑水流域設(shè)計降雨條件（100 年一遇，24 h）下的洪水風險圖，由于洪水風險圖的內(nèi)容和形式國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的標準，本項目參照美國洪水風險圖的做法，顯示了淹沒范圍和水深，關(guān)于流速、退水時間等如何在洪水風險圖中展示，本文暫不討論和列舉。

圖8 50年一遇，24 h設(shè)計降雨模擬結(jié)果（龍?zhí)镏行墓珗@，龍興路區(qū)域）

圖9 50年一遇，24 h設(shè)計降雨模擬結(jié)果（全流域）

圖10 田坑水流域100年一遇，24 h設(shè)計降雨洪水風險示意圖

4 結(jié)論和建議

本文以深圳市坪山區(qū)田坑水流域為例，基于0.5 m網(wǎng)格的高精度地形數(shù)據(jù)，建立了水文學（HEC-HMS）模型和二維水力學模型（HEC-RAS6.0）并且對區(qū)域內(nèi)在不同降雨條件下的地表匯流過程進行了詳細模擬，據(jù)此提煉出洪澇風險分布信息，包括淹沒深度、范圍，流速，洪水發(fā)生、退水時間過程等。基于模擬結(jié)果，繪制了該流域在不同設(shè)計降雨條件下（2年一遇至100年一遇）城市高精度洪水風險圖，對于地形圖DEM的精度、模擬方法、模擬區(qū)域等做了深入探討。

（1）地形數(shù)據(jù)是決定洪水風險圖精度的重要參數(shù)，對于城市而言，2.0 m以下的DEM/DSM 能夠?qū)Τ鞘械乇砗团潘卣髯霰容^精準的描述，可以大幅提高洪水風險圖編制精度和質(zhì)量。

（2）城市中采用一維水力學模型有很大局限性，二維水力學模型或者一、二維耦合的模型具有突出的優(yōu)點。對于洪水風險的模擬精度和洪水風險圖編制質(zhì)量均有大幅提高。

（3）基于高精度DEM 的二維水力學模型方法是未來城市洪水風險圖編制的方向和趨勢。