山區(qū)性流域洪水分析模擬與風險評估

鐘 華，嵇海祥，王旭瀅，商華嶺，4

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210029；3.上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200335；4.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210024)

1 研究背景

山區(qū)流域性洪水每年在我國發(fā)生的各類災(zāi)害中都占有很大比例，對地區(qū)的社會經(jīng)濟健康發(fā)展和群眾生命安全構(gòu)成了極大的威脅[1]。與平原地區(qū)相比，山區(qū)地形環(huán)境更為復(fù)雜，導致洪水流速變化快，水位暴漲暴落，其帶來的洪水災(zāi)害因此具有突發(fā)性強、破壞力大等特點[2]。借助洪水數(shù)值模擬模型對流域不同量級洪水進行模擬分析和災(zāi)害風險評估，能夠為山區(qū)洪水防御及避險轉(zhuǎn)移提供重要的技術(shù)支撐，提高山區(qū)防災(zāi)減災(zāi)的管理能力，從而保障流域安全[3-4]。

近些年來，我國對山區(qū)流域洪水災(zāi)害已開展了大量的研究工作，對洪水的成因、損失評估、流域分析評價、風險區(qū)劃管理等都取得了較大的進展[5-8]。一般認為，高強度、歷時長的降雨一般是引起流域洪水災(zāi)害的主要原因；因此，我國東部季風區(qū)更易受到洪水災(zāi)害的侵擾[9]。而東部沿海地區(qū)人口密集，社會經(jīng)濟活動廣泛，洪水災(zāi)害發(fā)生后其潛在的影響范圍也會更廣。對東部山區(qū)流域進行有效的洪水分析和風險評估，有助于進一步加快補齊水旱災(zāi)害防御體系建設(shè)的短板，可為防洪規(guī)劃、防洪工程措施、非工程措施等提供科學依據(jù)。

本文以浙江省甌江流域青田段作為研究對象，通過構(gòu)建一、二維水文水動力模型，對設(shè)計洪水情景進行分析模擬，并依據(jù)社會經(jīng)濟和人口等資料，對其風險影響進行定量評估。

2 研究區(qū)概況

青田縣位于浙江省東南部，地處甌江中下游，全縣總面積2 493.8 km2。其中，丘陵低山占89.7%，河溪、塘、庫占5%，其余為平地，有“九山半水半分田”之稱。

甌江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候區(qū)，流域多年平均降水量一般在1 500～2 100 mm之間。梅雨和臺風暴雨是甌江流域洪水的主要成因，青田段主要以8月～9月份的臺風暴雨造成的洪澇為主，尤其是正面襲擊的臺風，伴隨而來的風暴潮，使甌江河道水位暴漲，極易造成洪澇災(zāi)害。

甌江穿過青田縣境內(nèi)，主要有大溪(甌江干流)、甌江及支流小溪。本文研究范圍涉及大溪、甌江及支流小溪等，涉及河長77.6 km，覆蓋河道兩岸面積65.2 km2(見圖1)。沿江青田縣城現(xiàn)狀防洪能力約為20年一遇；沿江鄉(xiāng)鎮(zhèn)現(xiàn)狀防洪能力約為5～20年一遇。

圖1 研究范圍示意

3 模型構(gòu)建

洪水來源為上游洪水(大溪、小溪)和區(qū)間暴雨洪水，為了能夠模擬河道洪水，建立一維二維水動力學模型。河道洪水采用一維水動力學模型、河道外洪水淹沒采用二維水動力學模型，通過一二維耦合計算，模擬分析河道洪水演進及淹沒。

3.1 一維河道建模

河道一維模型搭建范圍上游為大溪開潭水電站、下游為甌江溫州潮位站，河道建模范圍包括大溪、小溪、四都港、甌江干流等。模型構(gòu)建中河道斷面間距不超過500 m。

模型的水文邊界的準確控制是提高洪水風險分析精度的必要條件。為確定合理的邊界條件，必須充分考慮河道的連續(xù)性與整體性(見圖2)。一維模型主要水文邊界條件如下：大溪上邊界采用開潭水電站壩址斷面，設(shè)計洪水移用五里亭水文站設(shè)計洪水流量過程；小溪上邊界采用灘坑水庫壩址斷面，設(shè)計洪水采用灘坑水庫設(shè)計下泄流量過程疊加灘坑壩址至三溪口斷面的區(qū)間設(shè)計洪水流量過程；支流四都港上邊界為秋蘆斷面，設(shè)計洪水采用秋蘆站設(shè)計洪水流量過程；支流船寮港上邊界為紅光斷面，設(shè)計洪水采用紅光斷面以上集雨面積設(shè)計暴雨推求的設(shè)計洪水流量過程；官莊源、臘溪源、禎埠港、官坑源、?？谠?、雄溪源、高市源、芝溪源、石蓋源、大路源、石溪源等11個匯入大溪的支流，湖邊源、水碓坑、石郭源、港頭坑、貴岙源、石洞源等6個匯入甌江的支流均作為支流邊界，采用洪水流量過程線；甌江下邊界采用甌江溫州站，采用溫州站設(shè)計潮位過程(見圖3)。按照同頻原則，即干流發(fā)生某一設(shè)計頻率洪水、支流發(fā)生相應(yīng)頻率設(shè)計洪水進行組合。其余支流均為流量邊界，采用洪水流量過程線，由區(qū)間設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水得到，共設(shè)置19個。

圖2 洪水計算邊界條件設(shè)置示意

圖3 一維河道建模范圍

3.2 二維模型概化

二維模型以DEM數(shù)字高程模型為依據(jù)，充分考慮線性工程的阻水(公路、鐵路、堤防等線狀物)的阻水及導水影響?？紤]到甌江洪水、小溪洪水及流域內(nèi)暴雨、灘坑水庫泄洪等，二維模型范圍以大溪、小溪沿岸按照75 m等高線、甌江沿岸按照45 m等高線為依據(jù)確定(見圖4)。

圖4 二維模型網(wǎng)格劃分

在對河道兩側(cè)堤防外部的保護區(qū)進行網(wǎng)格劃分時，根據(jù)GIS地圖使用2D模擬多邊形對象繪出兩岸洪水可能淹沒范圍的外形輪廓，自動計算出面積大小，并根據(jù)實際情況修訂面積值及形狀。根據(jù)面積大小，確定最大三角形面積、最小網(wǎng)格面積和最小角度；在經(jīng)濟與人口分布密集區(qū)段，進行適當網(wǎng)格加密(見圖5)。

圖5 二維模型網(wǎng)格高程插值

3.3 一二維耦合設(shè)置

在創(chuàng)建了斷面、2D多邊形、溢流單元這些單一對象之后，使用特定對象將這些單一對象連接起來：離散的斷面使用連接相連；斷面和溢流單元之間使用堰流公式連接相連；干支流交匯處使用交叉點進行連接。同時，利用計算模型自帶的模型工具對斷面的方向、角度以及左右岸標記進行修正，完成洪水模擬計算網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

4 模型率定與驗證

考慮地形及水文資料的實際條件，選取“20140820”洪水，根據(jù)模型范圍內(nèi)的鶴城水文站、禎埠水文站的實測水位、流量過程，對模型進行率定；同時，沿河選取多個具有實測最高水位的斷面，進行水位最高值的比對分析。

“20140820”洪水是指從2014年8月18日開始，連日暴雨引發(fā)的洪水。其對麗水市的影響至20日8時，麗水主要干支流重要水位站大部分已超警戒水位；甌江干流持續(xù)高水位并不斷增高，麗水市主城區(qū)大水門站水位51.91 m，流量已達50年一遇洪水標準；20日21時青田縣禎埠站水位34.88 m，鶴城站水位12.06 m，鶴城站流量10 140 m3/s。

選擇沿江水文站斷面，取實測的水位、流量過程與模型計算的水位、流量過程進行比較分析。本次我們選取模型范圍內(nèi)的鶴城水文站、禎埠水文站的實測水位、流量過程進行率定。

模型模擬成果見圖6。各站水位及流量計算值與實測值吻合良好，基本滿足模型驗證要求。同時，計算的長歷時潮位及流量相關(guān)關(guān)系與實測同步性也很好，再現(xiàn)了各站水位流量時間上的變化特征。

圖6 鶴城站實測結(jié)果與計算結(jié)果過程對比

從水文站實測水位、流量過程看，模型模擬結(jié)果基本與實測過程吻合；從沿江12個斷面實測最高水位值與計算值比較(見表1)，其中有10個斷面的計算最高水位值與實際洪水的最高水位誤差≤30 cm。

表1 模型計算結(jié)果比較

選用2019年7月9日至10日的洪水對模型進行驗證。2019年7月9日至10日，甌江流域發(fā)生暴雨洪水，青田縣境內(nèi)大溪沿岸部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)受淹嚴重。上邊界開潭水庫由于暫無流量監(jiān)測，其入庫洪水流量的估算根據(jù)上游小白巖和秋潭水文站的流量進行線性疊加，并考慮洪水傳播時間。根據(jù)水文站至開潭水庫的距離，洪水傳播時間約為1 h。下邊界溫州潮位站選用實測潮位數(shù)據(jù)作為邊界控制條件。此外，考慮支流小溪上游灘坑水庫的滯蓄作用，水庫出流按照200 m3/s設(shè)置。

模型計算結(jié)果和實測數(shù)據(jù)比較結(jié)果顯示，模型能夠較好地模擬甌江流域在洪水及下游潮位頂托共同作用下的水動力分布特性(見圖7)。綜上分析，所建立的一二維水動力模型基本符合甌江青田段的洪水分析要求。

圖7 控制斷面實測水位與模擬過程對比

5 洪水情景模擬和風險評估

5.1 洪水情景模擬

5.1.1 設(shè)計洪水

設(shè)計洪水以流量資料推求(流量法)為主，區(qū)間支流設(shè)計洪水用暴雨資料推求(雨量法)。本文選取甌江青田段100年一遇設(shè)計洪水進行情景模擬和洪水風險評估(見圖8)。

圖8 設(shè)計洪水流量過程線

河道一維模型上邊界為大溪開潭水庫下泄流量，由于開潭水庫集雨面積為8 544 km2，而五里亭水文站的集雨面積為8 870 km2，面積比為0.96。因此，移用五里亭水電站相關(guān)頻率下的設(shè)計流量作為大溪開潭水庫的設(shè)計洪水，采用面積比進行修正。典型洪水選擇1992年8月31日歷史洪水過程。計算支流小溪的設(shè)計洪水時，由于小溪上建有灘坑水庫，因此分為兩部分計算：灘坑水庫設(shè)計下泄流量以及灘坑至三溪口區(qū)間設(shè)計洪水。按照最不利原則，將二者進行線性疊加至灘坑壩址作為小溪的計算邊界。

灘坑水庫的下泄流量

Q泄=Q安全-DQ1

(1)

式中，Q泄為灘坑水庫下泄流量，包含機組發(fā)電流量，調(diào)洪計算時按400 m3/s計；Q安全為下游圩仁站斷面處的安全泄量；DQ1為考慮洪水傳播時間后的灘坑—圩仁站區(qū)間流量(包括大溪干流洪水流量)。此外，計算考慮灘坑—圩仁站區(qū)間洪水流量的預(yù)報誤差約為6%。

灘坑至三溪口區(qū)間及其他19個支流設(shè)計洪水用暴雨資料推求。暴雨取樣為年最大值法，取最大24 h雨量，面雨量計算采用面積加權(quán)平均法。暴雨系列選用1953年～2011年共59年。暴雨頻率分析采用P-Ⅲ型理論曲線擬合適線，求得流域設(shè)計暴雨成果，計算使用24 h概化雨型。流域產(chǎn)流計算采用蓄滿產(chǎn)流原理的簡易扣損法，匯流計算主要采用浙江省瞬時單位線法。

5.1.2 設(shè)計潮位

甌江河口屬于山溪性強潮河口，潮汐為非正規(guī)淺海半日潮。干流上中游水位主要受徑流控制，下游河口潮流段，主要受潮汐控制。資料統(tǒng)計表明，溫州站具有較好的代表性，選用測站年最高水(潮)位進行頻率分析(見圖9)，經(jīng)P-Ⅲ型理論曲線適線，求得年最高設(shè)計潮位成果。設(shè)計潮型采用典型年法；選取偏不利(1992年8月30日～9月2日)實測潮型進行同倍比放大。

圖9 溫州站設(shè)計潮位過程線

5.1.3 洪潮組合

甌江流域下游洪水宣泄速度與洪潮遭遇情況相關(guān)密切。若遇上大潮，洪水受大潮頂托，江道水位會明顯抬高。研究區(qū)域內(nèi)年最大洪水與年最高潮位相遇的年份有：1971年、1987年、1990年、1992年、1996年等。經(jīng)水文(潮位)站資料分析，甌江青田段洪水有可能受大潮的頂托。因此，在選取洪潮組合時，選取5年一遇高潮位進行模擬計算。

5.2 洪水模擬分析

模擬甌江100年一遇設(shè)計洪水遭遇溫洲站5年一遇高潮位的情景，甌江青田段防洪體系中可能出現(xiàn)的洪水風險，為評估青田現(xiàn)狀防洪能力提供參考。下圖為根據(jù)模擬成果繪制的洪水風險圖，包括淹沒水深和淹沒歷時(見圖10、11)。

圖10 甌江流域100年一遇設(shè)計洪水淹沒水深

模擬結(jié)果分析顯示，洪水淹沒主要發(fā)生在大溪、甌江兩岸的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊；這是因為小溪上游有灘坑水庫的防洪調(diào)蓄，因而兩岸洪水淹沒較小。大溪、甌江兩岸的低洼區(qū)域，如禎埠、?？凇⒋嫉妊亟l(xiāng)鎮(zhèn)，在100年一遇設(shè)計洪水情景下發(fā)生了不同程度的洪水淹沒。

5.3 損失評估

洪水風險評估的基礎(chǔ)資料主要包括基礎(chǔ)地理信息(行政區(qū)劃、居民點、高程、道路交通、流域水系等)、水文資料(降雨、水位流量等)、構(gòu)筑物及工程調(diào)度規(guī)則、洪澇災(zāi)害資料(歷史洪水、淹沒范圍、水深)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等。

結(jié)合洪水分析的結(jié)果，對受洪水淹沒影響的人口、資產(chǎn)、設(shè)施及洪水災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失進行評估。甌江青田段江沿岸情況較特殊，主要沿江行政村聚集區(qū)作為防洪關(guān)注重點，分析時重點考慮甌江干流段(青田縣城區(qū)域)的沿江行政村，進行經(jīng)濟、人口等的損失評估。

圖11 甌江流域100年一遇設(shè)計洪水淹沒歷時

在100年一遇設(shè)計洪水情景下，青田縣城兩岸研究范圍內(nèi)如圖12所示。受淹村鎮(zhèn)集中在支流小溪和四都港匯入干流的區(qū)域，洪水位已高過絕大多數(shù)堤防標準，發(fā)生淹沒的區(qū)域涉及4個街道(三溪口、甌南、鶴城、油竹)共14個社區(qū)(村)，共計影響1.35萬人，淹沒區(qū)GDP約328 720.76萬元，由于洪水造成的損失約131 488.3萬元。

圖12 青田縣100年一遇設(shè)計洪水時受洪水影響區(qū)域示意

在此情景下，青田縣各級防控指揮單位應(yīng)結(jié)合實際組織人員巡堤查驗，做好應(yīng)急物資儲備、搶險隊伍準備，保障青田縣城區(qū)等最重要保護對象的防洪安全，提前組織淹沒區(qū)域的人員及時轉(zhuǎn)移避險。

6 結(jié) 論

本文以浙江省甌江青田段為研究區(qū)，通過構(gòu)建一、二維水文水動力模型，對研究范圍內(nèi)的洪水風險進行模擬分析，評估山區(qū)流域性洪水對地區(qū)的社會經(jīng)濟影響。情景模擬分析充分考慮了臺風型洪水影響的實際情況，通過洪潮組合對水文邊界條件進行設(shè)置，并借助高精度DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建二維水動力學模型。經(jīng)歷史洪水的率定驗證，本研究所建模型能夠較好地模擬研究流域內(nèi)的洪水淹沒特征，這為未來青田縣的流域洪水防御工作提供了技術(shù)支撐。

根據(jù)模型模擬的100年一遇設(shè)計洪水淹沒成果，大溪、甌江等兩岸沿江低洼區(qū)域仍然是流域防洪重點關(guān)注區(qū)域，是加強防洪短板和應(yīng)急搶險工作的優(yōu)先對象。