新疆和田地區(qū)山丘區(qū)中小河流洪水淹沒(méi)范圍初步研究

肖 俊

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000）

近年來(lái)強(qiáng)降雨導(dǎo)致的汛期洪澇災(zāi)害頻發(fā),我國(guó)每年洪水導(dǎo)致的損失約為美國(guó)洪災(zāi)損失的10 倍[1]。2021 年10 月22日習(xí)近平總書(shū)記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)強(qiáng)調(diào),“十四五”是推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期,要抓好重大任務(wù)貫徹落實(shí),力爭(zhēng)盡快見(jiàn)到新氣象。會(huì)議提出的首要任務(wù)就是,加快構(gòu)建抵御自然災(zāi)害防線,要立足防大汛、抗大災(zāi),針對(duì)防汛救災(zāi)暴露出的薄弱環(huán)節(jié),迅速查漏補(bǔ)缺,補(bǔ)好災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)短板,補(bǔ)好防災(zāi)基礎(chǔ)設(shè)施短板。

目前,洪水淹沒(méi)范圍的計(jì)算方法大致有四種,分別為水力學(xué)公式+空間地形疊加法、一維水力學(xué)模型+空間地形疊加法分析計(jì)算、二維水力學(xué)模型、一二維耦合水力學(xué)模型。孫映宏等[2]運(yùn)用水文—水力學(xué)耦合模型對(duì)瓶窯站典型洪水進(jìn)行率定和驗(yàn)證,成功運(yùn)用到2012 年“?？迸_(tái)風(fēng)的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)應(yīng)用中。趙雪瑞等[3]采用一維水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)淠河流域洪水預(yù)測(cè)機(jī)型計(jì)算,研究成果已用于安徽中小河流洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。蘇德慧等[4]采用DEM 水力學(xué)模型編制深圳市坪山區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖,提高洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制精度和質(zhì)量。本文基于DEM 水力學(xué)模型自主研發(fā)編譯準(zhǔn)二維洪水淹沒(méi)數(shù)學(xué)模型（Python 語(yǔ)言進(jìn)行編譯,調(diào)用ARCGIS 函數(shù)庫(kù)）來(lái)進(jìn)行洪水淹沒(méi)數(shù)值模擬,對(duì)和田山丘區(qū)40 條中小河流進(jìn)行洪水淹沒(méi)范圍模型計(jì)算（以奴爾河為例）,采用水力學(xué)公式+空間地形疊加法和一維水力學(xué)模型+空間地形疊加法進(jìn)行驗(yàn)證。本文運(yùn)用自主研發(fā)的準(zhǔn)二維洪水淹沒(méi)數(shù)學(xué)模型,對(duì)和田山丘區(qū)40 條中小河流進(jìn)行洪水淹沒(méi)范圍模型計(jì)算（以奴爾河為例）,借助于Python 編程語(yǔ)言,開(kāi)發(fā)水動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型,通過(guò)ARCGIS 的模塊提取淹沒(méi)范圍及相關(guān)參數(shù),與河流的空間地形相疊加,形成不同洪水標(biāo)準(zhǔn)下的淹沒(méi)范圍線。

1 基本情況

1.1 工作目標(biāo)

基于暴雨時(shí)空特征數(shù)據(jù)、流域及其河道地形地勢(shì)、沿河村落及城（集）鎮(zhèn)、水庫(kù)、堤防等基礎(chǔ)資料,以及遙感影像、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、山丘區(qū)設(shè)計(jì)暴雨洪水等成果,針對(duì)中小河流流域單元,獲取中小河流水系及河道地形,分析典型頻率洪水和工程超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒(méi)情況,繪制洪水淹沒(méi)范圍圖。

1.2 工作任務(wù)

基于2013 年～2015 年洪水風(fēng)險(xiǎn)圖項(xiàng)目中已完成的重點(diǎn)防洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖,水利部組織開(kāi)展公里網(wǎng)尺度的重點(diǎn)防洪區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與制圖。針對(duì)我區(qū)重要河流且兩岸有人居住或農(nóng)田等防洪保護(hù)對(duì)象的河段,開(kāi)展區(qū)內(nèi)重要河流及中小河流（流域50 km2以上）洪水淹沒(méi)圖編制。

資料整理：按照中小河流洪水淹沒(méi)圖編制要求整理資料,繪制工作底圖,保證完整性、配套性、合理性。

計(jì)算范圍確定：以中小河流所在流域?yàn)閱卧?將兩岸有人居住或農(nóng)田等防洪保護(hù)對(duì)象的河段確定為計(jì)算范圍。

河道地形處理：在計(jì)算范圍內(nèi)合理布設(shè)河道橫斷面,采用已有測(cè)量斷面成果或提取河道縱橫斷面數(shù)據(jù)。

洪水分析：有水庫(kù)、堤防等防洪工程設(shè)計(jì)洪水成果的河段,采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水成果。沒(méi)有水庫(kù)、堤防等防洪工程設(shè)計(jì)洪水成果的河段,采用已有資料或通過(guò)分析計(jì)算獲得典型頻率（5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇、50 年一遇、100 年一遇）設(shè)計(jì)暴雨洪水成果,進(jìn)而分析各頻率洪水淹沒(méi)情況。

1.3 工作范圍

本次和田地區(qū)需開(kāi)展的洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估區(qū)劃分工作的河流共計(jì)40 條河流,根據(jù)和田地區(qū)洪水淹沒(méi)范圍圖編制河流名錄（由和田地區(qū)水旱災(zāi)害防御中心與自治區(qū)水利廳水旱災(zāi)害防御中心共同確定）,按照要求精細(xì)化處理的河流19 條,簡(jiǎn)化處理的河21 條,本次工作范圍內(nèi)40 條河流均按照精細(xì)化來(lái)處理的,其中流域面積1000 km2以上的河流18 條,流域面積1000 km2以下的河流22 條。

計(jì)算區(qū)域起點(diǎn)：以中小河流干流所在源頭向下,至集水面積為200 km2的河段位置,作為計(jì)算區(qū)域的起點(diǎn)。如果起點(diǎn)以上附近有特別重要的沿河防洪保護(hù)目標(biāo),應(yīng)當(dāng)將其納入計(jì)算范圍。

計(jì)算區(qū)域終點(diǎn)：沿干流向河流下游推進(jìn),至集水面積最大3000 km2為止的河段位置,作為計(jì)算區(qū)域的終點(diǎn)。

計(jì)算范圍：在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間,將面積小于200 km2的主要流域作為計(jì)算范圍的支流處理；基于起點(diǎn)和終點(diǎn),并考慮支流情況,確定計(jì)算流域,選擇所在河道為計(jì)算范圍。

2 設(shè)計(jì)洪水分析

根據(jù)和田地區(qū)洪水淹沒(méi)范圍圖編制河流名錄（由和田地區(qū)水旱災(zāi)害防御中心與自治區(qū)水利廳水旱災(zāi)害防御中心共同確定）,本次和田地區(qū)需要開(kāi)展的洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估區(qū)劃工作的河流共計(jì)40 條河流,其中流域面積1000 km2以上的河流18 條,流域面積1000 km2以下的河流22 條。

計(jì)算原則：采用已有設(shè)計(jì)洪水成果,根據(jù)目前掌握的資料情況及河流的區(qū)域特性計(jì)算相應(yīng)河流的設(shè)計(jì)洪水成果,按照各縣市分別介紹每條河流的洪水情況。

3 淹沒(méi)范圍計(jì)算

3.1 淹沒(méi)范圍計(jì)算原則及方法

和田地區(qū),針對(duì)40 條河流的具體情況,采用三種方法開(kāi)展洪水淹沒(méi)圖制作工作：①水力學(xué)公式+空間地形疊加法,主要用于驗(yàn)證基于DEM 水力學(xué)模型；②一維水力學(xué)模型+空間地形疊加法,主要用于驗(yàn)證基于DEM 水力學(xué)模型；③基于DEM 水力學(xué)模型（采用自主研發(fā)的編制模型）,本次主要采用第三種方法。

3.2 基于DEM 水力學(xué)模型構(gòu)建

3.2.1 準(zhǔn)備工作

（1）基礎(chǔ)條件

通過(guò)Python 和ARCGIS 軟件平臺(tái),采用Python 語(yǔ)言調(diào)用ARCGIS 軟件的函數(shù)庫(kù),借助于Python 編程語(yǔ)言,開(kāi)發(fā)水動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型,通過(guò)ARCGIS 的模塊提取淹沒(méi)范圍及相關(guān)參數(shù)。

（2）邊界條件

1∶10000 地形圖生成對(duì)應(yīng)河流的DEM,河道中心線（流向）、河道初始邊界線。將1∶10000 地形圖中的等高線處理之后,選擇ARCGIS 中Arctoolbox 的3Danalyst 工具,進(jìn)行柵格插值,地形轉(zhuǎn)柵格生成DEM,通過(guò)已生成的DEM 將河流矢量化,生成河道中心線（流向）,見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 1:1 萬(wàn)地形圖生成DEM

圖2 DEM 生成河道中心線（流向）

3.2.2 計(jì)算模塊

在Python 平臺(tái)下的淹沒(méi)范圍計(jì)算需要以下幾個(gè)模塊,通過(guò)參數(shù)設(shè)定,對(duì)ARCGIS 和Python 要進(jìn)行一個(gè)關(guān)聯(lián)操作：邊界線預(yù)處理——預(yù)處理（邊界線）——DEM 水面線計(jì)算——水面線網(wǎng)格。

（1）柵格預(yù)處理

將DEM 進(jìn)行加密。

（2）邊界線處理

將ARCGIS 平臺(tái)下的圖層文件,包括河道中心線圖層和河道范圍線圖層調(diào)入Python 平臺(tái)下,調(diào)整方向,進(jìn)行預(yù)處理。

（3）預(yù)處理邊界線

將ARCGIS 平臺(tái)下的柵格文件調(diào)入Python 平臺(tái)下,通過(guò)Python 模塊生成中間文件（縱橫斷面）及初始的起始水位的試算。

（4）淹沒(méi)范圍計(jì)算（模塊構(gòu)建）

在Python 平臺(tái)下,編譯構(gòu)建淹沒(méi)范圍模塊,基于水動(dòng)力模型原理的基礎(chǔ)上,將不同頻率洪水要素的參數(shù)調(diào)入,通過(guò)構(gòu)建Python 淹沒(méi)范圍模塊,計(jì)算出柵格格式的水面線,并計(jì)算出不同洪水頻率下的淹沒(méi)范圍面文件（SHP 文件）及相應(yīng)的水深、行進(jìn)流速、淹沒(méi)范圍柵格文件。

（5）柵格文件后處理

對(duì)以上計(jì)算出的水深、行進(jìn)流速、淹沒(méi)范圍柵格文件進(jìn)行處理和修正,使其更加平滑順暢。

（6）淹沒(méi)范圍單元網(wǎng)格計(jì)算

為了與本次的洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分軟件的輸入要素對(duì)應(yīng)字段相匹配（水深、流速、時(shí)間）、相銜接,編制Python 模塊,生成ARCGIS 的shp 文件（屬性字段分別于洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分軟件要求一致）。

（7）淹沒(méi)范圍單元網(wǎng)格賦值計(jì)算

對(duì)不同洪水頻率下的淹沒(méi)范圍面文件（shp 文件）的單元網(wǎng)格的水深、行進(jìn)流速的字段屬性進(jìn)行賦值。典型淹沒(méi)范圍計(jì)算成果成果要素見(jiàn)圖3。

圖3 典型河流（和田奴爾河）洪水淹沒(méi)計(jì)算成果要素圖

圖4 5 年、10 年一遇模型計(jì)算和單斷面計(jì)算的淹沒(méi)范圍

4 淹沒(méi)范圍的成果及初步驗(yàn)證

本次主要采用DEM 水力學(xué)模型（通過(guò)Python 編制ARCGIS 模塊的淹沒(méi)范圍）。目前奴爾有實(shí)測(cè)大斷面資料,選擇奴爾河一段為例,以下是不同實(shí)測(cè)控制斷面的水位流量關(guān)系曲線,根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪峰流量可查出不同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪水位。將設(shè)計(jì)洪水位對(duì)應(yīng)的左右岸水邊點(diǎn)坐標(biāo)（X、Y、Z）導(dǎo)入ARCGIS 中,與河流的空間地形相疊加,形成不同洪水標(biāo)準(zhǔn)下的淹沒(méi)范圍線。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 5 年一遇各控制斷面水邊點(diǎn)

通過(guò)對(duì)奴兒河流域5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇、50 年一遇、100 年一遇淹沒(méi)范圍的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,可以看出模型計(jì)算的淹沒(méi)范圍邊界線與單斷面計(jì)算的控制斷面水邊點(diǎn)位置差異很小,說(shuō)明本次構(gòu)建的模型合理可行。

5 結(jié)論

（1）首次借助于Python 語(yǔ)言進(jìn)行編譯,調(diào)用ARCGIS 函數(shù)庫(kù),自主研發(fā)了準(zhǔn)二維洪水淹沒(méi)范圍計(jì)算數(shù)學(xué)模型,并采用水力學(xué)公式+空間地形疊加法和一維水力學(xué)模型+空間地形疊加法進(jìn)行驗(yàn)證,控制斷面水邊點(diǎn)位置幾乎無(wú)差異。

（2）該模型通過(guò)對(duì)奴兒河流域淹沒(méi)范圍計(jì)算,得到了優(yōu)良結(jié)果,因此可以運(yùn)用到和田地區(qū)40 條河流的淹沒(méi)范圍計(jì)算,為和田地區(qū)洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分和防治區(qū)劃分提供理論依據(jù),不僅解決了實(shí)際工程中面臨的難題,還極大的提高了工作效率。

（3）本次準(zhǔn)二維洪水淹沒(méi)水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的研發(fā)及應(yīng)用,為洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估區(qū)劃提供了有效的技術(shù)支撐,加快推動(dòng)了構(gòu)建抵御自然災(zāi)害防線的步伐,同時(shí)為構(gòu)建數(shù)字孿生流域及智慧水利的建設(shè)奠定了一定的基礎(chǔ)。