基于水文学和水力学法的洪水风险图绘制
2016-09-26张溪
张溪
摘 要：以洪水风险分析和制图为基础的非工程性洪水损失预防措施在近年来受到了越来越多的关注，本文主要介绍了利用水文学和水力学法来绘制洪水风险图的原理及过程，使读者对洪水风险图有大致了解。
关键词：风险；二维模型；淹没状况
随着洪水位明显偏高，大洪水显著偏多，对社会、经济、环境影响日益严重，水灾害问题受到广泛关注。为了减少洪水损失，需要进行防洪整治，目前国际上将防洪整治措施通常分为两大类，一类是工程性措施，一类是非工程性措施。由于工程性措施花费高、建设困难、可能带来未知的危险这些缺点，我们在预防洪水损失方面越来越多的注重非工程措施，它包括洪水预报、发布洪水警报、划定泛洪区、洪水保险等措施。非工程性措施由于其费用小、作用大的特点被愈来愈多的使用。洪水风险图作为非工程措施的基础，是非常重要的环节。我们重点介绍文学和水力学法来绘制洪水风险图的原理及过程。
1 洪水风险图的概念
洪水风险是由于洪水影响因素众多和人类对自然界认知的局限性，目前无法预知未来洪水发生的确切时间和真实过程。针对某一风险的洪水，分析和计算洪水淹没的区域及相应的经济损失，并按一定的规格在流域地形图上描绘和标明便得出洪水风险图。
因此可以定义，洪水风险图是对可能发生的超标准洪水的洪水演进路线、到达时间、淹没水深、淹没范围及流速大小等过程特征进行预测，以标示洪泛区内各处受洪水灾害的危险程度的一种重要的防洪非工程措施。
2 洪水风险图的意义
（1）根据洪水风险图，防汛人员可对重大洪灾发生的原因和可能后果做到胸中有数，进行合理的水情调度，防患于未然。
（2）合理制定防洪指挥方案，避免临危出乱，可以迅速作出正确抢险救灾方案，将洪水灾情减小到最低程度。
（3）合理确定需要避灾的对象，避灾的目的地及路线。
（4）合理评价各项防洪措施的经济效益。
（5）合理确定不同风险区域的不同防护标准。
（6）合理估计洪灾损失，为防洪保险提供依据
简而言之洪水风险图可以使人们更直观地了解和认识到灾难性洪水发生后可能的水文后果和灾害损失概况。
3 用水文学和水力学法制图过程
此法的主要过程主要有降雨分析、径流分析和洪流分析三个过程。
1.降雨分析过程和径流分析
（1）平均降雨量可由流域特性来确定，对于流域面积较大、测站较多、资料较齐全的地区，利用算术平均法、加权平均法、泰森多边形法、等雨量线法来求。
（2）蒸发量计算：降雨经过蒸发、土壤截留、填洼、下渗等损失过程才能形成净雨。损失中主要计算蒸发量，可由三层蒸发模式计算，可得出每一层的蒸发量，降雨量减去蒸发量即为净雨量，其中蒸发能力由测站测定。
（3）产流量计算：PE>0，则产流；否则不产流。产流时有，a=WMM（1-（1-W/WM）^（1/（b+1）），当PE+a
（4）概率分析是对平均降雨量进行排频，可进行统一处理和分别处理，做出皮尔逊Ⅲ型曲线。由此曲线可以得到某一重现期的降雨量，即为设计洪水。
（5）雨量图的绘制是对概率分析得出的降水量进行时间和空间的分配得出降雨量过程线，分配时遵循可能发生、最大发生、峰型集中、主峰偏后的对工程最不利的原则来分配。
（6）对于资料有限的地区，用点雨量作为面降雨量，不同频率下对应不同降雨量hp=kp*h，并求出每一时刻的降雨量，对1～6h有htp=h1p*t1-n2，对6h～24h有htp=h24p*24n3-1*t1-n3，再根据当地的水文手册，可以求出每一时刻的降雨量，绘制雨量图。
（7）由设计洪水过程线推求水位过程线，常用的水文学方法包括单位线法、等流时线
法、抵偿河长法、马斯京根法、调蓄演算法等。对于河网汇流或坡面漫流计算采用水力学方法比较合适，如一维非恒定流和二维非恒定流方法以及它们的简化形式等。
2.洪流分析
洪流分析是用水文学和水力学法估算洪泛区淹没状况的最后阶段。淹没状况主要指淹没面积、深度和持续时间，我们可以径流过程线估计。
（1）地貌特性和淹没状况：根据往年溃堤情况以及洪泛区的洪流受到流域地形地貌的影响，总结出来洪流的4种地形和对应的淹没类型：坡度较缓慢平原地区为扩散型淹没，坡度较缓慢但存在拦蓄水利工程地区为拦蓄型，坡度中等地区为直线型，陡坡地区和峡谷地区为沿河型。下表为地貌和淹没形式对应表。
据此表可以根据当地的地貌推测洪流淹没样式，大致推测流向，为绘制洪水风险图提供依据。
（2）洪流模型模拟概要
模拟洪流时，一维模型是洪泛区洪水稳定定向流动时建立的模型，用一维水力学方法解决，河道非恒定流的水动力学模拟基于圣维南方程。由连续方程和动力学方程组成。我们在此基础上也建立二维模型。与一维数学模型相比，二维数学模型能够提供更加详细的水情信息，随着数值计算方法和计算机技术的快速发展，二维水动力学模型已经成为水利工程界分析河道洪水、溃堤洪水和溃坝洪水时的常用技术手段。通过二维洪流模型的建立，我们可以将洪水风险图更加细化，使风险图描述的更为我们所用。
一般水流都是不穩定的，我们据此特性建立二维模型，其中包括加速项、惯性项、水面坡度项和摩阻项。鉴于用不稳定流公式计算需要很长时间，并且在不同地区一些相对不重要的项影响很小，我们根据不同地区的洪流情况列出了洪流模拟中哪些项可以省略，哪些不可以省略。
其中×为不包含的项，√为包含的项，☆为近似处理的项。
4 洪水风险图的内容
（1）正文
（2）可能发生的淹没地区图：洪水风险图采用大比例尺地形图勾绘而成。在勾绘洪水淹没范围的边界时，要考虑洪水的可能路径，结合地形情况，如以公路、河堤、圩堤、高地等作为淹没区边界，最好在实地查勘后进行。对可能的淹没区域，应采用彩色编码区，其颜色及深浅可以表示淹没深度的变化，也可用数字标明淹没深度。
（3）淹没水位图：把估算的水位标注在流域的各个断面上，同时将实测记录标在众所周知的建筑物或电线杆上。
（4）沿程水位分布图：显示沿程水位分布图，其中包括实际水位和估算水位。
（5）显示淹没水位的图片，目的是警示人们，图片上应注明“详细调查报告可以索取”。
（6）调查报告概要：应刊登在市政当局印制的报纸上。
6 编语
目前洪水风险图的使用越来越广泛，但是由于模型误差以及统计方法误差的存在，洪水风险图并不能完全预报出洪水淹没面积、深度和持续时间，仍需要全国乃至全世界水利学者的深入研究。我们大学生不仅要学习前辈的知识经验，更要发挥自主创新能力，解决其中的误差，更精确地预报可能发生的损失情况。
参考文献
[1]洪水风险分析制图实用指南/孙桂华，王善序，王金銮，刘金平编译.北京：水利水电出版社，1992.10
[2]治河与防洪/柳学振，佟名辉.北京：水利水电出版社，1991.5
