洪水分析软件在洪水风险图编制中的应用

马建明，喻海军，张大伟，张洪斌，吴滨滨，穆 杰

（1.中国水利水电科学研究院，100038，北京；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，100038，北京）

洪水分析软件在洪水风险图编制中的应用

马建明1，2，喻海军1，2，张大伟1，2，张洪斌1，2，吴滨滨1，2，穆 杰1，2

（1.中国水利水电科学研究院，100038，北京；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，100038，北京）

依托全国重点地区洪水风险图编制项目，中国水利水电科学研究院主持开展了洪水分析软件研发，通过整合国内优势模型技术，开发了包括复杂水利工程调度模拟的一维河网计算引擎，高分辨率二维洪水分析计算引擎、快速非结构网格生成模块，集成国内外广泛使用的SWMM管网模型，基于自主研发的GIS平台，完成了一维、二维洪水模型和城市管网模型的前后处理功能研发，实现了一二维耦合以及城市管网与二维模型耦合。形成了两个软件产品，为中小河流、防洪保护区、蓄滞洪区以及城市洪水分析提供技术支撑。

洪水分析软件；洪水风险图编制；洪水数值模型

洪水数值模型是分析获取洪水运动及淹没信息的主要手段，在预警预报、灾害评估等方面发挥着重要作用。针对国内洪水分析软件研发存在实用性和通用性较差等方面的问题，中国水利水电科学研究院联合南京水利科学研究院、河海大学、山东大学等单位，依托全国重点地区洪水风险图项目，在已有基础上组织研发了通用洪水分析软件IFMS和IFMSUrban。

一、软件简介

1.总体框架

IFMS及IFMSUrban主要由模型引擎、GIS平台、计算后处理以及扩展工具等模块组成，并以工作空间作为数据存储和管理的集合，洪水分析所使用的基础数据及分析结果数据均包含在工作空间内。工作空间又分为模型要素、计算方案两个部分，其中模型要素包含洪水分析所需的各类基础数据，如一维河网、二维网格、管网、时间序列、雨量站等数据，计算方案包括用户选取的模型要素数据、配置参数以及计算结果数据。模型要素是分析计算的数据基础，利用不同的模型要素可以创建不同的计算方案，提高了基础数据的复用率，避免了重复数据的处理工作。计算方案是模型要素与相关配置参数的集合，不同的计算方案可共用相同的模型要素数据，用户可以选择同一组模型要素数据，设置不同边界条件来组成不同的计算方案，也可以选择不同的模型要素组合来形成不同的计算方案。洪水分析软件IFMS及IFMSUrban的主体框架如图1所示。

2.模型引擎

IFMS及IFMSUrban耦合集成了一维河网模型、二维水动力模型、排水管网模型以及三者的耦合交互模块，可应用于河道、湖泊、蓄滞洪区、城市排水管网等洪水分析计算。

一维河网模型提供了两个计算引擎：①基于隐式有限差分格式的一维引擎，可以适用于大型复杂的平原河网，具备模拟复杂调度规则和工况的能力，在太湖等河网区域得到了成功的应用；②基于显式有限体积法的一维引擎，具备模拟大坡度山区性河网的能力。

图1 软件主体框架图

二维洪水模拟模型采用Godunov型格式进行数值离散，其中Riemann问题采用Roe格式进行求解，重力源项采用特征分级离散，保证模型的守恒性，阻力源项采用隐式离散提高模型的稳定性，采用MUSCL空间重构和预测矫正法使得模型具有时间和空间二阶精度，能够适应复杂地形，水面间断也可计算，还能捕捉激波。同时，二维模型可以采用面积修正系数的方式来考虑地表建筑物（如居民楼），并可以在边元上概化线状阻水建筑物（如铁路、高速公路），简化了建模工作，提高了计算效率。排水管网模型采用国内外广泛应用的SWMM模型，并对模型进行了一系列的改进和完善，模型具备计算城市产汇流的能力，提供了恒定流、运动波和动力波等方法供选择，能够模拟压力流和明渠流。一二维模型实现了多线程并行计算，支持在多核心计算设备上进行高效模拟计算。

在上述不同单一模型引擎的基础上，IFMS及IFMSUrban还实现了河网与二维模型的侧向及正向耦合、在二维边元上概化考虑一维河网的一二维耦合以及管网与二维的垂向耦合等不同形式的模型耦合。另外，IFMS及IFMSUrban还集成了高效的网格剖分工具，可以快速方便地进行各种类型网格的剖分，如非结构三角形网格、四边形网格和混合网格的剖分。

3.GIS平台

洪水分析软件 IFMS及 IFMS Urban以自主研发的GIS平台为基础框架，运用DirectX渲染技术将业务数据与基础地理空间数据相结合，通过模型的计算、分析、编辑及可视化展示建立了一套能应用于洪水分析专业模型平台。平台基于D3D硬件加速高效图形渲染技术，实现影像数据的无极缩放和漫游浏览，提供基本的矢量数据标绘功能，支持对通用数据（如DEM、遥感影像、矢量数据）的加载显示，并以图层化的方式管理。平台支持GPU加速，能够显著提高渲染效率以及响应速度，同时采用空间索引树查询，提高图形查询效率。

4.应用场景

（1）IFMS的应用场景

①河道、湖泊以及近岸水流数值模拟。IFMS提供多个河网引擎供用户选择，具备模拟山区及平原河网水流的能力，二维模型采用有限体积法，能够准确模拟计算常见的浅水流动，如湖泊及近岸水流等。

②河道、湖库、地表等水体交换模拟。IFMS实现了一维模型与二维模型的双向耦合，可以方便地模拟暴雨、溃坝、决堤、潮水等引起的河道和地表洪水演进。

（2）IFMSUrban的应用场景

①城市暴雨内涝分析。IFMS Urban具备模拟计算城市降雨产流、城市排水系统 （包括管网和河网）的水流运动能力，可以通过构建一二维耦合的水动力模型，模拟城市洪水地表演进过程。

②城市暴雨内涝实时预测预警系统。耦合气象精细预报、实时雨水情，快速预测可能积水的街道和积水深度，为城市实时内涝预警提供支撑。

③城市排水管网系统评估和优化设计。IFMSUrban提供运动波、动力波和恒定流等多种计算方法，可以处理大型管网排水系统，具备模拟压力流和无压流的能力，能够方便地对城市排水管网进行评估和优化设计。

④城市雨洪调蓄设施的评估和优化设计。IFMSUrban包含独立的地表产流、地表漫流和管渠汇流模块，能够有效地对一些常见的低影响开发措施、排水设施（如泵站、蓄水池）进行评估和优化。

二、软件应用案例

1.沂沭河上片防洪保护区洪水风险图编制

山东省沂沭河上片防洪保护区属沂沭泗流域，分布于沂河、沭河干流两岸，总面积约3 408 km2。沂沭河上片防洪保护区的洪水风险图编制采用IFMS建立河道一维与保护区二维耦合的非恒定流水动力模型进行洪水分析计算，以堰流方式模拟溃口进洪过程。对于汇入沂河和沭河的支流，在模型中按照集中入流考虑。对于保护区内的线性地物（公路、铁路、堤防等）等，通过设置其所在网格边的高程来反映。保护区共剖分了183 494个不规则网格。

以100年一遇设计洪水为例，亭子头溃口洪水沿着低洼地带向南运动，约8小时后洪水穿过兖石铁路继续向东南运动，16小时后洪水开始穿越胶新铁路。随后，洪水呈现出整体向东运动的态势，25小时左右穿越临沭铁路，35小时左右洪水到达玉白河，洪水向前运动的态势终止，洪水淹没范围基本达到最大。

图2 2010年三岔河水位实测值与计算值对比图

2.成都城区洪水风险图编制

成都城区洪水风险图编制采用IFMSUrban建立地表二维和一维耦合的非恒定流水动力模型进行洪水分析计算。排水管网和河网中水流模拟计算采用一维模型，地表其他区域的水流运动采用二维模型计算，对于涉及降雨的方案，需要进行降雨产流计算，采用IFMSUrban中的产流模块进行计算。

成都城区范围内涉及的河道众多，建模选取了其中较为重要的大小河流共55条，收集或测量断面近700个。收集到约25万条排水管道信息，采用IFMSUrban中管网处理工具进行拓扑检查修正、属性纠错与管线概化之后，最终保留管道约1.5万条。网格剖分以成都城区绕城高速作为边界约束，以道路、堤防、河流等作为内部约束，共剖分了130 252个不规则网格。

在产流计算时，根据不同区域特点采用两种策略：①有管网的区域采用划分汇水区的方法进行产流计算，共划分约15 442个子汇水区，此径流优先进入管道；②没有管网的区域，直接采用二维模型在网格上计算产流，径流在地表上流动。计算产流时考虑的因素主要包括不透水率、坡度、下渗率等因素。二维模型的参数主要是糙率，根据土地利用类型分别给定。

根据成都市洪水来源，共设计了21个洪水内涝计算方案，分为4类：一是暴雨方案，二是外洪方案，三是暴雨洪水组合方案，四是历史典型暴雨方案。

在上述工作基础上，采用IFMS Urban构建了动态的实时分析模型，开发了基于B/S架构的成都中心城区洪水风险图管理平台。系统以应用为导向将三维洪水仿真展示和管理、洪水分析以及灾情评估等功能有机结合，综合考虑效率、并发、稳定、安全等因素，为灾前预测预警和防洪调度、灾中群众和物资转移及安置、灾后损失评估提供辅助决策支持。

3.大辽河左岸防洪保护区洪水风险图编制

大辽河左岸防洪保护区位于辽宁省中南部，保护区上至大辽河三岔河口，下至入海口，区内涉及海城市、大石桥市、营口市。大辽河左岸防洪保护区的洪水分析采用IFMS模型，其中大辽河河道部分采用一维河网模型，保护区采用二维水动力学模型，并在溃堤处进行一二维耦合。网格剖分采用非结构混合网格，即三角形与四边形相结合的方式，并在网格剖分时考虑道路、铁路和堤防等阻水物，局部进行加密处理，最终共剖分了163 381个网格。一维河网模型上游采用流量边界，下游采用潮位过程作为边界。

选择2010年8月2日—9月13日之间实际发生的洪水过程对模型进行验证，如图2所示，模型计算水位与实测水位过程总体上比较吻合，表明模型具有较好的模拟效果。

根据现场实地勘察，沿大辽河左岸共选取了5个可能的溃口，分别计算了遭遇50年一遇和100年一遇洪水时溃堤造成的洪水风险情况。

4.南河（岷江）洪水风险图编制

南河（岷江）位于四川省东南部，面积约2 631 km2，涉及河流主要为南河（岷江）干流，河长约41.6 km，平均坡度为0.001。采用IFMS构建水动力学模型，其中南河（岷江）干流及支流采用一维河网模型概化，两岸淹没区采用二维水动力学模型概化，并对溃堤洪水进行一二维耦合洪水分析计算。在编制区域内共考虑堰、闸、坝、桥等涉水建筑26处。网格剖分采用非结构混合网格，并在网格剖分时考虑高速公路、铁路和堤防等阻水物，局部进行加密处理，共剖分了85 749个网格。一维河网模型上游采用流量作为边界条件，下游采用水位流量关系作为边界条件。

河道糙率根据防洪规划报告的推荐值选取，并采用2010年8月典型洪水的洪痕数据进行率定。采用2013年6、7月以及2016年7月3场典型洪水进行验证，对比断面实测水位和计算水位，满足精度要求。率定和验证成果如表1和表2所示。

根据洪水来源、洪水量级、洪水组合方式等，选取楠杆堰溃口分别计算了遭遇20年一遇、50年一遇和100年一遇设计洪水时洪水风险情况。

5.河北大陆泽、宁晋泊蓄滞洪区实时洪水分析

大陆泽及宁晋泊蓄滞洪区位于河北省南部，面积2 041 km2，是全国第三大滞洪区，同时也是海河流域第一大滞洪区和关键防洪工程。针对大陆泽、宁晋泊蓄滞洪区范围广、行洪河道多、调度规则复杂以及上游来流影响大等特点，将设计范围从蓄滞洪区扩展至其上游相关小流域，小流域总面积约1.3万km2。

小流域采用新安江水文模型对12条主要河道进行洪水预报，并经2016年“7·19”洪水验证。

蓄滞洪区采用IFMS中的一二维耦合模型建立了快速高效实时的洪水分析模型，实现了复杂洪水演进过程的实时分析，兼顾一维河道、二维地表以及堰闸和分区滞洪调度等实时调控，并且基于北方流域特征考虑了入渗过程对洪水演进的影响。在建立模型过程中，通过在二维边元上概化一维河网的处理方法，保证二维网格尺寸均匀，提升了计算效率和稳定性；同时采用并行计算技术，蓄滞洪区洪水实时分析模型可在短时间内完成历时一周的洪水淹没过程，满足实时计算时效性要求，为防汛决策争取宝贵的时间。

表1 南河（岷江）干支流2010年典型洪水率定表

表2 南河（岷江）典型洪水验证表

三、结 论

①洪水分析软件IFMS和IFMSUrban基于自主研发的GIS平台，具有便捷、高效、能够处理海量数据等特点。软件采用工作空间统一存储和管理数据，并将数据分为模型要素和解决方案分开管理，提高了基础数据的复用率，避免了重复数据的处理工作。

②洪水分析软件IFMS和IFMS Urban耦合集成了先进和快速的一维河网模型、二维模型和城市排水模型等水动力学计算引擎，能够处理湖泊、河流、近岸以及城市管网等众多方面的涉水问题。

③洪水分析软件IFMS和IFMS Urban在防洪保护区、蓄滞洪区、中小河流、城市等不同类型区域的成功应用，表明IFMS和IFMSUrban具备处理复杂问题的能力，具有广阔的推广应用前景。■

[1]张大伟,李丹勋,陈稚聪,等.溃堤洪水的一维、二维耦合水动力模型及应用[J].水力发电学报,2010(2).

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[6]喻海军.城市洪涝数值模拟技术研究[D].广州∶华南理工大学,2015.

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责任编辑 韦凤年

Adoption of evaluation software in flood risk map drawing

Ma Jianming,Yu Haijun,Zhang Dawei,Zhang Hongbin,Wu Binbin,Mu Jie

China Institute of Water Resources and Hydropower Research(IWHR)developed flood analysis software together with implementation of national flood risk map project for major areas.A storm water management model (SWMM)was developed through integration of advancedmodelling technology,including one-dimensional river network computing engine for complicated water structure scheduling simulation,high resolution two-dimensional flood calculation engine and rapid unstructured grid generation module.Based on self-developed GIS platform,coupling of one-dimension and two-dimension as well as coupling of urban pipe network with two-dimensional model can be realized.The created two software products provide technical support for risk analysis of small and medium rivers, flood protection zones,flood detention and retention zones and prevention of urban floods.

flood analysis software;flood risk map drawing;flood numerical model

TV877+TV122

：B

：1000-1123（2017）05-0017-04

2016-10-15

马建明，教授级高级工程师。

全国重点地区洪水风险图编制项目；国家重点研发计划项目（2016YFC0803107；2016YFC0803109）。