基于IFMS软件实现新疆某中小河流洪水计算及风险分析

王玉丽，陈平星，李 萌

（新疆兵团勘测设计研究院(集团)有限责任公司，830002，乌鲁木齐）

基于IFMS软件实现新疆某中小河流洪水计算及风险分析

王玉丽，陈平星，李 萌

（新疆兵团勘测设计研究院(集团)有限责任公司，830002，乌鲁木齐）

介绍了利用IFMS软件开展新疆某中小河流洪水计算及风险分析的作业流程及办法,重点介绍了IFMS二维模型构建流程,并针对当前IFMS软件功能特点，归纳出了典型区、典型时刻水量思路，利用IFMS二维计算后处理功能，配合ArcGIS软件空间分析及统计汇总功能，反映各辖区典型淹没区典型时刻洪水淹没特征。

IFMS；中小河流；洪水风险图；二维模型；网格剖分；洪水影响；新疆

根据水利部（办汛函〔2013〕893号）确定的重点地区洪水风险图编制总体安排，需要完成新疆某河流洪水风险图编制任务。本中小河流洪水风险图编制采用水力学法，需要研究区域河道漫溢洪水演进过程，对洪水前锋的到达时间、洪水流速、淹没水深等要素进行计算，并需考虑高于路面0.5m以上的线状物、桥、涵、闸等要素的影响；考虑该河流编制区上游河道宽约200m左右，且在中小河流治理项目中已测量大部分1∶2 000带状地形图，因此该河流洪水计算选用二维模型。

IFMS（Integrated Flood Modeling System）是中国水利水电科学研究院主持研发的国产洪水分析软件，软件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，可实现一维、二维洪水模型和城市管网模型的前后处理及分析计算、一二维耦合以及城市管网与二维模型耦合。可满足该河流二维模型基础要素处理及洪水分析计算需求。

一、IFMS建模过程

IFMS构建该河流二维模型步骤包括：网格剖分、高程插值、设置糙率、道路桥涵等阻（过）水建筑物概化、设置初始水位、定义边界条件、设置控制参数 （包括起止时间及步长、干湿阈值、流速阈值、水深阈值）、模型检查、模型初始化及模型运算等。二维模型构建流程见图1。

1.网格剖分

采用IFMS不规则四边形网格进行剖分，需要考虑的基础要素包括：外边界、河道中心线、范围线、外范围线（范围线外扩1 000m）、阻水线状地物、堤防护岸。

2.网格剖分尺寸

该河流编制区范围内基础地形图资料比例尺为1∶50 000和1∶10 000，采样高程离散点间距80×80m至200× 200m；河道及沿岸收集有1∶2 000带状地形图资料，采样高程离散点间距10×10m至30×30m。参照《技术大纲》网格剖分密度初步设定以及高程离散点密度，该河流网格剖分尺寸设定如下：

河道中心线沿岸网格尺寸自上边界30×30m过渡到下游边界附近10×10m。堤防、道路等构筑物周边网格尺寸10×10m至100×100m。河道内范围线至河道外范围线间网格剖分尺寸80×80m。其他计算范围内网格尺寸100×100m。

图1 IFMS二维模型构建流程

表1 土地利用现状与糙率对照表

3.离散剖分

该河流采用离散剖分模式，剖分步骤如下：

（1）模型基础要素导入

将处理好的计算范围、河道中心线、范围线、外范围线、道路、堤防护岸连线等模型要素导入IFMS。

（2）离散点插值

对导入边界和控制线要素按网格密度设定进行线（段）批量离散插值。离散点插值密度设置如下：

河道中心线（自下至上）离散点插值距离10～30m。道路（距离河道中心线距离自近至远）离散点插值距离10～100m。堤防连线离散点插值距离10～50m。河道范围线离散点插值距离15～30m。外范围线离散点插值距离40～60m。计算范围外边界线（段）离散点插值60～100m。

（3）离散剖分结果

该河流创建离散剖分时共形成13个剖分子集。对离散化图层的各个子区进行离散化剖分工作，过程中及时处理节点总数为奇数或节点间距过密问题。各子区完成离散剖分后，融合各剖分子区，形成整体网格剖分结果，将剖分结果构建为二维网格，作为该河流洪水计算基础模型，继续开展模型要素处理及概化工作。该河流离散化剖分形成网格数量49 468个。

4.网格属性赋值

（1）网格单元高程点插值

利用ArcGIS处理生成好的离散点文件（asc格式），对网格单元进行高程离散点插值，读取计算区域地形散点数据（*.asc），并按插值参数设定为权重3，平滑度1进行插值。

（2）线状阻水建筑物概化

模型考虑的线状阻水建筑物为模拟区域内的主要道路、铁路以及堤防护岸。在剖分网格时已将道路、堤防等线状地物作为离散子集控制线因素，保证网格边元与线状地物空间走向的一致性。参照外业测量获取的路面高程、堤顶高程数据，在IFMS软件中选中剖分好的二维网格边元要素，参考高程点信息按高程渐变特征逐个边元赋高程。

（3）桥涵概化

在IFMS软件中，选中桥涵分布点二维网格边元要素，按外业测量成果修改边元高程为桥底高程，增大边元上游相邻网格单元糙率，形成有阻水效果的过水口门。

（4）糙率处理

利用ArcGIS数据处理工具归纳编制各县乡级行政区域现状用地类型，对归纳后的用地类型赋糙率，不同用地类型及相应糙率按表1确定。

利用IFMS软件网格单元糙率赋值功能，读取整理好的土地利用shp文件，按用地类型赋相应糙率。其中非行政辖区覆盖网格糙率统一给定为0.035。

（5）其他参数设计

IFMS二维方案控制参数设置分析控制部分参数，干湿阈值给定0.01，CFL数0.7。模型计算初始条件处理方法为：二维网格初始水位全部按0处理。洪水模拟时段取3天（72h），模拟时间步长为60s。

5.模型合理性检验

因该河流编制区域基本无实测洪水资料，可采用的合理性检验方式有两种：一是参考现有历史洪水资料，将该河流20年一遇设计洪水计算结果与历史洪水影响情况予以比对；二是参考该河流中小河流治理河道构筑物10年现状防洪标准，计算该河道10年一遇设计洪水（构筑物现状防洪标准年）与20年一遇设计洪水（高一级别防洪标准年），比对计算结果淹没情况与构筑物设计防洪标准，验证堤防防洪情况与计算结果是否基本一致。对比情况见表2、表3。

表2 某河各频率设计洪水与历史洪水淹没情况对照 （1亩=1/15 hm2）

表3 某河各频率设计洪水与河道沿线构筑物防洪标准对比

由于该河流不存在漫溢或者溃堤的实测资料，河道外二维区域网格糙率无法利用实测资料率定。经过对比计算，发现二维网格糙率对洪水淹没的影响较小，采用一定范围内的糙率分别计算得到的淹没范围等差别较小。

计算得到10年一遇范围与该河流防洪工程设计报告中10年一遇防洪标准进行对比，两者大体一致，仅局部有所差别，通过对DEM图的高程进行反复比较，可知计算结果基本符合地形变化的趋势，计算结果基本合理。

二、计算结果分析

1.淹没典型区、典型时刻确定

基于IFMS软件二维模型各频率洪水计算结果，叠加编制区行政区域数据、河道面数据，利用ArcGIS软件空间数据分析功能、XLS数据统计汇总功能、IFMS二维计算后处理功能，对洪水淹没数据进行信息提取及特征展示，统计分析流程见图2。

图2 洪水计算结果统计分析流程

2.上游辖区淹没特征情况

该河流渠首发生百年一遇混合型场次洪水，洪水历时时间为72 h，洪水从渠首处，经0.67 h即可到达上游辖区。2015年7月2日2点30分时，辖区洪量为489907.56m3。河道蓄洪能力为388247.85m3，漫溢水量为101659.70m3，占总水量的20.75%。

洪水行进过程中，在上游辖区某村附近、公路以南河道两岸有洪水漫溢情况发生，此处河道外漫溢洪水面积约0.35 km2，漫溢处最大淹没水深为0.25m，最大流速为1.25m3/s，基本不构成洪水威胁。洪水在某村南1.5 km处流速及水深达到最大。河道内最大水深为1.75m。最大流速为3.8 m3/s。中游辖区、下游辖区计算结果分析略。

3.特征值汇总

某河流编制区洪水特征值汇总见表4。

4.水量特征趋势统计

根据该河流编制区各行政辖区不同频率洪水特征值,绘制辖区典型时刻水量趋势见图3、图4、图5。

图3 上游辖区不同频率洪水典型时刻水量趋势

表4 某河流编制区洪水特征值汇总表

图4 中游辖区不同频率洪水典型时刻水量趋势

图5 下游辖区不同频率洪水典型时刻水量趋势

三、结论

选用IFMS软件进行该河流洪水分析计算，计算模型采用二维模型，根据河流水文分析特征，选用河流上游建有河道构筑物的渠首作为上边界条件，模型构建过程中充分考虑河道地形与周边地形精度差异，堤防（护岸）、线状阻水建筑边元吸附要求，网格数量及尺寸过渡要求（软件运行效率）。网格剖分采用离散剖分模式，网格数量基本介于4万～5万之间，网格尺寸河道内10～30m，河道外影响区域30～300m。该情况下单场次洪水计算约4h，模型计算速度适中。

因水文资料匮乏，该河流模型计算结果主要利用河道构筑物防洪标准及历史洪水损失进行初步验证，通过对照DEM高程数据，验证计算结果基本符合地形变化的趋势，通过对模型计算结果合理性分析，模型计算结果基本符合实际情况，分析得到的淹没范围、水深、流速等结果能够为工程规划提供基本参考。■

责任编辑 杨 轶

Flood calculation and risk analysis for medium and small rivers in Xinjiang based on IFMS software

Wang Yuli,Chen Pingxing,LiMeng

Discussions aremade on operation procedure and methods of flood calculation and risk analysis for small and medium rivers in Xinjiang with utilization of IFMS software.Special focus places on procedure of two-dimensional model formation.In accordance with the characteristics on current IFMS software,water quantity in typical area and moment are derived.Features of flood inundation at typical inundated zone and typicalmoment are presented bymeans of processing functions after IFMS two-dimensional calculation,together with ARCGIS software space analysis and statistical summarizing.

IFMS;medium and small rivers;flood riskmap;two-dimensionalmodel;mesh generation;flood impact;Xinjiang

TV877+TV122

：B

：1000-1123（2017）05-0069-04

2016-09-29

王玉丽，主任,高级工程师,主要从事数据处理、制图、GIS相关咨询、水利信息化相关工作。

全国重点地区洪水风险图编制项目。