防洪保护区洪水风险动态模拟系统研究与应用

许小华，丁志雄，李德龙,3，张秀平

(1.江西省水利科学研究院，南昌 330029；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038; 3.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京210098)

洪涝灾害是严重威胁人类生存与发展的主要自然灾害之一，防洪减灾成为全世界日益关注的重大问题，对洪涝灾害风险进行科学有效的预测和评估是科学防灾减灾救灾的基础。编制洪水风险图是实践治水新思路，落实从“控制洪水”向“洪水管理”转变和开展洪水风险管理的重要基础工作，开展洪水风险动态模拟技术研究有利于促进防洪减灾信息化建设，满足防洪抢险“实时监测、快速传输、优化决策、精确调配、高效管理”需求，实现“早预测、早发现、早预防、早决策、早调度、早处置、早排除”等目标，有效减少洪涝灾害损失，全面提升防洪减灾技术水平和能力，是国家的前瞻性、战略性信息基础建设工作之一。

近年来，随着洪水风险图研究[1-4]在全国范围内展开，国内学者在洪水风险分析系统研发方面已有较为广泛而深入的研究[5-13]，这些研究主要围绕大坝、蓄滞洪区、山区等地区建立一维河道和二维水动力耦合模型，并在此基础上研发了洪水分析系统，而针对承担防洪任务重的防洪保护区鲜有类似系统研究。本文以赣抚大堤防洪保护区为研究对象，研究赣抚大堤防洪保护区洪水风险动态模拟技术，实现实时快速地进行洪涝灾害风险模拟与评估，是提高防洪保护区洪涝灾害风险识别和损失评估能力的重要非工程措施。同时也可有效弥补静态风险图在实际应用中的不足，为洪水调度、防灾减灾、工程建设等多个领域提供决策支持，提高防御洪涝灾害能力。

1 研究区概况

江西省河湖水系众多，受五河(赣、抚、信、饶、修)一湖(鄱阳湖)及长江干流的洪水影响巨大，洪涝灾害频繁，是我国防洪任务繁重的省份之一。赣抚大堤位于江西省中部，是江西省最重要的防洪大堤，是赣抚平原区域东西两侧的防洪屏障。其主要由赣江下游东岸堤防(简称赣东大堤)和抚河下游西岸堤防(简称抚西大堤)及其附属建筑物组成，堤线总长174.516 km，保护区范围(地理位置如图1所示)涉及南昌市、新干县、樟树市、丰城市、进贤县、南昌县等地区；位于东经115°21′～116°23′、北纬27°41′～28°50′之间；南到新干县的溧江水、西以赣东大堤为界限，北邻赣江南支，东临抚西大堤和清丰山溪的发源地玉华山脚。赣抚大堤防洪保护区面积达2 126 km2，保护耕地116万亩，保护人口共计378.52万人，保护区内有5条铁路、3座机场、3条国道等国家重要交通设施及大批工矿企业，是江西省政治、经济、文化、交通的核心地区和工农业生产基础，赣抚大堤安危关系到江西省的社会稳定和经济发展。

图1 赣抚大堤防洪保护区研究范围图Fig.1 The study area of Ganfu Grand Dyke

2 总体思路

以赣抚大堤防洪保护区为研究区，研究复杂条件下大型防洪保护区的洪水风险分析方案，构建洪水分析计算模型、洪水损失评估模型，开展避洪转移分析，形成防汛实用化的洪水风险成果体系；结合水文、气象、工程等实时监测数据，构建受大型湖泊、河流和保护区内交错河流渠道共同来水影响的复杂条件下洪水风险动态模拟模型；研发基于web的洪水风险实时分析系统，实现功能齐全、界面友好、提供人机交互功能的，能对任意工况和抢险措施洪水模拟、灾情分析与评估、避洪转移分析和风险分析报告生成的洪水风险实时分析系统。为防汛会商决策提供数据和技术支持，以提高防洪保护区洪水风险预测、决策、管理水平为目标，探索防洪保护区洪水风险图动态模拟技术与应用。

对赣抚大堤防洪保护区自然地理、水文气候、水系环境和社会经济状况等区域特征进行实地调研，收集研究区基础地理信息数据、水文、社会经济、工程调度等资料；明确洪水来源、洪水量级、边界条件等信息，构建最优洪水组合方案和洪水风险图编制计算方案；根据对保护区内的网格剖分、边界条件设置，研究基于赣江、抚河、鄱阳湖以及清丰山溪、龙溪河等多条内河和渠道洪水共同作用下的赣抚大堤防洪保护区二维洪水模拟模型，并利用历史资料对该模型进行率定及验证；利用边界条件动态模拟、溃口动态模拟、防洪抢险措施效果动态模拟等技术，实现研究范围内任意位置的洪水动态模拟，在此基础上开展洪水影响与损失评估、避洪转移分析和风险图绘制；研发基于web的洪水风险实时分平台，实现赣抚大堤防洪保护区及相关区域的实时洪水计算分析，为防灾减灾提供决策服务支撑(见图2)。

3 洪水分析计算模型

洪水分析计算模型是基于二维非恒定流水动力学方程[14-17]，根据地形、地物特点，采用不规则网格技术，利用差分的方法进行数值计算，求出洪水在各运动时刻的流速、流向和水深。另外，对区域内的堤防、公路、涵闸、铁路等，在模型中作为特殊通道，考虑其对水流的影响作用。

3.1 模型基本原理

(1)基本方程。模型建立在二维非恒定流方程的基础上，其基本方程是：

连续方程：

(1)

动量方程：

式中：H为水深，m；Z为水位，m；M、N分别为x、y方向的单宽流量，m2/s；u、v分别为流速在x、y方向的分量，m/s；n为糙率系数(无量纲)；g为重力加速度，m/s2；t为时刻，s；q为源汇项，模型中代表有效降雨强度和排水强度，其中有效降雨强度指计算时段内降雨量形成的径流量，由降雨量乘以径流系数求得。排水强度是指城市区域地下排水管网系统的排水强度。

(2)控制方程的离散方式。为了达到既简化计算方法，提高模型运算速度，又保证基本控制方程的守恒性、稳定性和较高的计算精度，模型在基本状态变量的离散化布置方式上，借鉴了体积积分形式的显式有限差分法的优点[18-20]。在网格的形心计算水深，在网格周边通道上计算法向单宽流量，同时，水深与流量在时间轴上分层布置，交替求解。由初始时刻已知的每个网格水位，通过动量方程求得DT(步长)时刻各条通道上的单宽流量，再把结果代入连续方程求得2DT时刻所有网格的水位，如此不断循环计算直到结束。物理意义清晰，并且有利于提高计算的稳定性，如图3所示。

图3 交替计算方式示意图Fig.3 Sketch of the alternate computed mode

(3)模型中的降雨和排水计算。通过降雨径流系数法确定降雨在模型计算网格上的水量，将计算得到的降雨水量叠加到计算网格上得到降雨影响的水位和流量，各模型网格的径流系数与各网格内的土地利用类型分布有关，根据不同土地利用类型的经验径流系数取值后，按面积加权获得各网格的综合径流系数。利用城市雨洪管网排水模型，确定排水管道的入水口、出水口和排水分区与二维模型网格和特殊道路通道的拓扑关系，在二维模型计算中耦合排水管网模型的计算输出，在每个计算步长中叠加每个计算网格的水位和流量。

3.2 模型构建

(1)模型范围。为便于模拟赣江、抚河和赣抚大堤保护区内溃口洪水的相互影响情况，因此模型建立考虑赣江和抚河也纳入洪水二维模拟的计算范围进行整体二维洪水模型计算，同时考虑泉港滞洪区的计算范围，模型范围对于赣江上至峡江(二)水文站、下至外洲水文站；抚河从李家渡水文站至三阳水文站；对于赣抚大堤保护区内上至龙溪河及清丰山溪各支流山区入流，下至抚河故道入流金溪湖。

(2)网格剖分。在对赣抚大堤洪水分析模型进行网格剖分时，主要考虑的线状工程地物包括赣东大堤、抚河西堤、新市隔堤、晏公堤、芗水左右堤、清丰山溪左右堤、小港排洪道左右堤、鸦丰联圩、石滩联圩、白土圩、陈埠圩、箭江分洪道—棠墅港—抚河故道两岸堤防以及其他一些主要圩堤和区内的输水渠、主干道路、高速公路、铁路等；考虑的面状地物信息主要是赣抚大堤保护区内的建筑物分布以及保护区内象湖、大沙湖、芳溪湖、青山湖、艾溪湖、瑶湖等一些较大的湖泊水域。采用无结构不规则多边形进行网格剖分，并在重要地区、地形和平面形态变化较大地区的计算网格适当加密(如青丰山溪河道、道路堤防交叉区域等)，将整个研究区域划分成不规则网格37 033个(如图4所示)，保护区内网格最大面积不超过0.09 km2(约为300 m×300 m)、最小面积0.009 6 km2、网格平均面积0.045 km2。

(3)网格高程。模型网格高程从1∶1万DEM数据中提取，取每个网格内所有DEM栅格高程的平均值作为网格形心点的高程；针对湖泊型网格，根据实地调查情况将DEM进行适当修正后作为其底高程；河道网格高程由河道实测断面数据插值后提取得到。

(4)网格属性赋值。为每个网格赋类型、高程、糙率、面积修正率等属性。

(5)特殊通道处理。对于对洪水演进有影响，但平均宽度均未达到网格平均尺寸的输水渠及小型河流，作为特殊型河道通道进行概化。主干道路、铁路、堤防和桥梁作为阻水通道处理。

(6)糙率确定。参考其他相关区域的糙率，并结合赣抚大堤防洪保护区下垫面实际情况进行糙率取值。每个网格可能包含多种土地利用类型，则用面积加权平均进行求取网格的糙率(见表1)。

表1 研究区域糙率取值表Tab.1 The roughness value of the study area

(7)初始及边界条件设定。

①初始条件根据历年水文统计资料，本文在赣抚大堤防洪保护区二维洪水分析模拟计算中，假定了初始的水体分布状态，即假设赣江初始水深3 m、抚河初始水深2.5 m、保护区内河流初始水深1.5 m、保护区内湖泊初始水深2 m。

②边界条件。上游边界条件：赣江以经峡江水库调蓄后的峡江(二)水文站的流量过程作为模型中赣江的入流边界条件；赣江支流袁河以江口水库出流及江口水库以下至赣江之间的区间来水作为赣江支流袁河的入流边界；赣江支流锦江以高安水位站洪水过程加上高安至赣江之间的区间来水作为赣江支流锦江的入流边界；抚河以李家渡水文站的流量过程作为模型中抚河的入流边界条件；赣抚大堤保护区东南部山区龙溪河、芗水、丰水、富水、槎水、白土水等支流的入流，采用各支流上游汇流区域实时降雨的产汇流计算的流量过程为输入条件，产汇流模型为江西省水文局推荐的经验模型。下游边界条件：赣江出流边界为外洲水文站水位流量关系；位于赣江中游樟树附近左岸的泉港滞洪区达到启用条件时也作为出流边界条件。赣抚大堤防洪保护区内部清丰山溪下游的棠墅港-抚河故道及抚河河道出流边界均为三阳站水位过程。

3.3 模型参数率定及验证

(1)模型率定。选择与河道断面资料(2013-2015年实测资料)最接近的2010年6月16日-7月6日实测洪水过程进行赣江河道模型和抚河河道模型的率定，河道初始糙率根据土地利用类型确定。取赣江的新干、樟树、丰城、市汊、抚河的温家圳等站点的实测水位或流量进行对比分析，通过人工试错法，在率定过程中不断调整河道的糙率等参数，使得计算序列与实测序列的流量过程与水位过程均吻合，并通过纳什系数(Nash-Sutcliffe Efficiency)来衡量吻合程度。同时控制洪峰流量相对误差不超10%，峰值水位误差不超0.40 m。最后得到赣江的糙率为0.025～0.042，抚河的糙率为0.022～0.037。

(2)模型验证。本文选用与现状河道断面比较接近的2012年洪水资料进行模型的验证，验证的洪水过程时段为2012年6月17日-7月6日，赣江的新干、樟树、丰城、市汊以及抚河的温家圳等站点的模拟结果与实测数据对比图(水位均为黄海高程)如图5所示。由图5和表2可知模型对赣江、抚河2012年洪水的验证结果精度较高。验证计算的各站模拟结果的纳什系数、洪峰水位绝对误差、洪峰流量相对误差，统计结果见表2。

图5 各站点2012年水位实测值与计算值对比Fig.5 Comparative analysis of the measured and calculated water level in 2012

3.4 洪水影响分析

在洪水淹没分析的基础上开展灾情评估，分析洪涝水灾害的淹没情况以及直接经济损失，能够为赣抚大堤防洪保护区的防洪预案制定、防洪工程调度运用、抢险救灾、防洪效益评估、土地利用规划、洪水保险等提供科学的信息参考，为有效减轻该区域的洪涝灾害影响提供技术支撑。洪灾损失评估的工作流程如图6所示。

表2 2012年洪水模拟结果Tab.2 The result of the flood simulation in 2012

图6 洪水影响分析工作流程Fig.6 The workflow of the flood impact analysis

①通过现场实地调查、数学模型模拟计算或遥感分析方法确定洪水淹没范围、淹没水深、淹没历时等致灾特性指标；②搜集社会经济调查资料、社会经济统计资料以及空间地理信息资料，运用面积权重法、回归分析法等对社会经济数据进行空间求解，生成具有空间属性的社会经济数据库，反映社会经济指标的分布差异；③洪水淹没特征分布与社会经济特征分布通过空间地理关系进行拓扑叠加，获取洪水影响范围内不同淹没水深下社会经济不同财产类型的价值及分布；④选取具有代表性的典型地区、典型单元、典型部门等分类作洪灾损失调查统计，根据调查资料估算不同淹没水深(历时)条件下，各类财产洪灾损失率，建立淹没水深(历时)与各类财产洪灾损失率关系表或关系曲线；⑤根据影响区内各类经济类型和洪灾损失率关系计算洪灾经济损失。通常将第①～③步称作灾情统计。

3.5 避洪转移分析

在已收集整理的基础资料以及得到的洪水分析计算和洪水影响分析成果基础上，根据相关规范要求，选取各溃口最不利工况的洪水分析计算方案，获取最大淹没包络范围，利用淹没水深、流速、淹没历时等条件开展区内避洪转移分析。根据转移安置场所划定的就近避难优先、地面高程适宜、避洪场所资源共享、安全性、通达性和灾民容量等原则，利用ArcGIS软件建立路网分析计算模型，通过设定道路的等级、通过的交通方式、不同天气条件下的通过速度等条件，计算分析出所有转移单元与相应转移安置区通过时间最短的路径，经现场检验核实后，最终确定转移路线，并绘制相应转移安置图。具体工作流程如图7所示。

图7 避洪转移分析工作流程Fig.7 The workflow of the flood diversion analysis

4 动态模拟系统实现

4.1 系统构架

赣抚大堤防洪保护区洪水风险动态模拟系统建设以水利专业数据和空间数据为基础，以洪水风险管理、防洪减灾等为目标，建成能够成为江西省洪水风险实时分析的示范应用系统。在标准规范体系、信息安全体系的基础上进行系统设计，系统总体分为五层，从下至上分别是：数据层、数据支撑层、服务层、核心业务功能层和用户操作层；系统结构层层支撑，保证各应用系统的可靠运行、资源共享与一体化管理。系统技术构架体系如图8所示。

图8 实时分析系统技术构架图Fig.8 The technical framework sketch of real-time analysis system

系统采用面向服务的整体架构模型，采用先进的、基于SOA技术路线的多层分布式应用体系架构。系统技术构架如图8所示。系统采用B/S结构，使用MVC框架模式。技术上，前端使用HTML5、CSS、Javascript、JQuery、EasyUI等技术，交互页面使用ASP.NET技术；后台功能使用C#开发，在.Net Framework 4.0作为开发平台，以Visual Studio. NET进行开发；Web服务器使用IIS7，GIS数据服务器ArcGIS Server 10.2，数据存储使用文件系统和Oracle11g数据库结合的方式。

4.2 系统功能

为了要实现系统建设目标，选取赣江、抚河的部分河段及鄱阳湖区作为模型范围进行研究区洪水风险动态模拟系统研究，系统包括：实时洪水信息、洪水模拟计算、计算结果展示、洪水影响分析、避险转移分析、风险分析报告生成、系统管理以及访问其他系统等8个功能，如图9和图10所示。

图9 系统总体功能框架图Fig.9 The framework of the system function

图10 实时洪水分析计算主界面展示Fig.10 The main interface of the real-time flood analysis

实时洪水信息功能包括实时监测数据的预处理，洪水淹没地图上的水深、水位展示，河道纵断面水位查询展示、河道横断面水位查询展示，实时洪水信息动态展示等。

洪水模拟计算功能包括实时洪水溃口模拟计算、长历时的洪水滚动模拟计算、历史洪水模拟计算、设计洪水模拟计算等。

计算结果展示功能可以实现最大水深图、淹没历时图、到达时间图、洪水流速图、溃口信息查询、通道流量查询、网格淹没信息、动态淹没展示、方案信息、成果导出等。

洪水影响分析功能可以实现按行政区查询洪水影响信息、按水深分级查询洪水影响信息、按到达时间分级查询洪水影响信息以及影响重点单位的信息查询分析等。

避险转移分析功能可以实现洪水影响的转移单元、转移路线、安置区等避险转移信息的查询分析。

风险分析报告生成功能可以实现实时洪水风险分析、历史与设计洪水风险分析的报告自动生成，并对生成的报告进行管理。

系统管理功能包括地图服务配置、水雨情数据库连接配置、分析模型管理、社会经济数据管理、洪水风险分析方案管理、用户权限管理、日志管理等。

访问其他系统功能可以实现快速直接访问其他的相关系统如：实时雨水情信息系统、洪水预报系统、洪水风险图编制成果展示系统等。

5 结 语

本文以赣抚大堤防洪保护区为例，综合考虑了区内所受鄱阳湖、赣江、抚河以及保护区内河渠、暴雨内涝等多来源暴雨洪水的共同作用和影响等因素，研究构建了适合复杂条件下的一二维耦合洪水分析模型，结果显示赣江、抚河各水位站模拟计算的水位纳什效益系数均在0.94以上，洪峰水位绝对误差均不超过0.2 m，模型精度较高。在构建模型基础上，运用HTML5、Java、ASP.NET等计算机技术研究开发了赣抚大堤防洪保护区的洪水风险实时分析系统，实现了实时洪水风险信息的分析和展示，在赣江和抚河等区域的任意位置，能实时动态模拟溃口洪水和暴雨内涝等洪水的演进过程并快速展示模拟结果，实时计算相应洪水影响分析和避洪转移分析结果，为防灾减灾管理工作提供了科学决策技术手段，对推动我省防洪水利信息化和洪水风险管理模式具有积极引导作用，具有较好的推广前景。

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