基于数值模型的动态洪水风险图绘制系统研究

刘铁锤，胡 波，佘亮亮，仇传桢

（宁波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 宁波 315000）

0 引言

洪水风险图是通过历史调查、水文分析及洪水模拟计算，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模拟预测，标示洪泛区内各处受洪水灾害的危险程度的一种专题地图。洪水风险图在国内是洪涝灾害防御的重要非工程措施之一，在合理布置防洪工程、科学管理洪泛区、指导防汛抢险等工作中发挥十分重要的作用[1]。本研究利用 GIS 和 Web开发技术，实现动态洪水风险图在线绘制分析。

皎鄞区间地处东部沿海地带、甬江流域上游，遭遇台风及热带风暴侵袭频繁，受地形因素影响常为该地区的暴雨中心，同时叠加上游皎口水库泄洪影响，下游地区防洪压力较大。皎鄞区间主要干流章溪下游接鄞江，鄞江为感潮河道，当区间发生大洪水与下游高潮位相遇的情形，造成鄞江镇排水不利，容易发生洪涝灾害。在新的防洪减灾工作要求形势下，常规的静态洪水风险图已经不能满足区域防洪排涝的需要，建设动态洪水风险图绘制系统[2]可实时动态地指导区域防洪排涝工作、提高防洪减灾科学水平、优化防汛工作方式，保障区域经济社会可持续发展。

1 系统设计

1.1 系统框架设计

海曙区皎鄞区间洪水风险图绘制与管理系统基于 B/S 形式开发，结合 GIS 技术，采用组件化技术构建，并可实现用户的多客户端同时在线访问。

系统以 GIS 和计算机技术为依托，后台综合集成数据库技术，采用流域水文、水动力学计算模型，结合气象部门降雨预报能够快捷进行洪水预报及洪水演进计算，建成高效、可靠、实用、先进的洪水风险分析计算系统，以人机交互方式进行洪水风险分析，对区域内经济和社会进行洪水影响分析，以反映洪水风险影响程度[3]，基于 WebGIS 的洪水风险图系统建设[4-5]，通过浏览器前端进行淹没历时、范围等要素的分层渲染与图形展示处理，为皎鄞区间防洪决策提供科学依据和技术支持。系统框架如图 1 所示，主要分为 3 个层次，具体如下：

1）数据资源层。采集并集成流域、水系、工程、模型、地理、计算结果、社会经济等数据。

2）应用支撑层。构建洪水计算分析模型接口服务，并在数据层和业务层提供电子地图、风险图绘制、系统权限管理等服务，为系统建设提供技术支撑。

3）业务应用层。建设动态洪水计算、洪水影响分析、风险图在线绘制的子系统，通过降雨分析、潮位预报、水库调度和洪水演算等流程计算洪水水位和流量，对保护对象进行淹没影响，并在线绘制风险图图件。

1.2 计算模型接口设计

洪水计算分析模型采用 C# 语言进行编程，通过规范化设计，提供封装的 Web Services 接口，为业务应用层提供各类模型支撑服务。业务应用层通过 Web Services 接口调用，驱动数学模型进行计算，并将 Web Services 接口获取模型计算结果存储到数据库中，供业务系统进行洪水影响分析。模型集成框架如图 2 所示。

图1 系统框架图

图2 模型集成框架图

2 洪水计算分析模型

2.1 水文学水力学分析方法

洪水风险分析方法主要有水文学法、水力学法和历史水灾法，结合皎鄞区间具体情况和已有资料，并依据《洪水风险图编制技术细则》，本次模型综合运用水文学法和水力学法进行洪水风险分析计算。

研究区域为典型的湿润半湿润地区，山区、平原区的旱地和非耕地使用三水源新安江模型的方法计算产流。根据研究区域特征，将流域根据下垫面的水文、地理特征等分为若干个单元面积，产汇流模型选择基于蓄满产流模式的模型，汇流计算采用推理公式法，并考虑区间水库的预报调度作用。

平原地区选取水力学方法进行河网建模计算。依据流域的水利工程及河道资料，把流域水系概括为水域及河网两者构成的体系。水域起到水量调蓄和传输的作用；河网是流域输送水流的主要载体。模型下边界通过潮位预报提供计算边界，水力学方法通过数值求解一维圣维南方程组，求出每一河道指定断面处及节点上的水位、流量等水力变量。

一维圣维南方程组基本方程如下：

式中：A为过水断面面积；Q为断面流量；v为流速；h为水深；t为时间；Sf为摩阻坡度；S0为底坡。

随着平原河网水位的升高，洪水会漫溢到平原低洼地区。为了模拟漫滩情况下各片区对洪水的调蓄作用，采用二维水流方程进行地面漫流演算。将地形概化处理以表征总体情况，将平原区基于高程数据进行网格剖分，构成模型计算的基本元素对象，二维水流方程以网格剖分的结果作为基本计算单元，计算网格与临近网格间坡降，考虑水流方向等因素，通过水流在网格间演算，对平原各网格逐时段水深过程求解，实现平原区地面漫流演算。

2.2 区域概况

鄞州区皎口水库至鄞江镇区间流域面积为89.7 km2，区域内有山区和平原，山区源短流急，易产生洪水，平原区面积大约为 20 km2，为主要的人口聚集区，受区域洪水及皎口水库泄洪影响较大，为区域主要的防洪保护对象。皎鄞区间主要有章水镇、龙观乡、鄞江镇等行政区域。

区间主流樟溪，河长约为 16 km，河道坡降为36∶10 000，现状河道宽度为 50～70 m，樟溪自皎口水库而下东南流经章水镇、龙观乡至鄞江镇西首处分二流：一流沿光溪约 1 km 至洪水湾出；一流经它山堰入鄞江干流。樟溪分段河长及堤段信息详如表 1 所示，流域水系图如图 3 所示。

区间地处东部沿海地带，遭受台风及热带风暴侵袭频繁，是造成皎鄞区间洪水的主要原因；且由于皎鄞区间上游周公宅水库及皎口水库泄洪对皎鄞区间有较大影响，若上游调洪不当，会加剧皎鄞区间洪涝灾害的发生；区间下游接鄞江，鄞江为感潮河网，当区间发生大洪水与下游高潮相遇的情形，鄞江镇排水条件不利，容易发生洪涝灾害。

表1 樟溪河道资料

图3 皎鄞区间水系图

2.3 模型概化

洪水风险分析模型的建立主要是根据流域的土地利用类型和工程条件，按照水文学和水力学方法分析计算流域洪水演进及汇流过程，并对低洼区域淹没状况进行分析。

根据流域下垫面、河道水系和流域内工程资料，将流域水系概化成由山区、河网、平原和工程组成的体系，流域概化图如 4 所示。

将区域内流域按照分水岭分成山区区域 18 个片区，经过产汇流计算后，为河网模型计算提供上边界。考虑流域特点，产汇流模型主要采用蓄满产流进行计算。

河网是流域输送水流的载体，对洪水进行调蓄和输送。考虑主流樟溪及支流汇水情况，将河道概化为 22 个断面，通过差分圣维南方程组，数值求解断面处的水位流量过程。洪水演进过程中部分断面发生漫堤情况，结合平原剖分网格进行二维水流演进计算，以求得平原区淹没情况。

图4 流域概化图

模型概化后，以山区产汇流过程作为上边界，下边界为鄞江潮位过程，同时在模型构建中考虑闸和堰等内边界的调蓄作用。

2.4 边界设定

计算模型上边界为区间暴雨及上游皎口水库泄洪流量，下边界为潮位过程。

暴雨计算是根据气象部门短临降雨或数值预报结果，预测未来一段时间内降雨的时空分布，作为皎鄞区间的预报计算暴雨过程输入。

由于皎口水库位于皎鄞区间上游，其下泄洪水直接影响皎鄞区间的洪水计算过程。因此，皎口水库的下泄流量过程将作为皎鄞区间洪水风险分析的边界条件。在实际应用中可通过水库洪水预报调度计算得到皎口水库泄流过程。在系统中对结果进行实时集成。

计算考虑潮位顶托对区域排水的影响，利用潮位预报模型和大数据方法进行下边界潮位计算。

2.5 模型验证

模型参数主要包括山区的产汇流模型参数和河道的概化参数和糙率等信息，通过对 2000 年的“桑美”、2005 年的“麦莎”、2007 年的“罗莎”台风进行率定，以确定流域模型参数。为了提高模型的模拟精度和可靠性，使模型更好地应用于洪水风险图编制，本次模型采用“菲特”台风期间洪水过程进行验证。

2013 年第 23 号热带风暴“菲特”由 9 月 30 日4 时在菲律宾附近洋面生成至 10 月 1 日 17 时加强为强热带风暴，3 日 5 时加强为台风，5 日加强为强台风，风力为 14 级，移动方向为西北偏北，后转为西北西，并于 7 日 1 时 15 分登陆福鼎市沙埕镇。之后虽然强度迅速减弱，但此次台风减弱后的低压云团在 24 号台风“丹娜丝”的顶托下，移动缓慢长时间停留在浙江地区造成大范围的强降水。“菲特”台风期间皎鄞区间由于受降雨及上游皎口水库泄流过程影响，区域低洼地段淹没水深较深，受灾严重。

模型验证考虑模型计算输入，包括皎口水库泄流过程及皎鄞区间暴雨洪水过程分析。经过模型计算，钟家潭水位站在“菲特”台风期间，实测与计算水位过程对比如图 5 所示。

图5 “菲特”台风期间钟家潭水位过程计算成果与实测对比结果

由图 5 可知，“菲特”台风钟家潭水位实测过程与计算过程结果趋势基本一致，实测最高水位发生在 2013 年 10 月 7 日 11 时，最高水位为 6.14 m，模型计算结果最高水位为 6.29 m，误差为 0.15 m，最高水位发生时刻一致。

平原区选取岭下村小店对面、后隆桥上游左侧、龙观乡政府后中溪河右边等 3 处淹没水深进行模型验证，采用“菲特”台风期间以上 3 个平原地点最大淹没水深计算结果和实测值进行对比，对比结果如图 6 所示。

由图 6 可知，“菲特”台风期间岭下村小店对面、后隆桥上游左侧、龙观乡政府后中溪河右边最大淹没水深分别为 0.8，0.8 和 0.7 m，计算最大淹没水深分别为 0.88，0.88 和 0.72 m，误差分别为 0.08，0.08 和 0.02 m，淹没计算情况与实测值基本一致。

图6 “菲特”台风期间皎鄞区间平原区计算与实测淹没情况对比结果

由模型验证结果可见，模型模拟误差在合理范围内，模拟精度较高，计算结果合理。

3 系统建设

动态洪水预报是一个需根据最新气象洪水情势进行滚动预报的作业过程，对预报结果及影响情况进行在线自动化分析，并实现动态洪水风险图计算机绘制，辅助提高洪水预报的预见期及防汛减灾科学性。

3.1 动态洪水分析计算

动态洪水风险图绘制系统可通过实时雨水情及气象信息，利用计算模型进行洪水预报及演进模拟，为防汛部门提供更加及时、准确的洪水风险信息，有利于区域防汛减灾决策。

在系统中结合空间地图，通过 Web页面输入预测数据，调用后端计算模型进行在线动态计算，计算完成后读取数据库结果，在线实现洪水风险动态分析计算。

3.2 洪水风险影响分析

对重要控制点水位信息进行洪水分析，主要包括节点名称、所在河道、最高水位、最高水位时刻及水位过程图等分析河道水位是否超警戒等指标。

淹没影响分析：重点区域主要为区政府、市场、医院、学校、工厂、宾馆等保护对象区域，结合其地坪高程分析重点区域中防洪保护对象名称、最大水深、淹没时长等信息，地图上根据颜色深浅按级别展示积水深度。

3.3 洪水风险图动态绘制

结合 WebGIS 功能，通过预设风险图模板，通过系统查询接口获取计算结果数据，实现系统中在线动态绘制出图，根据时间动态绘制风险变化图。

4 结语

对水文学、水力学方法进行耦合开发，通过封装 Web Services 接口建立宁波市海曙区皎口水库下游至鄞江镇区间洪水分析计算模型，为业务系统提供洪水计算服务，经过实例验证模型计算结果满足精度要求。本系统基于 WebGIS 技术进行建设，考虑系统的运行效率，将 WebGIS 响应速度控制在 3 s内，一般查询响应速度控制在 2 s 内，确保系统连续24 h 不间断工作，系统能够在线实现洪水的动态演进模拟及洪水风险图的绘制，可较好地满足实际应用需求，有效提升区域防洪应急管理能力，支撑区域洪水风险管理制度建立，减少人民群众生命财产损失，具有显著的防洪减灾和社会效益。