基于IFMS的青衣江洪雅县城区段洪水风险分析

黎 恺，金 涛，张新华

(1.四川省水利规划研究院，四川 成都 610072；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065)

洪水是我国频繁发生的自然灾害之一[1-2].近年来，随着社会经济的发展，洪涝灾害严重威胁了人民群众的生命和财产安全，国家对于城市防灾减灾高度重视，因此不论是城市防洪还是相应的水安全保障工作都任重道远.当前，不论是大江大河还是中小河流，都存在着一些防洪薄弱环节，因此对江河附近的城镇等人口密集区展开洪水淹没风险分析尤为重要.通过对研究区域洪水情况开展实地调查研究，进行洪水风险分析计算，并根据计算结果采取必要的工程及非工程措施，不仅能够有效避免或减轻洪水灾害带来的损失，同时也能为防洪减灾工作提供一定的技术支撑[3].

1 研究区域概况

洪雅县是四川省眉山市下辖的一个县城，辖区面积1 896 平方公里.由于多条河流汇集于此，因而常年受洪灾影响，为省属重点防洪县，县境内有防洪需求的主要有洪川、三宝、罗坝、中保、止戈等9 个乡镇.洪雅县主城区为洪川镇，位于青衣江以北，辖区面积79.2 平方公里.全县有青衣江、周公河、硝水河、花溪河等大小河流330 条，防洪形势严峻，青衣江为境内最大河流，青衣江洪雅段总长58.3 公里.洪雅县流域水系分布如图1所示.

图1 洪雅县流域水系示意图Fig.1 The sketch of the Hongya County River system

2 研究方法及模型构建

2.1 研究方法

眉山市洪雅县城区段洪水主要来源为青衣江干流及其支流.针对这一特征，本次研究选取一、二维水动力学模型模拟研究区域的洪水演进过程[4-6].通常洪水计算分为两大部分，一部分是河道的洪水演进过程，另一部分是淹没区的洪水演进过程的计算，操作十分复杂[7-10]，为了在提高效率的同时保证计算结果的稳定可靠，本研究在进行洪水分析计算时主要利用IFMS/Urban 建模软件及分布式水文模型FFMS，以水动力学和水文水力学方法为主构建洪雅县城区段的洪水分析模型.

1)河道一维模型

对于一维河网的洪水演进过程通常采用下式来描述:

在公式中:x表示的是河段长度，t表示洪水演进时间；Q为经过河道断面的流量；A是面积；α为相应的修正系数；K是流量系数；q为侧边支流的汇入流量；vx为汇入的流量沿着水流方向流速的分量.

2)二维模型

对于二维模型，主要采用动态马斯京根法表示河道洪水演进[11-12].一般来说天然河道里的洪水都是非恒定流，这也就意味着各种水力要素会随着空间和时间的变化而变化.在没有旁边侧向支流汇入的情况下，其主要形式如下:

在公式中:t表示洪水演进时间；A是过水断面面积；Q表示的流量；L为与河道之间的距离；Z代表的是水位；v为断面平均流速；g为重力加速度；Sf是摩阻比降.

为了方便计算，本次研究将原来的连续性方程进一步简化成水量平衡方程，同时也对动力方程做出简化，改为动态马斯京根槽蓄方程，最后将两个方程合并求解即可推算出河道下断面的出流过程，用下式描述:

在公式中:Qr，1、Qr，2分别代表的是时段开始和结尾时上断面的流量；Qc，1、Qc，2分别代表的是时段开始和结尾时下断面的流量；△t为时长；q1是时段初区间入流量，q2为时段末的区间入流量；S1为时段初的蓄水量，S2是时段末河段的蓄水量；K为传播时间；x为相关因子，一般取值为0～0.5.

3)模型耦合

在构建最终的洪水分析模型时，一般会开展模型耦合工作.通常的做法是把构建好的一维模型和二维模型耦合关联在一起.常见的模型耦合方式主要有两种，分别是顺向正连接和偏向侧连接，一二维耦合连接示意图如图2所示.所谓的顺向正连接就是水流只在河道入口和出口两端与二维区域进行水量交换，对于这种连接方式最关键的是要确定好连接处两个模型的边界条件.而偏向侧连接就是河道水流在侧边与二维区域进行水量交换，对于这种连接关键是要计算好两个模型在耦合边界处交换的水量.

图2 一二维耦合连接示意Fig.2 Two-dimensional coupling connection schematic

2.2 模型构建

1)建模范围确定

综合考虑青衣江洪雅段干支流、编制单元分布以及基础资料条件等实际情况，以水文水动力学方法为主构建青衣江干流洪雅段一二维耦合水动力洪水分析模型.建模范围起点为上游槽鱼滩水库，终点为青衣江出洪雅县断面，青衣江干流洪雅段建模范围如图3所示.

图3 青衣江干流洪雅段建模范围示意图Fig.3 Schematic diagram of the modeling area of the Hongya County section of the main Qingyi River

一维模型的建模范围选择青衣江干流洪雅段以及区间汇流的主要支流，共计4 265 个河道断面，其中青衣江干流洪雅段河长85.3 km，河道断面1 363 个.二维模型建模范围结合实际地形、沿河城镇分布情况，最终选取青衣江干流洪雅段左右岸4 km～10 km范围，面积约939.5 km2.对重要城镇及河流两岸网格进行加密，网格尺寸50 m.

2)模型构建及网格剖分

运用Mesh2D 插件对勾勒的建模范围依次进行子区域生成及网格剖分，共计剖分网格数约46 万个，网格尺寸为50 m，对重要城镇及河流两岸网格进行加密(网格尺寸20 m).将剖分好的网格导入IFMS 软件进行建模，对干支流河道断面分别进行左右岸堤顶设置，并进行交汇处的节点概化和一二维耦合连接设置，建模情况如图4所示.

图4 青衣江干流洪雅段一二维耦合水动力模型示意图Fig.4 The sketch of a two－dimensional coupled hydrodynamic model for the Hongya section of the main stream of the Qingyi River

3)边界条件及参数设置

河道上游采用青衣江干流不同重现期设计洪水成果或实测洪水过程，如图5所示，下游采用出口断面水位流量关系曲线，如图6所示.一维河道糙率采用青衣江2020年8月16日到8月18日实测洪水过程率定(0.028～0.035)，二维河道糙率根据不同土地利用类型设置.设计洪水成果采用洪雅水文站的成果，如表1所示.

表1 洪雅水文站设计洪水成果表Table 1 Design flood result table of Hongya hydrologic station

图5 青衣江干流各频率设计洪水过程曲线Fig.5 Design flood process curves for the Qingyi River mainstream at various frequencies

图6 青衣江干流洪雅段水位流量关系曲线Fig.6 Stage-discharge relationship curve of the Hongya County

3 洪水淹没分析

3.1 淹没分析计算

通过将所建模型导入IFMS 软件中，设置不同重现期下的时间序列和边界条件，通过计算可得出结果.将所得结果shp 文件导入ArcGIS 软件中，以最大水深为条件进行分级色彩可视化操作，最终得到洪雅县城区段不同重现期洪水淹没情况示意图，如图7所示.

3.2 成果合理性分析

1)水文站点实测数据验证

模型采用青衣江2020年8月16日到8月18日洪水过程进行率定(青衣江100年).采用洪雅水文站实测洪水过程模拟洪水淹没情况，三个洪峰过程模拟效果较好，洪峰流量误差均不超过2%，洪雅站最大水位误差基本小于0.2 m.可见，计算结果比较合理可靠.成果合理性分析验证结果如表2所示.

表2 成果合理性分析验证表Table 2 Results rationality analysis validation table

2)现状堤防防洪能力验证

根据青衣江干流现状堤防分布及防洪标准，对沿洪雅县城区段进行模型结果的合理性分析.眉山市洪雅县城区段堤防现状防洪能力为20年一遇洪水重现期，如图8所示.对比计算出的10－100年洪水淹没情况，可以看出洪雅县20年一遇以下洪水几乎不会越过堤防，部分薄弱段会有洪水漫溢，超过20年一遇洪水则会翻堤，部分河段由于地势较高，淹没范围较小.通过分析可知计算结果合理可靠，与实际发生情况基本相符.

图8 洪雅县城区段堤防示意图Fig.8 Schematic of the Hongya County city section of the levee

4 结论与建议

本文以眉山市洪雅县城区段作为研究区域，利用IFMS 软件模拟计算了青衣江不同重现期下的洪水淹没情况，并运用ArcGIS 对计算结果进行展示.计算结果显示，洪雅县城区段堤防能够有效抵御青衣江20年一遇及以下重现期洪水，局部段可以抵御30年一遇重现期洪水；但对于50年一遇重现期及以上洪水，城区段淹没范围较大，尤其是百年一遇洪水，城区淹没过半.

由于青衣江洪水频发，洪雅县作为青衣江沿岸的城镇人口密集区域，防洪减灾工作尤为重要.结合分析计算结果并结合洪雅县实际情况，建议对区域内开展全面的洪水风险隐患排查，加固修缮薄弱段，对原有堤防尽可能地进行加高并结合河道疏浚等综合治理措施，不断提高洪水防御能力，同时也要不断完善非工程措施，通过工程措施与非工程措施相结合，提高县城防洪能力.