“22·06”韶关城区洪涝模拟研究

林焕新，牟丽琴，雷保聚

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；2.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610；3.广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510635；4.韶关市水务局，广东 韶关 512026)

0 引言

受全球气候变迁和人类活动影响，以及城市化水平提高，近年来我国极端天气事件增多，各城市因局部强降雨造成的洪涝灾害频发[1]。2022年6月北江流域发生特大暴雨洪水，5月21日—6月21日“龙舟水”期间，韶关市全市平均降水量847.2mm，较历史极值(1954年552.2mm)增加53.4%；经上游水库调节后，韶关城区洪峰流量仍超过20年一遇，造成堤防漫溢和暴雨洪涝灾害。仅2022年6月19日韶关(曲江)国家气象站3、6、12、24h降水量均突破1951年建站以来的历史记录。其中6h最大雨强247.8mm(此前历史极值135mm，增幅84%)、12h最大雨强264.1mm(此前历史极值155.5mm，增幅70%)、24h最大雨强300.2mm(此前历史极值208.8mm，增幅44%)。创纪录和突发性暴雨造成韶关市严重的洪涝灾害损失，并引起社会的关切。受持续强降雨影响，6月21日15时韶关(二)站出现56.86m的洪峰水位，模型计算流量9094m3/s，超20年一遇标准(8900m3/s)，仅次于2006年“7·15”洪水。本次洪涝模拟研究以韶关城区为研究对象，结合流量、水位、降雨、地形、影像等数据，通过构建韶关城区暴雨洪水二维模型模拟韶关本次暴雨洪水过程，为后续防洪减灾方案的制定和流域城市防洪排涝规划修编提供技术支撑。

1 模型构建

1.1 模型软件简介

HEC-RAS(River Analysis System，河道水力分析模型)，由美国陆军工程师兵团(USACE)水文工程中心(HEC)开发，1995年发布基于Windows风格的HEC-RAS1.0，用于取代Dos时代的HEC-2。HEC-RAS可进行一维恒定流和非恒定流的河道水力模拟和水质计算[2]。该软件普遍用于国外防洪规划、风险评估和淹没分析，2013年HEC-RAS入选国家防办公布的重点地区风险图编制项目软件名录，在河流洪水演进模拟[3]、水面线计算均有广泛的应用。2015年发布的HEC-RAS5.0版本加入二维计算模块，能实现一二维连接计算，纯二维计算，降雨产汇流计算等[4-6]，同时该软件具有较强的开放性，与遥感、GIS软件和雷达卫星数据交互性较好[7-8]。2023年已经更新至6.4版本[9]。

1.2 洪涝模型构建

1.2.1建模范围

建模范围主要是浈江新韶站、武江犁市站至北江孟州坝的河道和中心城区的汇流区域(如图1所示)，考虑到孟州坝对城区的壅水影响，进一步将北江下边界下移25km至濛里坝上。二维计算面积约189km2，计算河道总长60km。

图1 模型研究范围

1.2.2陆地河道地形嵌套

考虑河道水面线、洪水漫堤和暴雨淹没的情景，本次采用不同精度的DEM数据，城市陆地采用10mDEM、滨河带采用2.5mDEM，河道内地形采用1∶500大断面数据插值成2.5mDEM，按照河道内、滨河带、陆地的顺序进行嵌套处理。

1.2.3网格布置和加密

模型计算网格42万，进行网格剖分时考虑滨河带和河道内堤防、沙洲、水工建筑物作为网格剖分的约束条件。其中，城市陆地网格尺寸30m×30m，滨河带网格尺寸5m×5m(沿堤线布置)，河道内网格尺寸20m×20m(顺水流布置)，以满足河道内行洪、滨河带洪水漫堤、陆地雨水产汇流和内涝积水等需求，三者网格如图2所示。河道内糙率根据实测洪水流量水位进行率定验证，陆地糙率根据建筑物、道路、植被等不同土地类型相应赋值。

图2 模型网格示意图

1.2.4水工建筑物

孟洲坝电站闸坝共12孔，泄洪闸净宽192m，为宽顶堰，堰顶高程42.74m。在二维计算水闸的泄流能力、壅水程度结合孟洲坝电站设计阶段成果进行复核后给定相关参数。

1.3 模型率定和验证

1.3.1边界条件

上边界选用浈江新韶站、武江犁市站实测流量，下边界选用濛里坝上实测水位，支流采用龙归水龙归站和马坝河马坝站的实测流量。孟州坝上游中心城区采用同期降雨，计算区间产汇流，考虑区间产汇流面积较小并经对比城区多个站点雨量过程，直接采用韶关水位站观测逐时雨量过程。模型模拟时间为2022年6月19—22日，共4d。

1.3.2外江水位、流量率定

采用上述时段，对浈江新韶站、东河桥站，武江犁市站、西河桥站，北江韶关站、孟州坝上水位进行率定；采用2008、2012、2016年洪峰计算时段进行验证。率定、验证如图3—12所示，率定峰值水位误差小于10cm，3场洪水验证峰值水位误差小于20cm，水面线计算基本合理。韶关站现状无流量监测，水文部门演算韶关站洪峰流量9320m3/s，本次模型计算流量9094m3/s，相差较小、仅2.5%。

图3 韶关站水位率定图(2022年6月19日08时—22日08时)

图4 新韶站水位率定图(2022年6月19日08时—22日08时)

图5 东河桥站水位率定图(2022年6月19日08时—22日08时)

图6 西河桥站水位率定图(2022年6月19日08时—22日08时)

图7 孟州坝坝上水位率定图(2022年6月19日08时—22日08时)

图8 韶关站流量计算成果图(2022年6月19日08时—22日08时)

图9 孟州坝入库流量率定图(2022年6月19日08时—22日08时)

图10 韶关站水位验证图(2008年6月13日18时—15日06时)

图11 韶关站水位验证图(2012年6月24日6时—25日12时)

图12 韶关站水位验证图(2016年3月20日12时—24日12时)

1.3.3城区洪涝点淹没点水位验证

结合模型计算结果，对城区主要洪涝淹没点水深进行实地调查，见表1。从表1可以看出，除个别点位误差较大之外，总体上计算水深与实际淹没水深较为吻合，其中洪水淹没部分相差一般小于0.1m，内涝淹没部分相差相对较大，最大误差30%，平均相对误差约为11%，计算结果总体合理。

表1 城区典型淹没区域调查结果与计算结果对比

1.3.4航拍影像验证

6月21日洪水实测水位过程显示，韶关中心城区一带包括东河桥、西河桥、韶关站和孟州坝洪峰水位最高期间(15—19时)，水位随时间变化幅度很小，韶关站逐时差分别为5、3、3、17cm，因此期间的航拍影像是洪痕和最大淹没范围验证的重要手段，结合分辨率2.5m DEM的高程分析、实地调查和模型计算，可相互验证洪痕水位的合理性。

以韶关市龙洲岛为例，在岛东侧斜坡进行淹没调查，从斜坡淹没淤积线，结合21日15时许航拍地形和最新地形图，估算图13红线位置洪峰水位为55.7m，与图14模型计算55.8m相差在10cm内。图13—15中，不仅龙洲岛，百旺桥东侧转盘的附近整体淹没形态计算也与航拍影像相似。

图13 龙洲岛及周边6月21日15时许航拍图

图14 龙洲岛及周边6月21日15时模型计算淹没图

图15 龙洲岛现场洪痕调查

2 模型成果分析

2.1 考虑和不考虑降雨对汇流量的影响

如图16所示，对应韶关城区附近两次较大降雨过程，韶关城区先后两次在6月19日17时左右和6月21日15时左右出现洪峰流量和水位。为分析洪涝成因，本次拟定了中心区间降雨和不降雨两种工况。考虑中心城区降雨较不降雨，下游孟州坝站洪峰流量增加了205m3/s，且整体峰现时间提前。图16表明，洪峰变化与降雨叠加过程较为匹配。

图16 韶关城区下游孟州坝洪峰和降雨过程(m3/s，mm)

2.2 洪涝淹没影响分析

中心城区降雨和不降雨两种工况计算成果如图17(a)(b)所示。根据模型计算结果比对，结合地形和航拍影像分析和现场调查，洪涝淹没区主要分为以下3类：

图17 韶关城区洪涝灾害分布图

(1)洪水漫溢淹没区。如图17(a)所示，在不考虑市区降雨工况，洪水主要淹没区是因为堤防漫溢且堤后低洼的区域，包括浈江东岸执信小学附近，浈江武江汇合口海关附近，武江西岸青少年宫附近，北江东岸北江绿化广场、南郊、百旺大桥转盘附近。调查执信小学附近最大淹没水深2.6m(如图18所示)。

图18 浈江南路执信小学一带洪痕(调查淹没水深2.6m)

(2)涝水淹没区。如图17(b)所示，考虑中心城区降雨的工况，在内陆洪水位以上区域或者受堤防保护的区域，包括工业西路、工业中路、浈江中等职业学校等，由于局部地形低洼，特大暴雨期间排水不及造成严重内涝。调查工业中路欣美缘屋涝水淹没水深1.5m(如图19所示)。

图19 工业中路欣美缘屋一带涝水淹没痕迹(调查淹没水深1.5m)

(3)洪水顶托排涝不畅的淹没区。主要位于滨江带，由于外江水位基本接近堤岸高程左右，暴雨汇集同时产生严重的内涝影响，如：碧水花城、南郊、百旺大桥转盘东侧等区域，总体淹没水深相对较小，如碧水花城、南郊滨江带淹没水深总体在0.5m以内。

3 结论与展望

采用HEC-RAS模型软件构建了韶关城区二维暴雨洪涝模型，对韶关市北江“22·06”特大暴雨洪水进行了洪涝模拟分析，模拟中心城区外江水位过程和内涝积水情况，结论如下：

(1)基于HEC-RAS构建的韶关城区二维暴雨洪涝模型计算结果总体上与实际情况较为吻合，外江水位站实测和计算最高水位小于10cm，因洪水漫溢和内涝产生的淹没水深调查值和计算值平均相对误差约11%，能够用于支撑相关调查和分析工作，可作为防洪排涝规划的重要技术支撑。

(2)基于实测水位过程、高精度DEM和航拍洪峰期间洪水淹没情况，结合HEC-RAS的二维分析和展示功能，可以验证模型计算的合理性和改进计算精度。

(3)模拟计算的城区严重洪涝淹没点与实际调研基本一致，结合HEC-RAS开放、便捷的淹没绘制功能和自带的GIS分析计算功能，可满足相关分析要求。或是进一步加强与ARCGIS等软件的交互输出等功能[10]，可为防洪风险图的编制提供便利的解决方案。也为制定系统性、综合性的防洪规划方案和措施提供有力支撑[11]。

(4)相较于如SWMM在城市内涝应用较为广泛[12]，HEC-RAS尚未加入管网计算模块，本次在韶关城市内涝模拟计算取得较好的效果，与洪水位接近地面水位甚至漫越堤防、管网顶托排水困难有较大的关系。后续需要加强HEC-RAS与其他管网计算功能耦合应用的研究。