新疆和田地区山丘区中小河流洪水淹没范围初步研究

2024-02-27肖俊

陕西水利 2024年2期

肖俊

（新疆水利水电勘测设计研究院,新疆乌鲁木齐 830000）

近年来强降雨导致的汛期洪涝灾害频发,我国每年洪水导致的损失约为美国洪灾损失的10 倍[1]。2021 年10 月22日习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会强调,“十四五”是推动黄河流域生态保护和高质量发展的关键时期,要抓好重大任务贯彻落实,力争尽快见到新气象。会议提出的首要任务就是,加快构建抵御自然灾害防线,要立足防大汛、抗大灾,针对防汛救灾暴露出的薄弱环节,迅速查漏补缺,补好灾害预警监测短板,补好防灾基础设施短板。

目前,洪水淹没范围的计算方法大致有四种,分别为水力学公式+空间地形叠加法、一维水力学模型+空间地形叠加法分析计算、二维水力学模型、一二维耦合水力学模型。孙映宏等[2]运用水文—水力学耦合模型对瓶窑站典型洪水进行率定和验证,成功运用到2012 年“海葵”台风的实时预报应用中。赵雪瑞等[3]采用一维水动力学模型对淠河流域洪水预测机型计算,研究成果已用于安徽中小河流洪水预报系统。苏德慧等[4]采用DEM 水力学模型编制深圳市坪山区洪水风险图,提高洪水风险图编制精度和质量。本文基于DEM 水力学模型自主研发编译准二维洪水淹没数学模型（Python 语言进行编译,调用ARCGIS 函数库）来进行洪水淹没数值模拟,对和田山丘区40 条中小河流进行洪水淹没范围模型计算（以奴尔河为例）,采用水力学公式+空间地形叠加法和一维水力学模型+空间地形叠加法进行验证。本文运用自主研发的准二维洪水淹没数学模型,对和田山丘区40 条中小河流进行洪水淹没范围模型计算（以奴尔河为例）,借助于Python 编程语言,开发水动力学计算模型,通过ARCGIS 的模块提取淹没范围及相关参数,与河流的空间地形相叠加,形成不同洪水标准下的淹没范围线。

1 基本情况

1.1 工作目标

基于暴雨时空特征数据、流域及其河道地形地势、沿河村落及城（集）镇、水库、堤防等基础资料,以及遥感影像、基础地理信息数据、山丘区设计暴雨洪水等成果,针对中小河流流域单元,获取中小河流水系及河道地形,分析典型频率洪水和工程超标准洪水淹没情况,绘制洪水淹没范围图。

1.2 工作任务

基于2013 年～2015 年洪水风险图项目中已完成的重点防洪区洪水风险图,水利部组织开展公里网尺度的重点防洪区风险评估与制图。针对我区重要河流且两岸有人居住或农田等防洪保护对象的河段,开展区内重要河流及中小河流（流域50 km2以上）洪水淹没图编制。

资料整理：按照中小河流洪水淹没图编制要求整理资料,绘制工作底图,保证完整性、配套性、合理性。

计算范围确定：以中小河流所在流域为单元,将两岸有人居住或农田等防洪保护对象的河段确定为计算范围。

河道地形处理：在计算范围内合理布设河道横断面,采用已有测量断面成果或提取河道纵横断面数据。

洪水分析：有水库、堤防等防洪工程设计洪水成果的河段,采用相应的设计洪水成果。没有水库、堤防等防洪工程设计洪水成果的河段,采用已有资料或通过分析计算获得典型频率（5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇、50 年一遇、100 年一遇）设计暴雨洪水成果,进而分析各频率洪水淹没情况。

1.3 工作范围

本次和田地区需开展的洪水灾害风险评估区划分工作的河流共计40 条河流,根据和田地区洪水淹没范围图编制河流名录（由和田地区水旱灾害防御中心与自治区水利厅水旱灾害防御中心共同确定）,按照要求精细化处理的河流19 条,简化处理的河21 条,本次工作范围内40 条河流均按照精细化来处理的,其中流域面积1000 km2以上的河流18 条,流域面积1000 km2以下的河流22 条。

计算区域起点：以中小河流干流所在源头向下,至集水面积为200 km2的河段位置,作为计算区域的起点。如果起点以上附近有特别重要的沿河防洪保护目标,应当将其纳入计算范围。

计算区域终点：沿干流向河流下游推进,至集水面积最大3000 km2为止的河段位置,作为计算区域的终点。

计算范围：在起点和终点之间,将面积小于200 km2的主要流域作为计算范围的支流处理；基于起点和终点,并考虑支流情况,确定计算流域,选择所在河道为计算范围。

2 设计洪水分析

根据和田地区洪水淹没范围图编制河流名录（由和田地区水旱灾害防御中心与自治区水利厅水旱灾害防御中心共同确定）,本次和田地区需要开展的洪水灾害风险评估区划工作的河流共计40 条河流,其中流域面积1000 km2以上的河流18 条,流域面积1000 km2以下的河流22 条。

计算原则：采用已有设计洪水成果,根据目前掌握的资料情况及河流的区域特性计算相应河流的设计洪水成果,按照各县市分别介绍每条河流的洪水情况。

3 淹没范围计算

3.1 淹没范围计算原则及方法

和田地区,针对40 条河流的具体情况,采用三种方法开展洪水淹没图制作工作：①水力学公式+空间地形叠加法,主要用于验证基于DEM 水力学模型；②一维水力学模型+空间地形叠加法,主要用于验证基于DEM 水力学模型；③基于DEM 水力学模型（采用自主研发的编制模型）,本次主要采用第三种方法。

3.2 基于DEM 水力学模型构建

3.2.1 准备工作

（1）基础条件

通过Python 和ARCGIS 软件平台,采用Python 语言调用ARCGIS 软件的函数库,借助于Python 编程语言,开发水动力学计算模型,通过ARCGIS 的模块提取淹没范围及相关参数。

（2）边界条件

1∶10000 地形图生成对应河流的DEM,河道中心线（流向）、河道初始边界线。将1∶10000 地形图中的等高线处理之后,选择ARCGIS 中Arctoolbox 的3Danalyst 工具,进行栅格插值,地形转栅格生成DEM,通过已生成的DEM 将河流矢量化,生成河道中心线（流向）,见图1～图2。

图1 1:1 万地形图生成DEM

图2 DEM 生成河道中心线（流向）

3.2.2 计算模块

在Python 平台下的淹没范围计算需要以下几个模块,通过参数设定,对ARCGIS 和Python 要进行一个关联操作：边界线预处理——预处理（边界线）——DEM 水面线计算——水面线网格。

（1）栅格预处理

将DEM 进行加密。

（2）边界线处理

将ARCGIS 平台下的图层文件,包括河道中心线图层和河道范围线图层调入Python 平台下,调整方向,进行预处理。

（3）预处理边界线

将ARCGIS 平台下的栅格文件调入Python 平台下,通过Python 模块生成中间文件（纵横断面）及初始的起始水位的试算。

（4）淹没范围计算（模块构建）

在Python 平台下,编译构建淹没范围模块,基于水动力模型原理的基础上,将不同频率洪水要素的参数调入,通过构建Python 淹没范围模块,计算出栅格格式的水面线,并计算出不同洪水频率下的淹没范围面文件（SHP 文件）及相应的水深、行进流速、淹没范围栅格文件。

（5）栅格文件后处理

对以上计算出的水深、行进流速、淹没范围栅格文件进行处理和修正,使其更加平滑顺畅。

（6）淹没范围单元网格计算

为了与本次的洪水风险区划分软件的输入要素对应字段相匹配（水深、流速、时间）、相衔接,编制Python 模块,生成ARCGIS 的shp 文件（属性字段分别于洪水风险区划分软件要求一致）。

（7）淹没范围单元网格赋值计算

对不同洪水频率下的淹没范围面文件（shp 文件）的单元网格的水深、行进流速的字段属性进行赋值。典型淹没范围计算成果成果要素见图3。

图3 典型河流（和田奴尔河）洪水淹没计算成果要素图

图4 5 年、10 年一遇模型计算和单断面计算的淹没范围

4 淹没范围的成果及初步验证

本次主要采用DEM 水力学模型（通过Python 编制ARCGIS 模块的淹没范围）。目前奴尔有实测大断面资料,选择奴尔河一段为例,以下是不同实测控制断面的水位流量关系曲线,根据不同标准的设计洪峰流量可查出不同标准的设计洪水位。将设计洪水位对应的左右岸水边点坐标（X、Y、Z）导入ARCGIS 中,与河流的空间地形相叠加,形成不同洪水标准下的淹没范围线。计算结果见表1。