馬 濤，呂愛民

(1.遼寧省水利水電科學(xué)研究院，沈陽 110003;2.沈陽市渾河管理中心，沈陽 110011)

1 目的意義

1.1 城市防洪減災(zāi)的重要性

防洪減災(zāi)是人類社會大規(guī)模改造自然、適應(yīng)自然的活動，需要有組織有計劃地進(jìn)行，既要遵循自然界的演變規(guī)律，又要順應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展規(guī)律。防洪減災(zāi)的研究，涉及對洪水風(fēng)險特性及其時空分布規(guī)律的認(rèn)識，對人與自然基于洪水風(fēng)險的利害關(guān)系、以及水災(zāi)成災(zāi)機(jī)理的探討，對防洪減災(zāi)體系、技術(shù)手段及對策措施的發(fā)展與完善等。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于洪水、洪水災(zāi)害與防洪體系、減災(zāi)對策都做了大量的研究，并取得了較豐碩的成果。21 世紀(jì)中，面對防洪形勢的顯著變化與隨社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展而日益提高的安全保障需求，在防洪減災(zāi)領(lǐng)域存在一系列等待解決的熱點、難點問題，同時，也是防洪減災(zāi)領(lǐng)域的學(xué)科建設(shè)提供了發(fā)展的機(jī)遇。

隨著人口的不斷增長，都市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，必將導(dǎo)致城市水災(zāi)模式發(fā)生變化，繼而促使城市水災(zāi)加劇的趨向。盡管各國投入防洪斗爭的人力和財力已相當(dāng)可觀，但每年的洪災(zāi)損失并無明顯的減少，甚至有增無減，而城市的洪災(zāi)損失更是加劇，并隨著城市化的發(fā)展越來越嚴(yán)重。因此，現(xiàn)代城市防洪減災(zāi)問題應(yīng)引起人們的高度重視。因為只有從思想上高度重視，確實把城市防洪減災(zāi)作為城市發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施來抓，才能保障城市穩(wěn)定的發(fā)展，才能保證社會安全和可持續(xù)發(fā)展。

1.2 非工程防洪減災(zāi)措施重要性

總結(jié)我國歷來的城市防洪減災(zāi)的經(jīng)驗和教訓(xùn)，增加投入、重視防洪工程建設(shè)、提高城市防洪標(biāo)準(zhǔn)仍是我國城市防洪減災(zāi)的當(dāng)務(wù)之急。采取多種形式的防洪措施，包括工程、非工程的措施，是當(dāng)今防治洪水、減緩城市水災(zāi)損失的必要手段。

隨著城市化的迅速發(fā)展，城市洪災(zāi)損失有增無減，城市防洪工程措施已不足以解決城市洪水災(zāi)害，促使人們認(rèn)識到單純依靠工程措施防治洪水減緩城市洪災(zāi)損失在資金有限的條件下決非上策，因此，需要探索減少城市洪水災(zāi)害的非工程措施。采用將工程措施與非工程措施有機(jī)結(jié)合的策略，以非工程措施來推動更加有利于全局與長遠(yuǎn)利益的工程措施，輔以風(fēng)險分擔(dān)與風(fēng)險補(bǔ)償政策，形成與洪水共存的治水方略。并提出從“控制洪水”向“洪水管理”轉(zhuǎn)變的觀念，已成為當(dāng)代防洪戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移的重要標(biāo)志與必然趨向。

20 世紀(jì)70年代，美國首先提出采用非工程措施(Non-structural measures)的概念，即通過洪水預(yù)報、防洪調(diào)度、分洪、滯洪、立法、洪水保險、洪泛區(qū)管理以及造林、水土保持等非工程措施來減緩洪澇災(zāi)害，改變損失分?jǐn)偡椒?，加?qiáng)防洪管理，順應(yīng)洪水的天然特性，因勢利導(dǎo)，以達(dá)到防洪減災(zāi)的目的。于是，世界各國在城市防洪減災(zāi)規(guī)劃上同時采用工程措施和非工程措施相結(jié)合，在非工程措施中主要包括:①洪水監(jiān)測;②預(yù)報;③預(yù)警;④調(diào)度;⑤演進(jìn)模擬;⑥災(zāi)情評估;⑦防洪工程體系的隱患監(jiān)測;⑧安全評價;⑨風(fēng)險分析;⑩情景分析與決策支持等高新技術(shù)的運用。在城市防洪方面，尤其注重防洪決策支持系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，單一的洪水預(yù)報、調(diào)度系統(tǒng)過度到防洪決策支持系統(tǒng)是當(dāng)前的發(fā)展趨勢。

1.3 洪水預(yù)報與數(shù)值模擬技術(shù)的重要性

決策支持系統(tǒng)(Decision Support System，簡稱DSS)是信息系統(tǒng)研究的最新發(fā)展成果，是融計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能、管理科學(xué)、決策科學(xué)、心理學(xué)、行為科學(xué)和組織理論等學(xué)科與技術(shù)于一體的技術(shù)集成系統(tǒng)，為決策者提供決策所需的數(shù)據(jù)、信息和背景材料，幫助明確決策目標(biāo)和進(jìn)行問題識別，并對各種方案進(jìn)行分析、比較和判斷，為正確決策提供有益的幫助。

防洪決策支持系統(tǒng)是多種防洪非工程措施的集成系統(tǒng)，以計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)以及3S 技術(shù)等為基礎(chǔ)，通過對各種防汛信息的自動采集、實時傳輸、洪水預(yù)報模擬、綜合分析和智能處理，同時建立完整有效的會商系統(tǒng)，對降雨——徑流——洪水的過程進(jìn)行實時動態(tài)模擬仿真，并快速得出科學(xué)的決策方案，及時、準(zhǔn)確地實施防汛搶險救災(zāi)指揮調(diào)度。防洪決策支持系統(tǒng)是有效地減少洪水災(zāi)害損失的科學(xué)決策方法。

在城市防洪指揮系統(tǒng)建設(shè)中，綜合運用并改進(jìn)洪水仿真模擬技術(shù)、洪水預(yù)警預(yù)報技術(shù)、“3S”技術(shù)、信息系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、動態(tài)規(guī)劃自動尋優(yōu)技術(shù)等，預(yù)測城市下墊面變化情況下的洪澇態(tài)勢、可能的洪水入侵途徑和規(guī)模、暴雨澇災(zāi)影響、評估現(xiàn)有的防洪排澇體系及可能出現(xiàn)的險情，預(yù)測現(xiàn)有水情條件及事故條件下洪水變化以及所造成的新的風(fēng)險;反映并比較在洪水發(fā)生時可能采取的應(yīng)急措施及其風(fēng)險，為防汛調(diào)度決策、應(yīng)急救援、洪水風(fēng)險管理、土地利用等方面提供及時的信息服務(wù)和決策支持。

洪水預(yù)警預(yù)報與洪水演進(jìn)數(shù)值模擬技術(shù)的研究是防洪決策支持系統(tǒng)研究的重要組成部分，也是近年來國內(nèi)外在城市防洪減災(zāi)領(lǐng)域非工程措施研究的熱點和重點內(nèi)容。根據(jù)上游流域雨情和水情預(yù)報城市河流洪水特征，通過預(yù)報作出決策，當(dāng)發(fā)生超防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時，發(fā)布洪水警報，最大限度地節(jié)省人力、物力和財力，對于城市抗洪搶險具有重要意義。

2 洪水預(yù)警預(yù)報技術(shù)研究

2.1 概括

洪水預(yù)報是一項重要的防洪非工程措施，為水庫、河道、流域提供了有效的防洪減災(zāi)手段，可以為決策者提供一定的預(yù)見期。主要包括兩部分內(nèi)容:①預(yù)報方案編制;②預(yù)報系統(tǒng)軟件開發(fā)。結(jié)合渾河沈陽城市段實際情況，編制了洪水預(yù)報方案，并開發(fā)了渾河沈陽城市段洪水預(yù)報與調(diào)度系統(tǒng)，為流域管理單位提供了行之有效的防洪手段。

2.2 預(yù)報方案編制

洪水預(yù)報方案的編制要結(jié)合研究對象的實際情況，以及下墊面的實際情況，采用合適的洪水預(yù)報模型。目前，較常用的數(shù)學(xué)模型有:①流域水文模型:前期影響雨量(API)模型、新安江模型、陜北模型、薩克拉門托(SAC)模型、水箱(TANK)模型、分布式流域水文模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等;②河道洪水演進(jìn)模型:馬斯京根法、特征河長法等;③實時校正模型:自回歸、滑動平均、誤差實時校正、卡爾曼濾波等。渾河沈陽城市段屬于北方地區(qū)，大多采用蓄滿產(chǎn)流模型、相關(guān)線模型，以遼寧指數(shù)模型，本研究采用3 種模型分別進(jìn)行洪水預(yù)報，率定相關(guān)參數(shù)，針對3 種不同模型的結(jié)果進(jìn)行對比分析，為用戶提供更全面的預(yù)報結(jié)果。

2.3 洪水預(yù)報系統(tǒng)

洪水預(yù)報系統(tǒng)是預(yù)報人員的作業(yè)平臺，可有效提高作業(yè)預(yù)報的質(zhì)量和效率。傳統(tǒng)的預(yù)報模式是依靠預(yù)報人員，采用相應(yīng)的水文模型，并人工錄入前期水文信息，然后經(jīng)過繁瑣的人工計算。因此，可靠性與時效性無法得到保證。本研究在洪水預(yù)報方案的基礎(chǔ)上，建立洪水預(yù)報系統(tǒng)，實現(xiàn)水文預(yù)報的智能化計算，為渾河沈陽城市段提供有效的防洪手段。功能組成有:①預(yù)報參數(shù)率定;②降雨量的實時監(jiān)測;③降雨徑流預(yù)報(流域產(chǎn)流計算、流域匯流計算);④河道洪水預(yù)報;⑤實時洪水預(yù)報(實時校正模型);⑥系統(tǒng)管理與維護(hù)。下面對渾河大沈區(qū)間所采用的洪水預(yù)報方案(即預(yù)報數(shù)學(xué)模型建模)，以及洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，該系統(tǒng)的預(yù)報方案編制見表1。

表1 預(yù)報方案模型統(tǒng)計表

渾河大沈區(qū)間洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖見圖1。

3 洪水演進(jìn)數(shù)值模擬技術(shù)研究

3.1 洪水演進(jìn)數(shù)值模擬技術(shù)概括

我國是洪水頻發(fā)國家之一，在洪水到來之前能夠及時準(zhǔn)確模擬洪水的淹沒路徑、時間、范圍的要素是非常重要的。洪水不僅在河道、水庫內(nèi)演進(jìn)，更為重要的是在洪泛平原上漫溢，進(jìn)而致災(zāi)。洪水三要素(包括洪峰、流量和歷時)只能表征洪水的大小，不能表征洪水對區(qū)域影響的強(qiáng)烈程度。對于泛濫的洪水而言，水深、歷時、沖擊力、等淹沒指標(biāo)，才能用以評估洪水災(zāi)害對城市造成的損失。目前采用比較多的洪水演進(jìn)數(shù)值模擬方法都是采用水力學(xué)模型，是基于物理模型與黑箱模型之間的概念性模型，既涵蓋物理模型具有模擬自然狀態(tài)的優(yōu)點，又涵蓋黑箱模型的簡化計算過程的優(yōu)點。目前，主要有一維數(shù)學(xué)模型、二維數(shù)學(xué)模型和三維數(shù)學(xué)模型，下面分別進(jìn)行介紹。

3.2 模型簡介

一維數(shù)學(xué)模型是發(fā)展最早，也是最簡單的數(shù)學(xué)模型，主要是模擬洪水的過程變化。

平面二維洪水演進(jìn)模型，即二維圣維南方程組模型。建立模型的具體內(nèi)容:

1)選用二維非恒定流雙曲線型偏微分方程組為基本控制方程;

2)用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格對計算域進(jìn)行剖分;

3)用有限體積法與有限差分法相結(jié)合的方法來離散控制方程(包括河道型、灘地型和阻水建筑物型);

4)初始條件和邊界條件，其中邊界條件主要包括周邊界條件、開邊界條件和內(nèi)部邊界條件，還有動邊界處理;

5)考慮沖淤計算，結(jié)合泥沙數(shù)學(xué)模型作河床變形定量預(yù)測。

圖1 渾河預(yù)報系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.3 洪水演進(jìn)的三維仿真模擬

以往數(shù)模與物模相比，其缺陷是不直觀。利用洪水演進(jìn)模型與數(shù)字流域技術(shù)相結(jié)合來對流域的洪水演進(jìn)實現(xiàn)模擬仿真可以克服這一點。目前，已經(jīng)有一些比較成熟的洪水預(yù)報演進(jìn)模型，對防洪決策起了重要的參考作用，但還停留在數(shù)值計算階段，其預(yù)報結(jié)果粗糙晦澀。常規(guī)的分析手段，如水位變化過程線、流速(流量)變化過程線、瞬時等深線和流場圖等已不能滿足當(dāng)前數(shù)學(xué)模型發(fā)展和水利信息化的要求。

1990年以來，利用GIS 技術(shù)為手段進(jìn)行洪水淹沒研究一直是一個研究熱點，但大多數(shù)的研究仍然是基于二維平面的GIS 技術(shù)，主要是采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫對實體的幾何關(guān)系進(jìn)行管理，三維仿真功能非常有限，因而無法準(zhǔn)確地反映地形的坡度、坡向、洪水的流向和洪水的演進(jìn)過程等。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是計算機(jī)仿真技術(shù)的進(jìn)步，大范圍地域的三維場景仿真已經(jīng)成為可能。將仿真技術(shù)應(yīng)用于洪水預(yù)報演進(jìn)領(lǐng)域，實現(xiàn)近似真實的流域洪水預(yù)演，應(yīng)用仿真技術(shù)將預(yù)報預(yù)測結(jié)果真實重現(xiàn)，建立虛擬的洪水演進(jìn)仿真系統(tǒng)為輔助決策提供強(qiáng)有力的支持。

洪水演進(jìn)仿真模擬系統(tǒng)是一套虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，是基于三維流域地形模型，從二維洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果中提取洪水流動信息，按照時間的先后順序，創(chuàng)建一系列的洪水表面層，用來反映水深、流速和水流方向等的動態(tài)變化過程。然后，在流域三維地形與景觀的基礎(chǔ)上疊加顯示演進(jìn)的分析模擬結(jié)果，形成一種逼真的水流流動效果，實現(xiàn)流域水情的動態(tài)三維仿真，對城市的防洪減災(zāi)進(jìn)行決策支持以及水科學(xué)的推廣都具有重要意義。

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