趙丹丹，桑玉昆，王水源，徐建剛

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 校區(qū)發(fā)展與基本建設(shè)處，南京 210007；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 白馬教學(xué)科研基地建設(shè)辦公室，南京 210007；3.南京大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，南京 210093)

1 引 言

從自然災(zāi)害發(fā)生的時空強度以及對人類生存與發(fā)展的威脅程度而言，洪水災(zāi)害是各種自然災(zāi)害之首[1-2]。南京市南部寧鎮(zhèn)山脈區(qū)域地形較為復(fù)雜，面積較小的中小流域較多，調(diào)蓄能力差，且洪水陡漲陡落，加之臺風和風暴潮等海洋災(zāi)害影響顯著，隨著城市化進程加速，洪水危害日趨加劇，導(dǎo)致嚴重的人員傷亡和大量財產(chǎn)損失；同時，受全球氣候變化、海平面上升和地面沉降等影響，洪澇災(zāi)害水平顯著增加。這一地區(qū)洪水主要發(fā)生在流域中上游沖積平原上，在防洪決策過程中，對未來洪水形勢預(yù)測同時，要對洪水風險及其危害程度作出評價，以便作出正確防洪減災(zāi)措施。該地區(qū)城鎮(zhèn)化迅速，土地利用方式變化較快，河流、道路及防汛工程不斷變化，從而改變洪泛區(qū)淹沒范圍，因此對雨洪影響分析顯得十分重要。

目前平原區(qū)洪水淹沒模擬研究，大多采用二維水動力方程數(shù)值計算方法，動態(tài)模擬洪泛區(qū)洪水淹沒變化，該計算由于涉及到下墊面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和邊界資料，資料收集和更新都較為困難，研究受到一定的限制[3-5]。而GIS技術(shù)和遙感技術(shù)的發(fā)展為洪水分析帶來便利，GIS技術(shù)能提取下墊面資料，遙感信息能實時更新下墊面資料和監(jiān)測洪水淹沒范圍。

20世紀90年代以來，利用GIS技術(shù)為手段進行洪水淹沒分析一直是一個研究熱點，初期大多數(shù)的研究仍然是基于二維平面的GIS技術(shù)[6-7]。隨著GIS技術(shù)和遙感技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)研究逐漸將三維地形技術(shù)與二維GIS技術(shù)結(jié)合，采用種子蔓延模型算法等進行有源淹沒和無源淹沒的洪水淹沒區(qū)域模擬，并進行三維可視化的表達[8-10]。但已有研究較多集中在給定水位或洪量情況下的淹沒分析，徑流模擬集中在大區(qū)域水力演進模型的非穩(wěn)定流計算方法[11]，缺乏對小流域徑流過程和洪水淹沒的分析。本文結(jié)合GIS水文分析模型中的微流域劃分，針對微流域徑流過程模擬，采用近似穩(wěn)定流水文模型算法分析小流域洪水淹沒情況。

本文選取南京農(nóng)業(yè)大學(xué)白馬教科基地為例，以GIS和遙感信息為主，借助歷史水情數(shù)據(jù)庫和流域社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫，結(jié)合暴雨徑流匯水過程，實現(xiàn)了暴雨徑流量、流速和水深等參數(shù)的模擬計算。根據(jù)該結(jié)果可以進行洪水淹沒和洪災(zāi)分析，實現(xiàn)雨洪控制，從而為教科園區(qū)的防洪排澇規(guī)劃提供有力支持，以期為其他地區(qū)雨洪控制提供科學(xué)參考。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)白馬基地位于溧水區(qū)東南部，是中國有機農(nóng)業(yè)重鎮(zhèn)，江蘇省最大的有機農(nóng)業(yè)示范基地。白馬教科基地水系密布，以漢湖為水系核心(圖1)，基地周邊地形為南高北低，基底西北部為山區(qū)，內(nèi)有龍王廟水庫(26.63m3×104m3)，以防洪為主，基地西南部為貫莊水庫(229.16m3×104m3，集水面積5km2)，基底西南為老鴉壩水庫(正常庫容為487m3×104m3，集雨面積為18km2)。三小型水庫均以防洪，灌溉為主要目的，并通過河道和自然地表漫流匯聚至基地內(nèi)，再從北邊流出。研究區(qū)當洪水泛濫時，水流擴散，受平原地區(qū)微地形影響，行洪速度緩慢，當遭遇臺風等天氣時，降雨歷時較長，則可能由于內(nèi)河洪水排泄不暢，導(dǎo)致較大范圍洪澇災(zāi)害。

圖1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)白馬教科基地概況

2.2 研究數(shù)據(jù)來源

根據(jù)研究區(qū)1∶500地形數(shù)據(jù)生成基地DEM，后通過國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫中全國30m×30m精度的DEM對基地外圍地形進行補充完善。

3 研究思路與方法

3.1 研究框架圖

通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建研究區(qū)DEM、DTM模型，運用ArcGIS水文分析功能對基地雨洪匯水空間的微流域特征進行劃分。通過對微流域降雨徑流過程進行分析，選取強降雨長歷時徑流處于穩(wěn)定流下的微流域匯水情況進行研究。在滿足研究條件下采用產(chǎn)流經(jīng)驗公式及曼寧-謝才公式對研究區(qū)降雨徑流量及典型斷面流速及水深進行測算，對研究區(qū)的洪水風險進行評估，并提出相關(guān)區(qū)域的防洪建議。研究思路框架圖如圖2。

圖2 研究分析框架圖

3.2 基于DEM微流域劃分的雨洪匯水空間特征分析

3.2.1 基地及周邊DEM、DTM模型構(gòu)建

(1)將研究區(qū)域的1∶500地形圖AutoCAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中，運用ArcGIS矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，從全要素地形圖中分離出了帶有高程屬性值的等高點與等高線矢量圖層；

(2)運用ArcGIS 三維分析(3D Analyst)模塊，將等高線和高程點作為集合點(mass points)，水系作為硬斷線(hard line)，用Create TIN命令生成不規(guī)則三角網(wǎng)，再用Covert TIN to Raster轉(zhuǎn)換為規(guī)則格網(wǎng)，即數(shù)字高程模型(DEM)；

(3)以DEM為基礎(chǔ)，運用ArcGIS空間分析擴展模塊(Special Analyst)，可進行數(shù)字地形分析(DTA)，提取包括斜坡因子(坡度、坡向等)、面積因子(表面積、投影面積、剖面積)和面元因子(相對高差、粗糙度等)等基礎(chǔ)地形因子，生成各個因子的獨立圖層。從而，完整地建立了場地的數(shù)字地形模型(DTM)。

3.2.2 基于DEM的微流域劃分

利用水文分析工具通過構(gòu)建的DEM提取地表水流徑流模型的水流方向、匯流累積量、水流長度、河流網(wǎng)絡(luò)等對研究區(qū)的流域進行分割，通過對這些基本水文因子的提取和基本水文分析，可以在DEM表面之上再現(xiàn)水流的流動過程，最終完成水文分析工程。其主要過程包括：利用DEM作為數(shù)據(jù)源，模擬水的流向，生成區(qū)域匯水線；將匯水線連接成河網(wǎng)，生成集水區(qū)；根據(jù)匯水線的水流方向，將生成的微匯水區(qū)進行合并，得到適合的微流域劃分結(jié)果，得到最終的流域水系的匯水空間關(guān)系特征，為進一步判斷基地洪水威脅提供基礎(chǔ)。

3.3 匯水區(qū)降雨徑流過程分析

降雨徑流過程可以分為兩個階段：一是產(chǎn)生凈雨(徑流深)過程；二是產(chǎn)生徑流(洪水)過程。而徑流形成過程就是降水在流域中的再分配與運動過程，實質(zhì)上講，該過程是流域下墊面對降水的再分配過程，這個過程一般可分流域蓄滲過程、坡面匯流過程和河網(wǎng)匯流過程的三個階段。我國南方濕潤地區(qū)降雨形成徑流的條件主要是降雨量超過土壤缺水量而產(chǎn)生徑流，即降雨量補足非飽和帶缺水量之后全部形成徑流，為蓄滿產(chǎn)流[12]。

由降雨過程分析可知，降雨初期，雨水下滲及填洼，徑流系數(shù)接近于0；到某一初始時刻開始形成地表徑流，匯水線開始收集雨水，此時徑流系數(shù)從0開始增大；當非飽和帶達到水量飽和時，單位時間內(nèi)產(chǎn)流量與降雨量的比值保持恒定，即徑流系數(shù)趨于穩(wěn)定。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究，考慮到坡度和覆蓋不完全的情況，徑流系數(shù)在降雨歷時達到30分鐘以后即達到蓄滿產(chǎn)流后將普遍增大[13]。

3.4 匯水區(qū)強降雨流量及流速計算模型

3.4.1 流量

小流域因為水文資料缺乏，因此在實用中制定了一套應(yīng)用于小流域的簡化計算方法，即在一般不考慮暴雨在流域面上的不均勻性，根據(jù)一個時空均勻分布的設(shè)計暴雨過程來推求設(shè)計洪水。當降雨使得非飽和帶達到水量飽和時，產(chǎn)流量與降雨量比例恒定，即滿足流域上產(chǎn)流強度在時間上和空間上保持恒定不變，則在dt時間內(nèi)，產(chǎn)流量dw也是常數(shù)，計算公式如下：

dw/dt=0.278(a-μ)S

(1)

其中，S為流域面積(km2)；a、μ為暴雨強度和損失強度(mm/h)；dw/dt為單位時間的產(chǎn)流量(m3/s)；0.278為單位換算系數(shù)，即1/3.6。

單位時間的產(chǎn)流量散布在全流域面上，并非同時匯集于出流斷面，只有當產(chǎn)流歷時等于匯流歷時時，單位時間的出流量等于產(chǎn)流量，即此小流域水流達到全域穩(wěn)流狀態(tài)。GIS劃分每個微流域徑流上端到計算匯流點的距離一般不超過2km，1小時內(nèi)基本能達到穩(wěn)流狀態(tài)，因此暴雨歷時超過1小時后可以按照推理公式進行計算。在應(yīng)用推理公式計算指定頻率p的設(shè)計洪峰時，流域面積是常定不變的，損失強度一般變化不大，因此關(guān)鍵在于確定設(shè)計暴雨強度。暴雨強度是暴雨時段t的函數(shù)，因此必須確定時段t。設(shè)計暴雨時段t大于匯流時間時，則可以得出下式[14]：

Q_(m,p)=0.278×ψ×a_(τ,p)×S

(2)

其中，Q_(m，p)為子流域匯水量(m3/s)；a_(τ，p)為降雨強度(mm/h)；S為子流域匯水面積(km2)；ψ為綜合徑流系數(shù)，綜合徑流系數(shù)與下墊面情況、降雨歷時、降雨強度相關(guān)。

式(2)中的暴雨強度通常運用暴雨強度計算公式計算，規(guī)劃區(qū)采用南京市建筑設(shè)計院數(shù)理統(tǒng)計法編制的南京暴雨強度計算公式，此公式經(jīng)過長期的降雨統(tǒng)計資料分析，具有較高的可信度。

a_(τ,p)=(2989.3(1+0.671lgT_E))/(t+13.3)0.8

(3)

其中，T_E為暴雨重現(xiàn)期；t為降雨歷時。按《水利水電工程設(shè)計洪水設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，校核洪水應(yīng)加安全修正值，以策安全。若σ為設(shè)計數(shù)值的標準差，則安全修正值Δ應(yīng)該與σ成正比，即Δ=a×σ，式中，a為可靠系數(shù)，一般取0.7[15]。

3.4.2 流速、水深

一般情況下，水流是處在不穩(wěn)定流的狀態(tài)，這是由于河床的沖淤變化使水面不是直線和附加比降的作用所致。在微流域徑流分析過程中，在不考慮河床沖淤變化時，水面近似直線，故用直線表示水面線其誤差可以忽略，水流可視為穩(wěn)定流，符合明渠穩(wěn)定流條件，可以采用曼寧-謝才經(jīng)驗公式計算流量及流速[16]。流量指單位時間內(nèi)流經(jīng)某一過水斷面的水量通常用Q表示，單位是m3/s。

v=I(1/2)R(2/3)/N

(4)

H=(Q×N/I(1/2))(2/3)

(5)

其中，v為流速；I為河槽總比降；R為水力半徑。R=F/B，F(xiàn)為過水斷面面積，B為濕周長。N為平均槽率系數(shù)；H為水深；Q為斷面流量。

4 結(jié)果與分析

4.1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)白馬基地匯水區(qū)劃分

依據(jù)基地DEM、DTM模型，依靠微流域劃分方法，最終將基地依據(jù)流出基地出水口斷面劃分為A、B、C 3個子流域。子流域A包含6個微流域，子流域B包含1個微流域，子流域C包含3個微流域。根據(jù)匯水線分析匯水過程，流域A1、A2匯入A3，流域A4、A5匯入A6，然后A3、A6共同由出口斷面①匯出基地；流域B經(jīng)出口斷面②匯出基地；流域C1、C2匯入C3后由出口斷面③匯出基地。

圖3 基地匯水區(qū)劃分

表1基地微流域面積統(tǒng)計

名稱流域A(hm2)流域B(hm2)流域C(hm2)總計(hm2)面積292.68102.76168.39563.83

4.2 多情景模擬下研究區(qū)出口斷面流量計算

4.2.1 研究區(qū)暴雨強度計算結(jié)果

對研究區(qū)進行不同重現(xiàn)期不同歷時暴雨洪水徑流情景模擬，選取五十年一遇暴雨1h、6h、24h和百年一遇暴雨1h、6h、24h情景進行分析。首先采用南京暴雨公式進行暴雨量預(yù)測。根據(jù)安全修正原則，在《中國暴雨參數(shù)統(tǒng)計圖集》中查取變差系數(shù)Cv和均值X，取百年一遇、五十年一遇的可靠系數(shù)0.7，計算修正增加值。同等降雨歷時情景下，五十年與百年一遇的暴雨重現(xiàn)期暴雨量差異不大，但延遲降雨時間將導(dǎo)致暴雨量大幅增加。

表2 多情景下基地設(shè)計暴雨量

4.2.2 綜合徑流系數(shù)

綜合徑流系數(shù)計算公式為：

(6)

φ為綜合徑流系數(shù)；φi為某一土地利用類型的徑流系數(shù)；θ為這一土地利用在流域內(nèi)所占的面積比例。

表3 徑流系數(shù)表[17]

南京的土壤類型主要為紅黃壤，在計算平均徑流系數(shù)時，經(jīng)過長期改造的農(nóng)田地區(qū)為水稻土類型，建成區(qū)視為混凝土層，植被覆蓋較好的地區(qū)視為森林土。因此建筑用地、水域、道路及其他硬質(zhì)鋪地取1.00，農(nóng)田采用0.85，森林采用0.7，其余自然土地徑流系數(shù)取0.8。通過將基地土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)與微流域劃分進行空間疊合，統(tǒng)計不同微流域各類用地的比例，分A、B、C流域計算綜合徑流系數(shù)，如表4所示：

表4 綜合徑流系數(shù)計算結(jié)果

由以上計算結(jié)果可見，3個流域的綜合徑流系數(shù)相差不大，形成徑流量的差異將由不同微流域的集水面積主要影響。

4.2.3 各微流域出口流量

運用式(2)計算各微流域形成徑流量，通過累加計算，求得每一流域出口處的流量，計算結(jié)果如表5所示：

表5 多情境下流域出口流量

4.3 多情景模擬下研究區(qū)出口斷面流速水深計算

4.3.1 坡降

坡降即比降、坡度，指水面水平距離內(nèi)垂直尺度的變化。通過ArcGIS剖面分析工具計算3個流域的比降，流域A比降約為10‰，流域B比降約為11‰，流域C比降約為6.7‰?；貣|區(qū)地勢較西區(qū)平坦，河槽比降較小，但基地處于平原地區(qū)，盡管內(nèi)部有一定的高差變化，但總體比降不大。

圖4 不同流域坡降圖

4.3.2 平均糙率系數(shù)

當需要根據(jù)式(4)、式(5)計算流量、流速時，對糙率的選用應(yīng)特別慎重。在山區(qū)小流域中，坡面流糙率、溝道和山溪等的糙率缺乏天然水流實測資料。當河道的實測資料短缺時，可根據(jù)河道特征，參照相似河道的糙率，根據(jù)河道的床面特征，查天然河道糙率表，用經(jīng)驗的方法確定糙率。

表6 河灘糙率表

研究區(qū)坡降大，流域面積小，旱季時，溝谷中并沒有水流，河槽不足以泄洪，因此河灘也將被淹沒，研究區(qū)河谷長有中等密度的植物，并部分被墾為耕地，河谷平緩，因此取糙率為0.1。

4.3.3 出口斷面流速及水深計算

為了針對性地評價研究區(qū)出口斷面過水能力及長歷時強暴雨對研究區(qū)的內(nèi)澇淹沒情況，則對典型斷面進行分析，選取斷面為流域A出口斷面A0-A0，及流域B、流域C出口斷面B0-B0(從出口剖面可以看出流域B、C出口因地勢平坦形成較大的淺溝寬谷)。

圖5 不同流域出口剖面圖

依據(jù)不同暴雨情境下流域的徑流量，利用ArcGIS查詢功能和式(4)、式(5)，獲取對應(yīng)于斷面的累加流量、流速、平均水深。通過暴雨情境的模擬分析發(fā)現(xiàn)，同等歷時下五十年一遇、百年一遇設(shè)計暴雨下產(chǎn)生的洪水水深、同一斷面的流速變化并不大。通過研究區(qū)出口斷面的相關(guān)徑流參與可知，當遭遇五十年、百年一遇暴雨1小時歷時時，出口斷面流速將接近0.5m/s，出口斷面漫溢平均水深超過0.6m；當遭遇五十年、百年一遇暴雨24小時歷時時，出口斷面流速將達到0.65m/s，出口斷面漫溢平均水深將超過1m。因此位于出口斷面附近的高程較低的地方都將收到洪水的威脅。

表7 典型斷面流速、水深計算結(jié)果

4.4 研究區(qū)暴雨風險評估及防洪建議

通過DEM及出口斷面處漫溢平均水深，利用ArcGIS空間分析工具得到不同重現(xiàn)期、不同歷時暴雨洪水淹沒深度區(qū)間對應(yīng)的淹沒范圍，結(jié)果如下：

圖6 暴雨淹沒范圍圖

從以上分析結(jié)果可知，研究區(qū)A、B、C 3個微流域中，研究區(qū)西區(qū)的流域A因地勢從西至東坡降變化趨勢一定，產(chǎn)生洪水淹沒范圍主要集中在出口斷面附近；研究區(qū)東區(qū)流域C在流域上游坡降較大，流域下游地勢較緩，坡降較小，產(chǎn)生洪水漫溢現(xiàn)象顯著?；跂|西區(qū)降雨徑流形成的不同情況，有針對性地提出相應(yīng)的防洪措施：

(1)東區(qū)上下游河道較長，建議疏浚河道，形成深溝排水，減少洪水漫溢范圍。河床的糙率系數(shù)對水流的流速有很大的影響，建議改善河道護坡，以增加泄洪速度。

(2)西區(qū)設(shè)置攔水壩，依托原有水體擴大湖面面積，增加蓄水量，減少強暴雨洪水漫溢范圍。人工修建攔蓄工程，增加地表徑流在一定區(qū)域的滯留時間，提高土壤貯水量，減少流域下游的匯水壓力。

(3)針對性用地布局，對強暴雨情景下可能造成洪水淹沒的范圍不宜設(shè)置為居住等人類活動較為頻繁的功能，可作為綠化景觀用地布置。采用低沖擊開發(fā)理念，增加蓄水池，人工濕地等用地的布置，降低下墊面徑流系數(shù)，減少徑流量，降低防洪風險。

5 結(jié)束語

暴雨洪水的風險可以根據(jù)不同重現(xiàn)期暴雨的淹沒水深和淹沒面積進行評估，通過研究區(qū)歷史氣象水文資料記載統(tǒng)計分析可以得到研究區(qū)不同重現(xiàn)期臺風暴雨的總雨量，運用數(shù)字高程模型和GIS軟件模塊可以量算得到不同降雨量對應(yīng)的不同淹沒面積和淹沒水深。本文根據(jù)微流域徑流特點，重點開展了平原區(qū)雨洪淹沒分析研究。借助GIS技術(shù)和遙感信息，對研究區(qū)域進行微流域劃分，分析暴雨徑流量過程，從而計算長歷時暴雨徑流量，反推出流速和水深。

本文在基于GIS和遙感信息集成和實用化方面，在流域劃分和徑流量、水速和水深計算方面作了有益地嘗試，但在計算徑流量、流速和水深的數(shù)值計算方法仍需進一步探討。雨洪控制及資源化利用模式和方法較多，在研究探索中需要因地制宜，細致考察流域長時間的降水、地貌、地形、以及地表及地下水情況。本文探討還有不足，今后研究中將對雨洪形成機理、研究區(qū)周邊區(qū)域、控制措施比較、區(qū)域水資源平衡、規(guī)劃成本等因素進行考慮，對雨洪資源和雨水資源加以利用，從而更好地服務(wù)規(guī)劃實踐。

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