顧　錦，劉秀林，曹　丹，姜　磊

(1.衢州市人民政府防汛防旱指揮部辦公室，浙江　衢州　324000；2.河海大學(xué)，江蘇　南京　210098)

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衢州市城市洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)初探

顧錦1，劉秀林2，曹丹1，姜磊1

(1.衢州市人民政府防汛防旱指揮部辦公室，浙江衢州324000；2.河海大學(xué)，江蘇南京210098)

近年來，城市洪水災(zāi)害頻發(fā)，城市洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)作為城市防洪的重要非工程措施日益受到重視。然而城市孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子不同，該類系統(tǒng)仍缺少靈活化的洪澇情景方案設(shè)計及模擬功能，無法實時展示城市外洪、內(nèi)澇災(zāi)情。針對衢州市城市防洪排澇的具體情況，采用一二維水動力學(xué)耦合模型和排水管網(wǎng)模型模擬城市洪澇災(zāi)情。同時，利用GIS平臺和數(shù)據(jù)庫技術(shù),結(jié)合社會經(jīng)濟情況提供洪災(zāi)損失分析，利用B/S構(gòu)架在Web端進行洪澇風(fēng)險預(yù)警與信息查詢功能。著重介紹了衢州市城市洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)洪澇災(zāi)情模擬分析功能的實現(xiàn)。

城市洪水風(fēng)險；信息管理系統(tǒng)；洪水風(fēng)險圖

1　問題的提出

近些年來我國城市洪水災(zāi)害頻發(fā)。據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部對國內(nèi)351個城市的專項調(diào)研顯示，2008—2010年，62%的城市發(fā)生過不同程度的洪澇災(zāi)害[1]。城市洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)作為一種重要的防洪非工程措施，日益受到防洪管理部門的重視[2]。

城市洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)的發(fā)展主要來源于洪水風(fēng)險圖。20世紀50年代，美國、日本等開始研究洪水風(fēng)險圖。我國在1998年特大洪水之后，開始借鑒外國洪水風(fēng)險圖研制的工作經(jīng)驗，于2005年進行試點工作。洪水風(fēng)險圖圖層豐富，但需時常更新，單一的洪水風(fēng)險圖已經(jīng)遠遠不能滿足城市防洪防澇需求，而數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)(GIS)、水動力數(shù)值模型及高性能計算機為代表的新技術(shù)的發(fā)展，使得洪澇情景分析、災(zāi)情模擬、可視化展示、資料更新、信息查詢等多功能于一體的洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)開始發(fā)展[3-7]。

因城市孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子的不同，目前仍缺少城市外洪、內(nèi)澇等多種致災(zāi)因子引起的洪澇災(zāi)情模擬分析功能。因此，針對衢州市典型山區(qū)河谷型城市的實際防洪工作，對洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)的重點功能、特點及實現(xiàn)方式進行了有益的嘗試。

洪澇情景模擬不僅可以利用現(xiàn)有水文站、雨量站實時信息，而且能夠提供靈活化的洪水方案設(shè)計。為在系統(tǒng)中實現(xiàn)此功能，針對衢州市城市外洪，對常山港、江山港、衢江等河流采用一維水動力學(xué)模型建模，模擬外洪在河道內(nèi)的傳播；對衢州市城市范圍采用二維水動力學(xué)模型建模，用不同糙率、孔隙率表征城區(qū)街道、溝渠、建筑物等對水流的影響；一二維水動力模型采用堰流公式側(cè)向連接。針對衢州市城市內(nèi)澇，建立城市雨洪管網(wǎng)模型，模擬城市內(nèi)澇。另外，系統(tǒng)充分利用GIS平臺和數(shù)據(jù)庫技術(shù),結(jié)合社會經(jīng)濟情況，提供洪災(zāi)損失自動分析、信息查詢，利用B/S構(gòu)架在Web端進行洪澇風(fēng)險預(yù)警與信息查詢。

2　衢州市城市洪澇災(zāi)害特點

衢州市位于浙江省西北部，錢塘江上游，是常山港和江山港的匯合口,市區(qū)橫跨衢江,同時有烏溪江、石梁溪、廟源等河流匯入衢江，城區(qū)呈現(xiàn)扇狀水系。城市中心是平坦的河谷平地，外圍是丘陵崗地，具體的水系及地形地貌分布見圖1。

圖1　衢州市水系及地形地貌圖

衢州市城市洪澇災(zāi)害頻繁。衢江以上的常山港、江山港等流域呈扇形分布，匯水面積大，各山溪性河流均在城區(qū)河段匯合，暴雨期間河道洪水在衢州市城市集中，易形成高水位高流量的災(zāi)難性大洪水[8]。而近年來，衢州市極端暴雨頻多。2011年6月衢州市城區(qū)出現(xiàn)100 a一遇暴雨，導(dǎo)致衢州市城區(qū)內(nèi)澇嚴重。

3　系統(tǒng)介紹

衢州市城市洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)不僅可以利用現(xiàn)有水文站、雨量站的實時信息，而且能夠提供靈活化的洪水方案設(shè)計。采用一二維水動力學(xué)耦合模型和排水管網(wǎng)模型模擬城市洪澇災(zāi)情，同時，充分利用GIS平臺和數(shù)據(jù)庫技術(shù),結(jié)合社會經(jīng)濟情況提供洪災(zāi)損失分析，利用B/S構(gòu)架在Web端進行洪澇風(fēng)險預(yù)警與信息查詢。衢州市城市洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　衢州市城市洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.1衢州市城市洪澇數(shù)值模擬

衢州市城市洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)采用一二維水動力模型[9-12]和城市排水管網(wǎng)模型(SWMM)[13-15]模擬洪澇過程。

3.1.1數(shù)據(jù)準備

一二維水動力模型和城市排水管網(wǎng)模型的建模需要較為精細的基礎(chǔ)資料，主要包括基礎(chǔ)地理資料、水文資料、防洪排澇工程及調(diào)度規(guī)則資料、歷史洪澇災(zāi)情資料及社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等，衢州市城區(qū)的主要基礎(chǔ)資料見表1。

表1　衢州市城區(qū)主要基礎(chǔ)資料表

3.1.2一維河網(wǎng)模型

一維模型以衢州市城市洪水風(fēng)險圖編制范圍外的上下游水文(水位)站為控制斷面，共建立2 100個斷面，斷面間距離平均小于500.0 m，河網(wǎng)模型概圖見圖3。采用1992年“7.4”洪水進行率定、2011年“6.16”洪水進行驗證，并用衢州市水文站斷面的水位流量關(guān)系，與計算出的水位流量關(guān)系進行對比，結(jié)果顯示模型基本可靠，水位過程線見圖4。

圖3　衢州市城市一二維水動力模型概圖

(a)1992年“7.4”洪水

(b)2011年“6.16”洪水圖4　衢州市水文站計算水位與實測水位過程線圖

3.1.3二維河網(wǎng)模型

二維模型范圍以城市規(guī)劃的繞城公路為界，同時考慮地形因素的影響,計算總面積大于255.00 km2。衢州市城市二維模型使用三角形和四邊形網(wǎng)格混合構(gòu)建，剖分網(wǎng)格66 469個，網(wǎng)格面積均小于0.05 km2(見圖3)。二維模型采用不同糙率、孔隙率[11-12]表征城區(qū)街道、溝渠、建筑物等對水流的影響。

對二維模型的率定和驗證主要通過合理性分析。一方面，盡管衢州市歷史上發(fā)生過多次大洪水，但對河道以外城市區(qū)域災(zāi)情數(shù)據(jù)(水深)的記錄、收集很少，另一方面，近年來由于城市開發(fā)建設(shè)，下墊面變化很大，過往收集到的少量數(shù)據(jù)難以對二維水動力模型進行率定和驗證。

一二維水動力模型(見圖3)采用堰流公式側(cè)向連接，在一維模型水位達到設(shè)定高程以后，一二維模型產(chǎn)生連接，二維模型參與計算，模擬洪水演進過程[9-10]。

3.1.4城市雨洪管網(wǎng)模型

根據(jù)衢州市城市土地利用情況，結(jié)合城區(qū)排水管道、排水工程布設(shè)和城市下墊面情況，建立基于SWMM模型的衢州市城市管網(wǎng)排水模型(見圖5)，模擬城市內(nèi)澇。通過模型，對現(xiàn)狀條件下6大排澇分區(qū)進行匯水區(qū)細化，分為41個小排澇分區(qū)(見圖6)。

圖5　衢州市城市雨洪管網(wǎng)模型圖

圖6　衢州市城區(qū)排澇小分區(qū)概化圖

考慮到降雨時空分布的不均勻性，選取衢州市城區(qū)的大洲站、黃壇口站、前河站、衢州市站4個雨量站，采用泰森多邊形法計算各雨量站所占加權(quán)比例。模型采用2011年6月19日的實測降雨進行率定，將計算積水點與實際易澇點對比，進行參數(shù)調(diào)整和率定。將本次暴雨模型計算出的水深大于0.1 m的網(wǎng)格與實際調(diào)查的積澇點，基于GIS做空間疊置分析，85%以上的實際調(diào)查積澇點與計算澇點吻合。

一方面，由于積水點實測水深不足，難以比較水深結(jié)果。模型計算出的部分積澇點(網(wǎng)格水深大于0.1 m)與實際調(diào)查有差別，這是因為暴雨期間水利部門對積勞點的調(diào)查存在時間上的滯后性和空間上的限制性。另一方面，暴雨中，某些排水井、管道堵塞可能造成實際排水能力不足；暴雨通過管道排入市內(nèi)溝渠中，而市內(nèi)溝渠有多處狹窄斷面、地下涵洞(過水能力不足)，造成積澇。

3.2衢州市城市洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)的主要功能

衢州市城市洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)將水雨情(包含設(shè)計洪水、設(shè)計暴雨)、防洪工程(含堤防信息)、社會經(jīng)濟、重要防洪保護對象以及洪澇數(shù)值模擬所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，做成數(shù)據(jù)服務(wù)。其最核心的功能是城市洪澇數(shù)值模擬，此外可利用GIS平臺和數(shù)據(jù)庫技術(shù),結(jié)合社會經(jīng)濟情況提供實時水雨情展示、工情和圍保備汛信息查詢、洪澇數(shù)值模擬與動態(tài)展示、社會經(jīng)濟損失評估、洪水風(fēng)險圖繪制與管理等。信息查詢包含基礎(chǔ)底圖信息、防洪工程信息、防洪非工程信息、社會經(jīng)濟信息、洪澇動態(tài)演進、洪澇損失統(tǒng)計等。

社會經(jīng)濟損失評估可根據(jù)洪澇數(shù)值模擬的洪水淹沒圖層、社會經(jīng)濟要素進行拓撲疊加，評估淹沒區(qū)的洪水災(zāi)害損失[16-17]。

洪水風(fēng)險圖繪制是按照SL 483—2010《洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則》[16]、《洪水風(fēng)險圖編制技術(shù)細則(試行)》[17]規(guī)定的洪水風(fēng)險圖繪制流程進行洪水淹沒范圍、淹沒水深、洪水流速、淹沒歷時、到達時間等要素的出圖。

衢州市城市洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)可針對不同重現(xiàn)期的衢江及其支流的設(shè)計洪水、設(shè)計暴雨情景進行方案設(shè)定，利用上述系統(tǒng)功能進行洪水風(fēng)險動態(tài)可視化展示和存儲?，F(xiàn)選取衢江100 a一遇設(shè)計洪水方案,展示超標(biāo)準洪水演進過程(見圖7)。

圖7　衢江100 a一遇設(shè)計洪水演進過程圖

4　結(jié)　語

衢州市城市洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)作為城市類型洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)研制的探索，更注重綜合利用水文模型、水動力模型及管網(wǎng)模型對城市洪澇災(zāi)情進行模擬分析。

本文針對衢州市城市防洪排澇的具體情況，采用一二維水動力學(xué)模型和排水管網(wǎng)模型，不僅可以利用現(xiàn)有水文站、雨量站實時信息，而且能夠提供靈活化的洪水方案設(shè)計。同時，充分利用GIS平臺和數(shù)據(jù)庫技術(shù),結(jié)合社會經(jīng)濟情況提供洪災(zāi)損失統(tǒng)計，利用B/S構(gòu)架在Web端進行洪澇風(fēng)險預(yù)警與信息查詢，可為今后相關(guān)系統(tǒng)的發(fā)展提供借鑒。

[1]李帥杰，謝映霞，程曉陶.城市洪水風(fēng)險圖編制研究—以福州為例[J].災(zāi)害學(xué)，2015，30( 1):108-114．

[2]梁忠民,王軍,施曄,等.基于GIS的洪水風(fēng)險圖信息管理系統(tǒng)開發(fā)[J].水文,2009(6):65-68.

[3]謝放.“2D城市洪澇與流域汛情風(fēng)險預(yù)警評估系統(tǒng)”應(yīng)用探討[J].長江科學(xué)院院報,2013(6):27-30,42.

[4]杜文印,肖羽.動態(tài)洪水風(fēng)險圖在佛山城區(qū)防洪中的應(yīng)用[J].水利信息化,2014(2):9-14.

[5]余麗華,佘亮亮,劉鐵錘.基于WEBGIS的寧波鄞東南地區(qū)動態(tài)洪水風(fēng)險圖編制研究[J].人民珠江,2014(4):102-104.

[6]朱燦,盛海峰.郭磊.基于實時洪水風(fēng)險圖的平原區(qū)洪澇災(zāi)情統(tǒng)計方法探討[J].科技視界,2014(19):336-338.

[7]李觀義，程曉陶.北江大堤洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)研究[J].水文，2003(3)：5-9.

[8]石向榮.衢州市城市防洪方案介紹[J].浙江水利科技,1999(4)：24-27.

[9]王志力，耿艷芬，陸永軍.河流水沙數(shù)值模擬技術(shù)與應(yīng)用[M].南京：河海大學(xué)出版社,2013.

[10]Wang,Z.L.,Y.F.Geng ,S.Jin.An unstructured finite-volume algorithm for nonlinear two-dimensioal shallow water equation[J].Journal of Hydrodynamics,2005,17(3):306-312.

[11]王志力,耿艷芬,金生.具有復(fù)雜計算域和地形的二維淺水流動數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報,2005,36(4):439-444.

[12]Wang,Z.L.,Y.F.Geng.Two-dimensional shallow water equations with porosity and their numerical scheme on unstructured grids[J].Water Science and Engineering,2013,6(1):91-105.

[13]許迪.SWMM模型綜述[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊,2014(6):23-26.

[14]王海潮,陳建剛,孔剛,等.基于GIS與RS技術(shù)的SWMM構(gòu)建[J].北京水務(wù),2011(3):46-49.

[15]王永,郝新宇,季旭雄,等.SWMM在山區(qū)城市排水規(guī)劃中的應(yīng)用[J].中國給水排水,2012(18):80-83,86.

[16]國家防汛抗旱總指揮部辦公室.SL 483—2010 洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則[S].北京：中國水利水電出版社，2010.

[17]國家防汛抗旱總指揮部辦公室.洪水風(fēng)險圖編制技術(shù)細則(試行)[S].北京：中國水利水電出版社，2009.

(責(zé)任編輯張書花)

2015-12-03

顧錦(1983-) 男，工程師，大學(xué)本科，主要從事防汛抗旱管理工作。

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