鄒明忠 ，張 麗 ，邵文妍 ，王淑蘭 ，胥杜杰

（1. 江陰市河道管理處，江蘇 江陰 214400；2. 宜水環(huán)境科技（上海）有限公司，上海 200040；3. 江陰市江港堤閘管理處，江蘇 江陰 214400）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快及防洪排澇形勢的變化，單純依靠防洪排澇工程體系抵御和控制洪水的目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)，結(jié)合開展防洪排澇非工程措施是城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)管理的重要手段[1]。編制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是我國實(shí)踐治水新思路，落實(shí)防汛工作從控制洪水向洪水管理轉(zhuǎn)變，實(shí)施洪水風(fēng)險(xiǎn)管理的需要，是防洪減災(zāi)的重要技術(shù)支撐，是制定流域及區(qū)域防洪規(guī)劃和約束經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展行為，開展防汛搶險(xiǎn)救災(zāi)等工作的重要依據(jù)[2]。英國、美國等國家已經(jīng)落實(shí)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖于實(shí)際應(yīng)用中，在洪水預(yù)警、預(yù)報(bào)、影響評(píng)估，以及風(fēng)險(xiǎn)信息公眾服務(wù)等方面做出了先行示范[3-4]。

江蘇省地處江淮下游，通江達(dá)海，河湖密布，人口和資產(chǎn)密集，太湖流域、里下河地區(qū)外洪內(nèi)澇矛盾突出，防汛任務(wù)十分繁重。為提升洪水風(fēng)險(xiǎn)管理水平，增強(qiáng)抗御水旱災(zāi)害能力，江蘇省全面完成了重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目（包括確定的9個(gè)防洪保護(hù)區(qū)、4個(gè)蓄滯洪區(qū)、2 座城市、2 條中小河流洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制[5]），在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制方面具有成功的管理方法及經(jīng)驗(yàn)。

江陰市作為典型的縣級(jí)城市，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，GDP位居全國百強(qiáng)縣前列，本地基本形成了依靠排水管網(wǎng)、堤防、泵閘、圩區(qū)于一體的外圍依靠長江堤防，市域內(nèi)部高地自排、低洼地建堤設(shè)圩的防洪體系，但復(fù)雜的水系格局卻面臨巨大的防洪排澇壓力：1）作為典型的平原河網(wǎng)區(qū)，地處太湖流域下游，上游承接太湖流域來水，下游承受長江潮位的頂托，排水不暢；2）城市化進(jìn)程的加速，產(chǎn)匯流速度加快，入河洪水峰值增大；3）河湖淤積、河道填埋現(xiàn)象降低了局部區(qū)域?qū)樗恼{(diào)蓄能力，城市抵抗洪水能力不足。江蘇省洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室希望以此縣級(jí)市城區(qū)為試點(diǎn)單元，研究小城市洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制的技術(shù)方法，進(jìn)一步提升小城市洪水風(fēng)險(xiǎn)管理水平、增強(qiáng)區(qū)域防洪治澇能力，并試圖探索其他可行的洪水風(fēng)險(xiǎn)研究方法。

江陰市北枕長江，南近太湖，上承太湖洪水過境威脅，下受海潮倒灌和臺(tái)風(fēng)侵襲，歷史上洪澇頻繁。洪水來源包括本地區(qū)暴雨產(chǎn)生的澇水，上游太湖、武澄錫虞區(qū)洪水，以及下游長江洪水。

1 建模方法及過程

在水利模型選擇上，選用 SOBEK 模型，它是一個(gè)具備開放過程庫和開放式模型公共接口（OpenMI）2 種方法的開放式系統(tǒng)，采用一體化提供的軟件環(huán)境，模擬河道河口地區(qū)，流域匯水系統(tǒng)及城市排污、排雨系統(tǒng)的各種管理問題[6]。

1.1 模型方法

SOBEK 模型集成城市地上河網(wǎng)和地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)，采用一維和二維水動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型模擬河道水動(dòng)力、管渠中的有壓流和無壓淺水自由表面流、地面積水在地表二維空間內(nèi)的物理運(yùn)動(dòng)，以及地表漫流與地下管流間的流量和動(dòng)量交互，動(dòng)態(tài)洪澇演進(jìn)的過程。模型由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：

1）降雨概化模塊。通過點(diǎn)雨量到面雨量的空間轉(zhuǎn)換，進(jìn)行降雨徑流模型計(jì)算，為水文水力學(xué)模型提供必需的輸入條件。

2）產(chǎn)匯流模塊。產(chǎn)流過程模擬是將匯水分區(qū)分為若干個(gè)子集水區(qū)，根據(jù)每個(gè)子集水區(qū)的地表滲透性，將子集水區(qū)劃分為不透水、半透水、透水、屋面4種類型。地表產(chǎn)流量為降雨量與扣損（填洼、截留、入滲）的差值，入滲量由下滲模型同步模擬，下滲采用 Horton 下滲法模擬。匯流過程是將各子集水區(qū)的凈雨匯集到出水口控制斷面（如管道），或直接排入河道的過程。匯流模擬采用 SOBEK 自帶的城市匯流模型。

3）水動(dòng)力模塊。模型采用動(dòng)力波方法完整求解圣·維南方程組，動(dòng)態(tài)模擬管網(wǎng)系統(tǒng)處于不同流態(tài)的水流運(yùn)動(dòng)。對(duì)圣·維南方程組采用動(dòng)力波法進(jìn)行差分離散后迭代計(jì)算，考慮淺水非恒定流的所有項(xiàng)（局地慣性項(xiàng)、遷移慣性項(xiàng)、重力項(xiàng)、壓力項(xiàng)、阻力項(xiàng)），動(dòng)態(tài)模擬重力流、壓力流、逆向流、回水對(duì)上游水流的影響，以及洪峰在管道傳播中的衰減。

4）河網(wǎng)閘泵系統(tǒng)控制模塊。對(duì)骨干河道及相關(guān)的水利工程設(shè)施進(jìn)行概化，模擬河道內(nèi)的復(fù)雜流態(tài)變化。泵、閘調(diào)控方式的模擬是水動(dòng)力模型的重要組成部分。根據(jù)江陰的水網(wǎng)特征、水資源合理調(diào)度的客觀要求及水利工程運(yùn)行管理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，遵循防汛時(shí)按照防汛安全要求調(diào)度，平時(shí)按照改善水質(zhì)和保障用水需要調(diào)度的原則，對(duì)泵閘的運(yùn)行方式按照閘內(nèi)外的水位、閘關(guān)聯(lián)水系的水位及時(shí)間等控制等多重要求進(jìn)行精細(xì)的模擬。

5）地面二維模擬模塊。以地面高程點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立地面 TIN 模型，反映區(qū)域地形，作為分析模擬內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)、積水發(fā)生位置、淹沒深度等的基礎(chǔ)條件。根據(jù)地面 TIN 模型，劃分編制區(qū)域 2D 區(qū)間為四角網(wǎng)格區(qū)間，用以計(jì)算地面積水的二維流動(dòng)。

6）一二維耦合模擬模塊。將一維管渠模型與二維地面漫流進(jìn)行無縫耦合，模擬管渠中的有壓流和無壓淺水自由表面流，模擬管網(wǎng)溢流或地面積水后水流根據(jù)地形和下墊面特征動(dòng)態(tài)演進(jìn)的過程，動(dòng)態(tài)模擬積水淹沒范圍和深度、流速、退水路徑，模擬洪澇演進(jìn)過程。

1.2 建模范圍

本次洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制區(qū)域北以長江為界，南以黃昌河—馮涇為界，西以新夏港河為界，東以白屈港為界，形成界限分明的獨(dú)立雨水匯水邊界，面積為135km2。為更好模擬編制區(qū)域河道水力狀態(tài)，在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制范圍基礎(chǔ)上外延河網(wǎng)模型范圍，面積為311km2。

1.3 模型構(gòu)建

1）網(wǎng)絡(luò)概化。河網(wǎng)和管網(wǎng)拓?fù)漶詈暇C合利用管網(wǎng) GIS、地面高程數(shù)據(jù)，道路、水系、建筑物背景，航拍影像圖和現(xiàn)場查勘資料。模型概化河道包括區(qū)域性、市級(jí)、鎮(zhèn)級(jí)和部分起連通作用的村級(jí)等河道。管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)經(jīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)梳理，導(dǎo)入模型，與概化河網(wǎng)耦合。河網(wǎng)模型概化河道1739段（長度為199 km），泵閘設(shè)施18個(gè)，雨量站點(diǎn)8個(gè)；管網(wǎng)概化涉及雨水及合流管道17912段（長度為492km），概化節(jié)點(diǎn)（雨水及合流檢查井）17755個(gè)。

2）下墊面組成。下墊面組成是計(jì)算產(chǎn)流的基礎(chǔ)，不同類型下墊面的暴雨徑流不同，數(shù)學(xué)模型中根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨標(biāo)準(zhǔn)及不同比例下墊面的不同耗損，進(jìn)行相應(yīng)的產(chǎn)流、匯流計(jì)算。以 2017年的航拍影像圖為基礎(chǔ)，采用 GIS 分析中的監(jiān)督分類方法，通過確定不同土地類型訓(xùn)練區(qū)內(nèi)多光譜反射率的統(tǒng)計(jì)特征值對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，然后通過最大似然法進(jìn)行影像的空間統(tǒng)計(jì)分類，隨后進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證與修正以得到符合要求的觀察與評(píng)價(jià)分類結(jié)果，最后進(jìn)行小斑點(diǎn)處理、分類統(tǒng)計(jì)分析等操作后得到最終的分類成果。將下墊面解析為水面、綠地/耕地、屋面、道路、裸地、硬地等六大類。

3）匯水分區(qū)劃分。根據(jù)排水體制的不同，本模型將匯水分區(qū)分為2類：a. 河網(wǎng)匯水分區(qū)。根據(jù)地塊與周邊河道關(guān)系，結(jié)合 DEM 數(shù)據(jù)共劃分180個(gè)河網(wǎng)匯水區(qū)，總面積為238km2。b. 管網(wǎng)集水區(qū)。根據(jù)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分布、河流、道路、航拍影像等數(shù)據(jù)，共劃分了31806個(gè)子集水區(qū)，總面積為61km2。

4）閘泵設(shè)施。共設(shè)置泵閘設(shè)施18個(gè)，分為沿江水閘、船閘和內(nèi)河起重要調(diào)水及排水作用的節(jié)制閘。

5）降雨站點(diǎn)分布。模型各匯水分區(qū)降雨根據(jù)雨量站分布采用泰森多邊形法對(duì)面積進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。根據(jù)8個(gè)雨量站分布劃分泰森多邊形，并與水文分區(qū)相疊加計(jì)算出雨量站在每個(gè)水文分區(qū)的計(jì)算權(quán)重，從而計(jì)算出相應(yīng)匯水分區(qū)的面平均雨量。

6）邊界條件。a. 設(shè)置10處下游長江潮位邊界。歷史暴雨模擬，潮位邊界采用實(shí)測潮位過程；不同重現(xiàn)期暴雨模擬，潮位邊界采用典型潮位。b. 設(shè)置8個(gè)上游河網(wǎng)水位邊界。歷史暴雨模擬中，上游邊界采用實(shí)測水位過程；不同重現(xiàn)期暴雨模擬中，水位邊界采用常水位或設(shè)計(jì)水位過程。

在模型中，降雨邊界條件需要輸入降雨模擬時(shí)段雨量分布過程。歷史暴雨模擬中，模型范圍內(nèi)的面雨量通過泰森多邊形算法將各雨量站分配給各匯水分區(qū)；不同重現(xiàn)期暴雨模擬中，模型范圍統(tǒng)一采用相同的設(shè)計(jì)雨量過程。

7）圩區(qū)概化。因編制區(qū)域內(nèi)圩區(qū)較少，且屬于千畝圩區(qū)。在模型概化中，圩區(qū)設(shè)置為可調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)，通過泵對(duì)可調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)的排水進(jìn)行控制。

8）地面模型概化。以地面高程點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立地面高程模型，以反映項(xiàng)目區(qū)域地形，共劃分10 m×10 m 四角網(wǎng)格，用以計(jì)算地面積水的二維流動(dòng)，共劃分網(wǎng)格數(shù)1351873個(gè)。

1.4 模型率定

本次模型需要率定的參數(shù)主要是河網(wǎng)水動(dòng)力模型的糙率系數(shù)。選用 2017年“9.25 暴雨”對(duì)模型進(jìn)行率定，并選擇 2016年“6.22 暴雨”對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)。該研究范圍內(nèi)的部分站點(diǎn)在率定驗(yàn)證過程中實(shí)測與計(jì)算水位情況對(duì)比如圖1和2所示。模型率定中水位實(shí)測過程與模擬過程非常接近，模型驗(yàn)證時(shí)，由于閘門啟閉記錄與實(shí)際情況有出入，對(duì)水位峰值稍有影響。從圖中看出，模型結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較好，模型可靠性滿足要求。

圖1 率定過程中模擬值與實(shí)測值對(duì)比圖

圖2 驗(yàn)證過程中模擬值與實(shí)測值對(duì)比圖

同時(shí)，對(duì) 2016年“6.22 暴雨”的淹沒區(qū)域與江陰市城區(qū)（不含南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)）易淹區(qū)域做對(duì)比，結(jié)果顯示淹沒范圍與易淹區(qū)域大致符合。

2 洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析

在洪水風(fēng)險(xiǎn)分析上，從流域和區(qū)域2個(gè)層面統(tǒng)籌考慮多條件影響方案，流域?qū)用娌粌H以傳統(tǒng)的暴雨與邊界的組合作為分析方案，且考慮長江潮位對(duì)河網(wǎng)水位的影響評(píng)估，以及上下游河網(wǎng)邊界對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的影響評(píng)估分析；區(qū)域?qū)用婕壬婕伴L歷時(shí)暴雨內(nèi)澇的分析，也包括管網(wǎng)水能力、局部內(nèi)澇成因分析。通過以上技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)江陰市城區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及薄弱環(huán)節(jié)的把控。

2.1 洪水計(jì)算方案

通過洪水來源及分析，確定編制區(qū)域內(nèi)洪水計(jì)算方案?？偣苍O(shè)置13個(gè)計(jì)算方案，其中流域?qū)用婧樗治龇桨?個(gè)，區(qū)域?qū)用鎯?nèi)澇分析方案8個(gè)。

2.1.1 流域?qū)用婧樗治龇桨?/p>

1）長江潰閘洪水。長江大堤（江陰段）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已達(dá) 50年一遇，洪水量級(jí)按高于當(dāng)前防洪能力設(shè)置，選用 100年一遇設(shè)計(jì)潮位。

2）內(nèi)洪潰堤洪水。選取一個(gè)未達(dá)到 50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)的圩區(qū)，本次方案選用 50，100年一遇暴雨下圩堤潰決。

3）潮位敏感性。關(guān)于潮位過程對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)的影響，通過 20年一遇24h 降雨過程與 1991年典型潮位過程的峰對(duì)峰及峰對(duì)谷2種組合方案對(duì)比，進(jìn)行河網(wǎng)水位受潮位影響的敏感性分析。

2.1.2 區(qū)域?qū)用鎯?nèi)澇分析方案

選用城建標(biāo)準(zhǔn) 2，3，5年一遇2h 的短歷時(shí)暴雨對(duì)管網(wǎng)能力進(jìn)行評(píng)估；選用水利標(biāo)準(zhǔn) 20，50，100，200年一遇24h 暴雨進(jìn)行區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；根據(jù)城建標(biāo)準(zhǔn)，選用2h 的 5年設(shè)計(jì)暴雨過程與上游邊界分別為常水位、50年一遇最高水位2種方案對(duì)比，進(jìn)行模型外邊界條件對(duì)管網(wǎng)水位影響分析。

2.2 流域?qū)用婧樗治?/h3>

2.2.1 長江潰堤洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

白屈港河屬于武澄錫虞區(qū)重要的通江引排通道，通航引排水頻繁。白屈港潰閘后，內(nèi)河水位迅速升高，因外圍長江高潮的影響，沿江其他閘門關(guān)閉，內(nèi)河水位持續(xù)增長造成局部堤防薄弱或無堤防河道發(fā)生洪水漫溢。

2.2.2 內(nèi)洪潰堤洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的劉斗圩圩堤潰決淹沒分布情況，劉斗圩圩堤潰決洪水淹沒范圍主要由地形決定，受淹區(qū)域大多集中在西南部農(nóng)田，其次為西北部地勢低洼處。

2.2.3 潮位對(duì)河道水位影響分析

沿江閘門外排是行洪的主要通道，閘前后水位差大小是洪水能否順利排泄的決定性因素。通過河網(wǎng)水位受潮位影響的敏感性分析，以各計(jì)算點(diǎn)最高水位差值作潮位對(duì)河道水位影響分析。結(jié)果表明，通過控制沿江閘門進(jìn)行低潮自排的途徑泄洪只對(duì)靠江距離一定范圍內(nèi)的河道效果顯著，而對(duì)江陰中上游河道的水位降低效果并不理想。相對(duì)而言，中上游河道相對(duì)下游靠江河道水位控制風(fēng)險(xiǎn)更高一些。

2.3 區(qū)域?qū)用鎯?nèi)澇分析

2.3.1 管網(wǎng)排水能力分析

GB 50014—2006（2016年版）《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：雨水和合流管按滿管流設(shè)計(jì)。分析管段是否發(fā)生壓力流而產(chǎn)生超載這一狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估管道的排水能力，目的是明晰現(xiàn)狀管網(wǎng)在不產(chǎn)生壓力流下的最大排水能力。

通過動(dòng)態(tài)模擬 2，3，5年一遇的設(shè)計(jì)暴雨和河道常水位的外邊界狀態(tài)下的管網(wǎng)水力狀態(tài)，完成評(píng)估管道的排水能力評(píng)估，如表1所示。對(duì)比現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，城區(qū)大多數(shù)新建的雨水管道都需要擴(kuò)大管徑。排水管網(wǎng)的改造建議按輕重緩急分批實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)改造，建議將高內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)管道列入近期改造計(jì)劃，按照國家最新標(biāo)準(zhǔn)改建雨水管道，并結(jié)合近遠(yuǎn)期道路及周邊地塊的改造同步提升雨水系統(tǒng)的排水防澇能力。

表1 現(xiàn)狀排水管網(wǎng)排水能力評(píng)估 km

2.3.2 長歷時(shí)24h 暴雨洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

20，50，100 ，200年一遇設(shè)計(jì)暴雨條件下，編制區(qū)域范圍內(nèi)不同設(shè)計(jì)暴雨組合淹沒范圍分布如圖3 所示，淹沒面積統(tǒng)計(jì)如表2所示。針對(duì)易受淹社區(qū)及易澇地段，防汛部門應(yīng)該引起高度警惕：1）采取工程措施，提高易澇區(qū)域的排水能力；2）采取管理措施，做好防汛物質(zhì)及人力準(zhǔn)備，防治洪澇發(fā)生時(shí)生命財(cái)產(chǎn)的損失。

表2 長歷時(shí)24h 的設(shè)計(jì)暴雨下不同水深等級(jí)下洪水淹沒面積

2.3.3 模型外邊界條件對(duì)管網(wǎng)水位影響分析

河道作為承接管網(wǎng)雨水的邊界載體，其水位高低將影響管網(wǎng)排水的難易程度，從而影響地面積水。以 5年一遇2h 設(shè)計(jì)暴雨為例，比較河網(wǎng)外邊界水位分別為 50年一遇高水位及常水位情形下，管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水位高低變化，結(jié)果可以看出入河排口附近的管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水位受外邊界水位影響大，遠(yuǎn)離河道的中心區(qū)域管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水位受影響相對(duì)較小，河網(wǎng)外邊界對(duì)排口附近區(qū)域淹沒敏感一些。

2.3.4 內(nèi)澇成因分析

利用典型降雨事件 2017年“9.25 暴雨”模型計(jì)算結(jié)果關(guān)于積水區(qū)域、水力坡度線成果與管道坡度線、地面高程、影像圖等數(shù)據(jù)綜合分析積水點(diǎn)內(nèi)澇成因，主要由以下1個(gè)或多個(gè)方面組合產(chǎn)生，分別為：局部地勢低洼，排澇能力不足，河道水位頂托，管道排水高程銜接阻礙排水通暢、下穿立交等。針對(duì)以上成因，在逐步優(yōu)化現(xiàn)有排水工程規(guī)劃下，局部內(nèi)澇的防控還可考慮采用海綿工程與其他非工程措施，如建設(shè)調(diào)蓄設(shè)施、源頭 LID 工程、行泄通道，開展積水預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)等。

圖3 不同設(shè)計(jì)暴雨淹沒范圍分布圖

3 結(jié)語

江陰市洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的編制，是根據(jù)水利部頒發(fā)的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制要求完成的，符合城市管理需求的成功案例。模型采用國際主流的水動(dòng)力學(xué)模型軟件，以豐富自然地理、水文氣象、河網(wǎng)水系、城市管網(wǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等詳實(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，完成了流域?qū)用婕皡^(qū)域?qū)用婧樗畠?nèi)澇分析，并借助了 GIS 繪圖表達(dá)功能，完成了一系列以風(fēng)險(xiǎn)管理業(yè)務(wù)需求為目標(biāo)的分析評(píng)估工作。江陰市洪水風(fēng)險(xiǎn)圖成果為城區(qū)的防汛工作和城市排澇管理提供了很有價(jià)值的技術(shù)依據(jù)，也為下一步構(gòu)建江陰市實(shí)時(shí)洪澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

洪水風(fēng)險(xiǎn)分析是一項(xiàng)復(fù)雜的、專業(yè)的、標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)估工作。只有把握技術(shù)的關(guān)鍵，懂得業(yè)務(wù)需求，成果才有科學(xué)性和實(shí)用性。