孫飛飛，江雨田，任立良，孫如飛，趙思遠，朱從飛

(1. 寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，浙江 寧波 315192； 2. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098)

1980年，中國洪水風(fēng)險圖的編制提上日程[1]。2002年吳義陽[2]在地區(qū)洪澇災(zāi)害發(fā)生后對風(fēng)險進行評估，得出小流域短暫強降水將引起洪澇災(zāi)害，導(dǎo)致經(jīng)濟損失和人員傷亡的結(jié)論。此結(jié)論對后續(xù)的洪水風(fēng)險圖編制有著重要影響。2007年李娜等[3]以上海為例，繪制了城市在防洪工程措施受損和暴雨來襲時的洪水風(fēng)險圖。2007年梁忠民等[4]研究了GIS技術(shù)與洪水風(fēng)險圖相結(jié)合的系統(tǒng)，并投入使用，為之后兩者相結(jié)合的系統(tǒng)提供了寶貴經(jīng)驗。2020年章杭惠等[5]提出建立洪水風(fēng)險實時分析系統(tǒng)以及探索"風(fēng)險共擔"的洪水管理模式等方面的建議。

浙江省洪水風(fēng)險圖編制開始于1989年，2003年開始加快制作洪水風(fēng)險圖的進度[6]。但由于當時技術(shù)、經(jīng)濟條件的制約，洪水風(fēng)險圖是靜態(tài)的紙質(zhì)形式，這類洪水風(fēng)險圖精度低，難以及時更新，不能達到防汛防臺的實際要求。為了解決浙江省各級防汛部門對洪水風(fēng)險圖部署和運用的實際需求，同時規(guī)范、指導(dǎo)全面推進工作的實施，浙江省防汛防臺抗旱指揮部統(tǒng)一部署，編制了《浙江省洪水風(fēng)險圖編制規(guī)劃(2016-2019)》《浙江省洪水風(fēng)險圖編制實施方案》(2016-2020)，寧波市鄞州區(qū)鄞東南平原洪水風(fēng)險圖編制項目是此次規(guī)劃實施的重點內(nèi)容之一。

本研究從鄞東南地區(qū)防洪減災(zāi)、防汛管理等實際需求角度出發(fā)，在鄞東南地區(qū)建設(shè)“覆蓋整個建設(shè)范圍且擁有獨立數(shù)據(jù)庫及信息查詢管理、洪水風(fēng)險分析評估、洪水風(fēng)險圖繪制”等功能的動態(tài)洪水風(fēng)險圖管理與應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)以動態(tài)洪水風(fēng)險預(yù)報預(yù)警技術(shù)作為支撐，對即將到來的臺風(fēng)進行提前的模擬、分析及評估——對洪水的演進進行實時跟蹤，根據(jù)實際水雨情及氣象信息預(yù)測可能發(fā)生的洪潮情形，并進行洪水演進計算，根據(jù)洪水演進計算結(jié)果實時繪制洪水風(fēng)險圖、動態(tài)模擬城市受淹與退水過程、快速提取決策信息。通過信息化、技術(shù)化的手段，加強洪水風(fēng)險管理，提前預(yù)估可能存在的洪澇風(fēng)險，并針對性地提出相對可行的避險、搶險方案，實現(xiàn)從“被動抗洪抗災(zāi)”向“主動防洪防災(zāi)”轉(zhuǎn)變，最大限度地降低洪澇災(zāi)害損失。

1 研究區(qū)基本情況

鄞州區(qū)地處長三角南翼、浙江省東部沿海，是計劃單列市寧波市六區(qū)之一[7](圖1)。流域內(nèi)地勢南高北低、東高西低，形成由南向北的排水格局[8]。鄞東南平原河道縱橫交錯，現(xiàn)狀河網(wǎng)水面率6.4%。寧波市隸屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量豐沛，經(jīng)常受到臺風(fēng)、海潮、洪澇等自然災(zāi)害影響[9]。據(jù)寧波市水利局統(tǒng)計，自1949年起，臺風(fēng)襲擊寧波市共計166次。其中，造成不同程度損失的有50次，年均0.7次。近10年來，對流域影響較大的有2012年“?？迸_風(fēng)、2013年“菲特”臺風(fēng)、2015年“燦鴻”臺風(fēng)、“杜鵑”臺風(fēng)、2016年“莫蘭蒂”臺風(fēng)和2018年“山竹”臺風(fēng)等。

2 甬江流域洪水模擬數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

本研究以鄞州區(qū)境內(nèi)隸屬甬江流域的鄞東南平原作為洪澇風(fēng)險動態(tài)預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)的研究范圍，區(qū)域面積約314 km2?？紤]到鄞東南平原排水條件與整個甬江流域東排區(qū)的排水情況互為動態(tài)關(guān)系，計算范圍拓展至整個甬江流域東排區(qū)，計算范圍面積約4 265 km2。研究選用既能模擬平原河網(wǎng)洪水演進又能反映區(qū)域淹沒情況的洪水模擬數(shù)學(xué)模型——甬江流域洪水模擬數(shù)學(xué)模型。該模型中，河道計算采用一維非恒定流，同時耦合平原調(diào)蓄和雨水管網(wǎng)排水能力，針對整個甬江流域的河道洪水及平原淹沒過程進行模擬[10]。模型上邊界是采用暴雨推求洪水，通過山區(qū)河道匯流和水庫調(diào)度，作為平原河網(wǎng)上邊界；推算平原區(qū)水田、水面、城鎮(zhèn)、旱地及非耕地的凈雨過程作為平原陸域上邊界；流域下邊界為外海甬江口及杭州灣的潮位過程；內(nèi)邊界為甬江流域內(nèi)部河網(wǎng)、閘泵、平原陸域調(diào)蓄空間。模型邊界條件充分考慮了流域洪水成因特點，適用性程度較高。

2.1 甬江流域洪水模擬數(shù)學(xué)模型原理

2.1.1流域水文模擬

流域水文模擬主要用于山區(qū)產(chǎn)匯流計算和平原區(qū)域產(chǎn)流計算。考慮到甬江流域東排區(qū)城市化程度較高，故將平原下墊面細分成旱地及非耕地、水面、水田、城鎮(zhèn)[11]。

2.1.1.1產(chǎn)流計算

甬江流域?qū)儆跐駶櫚霛駶櫟貐^(qū)。根據(jù)多位研究員研究及應(yīng)用驗證，山區(qū)、平原區(qū)的旱地及非耕地采用三水源新安江模型進行產(chǎn)流計算較為合適[12]。蒸散發(fā)計算采用三層模型[13]，產(chǎn)流計算按照蓄滿產(chǎn)流方式進行。

2.1.1.2匯流計算

洪水資料較為完備地區(qū)的坡面匯流計算采用“線性水庫匯流模型方法”；當集水面積大于50 km2時，無資料地區(qū)坡面匯流計算采用“浙江省瞬時單位線法”；當集水面積小于50 km2時，采用“浙江省推理公式法”[14]。如果分區(qū)內(nèi)有水庫，先通過水庫調(diào)洪演算計算出水庫的下泄流量過程，再通過馬斯京根法進行河道匯流演算，得出進入下游河道的洪水流量過程。

2.1.2水庫洪水預(yù)報調(diào)度模擬

水庫在實際防汛應(yīng)用中，根據(jù)不同水庫的保護目標、洪水量級的大小、洪水所處的階段不同，會有多種調(diào)度運行模式，如按照水庫控制運行計劃模式、指令調(diào)度模式、時間序列調(diào)度模式、補償調(diào)度模式等。

2.1.3潮位預(yù)報模擬

鄞東南平原排水受到奉化江、甬江干流潮水頂托影響，臺風(fēng)期間潮水位變化主要受天文潮、臺風(fēng)風(fēng)暴增水影響。本研究以天文潮調(diào)和分析方法為基礎(chǔ)，結(jié)合增水預(yù)測分析，通過天文潮與增水值進行耦合實現(xiàn)潮位預(yù)報。天文潮潮位高度公式如下：

(1)

式中j——分潮數(shù)；v——格林威治天文相角；v0——t=0時刻的v值；S0——長期平均海水位高度；H、g——調(diào)和常數(shù)。

2.1.4河網(wǎng)水動力模擬

河網(wǎng)采用節(jié)點-河道模型，水域和陸域劃分為調(diào)蓄小分區(qū)，將河網(wǎng)、水域和陸域組成統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型[15](圖2)。

2.2 模型率定及驗證

產(chǎn)匯流模型參數(shù)率定以流域內(nèi)亭下水庫1988—2017年16場洪水資料為例，選取洪峰流量、峰現(xiàn)時間、徑流量和洪水過程確定性系數(shù)為主要評定指標。以甬江流域2012年“?？迸_風(fēng)、2015年“燦鴻”臺風(fēng)和2015年“杜鵑”臺風(fēng)作為參證洪水，進行平原河網(wǎng)水動力參數(shù)率定計算。

基于《浙江省洪水風(fēng)險圖編制技術(shù)細則(試行)》(2015)中的相關(guān)規(guī)定，以“菲特”“莫蘭蒂”和“山竹”3場臺風(fēng)進行甬江流域洪水模擬數(shù)學(xué)模型驗證。其中 “菲特”臺風(fēng)亭下水庫流量過程確定性系數(shù)為0.91，甬江流域各代表站點計算與實測的水位誤差差值小于等于8 cm，各代表點計算與實測的淹沒水深差值小于等于12 cm；“莫蘭蒂”臺風(fēng)甬江流域各代表站點計算與實測的水位誤差差值小于等于6 cm；“山竹”臺風(fēng)橫溪水庫流量過程確定性系數(shù)為0.94，甬江流域各代表站點計算與實測的水位誤差差值小于等于8 cm，33個居民小區(qū)中有28個居民小區(qū)計算與實測的淹沒水深差值符合《浙江省洪水風(fēng)險圖編制技術(shù)細則(試行)》(2015)要求。綜合分析后得到居民小區(qū)淹沒合格率達到84.8%，滿足《洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則》的要求，因此本模型能夠用于洪水分析及洪水影響分析計算。

3 洪澇風(fēng)險動態(tài)預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

整個系統(tǒng)劃分為信息感知層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層。服務(wù)端使用Java語言，前端頁面使用Html5、CSS3語言，地圖基于ArcGIS平臺開發(fā)?；诰W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用“瀏覽器/服務(wù)器”模式開發(fā)基礎(chǔ)信息管理、實時洪水風(fēng)險分析評估等子系統(tǒng)，可運行于Windows/Linux環(huán)境。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

3.2 動態(tài)洪水風(fēng)險分析評估子系統(tǒng)

動態(tài)洪水風(fēng)險分析評估子系統(tǒng)利用已建立的洪水模擬數(shù)學(xué)模型分析計算鄞東南平原動態(tài)洪水，預(yù)報預(yù)警洪澇災(zāi)害。洪水分析計算以氣象降雨預(yù)報為依托，結(jié)合甬江流域內(nèi)實時水雨工情信息，兼顧實時防汛調(diào)度指令，融合各部門防汛信息，開展暴雨洪水對編制范圍內(nèi)影響全過程的預(yù)判、跟蹤與評估。

3.2.1降雨預(yù)報

在洪水發(fā)生過程中，已發(fā)生時段的降雨數(shù)據(jù)來源為甬江流域內(nèi)實時監(jiān)測的雨量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動在后臺滾動將實時點雨量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，將點雨量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為各產(chǎn)流分區(qū)的面雨量數(shù)據(jù)；預(yù)報時段的降雨數(shù)據(jù)可以根據(jù)需要進行人工配置，按照山區(qū)和平原，或者流域進行區(qū)分，并選擇典型降雨進行時空分配。

3.2.2水庫、閘泵調(diào)度

在洪水發(fā)生過程中，已發(fā)生時段的水庫、閘門、泵站調(diào)度數(shù)據(jù)來源為甬江流域內(nèi)實時監(jiān)測的水庫、閘門、泵站工情數(shù)據(jù)，預(yù)報時段的水庫、閘泵調(diào)度數(shù)據(jù)來源為防汛部門的水庫、閘泵調(diào)度指令或自身控制運行計劃。

3.2.3產(chǎn)匯流計算

產(chǎn)匯流計算采用基于水文學(xué)方法的產(chǎn)匯流模型作為底層計算引擎，為平原河網(wǎng)水動力計算提供上游山區(qū)來水邊界條件和平原凈雨邊界條件。根據(jù)降雨分析計算方案確定的降雨邊界以及水庫調(diào)度方案確定的水庫調(diào)度方式，對范圍內(nèi)進行產(chǎn)流計算和匯流計算。

3.2.4潮位分析計算

實時潮位預(yù)報為平原河網(wǎng)水動力計算提供下邊界條件。在洪水發(fā)生過程中，已發(fā)生時段的潮位過程采用實時監(jiān)測的潮位數(shù)據(jù)，預(yù)報時段的潮位過程，系統(tǒng)采用天文潮預(yù)報疊加風(fēng)暴增水的方式得到完整的潮位過程。

3.2.5洪水演進計算

洪水演進計算采用基于水力學(xué)方法的河網(wǎng)水動力模型作為底層計算引擎，模擬洪水在平原河道、平原陸域的演進過程[16]。選定產(chǎn)匯流方案、潮位計算方案和閘泵調(diào)度方案，進行洪水演進計算，計算河道和平原洪水過程，輸出各代表站點水位過程、典型斷面水位流量過程，并分析淹沒水深、淹沒歷時等信息，以此對洪澇災(zāi)害進行預(yù)報預(yù)警。水位分析成果見圖4。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.3.1“米娜”臺風(fēng)應(yīng)用情況

2019年第18號臺風(fēng)“米娜”于10月1日在舟山市普陀區(qū)沈家門登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力11級。為了防范和應(yīng)對“米娜”臺風(fēng)可能帶來的洪澇災(zāi)害，9月29日至10月2日，根據(jù)防汛形勢分別計算分析了5組方案，見表1。

表1 “米娜”臺風(fēng)計算方案說明

3.3.1.1系統(tǒng)預(yù)報精度評估

在5組水位預(yù)報成果中，方案4(10月1日16時)計算時，氣象預(yù)報降雨與后續(xù)實際降雨較為一致,故選擇10月1日16時方案最高水位預(yù)報值與實測值進行對比見表2，部分代表性站點水位過程見圖5。從圖表可以看出，流域內(nèi)各水位站點實測最高水位基本在預(yù)報區(qū)間之內(nèi)，精度較好。

表2 “米娜”臺風(fēng)系統(tǒng)預(yù)報水位與實測水位對比

a) 姜山站

b) 鄞州公園站

c) 江東內(nèi)河站圖5 “米娜”臺風(fēng)方案4部分站點計算與實測水位過程線對比

d) 五鄉(xiāng)新站續(xù)圖5 “米娜”臺風(fēng)方案4部分站點計算與實測水位過程線對比

3.3.1.2臺風(fēng)復(fù)演

“米娜”臺風(fēng)結(jié)束后，利用本系統(tǒng)對臺風(fēng)期間洪水演進過程進行了復(fù)演。降雨過程采用實測值，水庫、閘門、泵站按照實際調(diào)度，外海潮位采用實測潮位值，平原河網(wǎng)初始水位采用洪水初期的實際水位，模擬過程168 h，結(jié)果見表3、圖6。

表3 “米娜”臺風(fēng)復(fù)演甬江流域各代表站點最高洪水位驗證成果

a) 姜山站

b) 鄞州公園站圖6 “米娜”臺風(fēng)復(fù)演方案部分站點計算與實測水位過程線對比

c) 江東內(nèi)河站

d) 五鄉(xiāng)新站續(xù)圖6 “米娜”臺風(fēng)復(fù)演方案部分站點計算與實測水位過程線對比

3.3.2“利奇馬”臺風(fēng)應(yīng)用情況

2019年第9號臺風(fēng)“利奇馬”于2019年8月10日以超強臺風(fēng)的強度在臺州市溫嶺城南鎮(zhèn)沿海登陸。8月9日至8月11日，系統(tǒng)共計算8組方案。其中“8月10日9時”方案計算時，氣象預(yù)報降雨與后續(xù)實際降雨較為接近，故選擇該方案最高水位預(yù)報值與實測值進行對比，結(jié)合一系列代表站點計算與實測水位過程線對比圖可以看出：鄞東南片區(qū)各水位站點預(yù)報最高水位與實測最高水位均存在不同程度的差距，分析其具體原因，預(yù)報降雨提供的數(shù)值偏小，導(dǎo)致模型計算結(jié)果與實測結(jié)果存在一定差距。

臺風(fēng)結(jié)束后，利用本系統(tǒng)對臺風(fēng)期間洪水演進過程進行了復(fù)演。由代表測站計算與實測水位過程線對比圖分析可知，計算與實測水位過程吻合較好。復(fù)演各代表站點最高洪水位驗證成果見表4。

表4 “利奇馬”臺風(fēng)復(fù)演鄞東南地區(qū)各代表站點最高洪水位驗證成果

4 結(jié)論

a) 選擇了水文學(xué)方法和水力學(xué)方法分析，建立甬江流域洪水模擬數(shù)學(xué)模型，模擬了特定頻率洪水發(fā)生時，鄞東南平原內(nèi)可能的淹沒范圍、淹沒水深、淹沒時長，依據(jù)分析結(jié)果，編制鄞東南平原動態(tài)洪水風(fēng)險圖。

b) 產(chǎn)匯流模型參數(shù)率定以流域內(nèi)亭下水庫1988—2017年16場洪水資料為例，選取洪峰流量、峰現(xiàn)時間、徑流量和洪水過程確定性系數(shù)為主要評定指標。以甬江流域“?？迸_風(fēng)、“燦鴻”臺風(fēng)、“杜鵑”臺風(fēng)作為參證洪水，進行平原河網(wǎng)水動力參數(shù)率定計算。經(jīng)模型驗證，確定性系數(shù)、計算與實測的水位誤差差值等值均在《浙江省洪水風(fēng)險圖編制技術(shù)細則(試行)》(2015)要求范圍內(nèi)，因此甬江流域洪水模擬數(shù)學(xué)模型能夠用于洪水分析及洪水影響分析計算。

c) 建立鄞東南平原洪澇風(fēng)險動態(tài)預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)洪水風(fēng)險分析、洪水過程模擬演進和風(fēng)險圖成果的查詢和輸出。系統(tǒng)應(yīng)用時選取了“利奇馬”和“米娜”兩場臺風(fēng)，對“利奇馬”臺風(fēng)進行實時洪水演進模擬時，由于預(yù)報降雨提供的數(shù)值偏小，導(dǎo)致模型計算結(jié)果與實測結(jié)果存在一定差距。但在“利奇馬”臺風(fēng)復(fù)演時，鄞東南平原各代表站計算與實測水位過程吻合較好。對“米娜”臺風(fēng)進行實時洪水演進模擬和臺風(fēng)復(fù)演時，鄞東南平原各代表站計算與實測水位過程吻合較好。經(jīng)評估，鄞東南平原洪澇風(fēng)險動態(tài)預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)預(yù)報精度較好。