蔡浩龍

(清遠(yuǎn)市清新區(qū)清西防汛工程管理所，廣東 清遠(yuǎn) 511500)

0 引 言

洪水是由極端天氣事件引起的自然災(zāi)害之一。洪水事件通常無(wú)法避免，因此人們必須通過(guò)減少洪水事件的影響來(lái)降低災(zāi)害[1]。因此，超前意識(shí)和防范如結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性方法，對(duì)于防洪和減少損失至關(guān)重要。其中，結(jié)構(gòu)方法側(cè)重于工程，主要涉及重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，或?qū)樗录?shí)施一些新的物理屏障，以減少洪水災(zāi)害的影響[2]。與結(jié)構(gòu)方法相比，管理方法用于應(yīng)對(duì)洪水災(zāi)害。衛(wèi)星技術(shù)、空間數(shù)據(jù)分析和建模的快速發(fā)展為研究人員開(kāi)發(fā)更精確的洪水風(fēng)險(xiǎn)模型提供了條件，在洪水風(fēng)險(xiǎn)模型中，洪水可以得到適當(dāng)和明智的管理[3]。水動(dòng)力模型與遙感和地理信息系統(tǒng)(GIS)相結(jié)合，成為及時(shí)繪制不同洪水情景和相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的主要工具[4]。計(jì)算數(shù)值模型還可以提供洪水范圍、水深和洪水波到達(dá)時(shí)間等信息，并預(yù)測(cè)洪水傳播[5]。通過(guò)水動(dòng)力學(xué)建模，可以制定洪水緩解規(guī)劃，以備將來(lái)應(yīng)對(duì)洪水事件[6]。

本文旨在通過(guò)水動(dòng)力學(xué)建模方法，評(píng)估上游地區(qū)擬建大壩的實(shí)施情況，以減少洪水危害。洪水規(guī)模的增加將給受災(zāi)地區(qū)造成更嚴(yán)重的后果，停電限制通訊，救援工作難度也將增大。為此，通過(guò)耦合一維和二維模型，模擬2014年有無(wú)擬建大壩的洪水事件，評(píng)估擬建大壩在減少研究區(qū)洪水災(zāi)害方面的有效性至關(guān)重要。

1 材料與方法

研究區(qū)位于云南省東北部，年均氣溫為21℃～31℃，其降水只有降雨，不存在降雪。年最大降雨量可達(dá)1 750 mm，大部分降雨發(fā)生在1-11月份的季風(fēng)季節(jié)。金沙江是該地區(qū)的主要水資源，其兩條支流在下游交匯處匯合，變成一條更寬、流量更大的河流，在沿海平原上蜿蜒流淌。該地區(qū)人口的主要活動(dòng)是農(nóng)業(yè)。研究區(qū)域?yàn)樵颇鲜|北部的一個(gè)小流域，擬建大壩位于保護(hù)區(qū)上游，兩條主要支流匯合的下游處。在本研究中，下游地區(qū)觀測(cè)到的洪水主要集中在兩條河流交匯后的地區(qū)。

洪水建模所需的信息包括DTM、土地利用數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、橫斷面和河網(wǎng)。該模型包括5個(gè)主要階段：①數(shù)據(jù)收集；②下墊面數(shù)據(jù)預(yù)處理；③模型圖式化；④洪水模擬；⑤生成洪水災(zāi)害圖。

1.1 數(shù)據(jù)描述

本研究中使用的DTM數(shù)據(jù)是激光雷達(dá)和SRTM數(shù)據(jù)源。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的空間分辨率為3 m，而SRTM的空間分辨率為30 m。將現(xiàn)有的DTM與農(nóng)業(yè)部的DTM相結(jié)合，生成一個(gè)新的空間分辨率，用于評(píng)估農(nóng)業(yè)部現(xiàn)有的DTM值。同時(shí)，水文數(shù)據(jù)包括從水文局獲得的流量和水位數(shù)據(jù)。對(duì)于一維模型的計(jì)算，也有目的地需要橫截面和河網(wǎng)。河網(wǎng)來(lái)自水文局，也可通過(guò)ArcGIS處理生成。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 在DTM上修建擬建大壩

擬建的水壩是通過(guò)提高DTM的數(shù)字高程形成的。大壩位于保護(hù)區(qū)上游約40 km處，擬建的大壩設(shè)計(jì)有3個(gè)出口作為溢洪道。大壩的壩頂高程分別為73和85 m，溢洪道高程分別為63和78 m。此外，在大壩東北約2 km處擬建的副壩也將其的高程提高至85 m。副壩的作用是防止洪水向下游溢出。

1.2.2 曼寧系數(shù)設(shè)置

在本研究中，曼寧的n值是通過(guò)轉(zhuǎn)換地圖中的每個(gè)土地利用類(lèi)別來(lái)獲得的。根據(jù)研究區(qū)域的周?chē)闆r調(diào)整數(shù)值，見(jiàn)表1。

表1 曼寧系數(shù)轉(zhuǎn)換查找表

1.3 模型圖形化

1.3.1 橫斷面圖和河網(wǎng)圖

河網(wǎng)和橫斷面是模擬模型所必需的。河網(wǎng)作為參考，在模型方案中對(duì)河段進(jìn)行數(shù)字化。本研究中使用的橫截面數(shù)據(jù)為2014年的最新調(diào)查數(shù)據(jù)，但所提供的橫截面圖并未涵蓋整個(gè)研究區(qū)域。因此，研究區(qū)域其余部分的橫截面是從激光雷達(dá)數(shù)據(jù)源的DTM中提取的。

1.3.2 定義邊界條件

邊界條件已在模型設(shè)置中正確描述。邊界條件是一個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，其作用是定義模型區(qū)域與其周?chē)h(huán)境之間的流量關(guān)系。流入邊界條件由一系列流量Q定義，而水位系列用于流出邊界條件。圖1顯示了模型設(shè)置的入口邊界條件的流量過(guò)程線。

圖1 入口邊界條件的流量輸入數(shù)據(jù)

2 結(jié) 果

2.1 洪水模擬

洪水模擬的重點(diǎn)確定研究區(qū)在擬建大壩前后的流量，表明修建大壩的必要性。該模擬使用SOBEK流體動(dòng)力學(xué)模型的軟件。SOBEK是一個(gè)強(qiáng)大的洪水預(yù)報(bào)模型，具有集成的一維和二維模型。一維模型涉及與河網(wǎng)沿線選定位置處的橫截面相對(duì)應(yīng)的每個(gè)計(jì)算點(diǎn)，而二維模型使用有限的不同方法計(jì)算漫灘，以網(wǎng)格單元表示。

2.1.1 擬建大壩的模擬

擬建大壩的模擬是大壩在DTM的基礎(chǔ)上開(kāi)始的。圖2(a)顯示了擬建1號(hào)河流大壩的DTM；圖2(b)顯示了擬建2號(hào)河流大壩和副壩的DTM。模擬還將測(cè)量擬建大壩開(kāi)發(fā)后的流量。未修建擬建大壩的流量數(shù)據(jù)均為1號(hào)河流與2號(hào)河流的控制水文站的流量數(shù)據(jù)。軟件模擬修建大壩后的流量由軟件模擬出來(lái)。

圖2 兩條支流的DTM圖

2.1.2 洪水災(zāi)害圖的生成

該流域的洪水災(zāi)害圖是通過(guò)采用人群洪水災(zāi)害等級(jí)方程，來(lái)確定對(duì)人群造成危險(xiǎn)的洪水深度、洪水速度和碎片系數(shù)的組合而生成的。方程式如下：

HR=d×(v+0.5)+DF

(1)

其中：HR為洪水的危險(xiǎn)等級(jí)；d為洪水深度，m；v為洪水速度，m/s；DF為泥石流系數(shù)。

根據(jù)不同洪水深度、流速和主要土地利用的泥石流因子指標(biāo)見(jiàn)表2，造成危險(xiǎn)的泥石流因子值分別為0、0.5和1。由于1號(hào)流域的特點(diǎn)是丘陵地帶，危險(xiǎn)系數(shù)被設(shè)定為1。因此，泥石流因子導(dǎo)致危險(xiǎn)的可能性較高，其危險(xiǎn)分為4類(lèi)，分別為低、中、重大和極端，見(jiàn)表3。

表2 根據(jù)土地類(lèi)型、不同深度和速度的泥石流因子指標(biāo)

表3 洪水災(zāi)害類(lèi)別

2.2 擬建大壩前后洪水影響對(duì)比

2.2.1 未擬建大壩的洪水模擬結(jié)果

在未擬建大壩的研究區(qū)洪水模擬中，考慮兩個(gè)輸出參數(shù)，即最大流速和最大水深，生成最大流速和水深圖，見(jiàn)圖3。結(jié)果顯示，研究區(qū)自1號(hào)河流和2號(hào)河流匯流于下游擬建大壩處，在原始的觀測(cè)基礎(chǔ)上，未擬建2014年洪水的最大流速為34 m/s，最大水深為19 m。擬建大壩位置到匯流點(diǎn)之間的洪水面積約為30 km2。

圖3 研究區(qū)未擬建大壩的洪水最大流速和最大水深

2.2.2 擬建大壩的模擬結(jié)果

擬建大壩的洪水模擬表明，研究區(qū)將不會(huì)發(fā)生洪水。根據(jù)擬建大壩后的模擬測(cè)量，大壩建成后的流量不足以觸發(fā)下游地區(qū)的洪水。圖4為擬建大壩前后的流量過(guò)程線?？梢钥闯觯髩螖M建之后的洪峰流量從2 956 m3/s降至142 m3/s，減少量約為95%。

2.2.3 洪水災(zāi)害圖

洪水災(zāi)害圖是使用獲得的最大流速和最大水深的結(jié)果生成的。圖5(a)為2014年未擬建大壩的研究區(qū)洪水災(zāi)害圖；圖5(b)為擬建大壩后的研究區(qū)洪水災(zāi)害圖。洪水面積根據(jù)不同洪水事件的危害指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，見(jiàn)表4。從災(zāi)害圖上看，大部分被洪水淹沒(méi)的地區(qū)被劃為極端地區(qū)。

圖4 大壩擬建前后的流量過(guò)程線

圖5 2014年研究區(qū)洪水災(zāi)害圖

表4 根據(jù)2014年洪水災(zāi)害區(qū)域的事件指標(biāo)

3 結(jié) 論

本文通過(guò)集成水動(dòng)力建模，來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)方法(如大壩)的實(shí)施，以減緩洪水造成的危害。研究區(qū)擬建大壩的水動(dòng)力模型結(jié)果表明，擬建大壩后，洪水的洪峰被極大削減，比未擬建大壩減少約95%；擬建大壩之前，下游的洪水災(zāi)害基本上為重大和極端的災(zāi)害等級(jí)；擬建大壩之后，下游沒(méi)有發(fā)生洪水災(zāi)害。鑒于洪水模擬僅通過(guò)提高DTM地面模型的高程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，因此應(yīng)該從更多方面考慮這一結(jié)果。可以說(shuō)，擬建大壩有利于并有能力減少研究區(qū)的洪水災(zāi)害。研究表明，擬建大壩應(yīng)采用適當(dāng)?shù)挠?jì)劃和關(guān)于大壩運(yùn)行方式的詳細(xì)規(guī)范進(jìn)行建模，尤其是在防洪和水力發(fā)電方面。