黎 愷，金 濤，張新華

(1.四川省水利規(guī)劃研究院，四川 成都 610072；2.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

洪水是我國頻繁發(fā)生的自然災害之一[1-2].近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，洪澇災害嚴重威脅了人民群眾的生命和財產(chǎn)安全，國家對于城市防災減災高度重視，因此不論是城市防洪還是相應的水安全保障工作都任重道遠.當前，不論是大江大河還是中小河流，都存在著一些防洪薄弱環(huán)節(jié)，因此對江河附近的城鎮(zhèn)等人口密集區(qū)展開洪水淹沒風險分析尤為重要.通過對研究區(qū)域洪水情況開展實地調(diào)查研究，進行洪水風險分析計算，并根據(jù)計算結(jié)果采取必要的工程及非工程措施，不僅能夠有效避免或減輕洪水災害帶來的損失，同時也能為防洪減災工作提供一定的技術(shù)支撐[3].

1 研究區(qū)域概況

洪雅縣是四川省眉山市下轄的一個縣城，轄區(qū)面積1 896 平方公里.由于多條河流匯集于此，因而常年受洪災影響，為省屬重點防洪縣，縣境內(nèi)有防洪需求的主要有洪川、三寶、羅壩、中保、止戈等9 個鄉(xiāng)鎮(zhèn).洪雅縣主城區(qū)為洪川鎮(zhèn)，位于青衣江以北，轄區(qū)面積79.2 平方公里.全縣有青衣江、周公河、硝水河、花溪河等大小河流330 條，防洪形勢嚴峻，青衣江為境內(nèi)最大河流，青衣江洪雅段總長58.3 公里.洪雅縣流域水系分布如圖1所示.

圖1 洪雅縣流域水系示意圖Fig.1 The sketch of the Hongya County River system

2 研究方法及模型構(gòu)建

2.1 研究方法

眉山市洪雅縣城區(qū)段洪水主要來源為青衣江干流及其支流.針對這一特征，本次研究選取一、二維水動力學模型模擬研究區(qū)域的洪水演進過程[4-6].通常洪水計算分為兩大部分，一部分是河道的洪水演進過程，另一部分是淹沒區(qū)的洪水演進過程的計算，操作十分復雜[7-10]，為了在提高效率的同時保證計算結(jié)果的穩(wěn)定可靠，本研究在進行洪水分析計算時主要利用IFMS/Urban 建模軟件及分布式水文模型FFMS，以水動力學和水文水力學方法為主構(gòu)建洪雅縣城區(qū)段的洪水分析模型.

1)河道一維模型

對于一維河網(wǎng)的洪水演進過程通常采用下式來描述:

在公式中:x表示的是河段長度，t表示洪水演進時間；Q為經(jīng)過河道斷面的流量；A是面積；α為相應的修正系數(shù)；K是流量系數(shù)；q為側(cè)邊支流的匯入流量；vx為匯入的流量沿著水流方向流速的分量.

2)二維模型

對于二維模型，主要采用動態(tài)馬斯京根法表示河道洪水演進[11-12].一般來說天然河道里的洪水都是非恒定流，這也就意味著各種水力要素會隨著空間和時間的變化而變化.在沒有旁邊側(cè)向支流匯入的情況下，其主要形式如下:

在公式中:t表示洪水演進時間；A是過水斷面面積；Q表示的流量；L為與河道之間的距離；Z代表的是水位；v為斷面平均流速；g為重力加速度；Sf是摩阻比降.

為了方便計算，本次研究將原來的連續(xù)性方程進一步簡化成水量平衡方程，同時也對動力方程做出簡化，改為動態(tài)馬斯京根槽蓄方程，最后將兩個方程合并求解即可推算出河道下斷面的出流過程，用下式描述:

在公式中:Qr，1、Qr，2分別代表的是時段開始和結(jié)尾時上斷面的流量；Qc，1、Qc，2分別代表的是時段開始和結(jié)尾時下斷面的流量；△t為時長；q1是時段初區(qū)間入流量，q2為時段末的區(qū)間入流量；S1為時段初的蓄水量，S2是時段末河段的蓄水量；K為傳播時間；x為相關(guān)因子，一般取值為0～0.5.

3)模型耦合

在構(gòu)建最終的洪水分析模型時，一般會開展模型耦合工作.通常的做法是把構(gòu)建好的一維模型和二維模型耦合關(guān)聯(lián)在一起.常見的模型耦合方式主要有兩種，分別是順向正連接和偏向側(cè)連接，一二維耦合連接示意圖如圖2所示.所謂的順向正連接就是水流只在河道入口和出口兩端與二維區(qū)域進行水量交換，對于這種連接方式最關(guān)鍵的是要確定好連接處兩個模型的邊界條件.而偏向側(cè)連接就是河道水流在側(cè)邊與二維區(qū)域進行水量交換，對于這種連接關(guān)鍵是要計算好兩個模型在耦合邊界處交換的水量.

圖2 一二維耦合連接示意Fig.2 Two-dimensional coupling connection schematic

2.2 模型構(gòu)建

1)建模范圍確定

綜合考慮青衣江洪雅段干支流、編制單元分布以及基礎(chǔ)資料條件等實際情況，以水文水動力學方法為主構(gòu)建青衣江干流洪雅段一二維耦合水動力洪水分析模型.建模范圍起點為上游槽魚灘水庫，終點為青衣江出洪雅縣斷面，青衣江干流洪雅段建模范圍如圖3所示.

圖3 青衣江干流洪雅段建模范圍示意圖Fig.3 Schematic diagram of the modeling area of the Hongya County section of the main Qingyi River

一維模型的建模范圍選擇青衣江干流洪雅段以及區(qū)間匯流的主要支流，共計4 265 個河道斷面，其中青衣江干流洪雅段河長85.3 km，河道斷面1 363 個.二維模型建模范圍結(jié)合實際地形、沿河城鎮(zhèn)分布情況，最終選取青衣江干流洪雅段左右岸4 km～10 km范圍，面積約939.5 km2.對重要城鎮(zhèn)及河流兩岸網(wǎng)格進行加密，網(wǎng)格尺寸50 m.

2)模型構(gòu)建及網(wǎng)格剖分

運用Mesh2D 插件對勾勒的建模范圍依次進行子區(qū)域生成及網(wǎng)格剖分，共計剖分網(wǎng)格數(shù)約46 萬個，網(wǎng)格尺寸為50 m，對重要城鎮(zhèn)及河流兩岸網(wǎng)格進行加密(網(wǎng)格尺寸20 m).將剖分好的網(wǎng)格導入IFMS 軟件進行建模，對干支流河道斷面分別進行左右岸堤頂設(shè)置，并進行交匯處的節(jié)點概化和一二維耦合連接設(shè)置，建模情況如圖4所示.

圖4 青衣江干流洪雅段一二維耦合水動力模型示意圖Fig.4 The sketch of a two－dimensional coupled hydrodynamic model for the Hongya section of the main stream of the Qingyi River

3)邊界條件及參數(shù)設(shè)置

河道上游采用青衣江干流不同重現(xiàn)期設(shè)計洪水成果或?qū)崪y洪水過程，如圖5所示，下游采用出口斷面水位流量關(guān)系曲線，如圖6所示.一維河道糙率采用青衣江2020年8月16日到8月18日實測洪水過程率定(0.028～0.035)，二維河道糙率根據(jù)不同土地利用類型設(shè)置.設(shè)計洪水成果采用洪雅水文站的成果，如表1所示.

表1 洪雅水文站設(shè)計洪水成果表Table 1 Design flood result table of Hongya hydrologic station

圖5 青衣江干流各頻率設(shè)計洪水過程曲線Fig.5 Design flood process curves for the Qingyi River mainstream at various frequencies

圖6 青衣江干流洪雅段水位流量關(guān)系曲線Fig.6 Stage-discharge relationship curve of the Hongya County

3 洪水淹沒分析

3.1 淹沒分析計算

通過將所建模型導入IFMS 軟件中，設(shè)置不同重現(xiàn)期下的時間序列和邊界條件，通過計算可得出結(jié)果.將所得結(jié)果shp 文件導入ArcGIS 軟件中，以最大水深為條件進行分級色彩可視化操作，最終得到洪雅縣城區(qū)段不同重現(xiàn)期洪水淹沒情況示意圖，如圖7所示.

3.2 成果合理性分析

1)水文站點實測數(shù)據(jù)驗證

模型采用青衣江2020年8月16日到8月18日洪水過程進行率定(青衣江100年).采用洪雅水文站實測洪水過程模擬洪水淹沒情況，三個洪峰過程模擬效果較好，洪峰流量誤差均不超過2%，洪雅站最大水位誤差基本小于0.2 m.可見，計算結(jié)果比較合理可靠.成果合理性分析驗證結(jié)果如表2所示.

表2 成果合理性分析驗證表Table 2 Results rationality analysis validation table

2)現(xiàn)狀堤防防洪能力驗證

根據(jù)青衣江干流現(xiàn)狀堤防分布及防洪標準，對沿洪雅縣城區(qū)段進行模型結(jié)果的合理性分析.眉山市洪雅縣城區(qū)段堤防現(xiàn)狀防洪能力為20年一遇洪水重現(xiàn)期，如圖8所示.對比計算出的10－100年洪水淹沒情況，可以看出洪雅縣20年一遇以下洪水幾乎不會越過堤防，部分薄弱段會有洪水漫溢，超過20年一遇洪水則會翻堤，部分河段由于地勢較高，淹沒范圍較小.通過分析可知計算結(jié)果合理可靠，與實際發(fā)生情況基本相符.

圖8 洪雅縣城區(qū)段堤防示意圖Fig.8 Schematic of the Hongya County city section of the levee

4 結(jié)論與建議

本文以眉山市洪雅縣城區(qū)段作為研究區(qū)域，利用IFMS 軟件模擬計算了青衣江不同重現(xiàn)期下的洪水淹沒情況，并運用ArcGIS 對計算結(jié)果進行展示.計算結(jié)果顯示，洪雅縣城區(qū)段堤防能夠有效抵御青衣江20年一遇及以下重現(xiàn)期洪水，局部段可以抵御30年一遇重現(xiàn)期洪水；但對于50年一遇重現(xiàn)期及以上洪水，城區(qū)段淹沒范圍較大，尤其是百年一遇洪水，城區(qū)淹沒過半.

由于青衣江洪水頻發(fā)，洪雅縣作為青衣江沿岸的城鎮(zhèn)人口密集區(qū)域，防洪減災工作尤為重要.結(jié)合分析計算結(jié)果并結(jié)合洪雅縣實際情況，建議對區(qū)域內(nèi)開展全面的洪水風險隱患排查，加固修繕薄弱段，對原有堤防盡可能地進行加高并結(jié)合河道疏浚等綜合治理措施，不斷提高洪水防御能力，同時也要不斷完善非工程措施，通過工程措施與非工程措施相結(jié)合，提高縣城防洪能力.