劉 越 黃志文 王志超 許小華 吳秋琴

（1.江西省水利科學(xué)院，南昌 330000；2.江西省鄱陽(yáng)湖流域生態(tài)水利技術(shù)創(chuàng)新中心，南昌 330000）

0 引 言

我國(guó)洪澇災(zāi)害多發(fā)，給人民生命安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了巨大危害，根據(jù)《中國(guó)水旱災(zāi)害防御公報(bào)2021》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年洪澇災(zāi)害共造成5 901萬(wàn)人次受災(zāi)，占全年受災(zāi)人口的55.1%，造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2 458.9 億元，占全年災(zāi)害損失的73.6%[1]。洪澇災(zāi)害已成為我國(guó)首要解決的問(wèn)題之一，科學(xué)認(rèn)識(shí)研究洪澇成因、提高防洪排澇能力、減輕洪澇災(zāi)害迫在眉睫。采用數(shù)字信息化技術(shù)重構(gòu)易澇區(qū)域地形，對(duì)洪澇進(jìn)行數(shù)值模擬建立數(shù)值模型，是較為科學(xué)的研究手段之一。蔡哲等[2]基于新安江模型建立了潦河流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)和災(zāi)害預(yù)報(bào)系統(tǒng)，結(jié)果表明新安江模型模擬洪澇災(zāi)害較為可靠。王棟等[3]基于環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型（Environmental Fluid Dynamics Code，EFDC）對(duì)清河下游潰壩洪水進(jìn)行了模擬，對(duì)淹沒(méi)水深、淹沒(méi)范圍和淹沒(méi)時(shí)長(zhǎng)等洪澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。段揚(yáng)等[4]基于EFDC 模型對(duì)漳衛(wèi)河流域大名蓄滯洪區(qū)進(jìn)行洪水模擬，結(jié)果表明EFDC 模型可以較好地模擬洪水演進(jìn)過(guò)程。王靜等[5]比較EFDC 模型和MIKE 模型模擬洪澇演進(jìn)過(guò)程，證明EFDC模型準(zhǔn)確性更高、計(jì)算效率更快?？傮w而言，相對(duì)于其他模型，EFDC 模型調(diào)試簡(jiǎn)單、計(jì)算效率高且代碼開源，更容易進(jìn)行二次開發(fā)和系統(tǒng)集成，十分適合城鎮(zhèn)洪澇模擬。

2020 年8 月4 日，2004 號(hào)臺(tái)風(fēng)“黑格比”給浙江永康市境內(nèi)帶來(lái)強(qiáng)降雨，導(dǎo)致棠溪流域發(fā)生暴雨洪澇，附近村莊房屋受淹，河道橋梁沖毀，部分村落發(fā)生人員傷亡。本文以永康市棠溪流域?yàn)槔?，通過(guò)數(shù)值模擬方法構(gòu)建水文產(chǎn)匯流模型和二維水動(dòng)力地表模型，分析流域內(nèi)洪澇風(fēng)險(xiǎn)，為當(dāng)?shù)胤篮闇p災(zāi)工作提供數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。

1 研究流域概況

1.1 流域概況

棠溪流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬夏季風(fēng)交替顯著，年平均氣溫適中，四季分明，雨量豐沛，日照充足。3—4 月是西北季風(fēng)減退和東南季風(fēng)增強(qiáng)的時(shí)期，冷暖空氣交匯形成綿綿春雨；4 月中旬至7 月中旬，夏季風(fēng)的暖氣流與南下的冷空氣相遇，形成持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的鋒面雨，陰雨連綿，降水集中，俗稱“梅雨”，梅雨期最大暴雨通常發(fā)生在6 月；盛夏和秋季常常受副熱帶高壓控制，降水主要為臺(tái)風(fēng)暴雨和局部雷陣雨，且大多集中在8 月至9 月下旬；冬季盛行偏北風(fēng)，冷而干燥，氣候以晴冷為主。棠溪流域橫跨永康市和縉云縣，流域水系圖如圖1 所示。流域面積48.05 km2，整體地勢(shì)為東北高西南低，棠溪發(fā)源于周圍山地，途經(jīng)14 個(gè)村莊到楊橋頭村匯入好溪，2 條主要支流分別從上馬村和尚黃橋村匯入，河道蜿蜒曲折且已基本渠化，上下游落差較大，河床高程在251～583 m，平均坡降0.019，兩岸皆為山區(qū)集雨面，左岸呈山高坡陡型，右岸則相對(duì)平緩，臺(tái)風(fēng)季節(jié)易發(fā)生洪澇災(zāi)害。

圖1 棠溪流域水系圖

1.2 歷史洪澇情況

棠溪流域三面環(huán)山且靠近沿海地區(qū)，幾乎每年臺(tái)風(fēng)入境都會(huì)發(fā)生不同程度的洪澇，其中臺(tái)風(fēng)“黑格比”引起的洪澇給當(dāng)?shù)貛?lái)嚴(yán)重?fù)p失，棠溪流域內(nèi)河道溢流、橋梁被沖毀，造成大面積洪澇，周邊居民受災(zāi)嚴(yán)重；棠溪站超100年一遇暴雨最大24 h 雨量達(dá)335.5 mm，沿河前3 排的房屋受到不同程度的洪水沖擊而淹沒(méi)，最大淹沒(méi)水深1.50～2.39 m（表1），護(hù)岸、公路、農(nóng)作物均受到不同程度的破壞，棠溪村、尚黃橋村發(fā)生人員因?yàn)?zāi)傷亡事件。

表1 2020年臺(tái)風(fēng)“黑格比”棠溪流域洪澇積水情況

2 洪澇模型構(gòu)建及其驗(yàn)證

2.1 模型構(gòu)建

根據(jù)棠溪流域特征，采用新安江流域產(chǎn)匯流模型構(gòu)建山區(qū)水文模型，應(yīng)用EFDC 模型構(gòu)建地表二維水動(dòng)力模型，并將二者耦合構(gòu)建棠溪流域洪澇模型。這2 種模型都有廣泛的應(yīng)用，新安江模型是一個(gè)分水源、分階段的完整的概念性降雨徑流模型，在我國(guó)濕潤(rùn)與半濕潤(rùn)地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，具有概念清晰、結(jié)構(gòu)合理、調(diào)參方便和計(jì)算精度較高等優(yōu)點(diǎn)；EFDC 模型融合了多種數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)河流、湖泊、水庫(kù)、濕地系統(tǒng)、河口和海洋等水體的水動(dòng)力學(xué)和水質(zhì)進(jìn)行模擬[6]。

山區(qū)水文模型：采用新安江模型對(duì)棠溪流域山地集水分區(qū)進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算。采用無(wú)結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格將流域劃分為若干個(gè)單元面積，分析棠溪流域地理高程數(shù)據(jù)、河道斷面數(shù)據(jù)、防洪工程分布和土地利用情況；采用泰森多邊形法劃分流域內(nèi)雨量站所占權(quán)重，結(jié)合雨量站觀測(cè)信息得到流域面雨量過(guò)程，將流域面雨量過(guò)程作為模型輸入條件，建立棠溪流域水文模型。模型采用三層蒸發(fā)模式計(jì)算流域蒸散發(fā)、蓄滿產(chǎn)流法計(jì)算降雨徑流、馬斯京根法計(jì)算河道匯流，依次計(jì)算每個(gè)單元到流域出口的流量過(guò)程，疊加后得到整個(gè)流域的流量過(guò)程。

二維水動(dòng)力模型：采用EFDC 模型對(duì)棠溪流域進(jìn)行洪水演進(jìn)計(jì)算。利用EFDC 網(wǎng)格模塊對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為4 m×4 m，將河道地形嵌入流域地形中得到整體地形，再將地形高程插入網(wǎng)格中建立棠溪流域地表模型。EFDC 模型主要參數(shù)為曼寧糙率系數(shù)，一般河道的曼寧糙率系數(shù)為0.01～0.08，地表的曼寧糙率系數(shù)根據(jù)土地類型設(shè)定，其中無(wú)植被地區(qū)的曼寧糙率系數(shù)為0.02～0.04，植被稀疏地區(qū)的曼寧糙率為0.03～0.06，植被茂密地區(qū)的曼寧糙率系數(shù)為0.08～0.20。將新安江模型計(jì)算的河道匯流流量過(guò)程作為上邊界條件、河道出口斷面流量過(guò)程作為下邊界條件，從而建立二維水動(dòng)力模型。EFDC 模型動(dòng)力學(xué)控制方程如下：

式中：u、v、w為曲線正交坐標(biāo)系下x、y、z方向的水平流速，m∕s；m為Jacobian 曲線正交坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)，m=mxmy；H為全水深，m（即未擾動(dòng)的z坐標(biāo)原點(diǎn)以下的水深和水面位移之和，H=h+ξ）；f為科氏力參數(shù)；fe為中間計(jì)算變量；Av為垂向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；Qu和Qv分別為動(dòng)量方程的源匯項(xiàng)（包括水平擴(kuò)散項(xiàng)等）；b為浮力，其值為密度偏差和密度參考值的比值；C為需要模擬的水質(zhì)參數(shù)；Ab為水中物質(zhì)的垂向擴(kuò)散系數(shù)[7]。

耦合模型：編寫代碼將山區(qū)水文模型降雨產(chǎn)匯流模擬結(jié)果直接寫入二維水動(dòng)力模型的輸入文件進(jìn)行水量自動(dòng)交換計(jì)算過(guò)程，建立棠溪流域完整的洪澇模型。

2.2 模型率定

將臺(tái)風(fēng)“黑格比”降雨模擬結(jié)果與歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，率定模型參數(shù)使模擬結(jié)果接近實(shí)測(cè)結(jié)果。結(jié)果表明，模型模擬各洪澇最大淹沒(méi)水深與洪痕水深基本一致，洪峰時(shí)間也基本相同，模擬淹沒(méi)面積略小于實(shí)際上報(bào)積水面積。由于網(wǎng)格大小和地形數(shù)據(jù)的限制，部分村落地形無(wú)法精確模擬，但模擬淹沒(méi)面積誤差在可允許范圍內(nèi)，認(rèn)為模型精確性較好。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表2 所示，率定得到新安江模型參數(shù)如表3 所示，EFDC 模型主要參數(shù)如表4所示。

表3 新安江模型參數(shù)取值

表4 EFDC模型主要參數(shù)取值

3 洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 模擬計(jì)算方案及計(jì)算結(jié)果

查詢浙江省短臨暴雨圖集和白竹雨量站臺(tái)風(fēng)“黑格比”降雨雨型，根據(jù)點(diǎn)雨量均值等值線圖及點(diǎn)雨量變差系數(shù)等值線圖，計(jì)算各頻率設(shè)計(jì)暴雨如表5所示，設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程如圖2所示?；谔南饔蝰詈夏Ｐ?，進(jìn)行不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨情景下的洪澇模擬，根據(jù)棠溪流域匯流特點(diǎn)，劃定流域總匯流面積39.52 km2，選取3 個(gè)雨量站作為控制站，分別設(shè)定各頻率24 h 逐10 min 設(shè)計(jì)暴雨數(shù)據(jù)作為模型邊界條件，計(jì)算得到各頻率洪水淹沒(méi)范圍如圖3所示。

表5 不同頻率（P）下的設(shè)計(jì)暴雨統(tǒng)計(jì)表

圖2 各頻率（P）設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程

圖3 各頻率（P）下模擬區(qū)域洪水淹沒(méi)范圍

3.2 河道防洪能力分析

棠溪河段現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇至10年一遇，其中上馬村周邊河道防洪能力為5 年一遇、義門村周邊河道防洪能力為10 年一遇、棠溪村周邊河道防洪能力為10 年一遇、尚黃橋村周邊河道防洪能力為5年一遇。現(xiàn)對(duì)5種不同頻率設(shè)計(jì)暴雨工況模擬洪澇結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)各頻率洪水下河岸最大溢流水深進(jìn)行提?。ū?），并用ArcGIS 軟件將洪水位超出堤防的河段標(biāo)出（圖4）。結(jié)果表明，棠溪干流河道防洪能力為5年一遇至20年一遇不等，上弄口村河段較窄，約有1.04 km 不滿足5 年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該河段曲折蜿蜒過(guò)流能力不足是河道溢流的主要原因；尚黃橋村河段和包坑村河段滿足5 年一遇設(shè)計(jì)暴雨標(biāo)準(zhǔn)；上馬村到棠溪村河段滿足10年一遇設(shè)計(jì)暴雨標(biāo)準(zhǔn)，旸村村到好溪入流口河段滿足10年一遇設(shè)計(jì)暴雨標(biāo)準(zhǔn)。棠溪支流河道流量較小且坡降較大，降雨影響不明顯，后崗頭村下游1 km 河段和支流部分曲折河段滿足20年一遇設(shè)計(jì)暴雨標(biāo)準(zhǔn)，其余支流河段能承受100年一遇設(shè)計(jì)暴雨標(biāo)準(zhǔn)。

表6 各頻率（P）下棠溪流域河道防洪能力分析表

圖4 棠溪流域各設(shè)計(jì)工況河道險(xiǎn)工險(xiǎn)段分布示意圖

3.3 洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析

通過(guò)耦合模型計(jì)算各設(shè)計(jì)工況流域洪澇積水情況，提取各頻率洪水最大淹沒(méi)范圍和各網(wǎng)格水深（圖5）。結(jié)果表明，各村落承受設(shè)計(jì)暴雨能力不同，且主要受災(zāi)村落皆處于棠溪干流附近，支流附近村落基本不受洪澇影響。5 年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，上弄口村最先發(fā)生洪澇，主要原因是上弄口村地勢(shì)較低河道較窄，最易發(fā)生溢流；10 年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，尚黃橋村和包坑村相繼出現(xiàn)洪澇；設(shè)計(jì)暴雨達(dá)20 年一遇時(shí)，棠溪流域大部分村落發(fā)生大小洪澇，其中上弄口村、尚黃橋村和包坑村受災(zāi)最為嚴(yán)重，其他村落有少部分房屋受洪澇影響；設(shè)計(jì)暴雨達(dá)50 年一遇時(shí)，棠溪村和白竹村也發(fā)生嚴(yán)重洪澇，臨河房屋都受洪澇影響；設(shè)計(jì)暴雨達(dá)100年一遇時(shí)，棠溪干流附近村落都受洪澇侵害。

圖5 各頻率（P）下下模擬區(qū)域洪澇風(fēng)險(xiǎn)圖

統(tǒng)計(jì)各頻率下棠溪流域歷史洪澇村落的最大洪澇面積和最大積水水深（表7）及各頻率流域內(nèi)不同水深淹沒(méi)面積和不同水深淹沒(méi)面積占比（表8）。結(jié)果表明，5年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，上弄口村最大積水深度0.87 m，村莊內(nèi)淹沒(méi)面積1 900 m2，隨著降雨強(qiáng)度增加，洪澇風(fēng)險(xiǎn)增多且村落淹沒(méi)面積增大；10 年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，尚黃橋村洪澇水深達(dá)0.96 m，村莊內(nèi)淹沒(méi)面積3 200 m2；20 年一遇暴雨時(shí)，上弄口村最大積水深度達(dá)1.26 m，尚黃橋村最大洪澇面積達(dá)4 500 m2；50 年一遇暴雨時(shí)，棠溪村洪澇水深達(dá)0.90 m，最大洪澇面積達(dá)1600 m2；設(shè)計(jì)暴雨達(dá)100 年一遇時(shí)，白竹村洪澇水深達(dá)1.44 m，最大洪澇面積達(dá)2 300 m2，包坑村最大積水深度近2 m，尚黃橋村最大洪澇面積達(dá)6 300 m2。由此可知，隨著設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度增加，洪澇淹沒(méi)范圍和最大積水深度也隨之增加；隨著暴雨重現(xiàn)期增大，深水區(qū)面積增加，淹沒(méi)面積的增加幅度逐漸降低，且0.05～1 m的水深占比先減少后增加，說(shuō)明局部洪澇嚴(yán)重程度增加，暴雨重現(xiàn)期越大易澇區(qū)受災(zāi)越嚴(yán)重。

表7 各頻率（P）下棠溪流域歷史洪澇積水村落情況統(tǒng)計(jì)表

表8 各頻率（P）下不同水深淹沒(méi)面積統(tǒng)計(jì)表

3.4 洪澇積水村落降雨閾值分析

參考《城鎮(zhèn)洪澇防治系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（T∕CECS 647—2019）評(píng)估城鎮(zhèn)洪澇積水風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)淹沒(méi)深度（h0）設(shè)定洪澇積水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，低風(fēng)險(xiǎn)：50 cm＞h0≥15 cm，中風(fēng)險(xiǎn)：100 cm＞h0≥50 cm，高風(fēng)險(xiǎn)：h0≥100 cm。

設(shè)計(jì)降雨大部分雨量集中在3 h內(nèi)，根據(jù)棠溪流域洪澇模型降雨水深模擬結(jié)果，得到各易澇村落不同風(fēng)險(xiǎn)情況下3 h降雨量閾值（表9）。當(dāng)3 h降雨量達(dá)60 mm（近5年一遇）時(shí)，上弄口村為中風(fēng)險(xiǎn)易澇村落；當(dāng)3 h降雨量達(dá)80 mm（超10年一遇）時(shí)，上弄口村則變?yōu)楦唢L(fēng)險(xiǎn)易澇村落；當(dāng)3 h降雨量達(dá)90 mm（超20年一遇）時(shí)，尚黃橋村為高風(fēng)險(xiǎn)易澇村落；當(dāng)3 h降雨量達(dá)100 mm（超20年一遇）時(shí)，包坑村為高風(fēng)險(xiǎn)易澇村落；當(dāng)3 h降雨量達(dá)110 mm（超50年一遇）時(shí)，棠溪村為中風(fēng)險(xiǎn)易澇村落，白竹村為高風(fēng)險(xiǎn)易澇村落；當(dāng)3 h降雨量達(dá)120 mm（超100年一遇）時(shí)，棠溪村為高風(fēng)險(xiǎn)易澇村落。

表9 易澇村落的降雨量（3 h）閾值分析

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）棠溪干流河道防洪能力為5 年一遇至20 年一遇不等，支流大部分河段能承受50 年一遇設(shè)計(jì)暴雨標(biāo)準(zhǔn)。上弄口村河段防洪能力不足5 年一遇，尚黃橋村和包坑村河段防洪能力不足10 年一遇，主要原因是河道較窄、過(guò)流能力不足產(chǎn)生河道溢流。

（2）受災(zāi)村落大部分在干流附近，各村落承受設(shè)計(jì)暴雨能力不同，上弄口村最易受洪澇影響，其次為尚黃橋村和包坑村，將這3 個(gè)村落的河道防洪標(biāo)準(zhǔn)提升至10 年一遇，就可大大減少城鎮(zhèn)洪澇影響。

（3）當(dāng)3 h 降雨量60 mm 時(shí)，上弄口村為中風(fēng)險(xiǎn)易澇村落，3 h 降雨量達(dá)80 mm 時(shí)，則變?yōu)楦唢L(fēng)險(xiǎn)易澇村落；3 h 降雨量90 mm 時(shí)，尚黃橋村為高風(fēng)險(xiǎn)易澇村落；3 h 降雨量100 mm 時(shí)，包坑村為高風(fēng)險(xiǎn)易澇村落；3 h 降雨量110 mm時(shí)，棠溪村為中風(fēng)險(xiǎn)易澇村落，白竹村為高風(fēng)險(xiǎn)易澇村落；3 h降雨量120 mm時(shí)，棠溪村為高風(fēng)險(xiǎn)易澇村落。