林煥新，牟麗琴，雷保聚

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610；3.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635；4.韶關(guān)市水務(wù)局，廣東 韶關(guān) 512026)

0 引言

受全球氣候變遷和人類活動(dòng)影響，以及城市化水平提高，近年來我國極端天氣事件增多，各城市因局部強(qiáng)降雨造成的洪澇災(zāi)害頻發(fā)[1]。2022年6月北江流域發(fā)生特大暴雨洪水，5月21日—6月21日“龍舟水”期間，韶關(guān)市全市平均降水量847.2mm，較歷史極值(1954年552.2mm)增加53.4%；經(jīng)上游水庫調(diào)節(jié)后，韶關(guān)城區(qū)洪峰流量仍超過20年一遇，造成堤防漫溢和暴雨洪澇災(zāi)害。僅2022年6月19日韶關(guān)(曲江)國家氣象站3、6、12、24h降水量均突破1951年建站以來的歷史記錄。其中6h最大雨強(qiáng)247.8mm(此前歷史極值135mm，增幅84%)、12h最大雨強(qiáng)264.1mm(此前歷史極值155.5mm，增幅70%)、24h最大雨強(qiáng)300.2mm(此前歷史極值208.8mm，增幅44%)。創(chuàng)紀(jì)錄和突發(fā)性暴雨造成韶關(guān)市嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害損失，并引起社會(huì)的關(guān)切。受持續(xù)強(qiáng)降雨影響，6月21日15時(shí)韶關(guān)(二)站出現(xiàn)56.86m的洪峰水位，模型計(jì)算流量9094m3/s，超20年一遇標(biāo)準(zhǔn)(8900m3/s)，僅次于2006年“7·15”洪水。本次洪澇模擬研究以韶關(guān)城區(qū)為研究對(duì)象，結(jié)合流量、水位、降雨、地形、影像等數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建韶關(guān)城區(qū)暴雨洪水二維模型模擬韶關(guān)本次暴雨洪水過程，為后續(xù)防洪減災(zāi)方案的制定和流域城市防洪排澇規(guī)劃修編提供技術(shù)支撐。

1 模型構(gòu)建

1.1 模型軟件簡介

HEC-RAS(River Analysis System，河道水力分析模型)，由美國陸軍工程師兵團(tuán)(USACE)水文工程中心(HEC)開發(fā)，1995年發(fā)布基于Windows風(fēng)格的HEC-RAS1.0，用于取代Dos時(shí)代的HEC-2。HEC-RAS可進(jìn)行一維恒定流和非恒定流的河道水力模擬和水質(zhì)計(jì)算[2]。該軟件普遍用于國外防洪規(guī)劃、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和淹沒分析，2013年HEC-RAS入選國家防辦公布的重點(diǎn)地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目軟件名錄，在河流洪水演進(jìn)模擬[3]、水面線計(jì)算均有廣泛的應(yīng)用。2015年發(fā)布的HEC-RAS5.0版本加入二維計(jì)算模塊，能實(shí)現(xiàn)一二維連接計(jì)算，純二維計(jì)算，降雨產(chǎn)匯流計(jì)算等[4-6]，同時(shí)該軟件具有較強(qiáng)的開放性，與遙感、GIS軟件和雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)交互性較好[7-8]。2023年已經(jīng)更新至6.4版本[9]。

1.2 洪澇模型構(gòu)建

1.2.1建模范圍

建模范圍主要是湞江新韶站、武江犁市站至北江孟州壩的河道和中心城區(qū)的匯流區(qū)域(如圖1所示)，考慮到孟州壩對(duì)城區(qū)的壅水影響，進(jìn)一步將北江下邊界下移25km至濛里壩上。二維計(jì)算面積約189km2，計(jì)算河道總長60km。

圖1 模型研究范圍

1.2.2陸地河道地形嵌套

考慮河道水面線、洪水漫堤和暴雨淹沒的情景，本次采用不同精度的DEM數(shù)據(jù)，城市陸地采用10mDEM、濱河帶采用2.5mDEM，河道內(nèi)地形采用1∶500大斷面數(shù)據(jù)插值成2.5mDEM，按照河道內(nèi)、濱河帶、陸地的順序進(jìn)行嵌套處理。

1.2.3網(wǎng)格布置和加密

模型計(jì)算網(wǎng)格42萬，進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí)考慮濱河帶和河道內(nèi)堤防、沙洲、水工建筑物作為網(wǎng)格剖分的約束條件。其中，城市陸地網(wǎng)格尺寸30m×30m，濱河帶網(wǎng)格尺寸5m×5m(沿堤線布置)，河道內(nèi)網(wǎng)格尺寸20m×20m(順?biāo)鞑贾?，以滿足河道內(nèi)行洪、濱河帶洪水漫堤、陸地雨水產(chǎn)匯流和內(nèi)澇積水等需求，三者網(wǎng)格如圖2所示。河道內(nèi)糙率根據(jù)實(shí)測洪水流量水位進(jìn)行率定驗(yàn)證，陸地糙率根據(jù)建筑物、道路、植被等不同土地類型相應(yīng)賦值。

圖2 模型網(wǎng)格示意圖

1.2.4水工建筑物

孟洲壩電站閘壩共12孔，泄洪閘凈寬192m，為寬頂堰，堰頂高程42.74m。在二維計(jì)算水閘的泄流能力、壅水程度結(jié)合孟洲壩電站設(shè)計(jì)階段成果進(jìn)行復(fù)核后給定相關(guān)參數(shù)。

1.3 模型率定和驗(yàn)證

1.3.1邊界條件

上邊界選用湞江新韶站、武江犁市站實(shí)測流量，下邊界選用濛里壩上實(shí)測水位，支流采用龍歸水龍歸站和馬壩河馬壩站的實(shí)測流量。孟州壩上游中心城區(qū)采用同期降雨，計(jì)算區(qū)間產(chǎn)匯流，考慮區(qū)間產(chǎn)匯流面積較小并經(jīng)對(duì)比城區(qū)多個(gè)站點(diǎn)雨量過程，直接采用韶關(guān)水位站觀測逐時(shí)雨量過程。模型模擬時(shí)間為2022年6月19—22日，共4d。

1.3.2外江水位、流量率定

采用上述時(shí)段，對(duì)湞江新韶站、東河橋站，武江犁市站、西河橋站，北江韶關(guān)站、孟州壩上水位進(jìn)行率定；采用2008、2012、2016年洪峰計(jì)算時(shí)段進(jìn)行驗(yàn)證。率定、驗(yàn)證如圖3—12所示，率定峰值水位誤差小于10cm，3場洪水驗(yàn)證峰值水位誤差小于20cm，水面線計(jì)算基本合理。韶關(guān)站現(xiàn)狀無流量監(jiān)測，水文部門演算韶關(guān)站洪峰流量9320m3/s，本次模型計(jì)算流量9094m3/s，相差較小、僅2.5%。

圖3 韶關(guān)站水位率定圖(2022年6月19日08時(shí)—22日08時(shí))

圖4 新韶站水位率定圖(2022年6月19日08時(shí)—22日08時(shí))

圖5 東河橋站水位率定圖(2022年6月19日08時(shí)—22日08時(shí))

圖6 西河橋站水位率定圖(2022年6月19日08時(shí)—22日08時(shí))

圖7 孟州壩壩上水位率定圖(2022年6月19日08時(shí)—22日08時(shí))

圖8 韶關(guān)站流量計(jì)算成果圖(2022年6月19日08時(shí)—22日08時(shí))

圖9 孟州壩入庫流量率定圖(2022年6月19日08時(shí)—22日08時(shí))

圖10 韶關(guān)站水位驗(yàn)證圖(2008年6月13日18時(shí)—15日06時(shí))

圖11 韶關(guān)站水位驗(yàn)證圖(2012年6月24日6時(shí)—25日12時(shí))

圖12 韶關(guān)站水位驗(yàn)證圖(2016年3月20日12時(shí)—24日12時(shí))

1.3.3城區(qū)洪澇點(diǎn)淹沒點(diǎn)水位驗(yàn)證

結(jié)合模型計(jì)算結(jié)果，對(duì)城區(qū)主要洪澇淹沒點(diǎn)水深進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，見表1。從表1可以看出，除個(gè)別點(diǎn)位誤差較大之外，總體上計(jì)算水深與實(shí)際淹沒水深較為吻合，其中洪水淹沒部分相差一般小于0.1m，內(nèi)澇淹沒部分相差相對(duì)較大，最大誤差30%，平均相對(duì)誤差約為11%，計(jì)算結(jié)果總體合理。

表1 城區(qū)典型淹沒區(qū)域調(diào)查結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

1.3.4航拍影像驗(yàn)證

6月21日洪水實(shí)測水位過程顯示，韶關(guān)中心城區(qū)一帶包括東河橋、西河橋、韶關(guān)站和孟州壩洪峰水位最高期間(15—19時(shí))，水位隨時(shí)間變化幅度很小，韶關(guān)站逐時(shí)差分別為5、3、3、17cm，因此期間的航拍影像是洪痕和最大淹沒范圍驗(yàn)證的重要手段，結(jié)合分辨率2.5m DEM的高程分析、實(shí)地調(diào)查和模型計(jì)算，可相互驗(yàn)證洪痕水位的合理性。

以韶關(guān)市龍洲島為例，在島東側(cè)斜坡進(jìn)行淹沒調(diào)查，從斜坡淹沒淤積線，結(jié)合21日15時(shí)許航拍地形和最新地形圖，估算圖13紅線位置洪峰水位為55.7m，與圖14模型計(jì)算55.8m相差在10cm內(nèi)。圖13—15中，不僅龍洲島，百旺橋東側(cè)轉(zhuǎn)盤的附近整體淹沒形態(tài)計(jì)算也與航拍影像相似。

圖13 龍洲島及周邊6月21日15時(shí)許航拍圖

圖14 龍洲島及周邊6月21日15時(shí)模型計(jì)算淹沒圖

圖15 龍洲島現(xiàn)場洪痕調(diào)查

2 模型成果分析

2.1 考慮和不考慮降雨對(duì)匯流量的影響

如圖16所示，對(duì)應(yīng)韶關(guān)城區(qū)附近兩次較大降雨過程，韶關(guān)城區(qū)先后兩次在6月19日17時(shí)左右和6月21日15時(shí)左右出現(xiàn)洪峰流量和水位。為分析洪澇成因，本次擬定了中心區(qū)間降雨和不降雨兩種工況?？紤]中心城區(qū)降雨較不降雨，下游孟州壩站洪峰流量增加了205m3/s，且整體峰現(xiàn)時(shí)間提前。圖16表明，洪峰變化與降雨疊加過程較為匹配。

圖16 韶關(guān)城區(qū)下游孟州壩洪峰和降雨過程(m3/s，mm)

2.2 洪澇淹沒影響分析

中心城區(qū)降雨和不降雨兩種工況計(jì)算成果如圖17(a)(b)所示。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果比對(duì)，結(jié)合地形和航拍影像分析和現(xiàn)場調(diào)查，洪澇淹沒區(qū)主要分為以下3類：

圖17 韶關(guān)城區(qū)洪澇災(zāi)害分布圖

(1)洪水漫溢淹沒區(qū)。如圖17(a)所示，在不考慮市區(qū)降雨工況，洪水主要淹沒區(qū)是因?yàn)榈谭缆缜业毯蟮屯莸膮^(qū)域，包括湞江東岸執(zhí)信小學(xué)附近，湞江武江匯合口海關(guān)附近，武江西岸青少年宮附近，北江東岸北江綠化廣場、南郊、百旺大橋轉(zhuǎn)盤附近。調(diào)查執(zhí)信小學(xué)附近最大淹沒水深2.6m(如圖18所示)。

圖18 湞江南路執(zhí)信小學(xué)一帶洪痕(調(diào)查淹沒水深2.6m)

(2)澇水淹沒區(qū)。如圖17(b)所示，考慮中心城區(qū)降雨的工況，在內(nèi)陸洪水位以上區(qū)域或者受堤防保護(hù)的區(qū)域，包括工業(yè)西路、工業(yè)中路、湞江中等職業(yè)學(xué)校等，由于局部地形低洼，特大暴雨期間排水不及造成嚴(yán)重內(nèi)澇。調(diào)查工業(yè)中路欣美緣屋澇水淹沒水深1.5m(如圖19所示)。

圖19 工業(yè)中路欣美緣屋一帶澇水淹沒痕跡(調(diào)查淹沒水深1.5m)

(3)洪水頂托排澇不暢的淹沒區(qū)。主要位于濱江帶，由于外江水位基本接近堤岸高程左右，暴雨匯集同時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的內(nèi)澇影響，如：碧水花城、南郊、百旺大橋轉(zhuǎn)盤東側(cè)等區(qū)域，總體淹沒水深相對(duì)較小，如碧水花城、南郊濱江帶淹沒水深總體在0.5m以內(nèi)。

3 結(jié)論與展望

采用HEC-RAS模型軟件構(gòu)建了韶關(guān)城區(qū)二維暴雨洪澇模型，對(duì)韶關(guān)市北江“22·06”特大暴雨洪水進(jìn)行了洪澇模擬分析，模擬中心城區(qū)外江水位過程和內(nèi)澇積水情況，結(jié)論如下：

(1)基于HEC-RAS構(gòu)建的韶關(guān)城區(qū)二維暴雨洪澇模型計(jì)算結(jié)果總體上與實(shí)際情況較為吻合，外江水位站實(shí)測和計(jì)算最高水位小于10cm，因洪水漫溢和內(nèi)澇產(chǎn)生的淹沒水深調(diào)查值和計(jì)算值平均相對(duì)誤差約11%，能夠用于支撐相關(guān)調(diào)查和分析工作，可作為防洪排澇規(guī)劃的重要技術(shù)支撐。

(2)基于實(shí)測水位過程、高精度DEM和航拍洪峰期間洪水淹沒情況，結(jié)合HEC-RAS的二維分析和展示功能，可以驗(yàn)證模型計(jì)算的合理性和改進(jìn)計(jì)算精度。

(3)模擬計(jì)算的城區(qū)嚴(yán)重洪澇淹沒點(diǎn)與實(shí)際調(diào)研基本一致，結(jié)合HEC-RAS開放、便捷的淹沒繪制功能和自帶的GIS分析計(jì)算功能，可滿足相關(guān)分析要求?；蚴沁M(jìn)一步加強(qiáng)與ARCGIS等軟件的交互輸出等功能[10]，可為防洪風(fēng)險(xiǎn)圖的編制提供便利的解決方案。也為制定系統(tǒng)性、綜合性的防洪規(guī)劃方案和措施提供有力支撐[11]。

(4)相較于如SWMM在城市內(nèi)澇應(yīng)用較為廣泛[12]，HEC-RAS尚未加入管網(wǎng)計(jì)算模塊，本次在韶關(guān)城市內(nèi)澇模擬計(jì)算取得較好的效果，與洪水位接近地面水位甚至漫越堤防、管網(wǎng)頂托排水困難有較大的關(guān)系。后續(xù)需要加強(qiáng)HEC-RAS與其他管網(wǎng)計(jì)算功能耦合應(yīng)用的研究。