洪水预报与数值模拟技术在城市防洪中的应用——以浑河沈阳城市段为例

马 涛，吕爱民

(1.辽宁省水利水电科学研究院，沈阳 110003;2.沈阳市浑河管理中心，沈阳 110011)

1 目的意义

1.1 城市防洪减灾的重要性

防洪减灾是人类社会大规模改造自然、适应自然的活动，需要有组织有计划地进行，既要遵循自然界的演变规律，又要顺应社会经济的发展规律。防洪减灾的研究，涉及对洪水风险特性及其时空分布规律的认识，对人与自然基于洪水风险的利害关系、以及水灾成灾机理的探讨，对防洪减灾体系、技术手段及对策措施的发展与完善等。国内外学者关于洪水、洪水灾害与防洪体系、减灾对策都做了大量的研究，并取得了较丰硕的成果。21 世纪中，面对防洪形势的显著变化与随社会经济发展而日益提高的安全保障需求，在防洪减灾领域存在一系列等待解决的热点、难点问题，同时，也是防洪减灾领域的学科建设提供了发展的机遇。

随着人口的不断增长，都市化进程的迅速发展，必将导致城市水灾模式发生变化，继而促使城市水灾加剧的趋向。尽管各国投入防洪斗争的人力和财力已相当可观，但每年的洪灾损失并无明显的减少，甚至有增无减，而城市的洪灾损失更是加剧，并随着城市化的发展越来越严重。因此，现代城市防洪减灾问题应引起人们的高度重视。因为只有从思想上高度重视，确实把城市防洪减灾作为城市发展的基础设施来抓，才能保障城市稳定的发展，才能保证社会安全和可持续发展。

1.2 非工程防洪减灾措施重要性

总结我国历来的城市防洪减灾的经验和教训，增加投入、重视防洪工程建设、提高城市防洪标准仍是我国城市防洪减灾的当务之急。采取多种形式的防洪措施，包括工程、非工程的措施，是当今防治洪水、减缓城市水灾损失的必要手段。

随着城市化的迅速发展，城市洪灾损失有增无减，城市防洪工程措施已不足以解决城市洪水灾害，促使人们认识到单纯依靠工程措施防治洪水减缓城市洪灾损失在资金有限的条件下决非上策，因此，需要探索减少城市洪水灾害的非工程措施。采用将工程措施与非工程措施有机结合的策略，以非工程措施来推动更加有利于全局与长远利益的工程措施，辅以风险分担与风险补偿政策，形成与洪水共存的治水方略。并提出从“控制洪水”向“洪水管理”转变的观念，已成为当代防洪战略转移的重要标志与必然趋向。

20 世纪70年代，美国首先提出采用非工程措施(Non-structural measures)的概念，即通过洪水预报、防洪调度、分洪、滞洪、立法、洪水保险、洪泛区管理以及造林、水土保持等非工程措施来减缓洪涝灾害，改变损失分摊方法，加强防洪管理，顺应洪水的天然特性，因势利导，以达到防洪减灾的目的。于是，世界各国在城市防洪减灾规划上同时采用工程措施和非工程措施相结合，在非工程措施中主要包括:①洪水监测;②预报;③预警;④调度;⑤演进模拟;⑥灾情评估;⑦防洪工程体系的隐患监测;⑧安全评价;⑨风险分析;⑩情景分析与决策支持等高新技术的运用。在城市防洪方面，尤其注重防洪决策支持系统的研究与应用，单一的洪水预报、调度系统过度到防洪决策支持系统是当前的发展趋势。

1.3 洪水预报与数值模拟技术的重要性

决策支持系统(Decision Support System，简称DSS)是信息系统研究的最新发展成果，是融计算机技术、信息技术、人工智能、管理科学、决策科学、心理学、行为科学和组织理论等学科与技术于一体的技术集成系统，为决策者提供决策所需的数据、信息和背景材料，帮助明确决策目标和进行问题识别，并对各种方案进行分析、比较和判断，为正确决策提供有益的帮助。

防洪决策支持系统是多种防洪非工程措施的集成系统，以计算机技术、网络通讯技术以及3S 技术等为基础，通过对各种防汛信息的自动采集、实时传输、洪水预报模拟、综合分析和智能处理，同时建立完整有效的会商系统，对降雨——径流——洪水的过程进行实时动态模拟仿真，并快速得出科学的决策方案，及时、准确地实施防汛抢险救灾指挥调度。防洪决策支持系统是有效地减少洪水灾害损失的科学决策方法。

在城市防洪指挥系统建设中，综合运用并改进洪水仿真模拟技术、洪水预警预报技术、“3S”技术、信息系统技术、数据库技术、网络技术、动态规划自动寻优技术等，预测城市下垫面变化情况下的洪涝态势、可能的洪水入侵途径和规模、暴雨涝灾影响、评估现有的防洪排涝体系及可能出现的险情，预测现有水情条件及事故条件下洪水变化以及所造成的新的风险;反映并比较在洪水发生时可能采取的应急措施及其风险，为防汛调度决策、应急救援、洪水风险管理、土地利用等方面提供及时的信息服务和决策支持。

洪水预警预报与洪水演进数值模拟技术的研究是防洪决策支持系统研究的重要组成部分，也是近年来国内外在城市防洪减灾领域非工程措施研究的热点和重点内容。根据上游流域雨情和水情预报城市河流洪水特征，通过预报作出决策，当发生超防洪标准洪水时，发布洪水警报，最大限度地节省人力、物力和财力，对于城市抗洪抢险具有重要意义。

2 洪水预警预报技术研究

2.1 概括

洪水预报是一项重要的防洪非工程措施，为水库、河道、流域提供了有效的防洪减灾手段，可以为决策者提供一定的预见期。主要包括两部分内容:①预报方案编制;②预报系统软件开发。结合浑河沈阳城市段实际情况，编制了洪水预报方案，并开发了浑河沈阳城市段洪水预报与调度系统，为流域管理单位提供了行之有效的防洪手段。

2.2 预报方案编制

洪水预报方案的编制要结合研究对象的实际情况，以及下垫面的实际情况，采用合适的洪水预报模型。目前，较常用的数学模型有:①流域水文模型:前期影响雨量(API)模型、新安江模型、陕北模型、萨克拉门托(SAC)模型、水箱(TANK)模型、分布式流域水文模型、人工神经网络等;②河道洪水演进模型:马斯京根法、特征河长法等;③实时校正模型:自回归、滑动平均、误差实时校正、卡尔曼滤波等。浑河沈阳城市段属于北方地区，大多采用蓄满产流模型、相关线模型，以辽宁指数模型，本研究采用3 种模型分别进行洪水预报，率定相关参数，针对3 种不同模型的结果进行对比分析，为用户提供更全面的预报结果。

2.3 洪水预报系统

洪水预报系统是预报人员的作业平台，可有效提高作业预报的质量和效率。传统的预报模式是依靠预报人员，采用相应的水文模型，并人工录入前期水文信息，然后经过繁琐的人工计算。因此，可靠性与时效性无法得到保证。本研究在洪水预报方案的基础上，建立洪水预报系统，实现水文预报的智能化计算，为浑河沈阳城市段提供有效的防洪手段。功能组成有:①预报参数率定;②降雨量的实时监测;③降雨径流预报(流域产流计算、流域汇流计算);④河道洪水预报;⑤实时洪水预报(实时校正模型);⑥系统管理与维护。下面对浑河大沈区间所采用的洪水预报方案(即预报数学模型建模)，以及洪水预报调度系统功能结构进行介绍，该系统的预报方案编制见表1。

表1 预报方案模型统计表

浑河大沈区间洪水预报调度系统的功能结构图见图1。

3 洪水演进数值模拟技术研究

3.1 洪水演进数值模拟技术概括

我国是洪水频发国家之一，在洪水到来之前能够及时准确模拟洪水的淹没路径、时间、范围的要素是非常重要的。洪水不仅在河道、水库内演进，更为重要的是在洪泛平原上漫溢，进而致灾。洪水三要素(包括洪峰、流量和历时)只能表征洪水的大小，不能表征洪水对区域影响的强烈程度。对于泛滥的洪水而言，水深、历时、冲击力、等淹没指标，才能用以评估洪水灾害对城市造成的损失。目前采用比较多的洪水演进数值模拟方法都是采用水力学模型，是基于物理模型与黑箱模型之间的概念性模型，既涵盖物理模型具有模拟自然状态的优点，又涵盖黑箱模型的简化计算过程的优点。目前，主要有一维数学模型、二维数学模型和三维数学模型，下面分别进行介绍。

3.2 模型简介

一维数学模型是发展最早，也是最简单的数学模型，主要是模拟洪水的过程变化。

平面二维洪水演进模型，即二维圣维南方程组模型。建立模型的具体内容:

1)选用二维非恒定流双曲线型偏微分方程组为基本控制方程;

2)用无结构不规则网格对计算域进行剖分;

3)用有限体积法与有限差分法相结合的方法来离散控制方程(包括河道型、滩地型和阻水建筑物型);

4)初始条件和边界条件，其中边界条件主要包括周边界条件、开边界条件和内部边界条件，还有动边界处理;

5)考虑冲淤计算，结合泥沙数学模型作河床变形定量预测。

图1 浑河预报系统功能结构图

3.3 洪水演进的三维仿真模拟

以往数模与物模相比，其缺陷是不直观。利用洪水演进模型与数字流域技术相结合来对流域的洪水演进实现模拟仿真可以克服这一点。目前，已经有一些比较成熟的洪水预报演进模型，对防洪决策起了重要的参考作用，但还停留在数值计算阶段，其预报结果粗糙晦涩。常规的分析手段，如水位变化过程线、流速(流量)变化过程线、瞬时等深线和流场图等已不能满足当前数学模型发展和水利信息化的要求。

1990年以来，利用GIS 技术为手段进行洪水淹没研究一直是一个研究热点，但大多数的研究仍然是基于二维平面的GIS 技术，主要是采用关系数据库对实体的几何关系进行管理，三维仿真功能非常有限，因而无法准确地反映地形的坡度、坡向、洪水的流向和洪水的演进过程等。随着计算机技术的快速发展，尤其是计算机仿真技术的进步，大范围地域的三维场景仿真已经成为可能。将仿真技术应用于洪水预报演进领域，实现近似真实的流域洪水预演，应用仿真技术将预报预测结果真实重现，建立虚拟的洪水演进仿真系统为辅助决策提供强有力的支持。

洪水演进仿真模拟系统是一套虚拟现实系统，是基于三维流域地形模型，从二维洪水演进数学模型计算结果中提取洪水流动信息，按照时间的先后顺序，创建一系列的洪水表面层，用来反映水深、流速和水流方向等的动态变化过程。然后，在流域三维地形与景观的基础上叠加显示演进的分析模拟结果，形成一种逼真的水流流动效果，实现流域水情的动态三维仿真，对城市的防洪减灾进行决策支持以及水科学的推广都具有重要意义。

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