城镇区域洪水风险分析研究——以湖北省保康县为例

申邵洪，江炎生，蔡 斌，李 喆

(1.长江科学院 空间信息技术应用研究所，武汉 430010；2.湖北省防汛抗旱指挥部办公室，武汉 430071)



城镇区域洪水风险分析研究
——以湖北省保康县为例

申邵洪1，江炎生2，蔡 斌1，李 喆1

(1.长江科学院 空间信息技术应用研究所，武汉 430010；2.湖北省防汛抗旱指挥部办公室，武汉 430071)

根据山洪灾害防治项目要求，重点开展了城镇区域的洪水影响及淹没分析研究，选择湖北省保康县作为典型山区城镇开展实例研究。通过对保康县的实地查勘，资料收集，设计洪水计算方案，建立水动力学模型、洪水演进分析模型、洪水淹没分析模型；并以100 a一遇设计洪水为例，对城区受淹地区及其淹没水深、淹没面积等进行了分析。结果表明，该方法具备良好的理论基础，有效实现一维、二维模型嵌套，计算速度快，能够取得精准、合理可靠的洪水影响分析成果和洪水淹没成果，可为防汛决策部门提供参考。

洪水演进；风险分析；水动力学模型；淹没范围；防洪标准

1 研究背景

为全面减小洪水灾害对我国经济社会的影响，自2013年起，国家相继启动了全国山洪灾害调查评价、山洪灾害防治非工程措施补充完善、重点山洪沟防洪治理、洪水风险图编制等系列项目。

山洪灾害调查主要是通过资料收集整理分析和现场调查，核对山洪灾害防治区小流域基本信息，收集处理水文资料，调查河道基本信息，调查各自然村落、行政村、乡(镇)、城(集)和企事业单位的基本情况和位置分布，调查受山洪威胁的区域、灾害类型和历史灾害情况及防治区现状等，并将山洪威胁的区域范围调查结果标绘在工作底图上。

洪水风险图是对可能发生的超标准洪水的洪水演进路线、到达时间、淹没水深、淹没范围及流速大小等过程特征进行预测，以标示洪泛区内各处受洪水灾害的危险程度的一种重要的防洪非工程措施。

本文重点是对山洪灾害防治非工程措施中的城镇区域洪水风险分析进行研究，通过实地调研和现场踏勘，收集研究区自然地理、河流水系、暴雨洪水特性及历史洪水、防洪工程、社会经济等信息；通过典型频率(5,10,20,50,100 a一遇)设计暴雨洪水计算，进行洪水影响分析和现状防洪能力评价；基于设计洪水分析结果，进行城镇危险区等级划分和危险区图绘制工作。该工作主要是在采集研究区水文、高精度地形、遥感影像、河道控制断面测量数据等系列专题数据的基础上，深入开展洪水计算和风险分析。

国内外不少学者对城镇区域的洪水影响分析进行过研究，数值模拟计算是这些研究成果中的主要研究方法。王忠静等[1]提出采用不同频率设计洪水进行不同汛限水位条件下的洪水调节计算，并结合水库的经济与生态供水目标进行长系列用水调度模拟和供水效益分析，综合确定风险适度性的方法。邹强等[2]建立了基于最大熵原理的洪水灾害风险属性区间识别模型,并将模型应用到荆江分洪区洪水灾害风险分析中。闫宝伟等[3]引入混合von Mises 分布拟合了长江上游与清江年最大洪水发生时间的双峰特征，研究了最大洪水发生时间及发生量级遭遇的风险特征。赖成光[4]以深圳市龙岗区龙口水库主坝溃决作为研究对象，根据溃坝水动力学相关知识，对各种工况下溃坝洪水在城市地区演进的过程进行数值模拟研究。王晓玲等[5]建立了模拟洪水在蓄滞洪区内任意位置的水位、流速、淹没水深、历时等演进过程的二维洪水演进数值仿真系统，对永定河分洪区进行了二维洪水实时演进模拟分析。孙秀丽等[6]建立一种溃坝洪水模拟的一维、二维耦合模型，采用交错网格、线性递推、交替隐格式求解。运用此模型对某水库溃坝洪水进行模拟，对溃坝洪水向下游推进过程、以及洪水漫堤后向下游城镇的演进过程进行水动力学模拟分析研究。地理信息系统和遥感技术在洪水风险分析研究中得到了深入应用和发展[7-10]。

本文针对保康城镇区域洪水影响与淹没分析的具体要求，在全面获取水文水资源、空间信息等专题数据的基础上，设计洪水计算方案，构建一维、二维嵌套洪水演进模型，模拟不同洪水频次下洪水演进过程，并有效借助GIS软件，根据模拟计算结果，分析城镇区域的淹没范围、淹没面积，制作淹没区建筑物专题图、社会经济专题图等，为城镇区域的洪水灾害早期预警、防洪预案制定提供科学参考依据。

图1 保康县城区洪水影像与淹没范围Fig.1 Image of flood and inundation area in urban Baokang county

2 研究区概况

2.1 自然地理

保康县城位于县境东北部，沱峪山麓南侧，平均海拔690 m。清溪河自南向西穿过县城，将县城分为东、西2区，主要机关事业单位及商业中心集中在河东；河西区则是以磷化工生产为主的工业区，目前已有工厂、企事业单位数百家，成为县城发展的重点。县城总面积14 km2。

县城区内东有官山，西有万年山等群山环抱，荆山山脉自西向东横贯县境中部将保康分为南、北两部，保南山势平缓，河谷较宽；保北山势高突，河谷较窄。

保康县城区的洪水危险区图绘制范围如图1所示。黄堡河上的上游边界在距离杜汊河与黄堡河交汇口4.9 km的郑家村附近，杜汊河上的上游边界在距离杜汊河与黄堡河的交汇口1.2 km处，研究区范围的下边界在保康三桥下游350 m，研究区总面积为11.90 km2。

2.2 河流水系

保康县城区河流主要是清溪河，清溪河属南河干流右岸一级支流，上游分为东西2支，东支叫黄堡河，西支叫杜汊河。2支流汇于保康二桥上游6.1 km处的牌坊湾后，由南向北穿城而过，于开封峪附近汇入南河，全长50.7 km，总承雨面积591 km2。东支黄堡河发源于黄堡对口，承雨面积178 km2，河长31.8 km，河道平均纵坡比降10.4‰。西支杜汊河发源于神龙架外围山系的望佛山，承雨面积285 km2，河长29 km，河道平均纵坡比降15.9‰。保康三桥控制清溪河流域面积511 km2，主河道长35.1 km，河流平均纵坡比13.9‰。清溪河主干流特征见表1。

表1 保康县城区河流基本情况

流域南部以荆山山脉与沮河为界，东临蛮河流域，西部、西北部和北部为南河流域环抱。同时，在2支相汇处右岸有支流黄土岭沟汇入、在城区清溪河左岸由南往北还有三溪沟、云溪沟和化鱼沟3条支流汇入，其中化鱼沟流域面积很小，且接近城区北部尾端。研究区主要水系分布见图1。

2.3 水文气象

清溪河流域属亚热带大陆性季风气候区，雨量较充沛。年最大降水量为1 509.6 mm，年最小降水量为666.3 mm，多年平均降水量为925 mm。雨量年内分配主要集中在4—10月份，约占总雨量的85%。暴雨多集中在7—8月份，最大1日降雨158.5 mm(保康站1975年8月5日)。

3 洪水计算分析方法3.1 洪水来源分析

保康县城区主要来流为清溪河(上游主要支流为黄堡河和杜汊河)，清溪河沿程先后有黄土岭沟、三溪沟和云溪沟等支流汇入。因此，主要洪水来源为：①黄堡河和杜汊河洪水；②区间黄土岭沟、三溪沟和云溪沟等支流洪水汇入。

3.2 洪水量级和洪水组合方案

根据各不同频次洪水对保康县城区所会产生的洪水风险，选择5,10,20,50,100 a一遇5种洪水量级的洪水分析计算，计算方案的设置主要考虑黄堡河、杜汊河洪水及区间相应洪水组合，共设置了10种计算方案，如表2所示。

表2 保康县城区洪水分析计算方案

3.3 洪水分析方法

采用水动力学方法进行洪水分析。根据保康县城区地形及河道断面情况，采用一维、二维非恒定水动力学方法构建一维、二维耦合的水动力学模型，进行不同重现期、不同工况洪水分析计算。采用一维水动力学模型进行河道洪水风险分析，采用二维水动力学模型进行河道外城区洪水风险分析。

构建一维、二维耦合模型开展洪水计算分析能够提供洪水淹没范围、淹没水深和流速、以及洪锋到达时间和淹没历时等信息，满足洪水危险区图绘制的需要。

3.4 洪水分析模型

保康县城区洪水分析采用一维、二维耦合模型构建，模型原理介绍如下。

3.4.1 一维水动力学模型

一维水动力学模型求解的基本方程为圣维南方程组，其连续方程和动量方程分别为：

(1)

(2)

式中：A为过水断面面积(m2)；Q为断面流量(m3/s)；u′为侧向来流在河道方向的流速(m/s)；t，x分别是时间坐标和距离坐标；q为源汇的单宽流量(m2/s)；α为动量修正系数；g为重力加速度；ζ为水位(m)；C为谢才系数；R为水力半径(m)。

一维数值求解采用非常稳定和精确的二阶拉格朗日格式，方程为：

(3)

(4)

其中，

式中：u为断面平均流速(m/s)；B为蓄存宽度(m)；k为能量损失系数；n为曼宁系数；f1为形状能量损失系数；Δx为x方向上的网格单元。

3.4.2 二维水动力学模型

二维水动力学模型求解的是深度平均二维浅水方程，其连续方程为

(5)

(7)

式中：u和v为垂线平均流速在x，y方向的分量(m/s)；H为水深(m)；Δx和Δy分别为x，y方向上的网格单元；cf为科氏力系数；μ为动量扩散系数；p为大气压强(kPa)；ρ为水体密度(kg/m3)；Fx和Fy分别为x，y方向上的外力(N)。

本次研究中一维模型和二维模型互为上下游边界关系:一维模型采用二维模型提供的流量作为边界条件;二维模型采用一维模型提供的水位作为边界条件。

3.5 洪水演进分析模型

3.5.1 模型范围

一维、二维耦合水动力学模型的范围见图1所示，其中蓝色线条代表河道一维水动力学模型范围，红色线条范围内的面状区域是二维模型区域。一维模型的上边界范围为保康县郑家村附近和距离杜汊河与黄堡河的交汇口1.2 km处，下边界范围为清溪河上保康三桥下游350 m处。一维模型的最下游有一段几百米的河道两边没有二维模型区，因为河道断面在此段比较狭窄，一维模型能较好地模拟水流特性。

在模型中，一维河道在横向的宽度由沿着左右河岸划设的线条定义，河岸线内是一维河道，河岸线外是二维网格区域。二维计算区域范围为河道沿河两岸高程低于340 m的区域。

3.5.2 一维、二维耦合原理

在GIS中构建一维、二维耦合模型，局部区域示意图如图2所示。二维区域通过网格进行运算，模型自动将地形(.txt格式)、初始水位、土地利用等数据赋在网格上。一维河道属于二维网格的非活动区域，即位于一维河道的网格不参与二维运算，河道结点处水位由一维河道断面决定。

图2 一维、二维耦合模型局部示意图Fig.2 Local schematic diagram of one and two dimensional coupled model

一维、二维连接线连接河道结点和一维、二维交界面，2个控制断面间河道水位由断面处水位线性内插，当河道内水位超过一维、二维交界面处所在网格的地形高程，则该处网格水位等于河道水位，并以该水位作为二维运算的边界条件；同时，二维运算得到的流量作为一维河道的边界条件。

3.5.3 模型边界条件

建立洪水分析模型时，对于黄堡河洪水分析，上游边界条件为黄堡河各频率设计洪水过程线；同时加入杜汊河、黄土岭沟、云溪沟、三溪沟各支流相应洪水过程线作为侧向入流边界条件。在保康三桥下游350 m处给定实测的河道坡降，软件会自动计算出该断面处的水位流量关系曲线作为下边界条件。

对于杜汊河洪水分析，上游边界条件为杜汊河各频率设计洪水过程线和黄堡河相应洪水过程线；同时加入黄堡河、黄土岭沟、云溪沟、三溪沟各支流相应洪水过程线作为侧向入流边界条件。在保康三桥下游350 m处给定实测的河道坡降，软件会自动计算出该断面处的水位流量关系曲线作为下边界条件。

4 实例分析

4.1 暴雨途径推求设计洪水

由于保康县城区以及上游没有水文站实测流量可用于设计洪水计算，并且，城区以及上游的河流流域面积都<1 000 km2，适合利用《湖北省暴雨径流查算图表》推求设计洪水过程线，推求黄堡河、杜汊河及清溪河各控制断面5，10，20，50，100 a一遇的设计洪水过程线。

4.2 模型参数选取与设置

通过实地调研过程中拍摄的照片获取河道和河岸植被情况，确定保康县城区参考糙率取值如表3。

表3 保康县城区参考糙率

各方案计算时间均为24 h，计算时间步长为3 s(一维、二维计算时间步长一致)。在模型运算之前，给定一个较小的恒定入流，将运算1 h后得到的河道结点水位、流速作为河道初始水位和初始流速。

4.3 洪水计算成果及分析

以100 a一遇洪水为例，在黄堡河入口处给定100 a一遇设计洪水过程线，杜汊河入口处给定相应洪水过程，杜汊河和黄堡河的交汇口处给定区间相应洪水过程。下游边界条件给定河道坡降0.035，软件将自动计算下游出口的水位流量过程线。

图3 黄堡河100 a一遇设计洪水淹没水深Fig.3 Flood submergence depth of Huangbao river in the presence of designed 100-year flood

黄堡河发生100 a一遇设计洪水时，其淹没水深如图3所示。由图3可知，100 a一遇设计洪水条件下， 淹没范围主要集中在黄堡河沿岸郑家村、土门村、窑其堰、黄家湾一带及其与杜汊河交汇河口段右岸，以及城区一街道和三街道沿河部分区域。黄堡河土门窑匠沟至黄土岭沟口修建有堤防，而上游入口段属于天然河道，无堤防，且黄堡河右岸地势较左岸地势高出20 m左右，因此，即使黄堡河左右岸均发生一定程度的淹没，但左岸的淹没范围明显较右岸大。

城区清溪河从黄土岭沟至保康三桥河段均修有浆砌石堤防，堤防高度在4.5～6.6 m范围内。黄堡河和杜汊河交汇后，清溪河段峰值流量高达1 833 m3/s，超出了河道过洪能力1 204 m3/s；最高水位达到306.23 m，而左、右岸堤防高程分别为307.46 m和303.12 m，故而仅其右岸局部发生漫堤，致使沿河一带局部区域房屋受淹。

城区主要受淹地区为一街道的河西路一带及三街道巨力化工有限公司附近。该处河段堤防左岸较右岸低1 m。河西路一带地势较低，最低点高程为269.2 m，淹没水深高达11.76 m，局部区域水深在0.002～7.9 m。而位于三街道的县委县政府、县人民政府、人民法院、人民武装部等重要事业单位及位于二街道的学校、一街道的医院均未受到洪水影响。

图4 黄堡河100 a一遇设计洪水淹没过程Fig.4 Flood submergence process of Huangbao river in the presence of designed 100-year flood

图4列出了洪水演进过程中3，9，11，12，15，24 h的淹没水深。由图4可知，前3 h内还未发生漫堤现象；9 h时，在黄堡河和杜汊河交汇河段右岸发生漫堤现象；11 h时，黄堡河局部河段和清溪河河段一街道开始发生的淹没；12 h时，淹没范围进一步扩大；15 h时，淹没范围达到最大；24 h时，出现明显的退水现象，最大淹没水深及河道水深均减小。

黄堡河和杜汊河交汇河段右岸洪水前锋到达时间最早，而一街道沿河局部地带和黄家湾附近等地势较高处，洪水前锋到达时间最晚,如图5所示。

图5 黄堡河100 a一遇设计洪水前锋到达时间Fig.5 Flood arrival time of Huangbao river in the presence of designed 100-year flood

当发生100 a一遇设计洪水时，城区主要受淹地区为一街道、三街道、黄家湾、窑其堰和郑家村，最大淹没水深为11.82 m，淹没面积为1.02 km2，受淹房屋面积为3.95万m2。

按100 a一遇设计洪水的计算方法，得到50，20，10，5 a一遇的设计洪水计算结果。发生50 a一遇设计洪水时，城区主要受淹地区为一街道、三街道、黄家湾、窑其堰和郑家村，最大淹没水深为11.50 m，淹没面积为0.87 km2，受淹房屋面积为3.52万m2；发生20 a一遇设计洪水时，城区主要受淹地区为一街道、黄家湾、窑其堰和郑家村，最大淹没水深为5.51 m，淹没面积为0.28 km2，受淹房屋面积为0.17万m2。发生10 a一遇设计洪水时，城区主要受淹地区为黄家湾、窑其堰和郑家村，最大淹没水深为4.95 m，淹没面积为0.15 km2，受淹房屋面积为0.15万m2；发生5 a一遇设计洪水时，城区主要受淹地区为黄家湾和窑其堰，最大淹没水深为4.47 m，淹没面积为0.08 km2，无房屋受淹。

城区黄土岭沟口—云溪沟口河段防洪能力满足100 a一遇防洪标准；云溪沟口—保康三桥河段右岸防洪能力满足100 a一遇防洪标准，左岸防洪能力不足20 a一遇防洪标准。县城关卫生院、县实验中学、县委县政府、县环境保护局及县水务局防洪能力满足100 a一遇防洪标准；河西社区、兴源小区及拥和磷酸厂现状防洪能力在20～50 a之间。

5 结 论

(1) 形成了一套完整的城区洪水风险分析基础数据采集方法，为开展分析提供可靠的数据保障。基础数据主要包括城镇区域高精度地形数据、河道控制断面测量数据、高分辨率遥感影像数据、水文气象数据等相关基础地理数据和水文水资源数据。

(2) 根据保康县城区内流域水系、洪水来源、地形、地表建筑物具体分布情况，设计了一套科学的计算分析方案，并取得了精准的计算分析结果。采用TUFLOW软件建立一维、二维耦合模型，获得河道水位过程和淹没范围分布结果，为洪水影响分析、现状防洪能力评价和危险区图绘制提供了洪水淹没数据。

(3) 利用保康县城区洪水分析模型及灾情统计模型对漫堤洪水开展了洪水分析和洪水影响统计分析,获得不同洪水频次下的居民房屋淹没面积，制定洪水风险图，清晰表达洪水淹没历时、最大淹没水深、洪水到达时间等信息。

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(编辑：黄 玲)

Flood Risk Analysis of Urban Area:Case Study on Baokang County in Hubei Province

SHEN Shao-hong1,JIANG Yan-sheng2,CAI Bin1,LI Zhe1

(1.Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010, China; 2.Hubei Provincial Flood Control and Drought Relief Headquarters Office, Wuhan 430071, China)

According to the requirement of mountain flood prevention project,we conducted research on flood impact and inundation of urban area.Baokang county in Hubei Province was selected as a typical mountainous county for case study.Through field investigation and data collection,we designed flood calculation schemes,and built hydrodynamics model,flood routing model and flood inundation model.The calculation results reveal that the method has good theoretical basis,fast calculation speed and accurate calculation results.Moreover,two-dimensional model nesting and rational and reliable flood impact analysis are carried out in this paper.The research results can provide valuable reference for flood control decision-making departments.

flood routing; risk analysis; hydrogynamics model; inundation area; flood prevention standard

2016-08-19

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2015019/KJ)

申邵洪(1982-)，男，湖南邵东人，高级工程师，博士，研究方向为水信息学，(电话)027-82926550(电子信箱)420526299@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160850

2016,33(11):109-115

TV122

A

1001-5485(2016)11-0109-07