防洪排涝排水一体化模型在洪水风险图编制中的应用

乌景秀，范子武，杨 帆，刘国庆，贾本有，顾芳芳

(1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029；2.南京瑞迪建设科技有限公司，江苏南京 210029)

气候变化条件下极端天气频现，其中强暴雨造成我国诸多城市洪涝灾害严重，生命财产损失重大，城市洪涝风险管理被提上日程。基于当前“洪涝风险管理”理念的指导，李帅杰等[1]指出城市洪涝风险管理和防灾减灾的手段不再局限于防洪排涝的工程措施，而是将其与非工程措施进行结合，形成城市洪涝灾害综合防治模式，更能有效应对伴随城市化进程出现的越来越严重的洪涝灾害。洪水风险图融合了社会经济、地理和洪水特征等信息，可服务于各级防汛指挥机构和水行政管理部门，为合理制定应急响应预案、部署防汛抢险、组织群众应急避洪转移、进行洪涝灾情评估、科学进行防洪治涝工程和非工程体系的规划、建设与管理等诸多方面提供基本信息[2-3]。国外洪水风险图绘制主体在欧洲，欧洲洪水风险图绘制活动起始于20世纪90年代，随后开始蓬勃发展，并且相关研究深入到政策、研究方法等层面[4-7]。我国许多城市已经开展绘制洪水风险图用于洪水风险分析和管理[8-9]。一方面，学者们开始借鉴学习国外一些成熟的风险图制作经验[10]。另一方面，部分学者开始深入研究洪水分析的方法和风险图绘制的技术问题[11-14]。洪水风险分析方法主要有实际水灾法、水文学法、水力学法，由于城市外洪内涝洪水特性的复杂性、基础资料要求高，闸泵等水利工程众多，城市洪水风险图编制常采用水力学方法进行洪水风险分析，洪水风险分析均基于对降雨、径流、管网和二维区域洪水演进的数值模拟计算，因此数值模拟的精度和合理性显得尤为重要。

近年来，随着城市洪水频发，城市洪涝灾害影响程度加深，城市洪水的预报和模拟引起社会广泛关注。国内外学者开发了TRENT，HSFL00D-FP、城市洪涝仿真等模型[15]，同时在城市水文模拟方面也做了一些探索性研究。由于人类活动影响，密集的建筑和复杂的地下管网模拟是城市洪涝模拟的难点，周浩澜指出在大尺度的洪水模拟中，通过引入容积率系数修改原始二维浅水方程，以反映建筑物对城市洪水演进的影响，提高计算精度与效率[16]。因此鉴于城市系统的复杂性，城市特殊的下垫面以及市政对洪涝的影响等特点，构建精细化的城市洪涝分析模型十分必要。本文采用大比例尺的地形资料，精确模拟城市下垫面，地下管网数据模拟城市洪水特性、排水排涝格局，建立城市防洪排涝排水一体化的城市洪涝分析模型，包括城市产汇流模型，一二维耦合的管网-地面模型，系统分析造成区域洪涝和城市内涝原因。

1 防洪排涝排水一体化模型

城市的防洪排涝排水系统是一个有机整体，可归纳为管网出水口水位、城市内部排水河道水位与外部排洪河道水位，三者之间互相影响。构建相互耦合的防洪排涝排水一体化模型，可直接反应系统之间的作用，如图1所示，从而分析管网排水能力、泵站抽排能力、区域内排水河道水位、排洪河道水位、外洪河道漫溢或溃决等对城市洪涝的影响[17]。

模拟城市排水系统，主要由集水区、受水口、地下管网、排涝河道和泵站组成。城市地面被建筑物和道路分割成独立的集水区。每个集水区至少有1个受水口(一般位于集水区高程的最低处)，受水口将集水区形成的降雨径流经雨水竖井导入地下管网。城市常布设多个地下管网，相对独立的地下管网通过串、并联方式构成了城市整体或局部地下管网。地下管网又以多个出水口与城市的排涝河网相连接，构成了一个正常有序运行的城市排水系统。区域排涝系统中，排涝水量主要来自建成区管网排水、农田或可调蓄低地涝水、局部低洼圩区电排涝水等，市政排水只是区域排涝系统的一部分。市政排水系统与区域排涝水动力学耦合模型的关键在于:利用排涝河道是雨水管道和田间径流的承泄区这一原理，将河道水位与管道水头、概化田面水位联系起来。排涝河道将涝水排入外河河道，外河河道承接了区域外洪水以及区域内涝水，形成防洪排涝排水有机整体。

图1 防洪排涝排水系统概化Fig.1 Generalized graph of flood control and drainage integration system

1.1 水文产汇流模型

降落在城市地表的降雨转化成截留、地面填洼、渗透、直接地面径流，然后得到进入雨水口的地面径流。径流进入雨水管道同基流会合，流过地下管网系统、辅助设施、溢流口等等，最终进入受纳水体。

1.1.1产流模型 城市集水区的产流过程就是暴雨的扣损过程，当降雨量大于截留和填洼量，且雨强超过下渗速度时，地面开始积水并形成地表径流，这一过程通过产流模型进行描述。此单元确定有多少降雨经集水区进入排水系统。产流模型针对下渗地面采用Horton模型计算城市降雨产流过程，针对水域面及不透水下垫面，采用综合径流系数法进行产流计算。

1.1.2汇流模型 汇流模型确定降雨由集水区进入排水系统的时间。选用SWMM模型计算汇流。该模型为美国开发的非线性水库模型，通常与Horton模型连用。采用非线性水库和运动波方程(非线性水库方法)计算坡面流，该方法需定义子集水区宽度和地面曼宁粗糙系数。分别对子集水区的各个表面进行汇流计算。SWMM径流模型，将每个子集水区分成有填洼的不透水表面、无填洼的不透水表面、有填洼及Horton渗透的透水表面。

1.2 城市管网排水系统模型

城市排水管网系统模型计算采用完全求解的St.Vennant方程模拟管道流，对于超负荷的模拟采用Preissmann Slot方法，可仿真各种复杂的水力状况。利用贮存容量合理补偿反映管网储量，避免对管道超负荷、洪灾错误预计。排水管网系统可真实反映水泵、孔口、堰流、闸门、调蓄池等排水构筑物的水力状况。

1.3 城市洪涝水动力学模型

1.3.1河道-管网一维水力模型 一维河道的洪水运动用St.Vennant方程组描述，其上、下游边界的控制条件采用水位过程控制、流量过程控制、流量-水位关系控制等形式。由基本方程St.Vennant方程、边界条件和初始条件共同组成一维洪水运动的定解问题。在支流交汇、集中分(汇)流、洼地蓄水、断面突变、堰、闸等局部地区，由于水流受固体边壁的影响，水流流态急变，补充内边界条件进行求解，本模型采用有限差分法进行求解。

1.3.2二维城市洪涝淹没模型 采用守恒型式的浅水方程作为二维洪水运动的控制方程，采用二维有限体积法求解浅水流方程组。二维研究区域以面状对象概化。糙率根据下垫面条件的不同分别确定。网格划分时以计算域外边界、区域内堤防、阻水建筑物、较大河渠、主要公路、铁路作为依据，采用无结构不规则网格。

1.3.3一二维耦合模型 一二维耦合模型原理采用判断试算方法，判断河道水位，河道堤防以及二维区域地面高程，根据高程对比，确定水的流向，如当河道水位大于堤防高程以及地面高程时，河道发生漫溢，流向是由河道向地面。若此时地面无水，河道中的水到地面是自由出流过程，若地面有水则是淹没出流。

2 模型构建及参数选择

2.1 研究区域概况

景德镇市地处赣东北，位于昌江中游，受地形地势和地理位置影响，雨量充沛，是长江中下游暴雨中心之一。昌江穿城而过，为山区性河流，比降大、汇流快、洪峰传播迅速，洪水暴涨暴落、突发性强。城区坐落在昌江、西河、南河三条河流两岸阶地及低山丘陵地带，沿江地势较低，地面高程在24.0～31.0 m，丘陵地带高程为30.0～50.0 m(黄海高程)，受江河洪水威胁较大，经常发生洪涝灾害。据统计建国以来发生超过30.0 m(渡峰坑水文站，吴淞高程)水位有16年，1996，1998，1999年发生4次特大洪水，给城区人民造成重大损失。据分析，当水位在29.50 m(黄海，下同)以下时，城区基本不受淹，洪水重现期约为5年；当水位达30.0 m时，沿江两岸低洼地带受淹；当水位达31.0 m时，主城区将受淹，洪水重现期为10年。

近几年景德镇市频遭洪水，尤其是2010年。2010年汛期，景德镇市降雨较往年多，3—7月全市行政区域平均降雨量为1 759 mm，前后经历了十几次集中强降雨过程和8次大洪水过程。特别是7月13—16日，景德镇市遭遇了入汛以来最强的降雨，发生了近十年来最大洪水，洪峰水位32.75 m，超警戒4.25 m，洪峰水位直逼98年大洪水。2010年后，景德镇市逐步开始设计修建堤防，目前景德镇市昌江干堤防洪标准达到20年一遇。为调节昌江上游来水，保护景德镇，在景德镇城区上游20 km处已修建浯溪口水库，水库目前已建成，正常运行后，景德镇城市防洪标准将提高到50年一遇。

2.2 模型构建

本研究以景德镇市建成区及新城区为研究对象，共计面积92.4 km2，研究区域见图2。

图2 研究区域Fig.2 Research area

2.2.1水文模型 景德镇城区为山区地形，四周为高山，40.0 m高程以上面积约占一半，山区来水量大，因此模型构建时需考虑城区四周山丘区汇水，沿线河道的入流采用对应频率降雨以旁侧入流的形式进入昌江、西河和南河，水文模型分析范围主要为：昌江上游樟树坑水文站点至景德镇市城区、东河深度水文站至城区，根据地形划分的区间汇流区域。

根据景德镇市城区1∶2 000地形及水系分布(见图2)，基于GIS空间数据水文分析与计算功能，确定了景德镇市城区各旁侧入流河道的集水区。采用分布式水文模型模拟，基于子集水区空间划分和不同产流特性的表面组成进行径流计算。将各种频率设计暴雨过程依时段降落至编制区域内各网格，各网格根据网格面积及时段降雨量进行产流计算，根据下垫面土地利用类型分析结果给定不同汇水分区的综合径流系数，并依网格DEM高程走势，通过水力学算实现水流在各网格间进行交互，并依地势汇流至内部河道断面，进行河道一维洪水计算。同时，如果河道洪水超过河岸高程，河道洪水通过溢流单元进入两岸编制区域进行二维洪水模拟计算。

计算边界范围以外的编制区域，根据河道的流域面积，划分子集水区，采用PDM水文模型进行降雨径流计算，将降雨径流与一维河网连接。模型将降雨和蒸发数据转换成流域出口断面的流量，流域内某点产生的径流量取决于土壤容水能力，考虑到流域内不同点的蓄水能力不同，模型将对蓄水量的空间变化进行概率分配，以明确表示汇集点径流量成流域地表径流总量的简单径流模型，上层土壤的水分补给地下水，地表水和地下水的出流总量，加上确定的流量形式(比如水库放水和取水)，径流系数根据下垫面土地利用类型给定综合径流系数，形成模型的输出。

2.2.2一维模型 根据实测断面资料构建昌江、南河、西河一维河道模型，断面测量间距为500～1 000 m,共计109个断面，构建闸泵等水利工程。在昌江干流已建吕蒙桥、昌江桥、珠山大桥及瓷都大桥，在西河已建西河桥，南河干流上已建黄泥头桥、湖天桥、童街桥、前街桥、天保桥及南河铁路桥等，模型构建过程中未考虑桥、码头、河道挖沙淘金等阻水影响，利用河道综合糙率系数反应河道实际情况河道糙率经率定，昌江糙率取0.040，西河取0.035，南河糙率取0.045。

地下管网模型构建将管网节点、管段数据导入模型中，参数包括排水管道的类型(含雨水管道和合流管道)、断面形式、管径、管材、管长、管底标高，及相应检查井类型、编号、路面高程等，将管网与河网连接，完成一维模型构建。根据防洪布置情况及城市总体规划中城市排水管网的布局，结合地形、水系特点，按蓄排结合、以排为主、因地制宜、自排与抽排相结合的原则，采用高水高排，低水低排，并适当留有蓄涝区等办法，拟定排涝方案，确定各电排站排涝范围。景德镇城市防洪共涉及9个排涝片，城东堤有苇沱桥、西瓜洲、老鸦滩、新厂、下窑5片；河西堤有麻园岭、人民公园、十八渡3片；三河堤为1片。

2.2.3二维模型 在景德镇市城区二维模型构建过程中，关键步骤包括：线状构筑物的处理、地形处理、区域降雨处理、网格剖分等。景德镇市城区内线状地物处理主要为道路的处理。由于原始道路节点间距不规则，划分网格时容易产生小网格，对模型计算不利，需要对道路的节点进行均匀化，即抽稀处理。本次道路抽稀长度控制为100 m一个节点，然后根据道路测量高程点对道路进行打断，并将高程点作为分段道路的高程，之后对交汇点进行修正，使所有交汇点都完全拟合，作城区内挡水建筑物(透水墙)处理。本区域共概化道路2 270段，红色细线为道路。

地形数据是二维模型网格剖分的基础，对洪水分析结果影响较大。本次景德镇市城区的DEM为比尺1∶2 000的数据，以此数据进行地面模型的构建，景德镇市城区地面模型完成景德镇市城区模型构建后，根据水利工程实际的调度规则进行逻辑控制，包括闸门的调度，水泵的启闭等。网格划分时以计算域外边界、区域内堤防、阻水建筑物、较大河渠、主要公路、铁路作为依据，采用无结构不规则网格。景德镇市城区二维模型共生成计算网格136 924个。

2.3 模型验证

为确保构建的城市洪涝模型满足城市洪水风险图编制的要求，提高模型的可靠性和模拟的精度，采用历史暴雨洪涝数据对模型进行验证，选取2010年7月13—17日(图3)与2012年8月8—11日(图4)发生的两场暴雨进行验证分析，利用渡峰坑水文站实测数据与模型计算值进行水位、流量值对比，同时对实况暴雨下景德镇市城市的淹没积水点及积水点位置计算值与实际值进行对比。

图3 渡峰坑站2010年实测流量与模型计算值对比Fig.3 Calculated level and flow comparison with measured data at Dufengkeng in 2010

图4 渡峰坑站2012年实测流量与模型计算值对比Fig.4 Calculated flow comparison with measured data at Dufengkeng in 2012

图5 景德镇2012年实况暴雨淹没范围Fig.5 Submerged range of Jingdezhen city in 2012

通过图3与图4可发现渡峰坑站计算和实测水位过程吻合较好，平均绝对误差0.07 m，最大水位误差小于20 cm。流量绝对误差为实测洪峰流量的1.8%(2010年)和2.5%(2012年)，满足洪水风险图编制技术细则中模型验证的要求。

由于搜集到的2012年实况暴雨洪涝数据资料比较齐全，对于洪涝积水点情况分布选择2012年实况暴雨进行验证。景德镇城市洪涝模型计算的2012年实况暴雨淹没情况见图5。

表1给出了10个观测的内涝点水深及模拟水深对比结果，根据对比结果可知，积水点分布情况及积水点水深的模拟结果与观测结果基本吻合，满足洪水风险图编制技术细则中城区70%的暴雨积水点的最高水位的误差应控制在20 cm以下的城区洪水模拟要求。

表1 模型结果对比Tab.1 Model results comparison

3 城市洪涝风险分析

3.1 方案设置

景德镇市城区堤防目前在分批分期修建，主城区堤防修建完成，堤防体系修建完成后城市防洪标准可达20年一遇，此外景德镇昌江上游有规划大型水利枢纽浯溪口水库，水库调洪直接影响景德镇防洪能力，可使城市防洪标准达50年一遇，本次洪水方案设置考虑3方面因素：(1)现状堤防标准下，景德镇市遭遇不同重现期设计洪水时的风险情况；(2)规划堤防标准下，景德镇市遭遇不同重现期设计洪水时的风险情况；(3)规划堤防标准下，浯溪口水库规划调蓄下不同重现期设计洪水的风险情况。方案设置时，设计洪水考虑昌江、南河、西河发生超标准洪水1～2个等级。城市暴雨内涝方案设置考虑外河多年平均流量与城市暴雨组合。

景德镇市城区主要洪水风险为外河洪水和城市暴雨内涝。利用上述模型，结合景德镇防洪工程建设情况，本研究开展了以下方案的模拟，具体包括4类：(1)现状工程条件下，景德镇市城区河道遭遇不同重现期设计洪水时的风险情况；(2)规划堤防标准下，景德镇市城区河道遭遇不同重现期设计洪水时的风险情况；(3)规划堤防标准下，昌江上游浯溪口水库规划调蓄不同重现期设计洪水的风险情况；(4)遭遇短历时强降雨时，景德镇市城区洪涝风险情况。

3.2 模拟结果合理性分析

为保证景德镇防洪排涝排水模型的可靠性，从水量平衡、流态分析、淹没面积、淹没水深4个方面进行结果合理性分析。对计算各方案进行了水量平衡统计分析，通过计算入流量、出流量和模型计算范围内淹没水量，判断分析入流量减去出流量与区内淹没总水量的误差是否小于1%，误差小于1%的可以认为洪水模拟结果合理。

检查淹没区水流流态有无紊乱分布现象，观察各方案溃口处和平缓地带的流场分布。如计算堤防发生溃决时，溃口处进洪量大，故其流场密集向四周散开，受地势的影响，水流向地势低的方向流动，当区域内无建筑物且地势平缓时，洪水演进稳定且平顺；当洪水到达河道堤防位置，由于堤防挡水作用，水流沿堤防流动；当洪水遇到线状阻水建筑物(如道路等)时，受道路的阻挡，水流向地势低的方向分流，当水位增大至其高程时，洪水越过该高地流向另一侧。通过分析，计算方案的流场均无异常，且淹没水情与下垫面匹配，流场分布是合理的。对比相同工况条件下，不同洪水量级下的洪水淹没面积，可以发现随着洪水或暴雨量级的增加，淹没面积、积水深度均相应增大。

选取两个方案进行景德镇市洪水分析。方案1：现状工程条件下，昌江发生50年一遇设计洪水，昌左堤中渡口闸处发生溃口；方案2：规划工程条件下，浯溪口水库规划调蓄50年一遇泄流过程，昌江左堤中渡口闸处溃决。方案1和2中渡口闸溃口溃决参数见表2，两个方案下中渡口闸处溃口流量过程见图6。中渡口闸溃决淹没分布情况如图7所示，其淹没面积分别为16.05和1.58 km2。由此可见，现状堤防条件下，中渡口闸溃口溃决对城区的影响最大，淹没区主要位于昌江西河、南河沿岸的西郊街道、新村街道、珠山街道、昌江街道、太白园街道、里村街道、新厂街道等多个街道。在规划堤防建设条件下，浯溪口水库建成后，受其调蓄作用，昌江发生50年一遇设计洪水，淹没范围进一步减小，淹没情况相对严重的区域位于西河与紫晶路交汇位置附近。

表2 溃口参数Tab.2 Dyke breach parameters

图6 溃口流量过程Fig.6 The process of dyke breach flow

图7 方案1和方案2溃决淹没范围Fig.7 Submerged range of the dyke breach in case 1 and case 2

3.3 洪水风险图编制

由模型计算得到一系列模型网格的淹没水深、到达时间和淹没历时等洪水风险要素数据，然后进行洪水影响分析与洪灾损失计算，得到不同洪水条件下的受灾人口、受灾面积、经济损失等洪灾损失数据。编制洪水风险图首先将行政区划图、地形图、水系图、防洪工程分布图等关注信息整合成底图；依据利用GIS技术将计算得到的洪水风险要素，在工作底图上绘制不同计算方案洪水到达时间、淹没水深、到达时间图等洪水风险图；明确标示风险图标题、图层图例、指北针、风险图编制单位、风险图编制日期、风险图发布单位、风险图发布日期等辅助信息及与该风险图编制相关的洪水计算条件、洪水计算方法、洪水损失统计、重要保护对象等的相关图表或文字性说明。洪水风险图见图8。

图8 现状工程条件下昌江发生50年一遇洪水时风险图Fig.8 Submerged water depth map of Changjiang River with 50-year flood under current project conditions

4 结 语

利用防洪排涝排水一体化模型进行洪水演进数值模拟，能够很好地模拟出城市外河溃堤洪水演进和城区内涝积水情况。综合考虑景德镇洪源、防洪工程以及河道防洪标准，设置了4类洪水分析方案，采用一二维动态耦合的水力学模型进行模拟，模拟了景德镇城区不同洪涝遭遇情况下的洪水淹没范围、淹没水深、涝水积水点位置和深度，并进行结果合理性分析。通过模拟可知，景德镇主要的洪涝风险情况为：

(1)低洼地洪水风险。 景德镇市中心城区昌江两岸地势较低，无论是现状还是规划标准，一旦昌江发生超标准洪水，昌江漫溢或溃堤洪水淹没区域主要集中在昌江景德镇市中心城区段的新村街道、珠山街道、吕江街道、太白园街道以及昌江右岸的西郊街道区域，淹没水深比较大，由于地势低洼，洪水无法演进，是风险较大区域。

(2)西河洪水风险。西河鲶鱼洲段堤防标准比较低，周围地势较低，现状、规划及浯溪口水库建成后，此处区域均出现不同程度的淹没。

(3)暴雨内涝风险主要为部分泵站排水能力不足，风险区域主要集中在珠山区的新村街道、新厂街道、吕江街道以及新厂街道，吕蒙乡的石灰窑朱家山区域内涝风险较大。最后根据模拟结果编制了淹没水深图、洪水到达时间图、淹没历时图和淹没范围图，为景德镇市城市防洪决策、制定应急预案和防汛抢险措施、城区防洪排涝规划和设计等提供了有力的依据和支持。