基于 SOBEK 的江阴市城区洪水风险图编制研究

邹明忠 ，张 丽 ，邵文妍 ，王淑兰 ，胥杜杰

（1. 江阴市河道管理处，江苏 江阴 214400；2. 宜水环境科技（上海）有限公司，上海 200040；3. 江阴市江港堤闸管理处，江苏 江阴 214400）

0 引言

随着城镇化进程的加快及防洪排涝形势的变化，单纯依靠防洪排涝工程体系抵御和控制洪水的目标难以实现，结合开展防洪排涝非工程措施是城市洪涝风险管理的重要手段[1]。编制洪水风险图是我国实践治水新思路，落实防汛工作从控制洪水向洪水管理转变，实施洪水风险管理的需要，是防洪减灾的重要技术支撑，是制定流域及区域防洪规划和约束经济社会的发展行为，开展防汛抢险救灾等工作的重要依据[2]。英国、美国等国家已经落实洪水风险图于实际应用中，在洪水预警、预报、影响评估，以及风险信息公众服务等方面做出了先行示范[3-4]。

江苏省地处江淮下游，通江达海，河湖密布，人口和资产密集，太湖流域、里下河地区外洪内涝矛盾突出，防汛任务十分繁重。为提升洪水风险管理水平，增强抗御水旱灾害能力，江苏省全面完成了重点地区洪水风险图编制项目（包括确定的9个防洪保护区、4个蓄滞洪区、2 座城市、2 条中小河流洪水风险图编制[5]），在洪水风险图编制方面具有成功的管理方法及经验。

江阴市作为典型的县级城市，经济发达，GDP位居全国百强县前列，本地基本形成了依靠排水管网、堤防、泵闸、圩区于一体的外围依靠长江堤防，市域内部高地自排、低洼地建堤设圩的防洪体系，但复杂的水系格局却面临巨大的防洪排涝压力：1）作为典型的平原河网区，地处太湖流域下游，上游承接太湖流域来水，下游承受长江潮位的顶托，排水不畅；2）城市化进程的加速，产汇流速度加快，入河洪水峰值增大；3）河湖淤积、河道填埋现象降低了局部区域对洪水的调蓄能力，城市抵抗洪水能力不足。江苏省洪水风险图编制领导小组办公室希望以此县级市城区为试点单元，研究小城市洪水风险图编制的技术方法，进一步提升小城市洪水风险管理水平、增强区域防洪治涝能力，并试图探索其他可行的洪水风险研究方法。

江阴市北枕长江，南近太湖，上承太湖洪水过境威胁，下受海潮倒灌和台风侵袭，历史上洪涝频繁。洪水来源包括本地区暴雨产生的涝水，上游太湖、武澄锡虞区洪水，以及下游长江洪水。

1 建模方法及过程

在水利模型选择上，选用 SOBEK 模型，它是一个具备开放过程库和开放式模型公共接口（OpenMI）2 种方法的开放式系统，采用一体化提供的软件环境，模拟河道河口地区，流域汇水系统及城市排污、排雨系统的各种管理问题[6]。

1.1 模型方法

SOBEK 模型集成城市地上河网和地下排水管网系统，采用一维和二维水动力学计算模型模拟河道水动力、管渠中的有压流和无压浅水自由表面流、地面积水在地表二维空间内的物理运动，以及地表漫流与地下管流间的流量和动量交互，动态洪涝演进的过程。模型由以下几个模块构成：

1）降雨概化模块。通过点雨量到面雨量的空间转换，进行降雨径流模型计算，为水文水力学模型提供必需的输入条件。

2）产汇流模块。产流过程模拟是将汇水分区分为若干个子集水区，根据每个子集水区的地表渗透性，将子集水区划分为不透水、半透水、透水、屋面4种类型。地表产流量为降雨量与扣损（填洼、截留、入渗）的差值，入渗量由下渗模型同步模拟，下渗采用 Horton 下渗法模拟。汇流过程是将各子集水区的净雨汇集到出水口控制断面（如管道），或直接排入河道的过程。汇流模拟采用 SOBEK 自带的城市汇流模型。

3）水动力模块。模型采用动力波方法完整求解圣·维南方程组，动态模拟管网系统处于不同流态的水流运动。对圣·维南方程组采用动力波法进行差分离散后迭代计算，考虑浅水非恒定流的所有项（局地惯性项、迁移惯性项、重力项、压力项、阻力项），动态模拟重力流、压力流、逆向流、回水对上游水流的影响，以及洪峰在管道传播中的衰减。

4）河网闸泵系统控制模块。对骨干河道及相关的水利工程设施进行概化，模拟河道内的复杂流态变化。泵、闸调控方式的模拟是水动力模型的重要组成部分。根据江阴的水网特征、水资源合理调度的客观要求及水利工程运行管理的实践经验，遵循防汛时按照防汛安全要求调度，平时按照改善水质和保障用水需要调度的原则，对泵闸的运行方式按照闸内外的水位、闸关联水系的水位及时间等控制等多重要求进行精细的模拟。

5）地面二维模拟模块。以地面高程点数据为基础，建立地面 TIN 模型，反映区域地形，作为分析模拟内涝风险、积水发生位置、淹没深度等的基础条件。根据地面 TIN 模型，划分编制区域 2D 区间为四角网格区间，用以计算地面积水的二维流动。

6）一二维耦合模拟模块。将一维管渠模型与二维地面漫流进行无缝耦合，模拟管渠中的有压流和无压浅水自由表面流，模拟管网溢流或地面积水后水流根据地形和下垫面特征动态演进的过程，动态模拟积水淹没范围和深度、流速、退水路径，模拟洪涝演进过程。

1.2 建模范围

本次洪水风险图编制区域北以长江为界，南以黄昌河—冯泾为界，西以新夏港河为界，东以白屈港为界，形成界限分明的独立雨水汇水边界，面积为135km2。为更好模拟编制区域河道水力状态，在洪水风险图编制范围基础上外延河网模型范围，面积为311km2。

1.3 模型构建

1）网络概化。河网和管网拓扑耦合综合利用管网 GIS、地面高程数据，道路、水系、建筑物背景，航拍影像图和现场查勘资料。模型概化河道包括区域性、市级、镇级和部分起连通作用的村级等河道。管网普查数据经拓扑结构梳理，导入模型，与概化河网耦合。河网模型概化河道1739段（长度为199 km），泵闸设施18个，雨量站点8个；管网概化涉及雨水及合流管道17912段（长度为492km），概化节点（雨水及合流检查井）17755个。

2）下垫面组成。下垫面组成是计算产流的基础，不同类型下垫面的暴雨径流不同，数学模型中根据设计暴雨标准及不同比例下垫面的不同耗损，进行相应的产流、汇流计算。以 2017年的航拍影像图为基础，采用 GIS 分析中的监督分类方法，通过确定不同土地类型训练区内多光谱反射率的统计特征值对图像进行识别，然后通过最大似然法进行影像的空间统计分类，随后进行反复验证与修正以得到符合要求的观察与评价分类结果，最后进行小斑点处理、分类统计分析等操作后得到最终的分类成果。将下垫面解析为水面、绿地/耕地、屋面、道路、裸地、硬地等六大类。

3）汇水分区划分。根据排水体制的不同，本模型将汇水分区分为2类：a. 河网汇水分区。根据地块与周边河道关系，结合 DEM 数据共划分180个河网汇水区，总面积为238km2。b. 管网集水区。根据管网节点分布、河流、道路、航拍影像等数据，共划分了31806个子集水区，总面积为61km2。

4）闸泵设施。共设置泵闸设施18个，分为沿江水闸、船闸和内河起重要调水及排水作用的节制闸。

5）降雨站点分布。模型各汇水分区降雨根据雨量站分布采用泰森多边形法对面积进行加权计算。根据8个雨量站分布划分泰森多边形，并与水文分区相叠加计算出雨量站在每个水文分区的计算权重，从而计算出相应汇水分区的面平均雨量。

6）边界条件。a. 设置10处下游长江潮位边界。历史暴雨模拟，潮位边界采用实测潮位过程；不同重现期暴雨模拟，潮位边界采用典型潮位。b. 设置8个上游河网水位边界。历史暴雨模拟中，上游边界采用实测水位过程；不同重现期暴雨模拟中，水位边界采用常水位或设计水位过程。

在模型中，降雨边界条件需要输入降雨模拟时段雨量分布过程。历史暴雨模拟中，模型范围内的面雨量通过泰森多边形算法将各雨量站分配给各汇水分区；不同重现期暴雨模拟中，模型范围统一采用相同的设计雨量过程。

7）圩区概化。因编制区域内圩区较少，且属于千亩圩区。在模型概化中，圩区设置为可调蓄节点，通过泵对可调蓄节点的排水进行控制。

8）地面模型概化。以地面高程点数据为基础，建立地面高程模型，以反映项目区域地形，共划分10 m×10 m 四角网格，用以计算地面积水的二维流动，共划分网格数1351873个。

1.4 模型率定

本次模型需要率定的参数主要是河网水动力模型的糙率系数。选用 2017年“9.25 暴雨”对模型进行率定，并选择 2016年“6.22 暴雨”对模型进行校验。该研究范围内的部分站点在率定验证过程中实测与计算水位情况对比如图1和2所示。模型率定中水位实测过程与模拟过程非常接近，模型验证时，由于闸门启闭记录与实际情况有出入，对水位峰值稍有影响。从图中看出，模型结果与实际情况吻合度较好，模型可靠性满足要求。

图1 率定过程中模拟值与实测值对比图

图2 验证过程中模拟值与实测值对比图

同时，对 2016年“6.22 暴雨”的淹没区域与江阴市城区（不含南部乡镇）易淹区域做对比，结果显示淹没范围与易淹区域大致符合。

2 洪涝风险分析

在洪水风险分析上，从流域和区域2个层面统筹考虑多条件影响方案，流域层面不仅以传统的暴雨与边界的组合作为分析方案，且考虑长江潮位对河网水位的影响评估，以及上下游河网边界对管网系统的影响评估分析；区域层面既涉及长历时暴雨内涝的分析，也包括管网水能力、局部内涝成因分析。通过以上技术方法实现对江阴市城区洪水风险评估及薄弱环节的把控。

2.1 洪水计算方案

通过洪水来源及分析，确定编制区域内洪水计算方案。总共设置13个计算方案，其中流域层面洪水分析方案5个，区域层面内涝分析方案8个。

2.1.1 流域层面洪水分析方案

1）长江溃闸洪水。长江大堤（江阴段）设计标准已达 50年一遇，洪水量级按高于当前防洪能力设置，选用 100年一遇设计潮位。

2）内洪溃堤洪水。选取一个未达到 50年一遇防洪标准的圩区，本次方案选用 50，100年一遇暴雨下圩堤溃决。

3）潮位敏感性。关于潮位过程对洪水风险的影响，通过 20年一遇24h 降雨过程与 1991年典型潮位过程的峰对峰及峰对谷2种组合方案对比，进行河网水位受潮位影响的敏感性分析。

2.1.2 区域层面内涝分析方案

选用城建标准 2，3，5年一遇2h 的短历时暴雨对管网能力进行评估；选用水利标准 20，50，100，200年一遇24h 暴雨进行区域内涝风险评估；根据城建标准，选用2h 的 5年设计暴雨过程与上游边界分别为常水位、50年一遇最高水位2种方案对比，进行模型外边界条件对管网水位影响分析。

2.2 流域层面洪水分析

2.2.1 长江溃堤洪水风险分析

白屈港河属于武澄锡虞区重要的通江引排通道，通航引排水频繁。白屈港溃闸后，内河水位迅速升高，因外围长江高潮的影响，沿江其他闸门关闭，内河水位持续增长造成局部堤防薄弱或无堤防河道发生洪水漫溢。

2.2.2 内洪溃堤洪水风险分析

根据不同设计标准下的刘斗圩圩堤溃决淹没分布情况，刘斗圩圩堤溃决洪水淹没范围主要由地形决定，受淹区域大多集中在西南部农田，其次为西北部地势低洼处。

2.2.3 潮位对河道水位影响分析

沿江闸门外排是行洪的主要通道，闸前后水位差大小是洪水能否顺利排泄的决定性因素。通过河网水位受潮位影响的敏感性分析，以各计算点最高水位差值作潮位对河道水位影响分析。结果表明，通过控制沿江闸门进行低潮自排的途径泄洪只对靠江距离一定范围内的河道效果显著，而对江阴中上游河道的水位降低效果并不理想。相对而言，中上游河道相对下游靠江河道水位控制风险更高一些。

2.3 区域层面内涝分析

2.3.1 管网排水能力分析

GB 50014—2006（2016年版）《室外排水设计规范》中规定：雨水和合流管按满管流设计。分析管段是否发生压力流而产生超载这一状态进行评估管道的排水能力，目的是明晰现状管网在不产生压力流下的最大排水能力。

通过动态模拟 2，3，5年一遇的设计暴雨和河道常水位的外边界状态下的管网水力状态，完成评估管道的排水能力评估，如表1所示。对比现行设计标准，城区大多数新建的雨水管道都需要扩大管径。排水管网的改造建议按轻重缓急分批实现达标改造，建议将高内涝风险区管道列入近期改造计划，按照国家最新标准改建雨水管道，并结合近远期道路及周边地块的改造同步提升雨水系统的排水防涝能力。

表1 现状排水管网排水能力评估 km

2.3.2 长历时24h 暴雨洪水风险分析

20，50，100 ，200年一遇设计暴雨条件下，编制区域范围内不同设计暴雨组合淹没范围分布如图3 所示，淹没面积统计如表2所示。针对易受淹社区及易涝地段，防汛部门应该引起高度警惕：1）采取工程措施，提高易涝区域的排水能力；2）采取管理措施，做好防汛物质及人力准备，防治洪涝发生时生命财产的损失。

表2 长历时24h 的设计暴雨下不同水深等级下洪水淹没面积

2.3.3 模型外边界条件对管网水位影响分析

河道作为承接管网雨水的边界载体，其水位高低将影响管网排水的难易程度，从而影响地面积水。以 5年一遇2h 设计暴雨为例，比较河网外边界水位分别为 50年一遇高水位及常水位情形下，管网节点水位高低变化，结果可以看出入河排口附近的管网节点水位受外边界水位影响大，远离河道的中心区域管网节点水位受影响相对较小，河网外边界对排口附近区域淹没敏感一些。

2.3.4 内涝成因分析

利用典型降雨事件 2017年“9.25 暴雨”模型计算结果关于积水区域、水力坡度线成果与管道坡度线、地面高程、影像图等数据综合分析积水点内涝成因，主要由以下1个或多个方面组合产生，分别为：局部地势低洼，排涝能力不足，河道水位顶托，管道排水高程衔接阻碍排水通畅、下穿立交等。针对以上成因，在逐步优化现有排水工程规划下，局部内涝的防控还可考虑采用海绵工程与其他非工程措施，如建设调蓄设施、源头 LID 工程、行泄通道，开展积水预警预报系统等。

图3 不同设计暴雨淹没范围分布图

3 结语

江阴市洪水风险图的编制，是根据水利部颁发的洪水风险图编制要求完成的，符合城市管理需求的成功案例。模型采用国际主流的水动力学模型软件，以丰富自然地理、水文气象、河网水系、城市管网、社会经济等详实数据为基础，完成了流域层面及区域层面洪水内涝分析，并借助了 GIS 绘图表达功能，完成了一系列以风险管理业务需求为目标的分析评估工作。江阴市洪水风险图成果为城区的防汛工作和城市排涝管理提供了很有价值的技术依据，也为下一步构建江阴市实时洪涝风险预警预报系统打下了坚实的基础。

洪水风险分析是一项复杂的、专业的、标准化的评估工作。只有把握技术的关键，懂得业务需求，成果才有科学性和实用性。