洛阳市洪水演进数值模拟及风险分析

杨雪菲，杨 帆，靳润芳，徐 梁

（洛阳水利勘测设计有限责任公司，河南 洛阳 471000）

0 引言

洪水风险管理是我国防洪减灾的重要基础，在防洪规划、防洪减灾工程、非工程措施部署、国土资源管理等方面都具有重要作用。制作洪水风险图评价洪水风险，需采用可靠的信息，选择科学的方法，建立可靠而高效的模型[1-2]。建立研究区域的洪水演进水动力模型是洪水风险分析计算的基础，根据洪水分析得到的淹没范围、淹没水深、淹没历时等要素，结合淹没区社会经济情况分析评估洪水影响。本文系统应用一维、二维及管网模型研究洛阳市区洪水风险。

1 区域概况

洛阳位于河南西部、黄河中游，总面积1.52 万km2，其中市区面积803 km2，总人口717.02 万，其中市区人口230.95 万，常住人口城镇化率59.1%。洛阳市城市地位显著，需建立国家级安全城市，尤其以保证洪水安全为重。流经洛阳市城区内的河流有伊河、洛河、涧河、瀍河。伊、洛、涧、瀍河穿过市区。洛阳市河流水系图见图1。

图1 洛阳市中心城区水系及一维模型范围

2 模型建立

2.1 河道一维模型构建

采用Mike11 模型计算市区内河洪水演进，通过侧向连接以及设置侧堰公式计算，模拟堤防漫溢情况下，一维和二维模型水量交换。一维模型建模对象包括洛河、伊河、甘水河、涧河、瀍河5 条河流，以及邙山渠、中州渠、南城壕、铁路防洪渠、大明渠、秦岭防洪渠、新区西干渠、东干渠、伊滨区安澜街排涝渠、开拓大道排涝渠共10 条市区内排涝渠。一维模型建模范围见图1。

2.2 地面二维模型构建

地面二维模型采用Mike21 模型。二维模型计算范围包括洛阳市涧西区、西工区、老城区、瀍河回族区、洛龙区5 个区计算范围见图2。

图2 洛阳市二维模型计算范围

二维水力学模型中，采用规则网格或不规则网格，对于规则网格，边长不宜超过300 m，对于不规则网格，最大网格面积不宜超过0.1 km2，重要地区、地形变化较大部分的计算网格要适当加密。城市洪水分析的计算网格一般控制在0.05 km2以下。

2.3 地下管网模型构建

地下管网模型采用MikeUrban模型。MikeUrban模型是基于地理信息系统的用于模拟城市给排水管网系统的建模软件，可以用于模拟城市排水区的地表雨水径流、水质变化和泥沙运动等，能够胜任模拟复杂的自由水面流和管道压力流的地下管网系统。整个排水管网系统的动态模拟能够划分为两个步骤：降雨径流模块和管网水力模块。其中，降雨径流模块的输出结果是后者的上边界条件。

城市管网包括地下雨水管网、污水管网等，污水管网一般不参与城市排涝，本次暂不考虑。因此，管网模型构建采用本次收集的572条雨水干管，见图3。

图3 雨水管网分布图

2.4 模型耦合及边界处理

城市内河洪水漫溢或决口后，河道洪水流入市区，部分通过雨水口或检查井进入地下排水管网系统；暴雨在城市地表形成径流，部分雨水直接流入河道，大部分通过雨水口或人工口进入地下排水管网系统然后排入河道。为准确描述河道一维、地面二维、地下管网模型间的互相影响，需建立河道一维、地面二维和地下管网耦合模型。市区二维模型和内河一维模型的河道两岸进行侧向耦合，一维模型和地下管网模型排水口进行耦合，地下管网模型检查井和相应的二维模型计算网格耦合，见图4。耦合采用Mike Flood实现，见图5。

图4 数学模型耦合方案

图5 模型耦合示意图

3 模型计算成果

暴雨洪水期间，雨水首先在地面填洼和下渗，满足产流条件（蓄满或超渗产流）后，在地表形成径流，地表径流一部分通过地面漫流排入河道，另一部分经过集水井进入地下管道后排入河道，组合内河上游洪水，经市区排入河道。若暴雨强度超出市区排涝能力，暴雨将在地面积水，形成内涝；若河道洪水超出河道行洪能力，洪水将漫过堤防或造成堤防决口进入市区。洛阳市区暴雨洪水输移过程示意图见图6。

图6 洛阳市区暴雨洪水输移过程示意图

3.1 暴雨内涝方案结果

对暴雨内涝方案，计算了20 年一遇频率内涝洪水，从1 h、2 h、6 h和12 h等4 个历时净雨分析市区淹没过程。1 h、6 h和12 h等4 个时段市区淹没过程见图7～图9。

图7 洛阳市区20 年一遇1 h 水深分布图

图8 洛阳市区20 年一遇6 h 水深分布图

图9 洛阳市区20 年一遇12 h 水深分布图

（1）1 h淹没情况

降雨历时1 h，总降雨量56.9 mm。水深小于0.3 m的区域面积达到13.9 km2。水深大于0.3 m的区域面积很小，为0.4 km2。中州西路、建设路、凯旋路沿线区域，古城快速路、东环路、王城大道合围区域，积水淹没情况较多。

（2）6 h淹没情况

降雨历时6 h，累计降雨量为81.6 mm，随着降雨的进行，水深小于0.3 m的区域进一步扩大，达到18 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的区域面积增大，达到1.4 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的区域面积减小，达到1.5 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的区域面积增大，达到4.3 km2。中心城区地势低洼的区域，尤其是立交涵洞、铁路涵洞等地，基本淹没，一般在0.8 m左右。

（3）12 h 淹没情况

降雨历时12 h，累计降雨量为90.0 mm。水深大于0.3 m的区域面积进一步增加，达到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的区域面积减小，达到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m 的区域面积增大小，达到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的区域面积增大，达到4.8 km2。水深大于2.0 m、小于3.0 m的区域面积增大，达到3.1 km2。中心城区地势低洼的区域，尤其是立交涵洞、铁路涵洞等地，基本淹没，一般在1 m左右。

3.2 漫溢方案结果

对漫溢方案，计算了50 年一遇频率洪水。经过计算，洛阳市内河道在50 年一遇上游来水情况下无漫溢发生，因此对漫溢方案，分别从1 h、6 h 和12 h 等4 个时段分析市区淹没过程即可。见图10～图12。

图10 洛阳市区50年一遇1 h水深分布图

图11 洛阳市区50年一遇1 h水深分布图

图12 洛阳市区50年一遇12 h水深分布图

（1）1 h淹没情况

降雨历时1 h，总降雨量66.1 mm。水深大于0.3 m的区域面积进一步增加，达到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的区域面积减小，达到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的区域面积增大小，达到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的区域面积增大，达到4.8 km2。

水深大于2.0 m、小于3.0 m 的区域面积增大，达到3.1 km2。中心城区地势低洼的区域，尤其是立交涵洞、铁路涵洞等地，基本淹没，一般在1 m 左右。

（2）6 h 淹没情况

降雨历时6 h，累计降雨量为94.9 mm。水深大于0.3 m 的区域面积进一步增加，达到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m 的区域面积减小，达到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的区域面积增大小，达到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的区域面积增大，达到4.8 km2。水深大于2.0 m、小于3.0 m 的区域面积增大，达到3.1 km2。中心城区地势低洼的区域，尤其是立交涵洞、铁路涵洞等地，基本淹没，一般在1.1 m 左右。

（3）12 h 淹没情况

降雨历时12 h，累计降雨量为104.6 mm。水深大于0.3 m的区域面积进一步增加，达到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的区域面积减小，达到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的区域面积增大小，达到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的区域面积增大，达到4.8 km2。水深大于2.0 m、小于3.0 m 的区域面积增大，达到3.1 km2。中心城区地势低洼的区域，尤其是立交涵洞、铁路涵洞等地，基本淹没，一般在1.2 m左右。

4 结论

（1）不同方案下水深大于0.05 m的最大淹没区面积为119.4 km2，淹没农田面积796.0 hm2，淹没居民地面积3980.0 万m2，受影响公路长度930.0 km，受影响铁路长度6.2 km，受影响重点单位598 个，受影响人口总数101.6 万人。

（2）从水深等级分布上看，受影响的地物约57%分布在0.05 m～0.3 m的水深范围内，符合城市内涝洪水的特性，并随着水深的分布的增加，受影响的地物随之减少，符合洪灾影响的一般规律。

（3）从受影响对象所在的行政区来看，洛龙区受影响面积占辖区面积比例最大，约为31%，瀍河回族区最小，约为13%。

（4）同等条件下，淹没面积、淹没农田面积、淹没房屋面积、受影响公路长度、受影响铁路长度、受影响人口总数各项随着洪水重现期的增大而增加，符合一般规律。