广东省沿海平原中小河流淹没图编制方法初探

叶志恒，陈丕翔，钟伟强，张晓艳，苗 青，王 扬，杨海东

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，南京 211106)

1 概述

广东省全境位于20°09′—25°31′N和109°45′—117°20′E之间，属热带和亚热带季风气候，毗邻南海[1]。广东省沿海中小河流蜿蜒曲折，河口附件水系交错河网密布，部分流域甚至无明显分水岭。省内流域面积在200～3 000 km2独流入海中小河流89条[2]。集雨面积大于1 000 km2的独流入海的河流有黄岗河、榕江、练江、龙江、南渡河、黄江等12条河流。目前广东省沿海中小河流中以防洪功能为主的大型水库修建较少，防洪目前仍主要靠堤围防护。

中小河流洪水灾害是当前严重的自然灾害之一[3]，2020年广东省因洪涝灾害受灾人口达22.6万余人，直接经济损失高达40.30亿元[4]。洪水淹没图作为防洪减灾重要非工程措施对增强群众隐患意识、制定科学的防洪决策和洪水灾害应急预案、规范土地利用与管理等具有重要的指导意义[5]。

广东省沿海中小河流源头段地处山丘区，两岸堤防分布较少，下游河段地处平坦网河区，两岸居民分布较多，多数河段已建堤防，部分河段已形成闭合堤围。广东省沿海中小河流呈现上游河段比降较大，洪水汇流时间快，下游比较平缓，水动力严重不足的特性。受上游径流和下游潮汐顶托，加之部分民房临河修建阻碍行洪，使得下游河段存在较大的洪涝灾害隐患。本文基于《山丘区中小河流洪水淹没图编制技术指引》，结合沿海平原中小河流特征，通过总结乌坎河淹没图制作经验，探讨一种适用于我省沿海平原河流洪水淹没图制作方法。

2 方案制定

2.1 资料收集

根据《山丘区中小河流洪水淹没图编制技术指引》收集区域内水文气象、行政边界、水利工程调度规则、社会经济、相关规划和遥感影像图等相关资料。

2.2 地形数据处理

基于5 m空间分辨率的DEM数据和实测河道地形，运用Gis技术将河道地形与DEM地形合并，针对需要计算的河段快速提取河道横断面，并结合现场实际情况进行修正，进而获得河道及滩地地形。在此基础上，将河道地形与DEM地形合并，获得可供计算采用的地形。

2.3 设计洪水

对于已有设计成果或实测资料的河流，需复核后采用。无已有成果，有实测资料的采用频率分析法、水文比拟法等方法计算，确定最终成果。无设计成果，且无实测资料的流域面积小于1 000 km2的河流，采用《广东省暴雨参数等值线图》(2003年)及《广东省暴雨径流查算图表》分析设计暴雨，同时采用广东省综合单位线法和广东省推理公式法由暴雨资料推求中小流域设计洪水。无设计成果，无实测资料的流域面积大于1 000 km2的河流，进一步考虑暴雨的空间分布，一般采用水文比拟法进行计算。

2.4 洪水模拟

2.4.1模型构建

根据《山丘区中小河流洪水淹没图编制技术指引》对于山丘区中小河流，可采用一维恒定均匀流进行计算，该方法对于山丘区河流淹没图的编制具有效率高、准确度可靠等优点[6]。对于广东省沿海平原中小河流而言，河流两岸地势平坦，采用一维恒定均匀流计算无法模拟河滩地水流流向和流速，且无法保证洪量平衡，导致淹没范围严重失真。

本次针对广东省平原中小河流的特性，采用Mike21软件建立二维非恒定流模型计算。模型范围一般以河岸线外扩5～10 km，淹没模型采用不规则网格，其中河道内网格尺寸为5～20 m，河岸网格最大面积不超过0.01 km2，分布有房屋等建筑物的，采用相关方法，考虑网格区域内建筑物的影响。

2.4.2模型范围

结合《山丘区中小河流洪水淹没图编制技术指引》要求，计算上边界原则上按基于面积200 km2的河道断面作为起点，由于广东省沿海平原中小河流流域内通常村庄密布，为更全面凸显洪水风险，计算以河道最上游村庄断面为计算起点，以入海河口为计算终点建立模型。

2.4.3计算工况

根据《山丘区中小河流洪水淹没图编制技术指引》要求，中小河流洪水淹没需计算P=1%，P=2%、P=5%、P=10%和P=20%五种频率洪水。对于沿海山区中小河流独流入海河流，洪水计算时需考虑洪潮遭遇。参考《珠江三角洲洪潮特性及其遭遇分析》[7]，洪水与潮水为2个独立事件，其遭遇是随机的[8]。因此，对于独流入海的中小河流计算工况需考虑以上游洪水为主，下游潮水相适应和已下游潮水为主，上游洪水相适应的2种工况，总计10种频率，最终计算结果取2种工况的外包成果。

2.4.4计算边界条件

上游流量边界采用设计洪水计算成果，区间洪水以区间入流方式考虑。下边界根据计算工况确定，以洪为主时采用多年平均高高潮水位，以潮为主时采用对应频率设计高潮位。

2.4.5糙率选取

参照沿河村落、集镇和城镇等保护对象所在河流的沟道形态、床面粗糙情况、植被生长状况、弯曲程度以及人工建筑物等因素选取糙率，对于有实测水文资料河流，通过历史文献、水文站实测值或已批复设计成果进行率定，对于无实测资料河段造绿选取可参考表1[9]。

表1 糙率取值

2.5 淹没分析

采用二维水动力模型计算的河流仅需通过Arcgis删选出淹没网格区，确定淹没影响范围，统计不同淹没水深所对应淹没程度。基于淹没范围，通过Arcgis统计人口、社会经济、房屋和土地4类承灾体情况。

2.6 淹没图制作

基于卫星影像图，添加研究对象流域内河流水系、道路等交通设施、行政区划、居民区范围、河流流向、保护对象在全流域的地理位置等，以及编制单位与编制时间、图名、图例、比例尺、指北针等辅助信息，从而形成洪水淹没基础底图模板。在洪水淹没基础底图的基础上，将洪水淹没计算分析成果整合至基础底图上，其核心信息包含各级洪水频率和工程超标准洪水工况下淹没范围、淹没水深以及淹没影响。

3 典型案例

3.1 流域概况

乌坎河是陆丰市独流入海的河流，发源于陆丰市罗经嶂，全长约48 km，流域面积约568 km2，年径流量为6.93亿m3。流域内人口约30万人，可耕地面积约26万亩。河道两岸建有50年一遇堤防3处，20年一遇堤防5处，10年一遇堤防1处，已建堤防总长度为63.36 km。河口上游约23 km处建有八万河水闸，以水闸为节点，上河段河流位于山丘区，比降较大，河面较窄，河道两岸多为山体，水闸下游河段表现出平原河道特性，河道宽阔，比降较小，河网密布，河道两岸地势平坦。

3.2 边界条件

乌坎河为独流入海河流，本次计算考虑以洪为主和以潮为主2种工况。流量边界根据《广东省暴雨等值线图》，采用查图法得到设计暴雨成果，并采用《广东省暴雨径流查算表》中的综合单位线发计算得到各洪水频率条件下设计洪水。以洪为主工况采用不同频率设计洪水流量遭遇下游多年平均高高潮水位；以潮为主工况采用2年一遇设计洪水流量遭遇下游不同频率设计高潮位(见表2)。

表2 各频率边界条件及流量(1985国家高程)

3.3 模型构建

根据《山丘区中小河流洪水淹没图编制技术指引》以中小河流所在流域为单元，将两岸有人居住或农田等防洪保护对象的河段确定为计算范围[10]。乌坎河沿岸保护对象主要为冲桥镇、博美镇、内湖镇和八万镇，根据防洪保护对象确定本次模型上游计算起点位于陆丰市八万镇人民镇府上游2.5 km，计算终点为乌坎河入海河口。乌坎河流域处于黄江流域和鳌江流域之间，流域之间分水岭不明显。为保证淹没区域全覆盖，本次模型建立以河岸线向外扩8 km为边界，模型总面积320 km2。河道内最大网格尺寸为15 m，河岸最大网格网格尺寸100 m，其中河岸网格尺寸与距河道距离成正比，总计网格101 625个。地形数据基于5 m×5 m的DEM高程数据，嵌套河道实测地形，采用泛克金差值法将地形数据赋值于网格(见图1)，河道内水闸、堤防以水工建筑物的形式添加至模型。

图1 乌坎河模型范围示意

3.4 模型验证

主河槽糙率取值0.025～0.033，河滩地糙率取值0.035～0.040，河岸糙率取值参考表1，计算考虑干支流汇入。乌坎河流域建有博美水文站，采用该站点实测水位流量关系进行对比分析。由于本次计算流量值大于实测值，但计算值与站点值趋势线较为吻合(见图2)，故认为本次水动力模型计算结果基本合理，可用于本次淹没图编制。

图2 计算值与站点实测值验证示意

3.5 淹没图制作与分析

将二维模型计算结果与基础数据叠加渲染，得到不同洪水频率下乌坎河洪水淹没图(见图3)。当发生5年和10年一遇洪水时，淹没范围基本位于河槽内，当发生20年～50年一遇洪水时，部分农田村庄淹没，当发生100年一遇洪水时，堤防出现漫堤现象，淹没范围较大，表明此次淹没范围成果合理。当乌坎河流域发生5年、10年、20年、50年和100年一遇洪水工况下，研究区域内受淹没面积分别为14.88 km2、16.43 km2、20.13 km2、56.39 km2和111.95 km2，城乡建设用地占比分部为0.94%、1.03%、1.12%、8.02%和13.15%。随着洪水量级的增大，淹没范围和城乡建设用地占比呈现爆发式增长。

图3 乌坎河干流洪水淹没示意

八万河水闸上游段呈现山丘区中小河流特性，下游河段呈现出平原型中小河流特性，本文以水闸为节点，分别统计水闸上、下游河段淹没面积(见图4)。不同洪水频率下，下游河段淹没范围远大于上游河段，其中100年一遇工况下下游河段淹没面积为上游河段的11.3倍，可见平原型中小河流淹没影响范围相较于山丘区中小河流更广。对比水闸下游河段50年一遇和100年一遇2种洪水频率下淹没特征可知，50年一遇洪水主要淹没范围为河段左岸及右岸的博美镇，陆丰市区段因堤防修建可抵御50年一遇洪水；100年一遇洪水为超标准洪水工况，其淹没范围为50年一遇洪水的2.2倍，陆丰市区大面积受淹，可见堤防修建是平原中小河流防洪减灾的重点环节。

图4 八万河水闸上、下游洪水淹没情况示意

针对平原中小河流淹没特性，本文建议采取以下针对措施：① 对于相对开阔的河段可以考虑按照不同的防洪标准，分级建设堤防，留出更多的行洪通道，更科学有效地防御洪水[11]；② 根据流域地形地貌及水文条件，尽可能兴建防洪控制性水库以调节干流洪峰，减少平原河段防洪压力；③ 基于现有的河道管理范围线，对河湖“四乱”进行彻底清拆[12]。

4 结语

本文以粤东沿海平原型中小河流为研究对象，在充分考虑河流特性的基础上，结合《技术指引》，以乌坎河为例介绍了淹没图制作过程中模型建立、淹没分析等内容，探讨了沿海平原型中小河流洪水淹没图制作方法，并得到如下初步认识：① 根据广东省沿海平原中小河流特性，计算范围始于上游村落止于入海河口，模型范围以河岸线外扩5～10 km为宜；② 为较为准确模拟洪水演进，模型计算应采用二维非恒定流方法进行模拟；③ 淹没图编制需考虑以洪为主和以潮为主2种工况下，并取2种工况外包成果作为最终成果。