山区性流域洪水分析模拟与风险评估
时间：2023-04-25 11:10:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
钟 华，嵇海祥，王旭滢，商华岭，4
(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；
2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210029；
3.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335；
4.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210024)
山区流域性洪水每年在我国发生的各类灾害中都占有很大比例，对地区的社会经济健康发展和群众生命安全构成了极大的威胁[1]。与平原地区相比，山区地形环境更为复杂，导致洪水流速变化快，水位暴涨暴落，其带来的洪水灾害因此具有突发性强、破坏力大等特点[2]。借助洪水数值模拟模型对流域不同量级洪水进行模拟分析和灾害风险评估，能够为山区洪水防御及避险转移提供重要的技术支撑，提高山区防灾减灾的管理能力，从而保障流域安全[3-4]。
近些年来，我国对山区流域洪水灾害已开展了大量的研究工作，对洪水的成因、损失评估、流域分析评价、风险区划管理等都取得了较大的进展[5-8]。一般认为，高强度、历时长的降雨一般是引起流域洪水灾害的主要原因；
因此，我国东部季风区更易受到洪水灾害的侵扰[9]。而东部沿海地区人口密集，社会经济活动广泛，洪水灾害发生后其潜在的影响范围也会更广。对东部山区流域进行有效的洪水分析和风险评估，有助于进一步加快补齐水旱灾害防御体系建设的短板，可为防洪规划、防洪工程措施、非工程措施等提供科学依据。
本文以浙江省瓯江流域青田段作为研究对象，通过构建一、二维水文水动力模型，对设计洪水情景进行分析模拟，并依据社会经济和人口等资料，对其风险影响进行定量评估。
青田县位于浙江省东南部，地处瓯江中下游，全县总面积2 493.8 km2。其中，丘陵低山占89.7%，河溪、塘、库占5%，其余为平地，有“九山半水半分田”之称。
瓯江流域属亚热带季风气候区，流域多年平均降水量一般在1 500～2 100 mm之间。梅雨和台风暴雨是瓯江流域洪水的主要成因，青田段主要以8月～9月份的台风暴雨造成的洪涝为主，尤其是正面袭击的台风，伴随而来的风暴潮，使瓯江河道水位暴涨，极易造成洪涝灾害。
瓯江穿过青田县境内，主要有大溪(瓯江干流)、瓯江及支流小溪。本文研究范围涉及大溪、瓯江及支流小溪等，涉及河长77.6 km，覆盖河道两岸面积65.2 km2(见图1)。沿江青田县城现状防洪能力约为20年一遇；
沿江乡镇现状防洪能力约为5～20年一遇。
图1 研究范围示意
洪水来源为上游洪水(大溪、小溪)和区间暴雨洪水，为了能够模拟河道洪水，建立一维二维水动力学模型。河道洪水采用一维水动力学模型、河道外洪水淹没采用二维水动力学模型，通过一二维耦合计算，模拟分析河道洪水演进及淹没。
3.1 一维河道建模
河道一维模型搭建范围上游为大溪开潭水电站、下游为瓯江温州潮位站，河道建模范围包括大溪、小溪、四都港、瓯江干流等。模型构建中河道断面间距不超过500 m。
模型的水文边界的准确控制是提高洪水风险分析精度的必要条件。为确定合理的边界条件，必须充分考虑河道的连续性与整体性(见图2)。一维模型主要水文边界条件如下：大溪上边界采用开潭水电站坝址断面，设计洪水移用五里亭水文站设计洪水流量过程；
小溪上边界采用滩坑水库坝址断面，设计洪水采用滩坑水库设计下泄流量过程叠加滩坑坝址至三溪口断面的区间设计洪水流量过程；
支流四都港上边界为秋芦断面，设计洪水采用秋芦站设计洪水流量过程；
支流船寮港上边界为红光断面，设计洪水采用红光断面以上集雨面积设计暴雨推求的设计洪水流量过程；
官庄源、腊溪源、祯埠港、官坑源、海口源、雄溪源、高市源、芝溪源、石盖源、大路源、石溪源等11个汇入大溪的支流，湖边源、水碓坑、石郭源、港头坑、贵岙源、石洞源等6个汇入瓯江的支流均作为支流边界，采用洪水流量过程线；
瓯江下边界采用瓯江温州站，采用温州站设计潮位过程(见图3)。按照同频原则，即干流发生某一设计频率洪水、支流发生相应频率设计洪水进行组合。其余支流均为流量边界，采用洪水流量过程线，由区间设计暴雨推求设计洪水得到，共设置19个。
图2 洪水计算边界条件设置示意
图3 一维河道建模范围
3.2 二维模型概化
二维模型以DEM数字高程模型为依据，充分考虑线性工程的阻水(公路、铁路、堤防等线状物)的阻水及导水影响。考虑到瓯江洪水、小溪洪水及流域内暴雨、滩坑水库泄洪等，二维模型范围以大溪、小溪沿岸按照75 m等高线、瓯江沿岸按照45 m等高线为依据确定(见图4)。
图4 二维模型网格划分
在对河道两侧堤防外部的保护区进行网格划分时，根据GIS地图使用2D模拟多边形对象绘出两岸洪水可能淹没范围的外形轮廓，自动计算出面积大小，并根据实际情况修订面积值及形状。根据面积大小，确定最大三角形面积、最小网格面积和最小角度；
在经济与人口分布密集区段，进行适当网格加密(见图5)。
图5 二维模型网格高程插值
3.3 一二维耦合设置
在创建了断面、2D多边形、溢流单元这些单一对象之后，使用特定对象将这些单一对象连接起来：离散的断面使用连接相连；
断面和溢流单元之间使用堰流公式连接相连；
干支流交汇处使用交叉点进行连接。同时，利用计算模型自带的模型工具对断面的方向、角度以及左右岸标记进行修正，完成洪水模拟计算网络的构建。
考虑地形及水文资料的实际条件，选取“20140820”洪水，根据模型范围内的鹤城水文站、祯埠水文站的实测水位、流量过程，对模型进行率定；
同时，沿河选取多个具有实测最高水位的断面，进行水位最高值的比对分析。
“20140820”洪水是指从2014年8月18日开始，连日暴雨引发的洪水。其对丽水市的影响至20日8时，丽水主要干支流重要水位站大部分已超警戒水位；
瓯江干流持续高水位并不断增高，丽水市主城区大水门站水位51.91 m，流量已达50年一遇洪水标准；
20日21时青田县祯埠站水位34.88 m，鹤城站水位12.06 m，鹤城站流量10 140 m3/s。
选择沿江水文站断面，取实测的水位、流量过程与模型计算的水位、流量过程进行比较分析。本次我们选取模型范围内的鹤城水文站、祯埠水文站的实测水位、流量过程进行率定。
模型模拟成果见图6。各站水位及流量计算值与实测值吻合良好，基本满足模型验证要求。同时，计算的长历时潮位及流量相关关系与实测同步性也很好，再现了各站水位流量时间上的变化特征。
图6 鹤城站实测结果与计算结果过程对比
从水文站实测水位、流量过程看，模型模拟结果基本与实测过程吻合；
从沿江12个断面实测最高水位值与计算值比较(见表1)，其中有10个断面的计算最高水位值与实际洪水的最高水位误差≤30 cm。
表1 模型计算结果比较
选用2019年7月9日至10日的洪水对模型进行验证。2019年7月9日至10日，瓯江流域发生暴雨洪水，青田县境内大溪沿岸部分乡镇受淹严重。上边界开潭水库由于暂无流量监测，其入库洪水流量的估算根据上游小白岩和秋潭水文站的流量进行线性叠加，并考虑洪水传播时间。根据水文站至开潭水库的距离，洪水传播时间约为1 h。下边界温州潮位站选用实测潮位数据作为边界控制条件。此外，考虑支流小溪上游滩坑水库的滞蓄作用，水库出流按照200 m3/s设置。
模型计算结果和实测数据比较结果显示，模型能够较好地模拟瓯江流域在洪水及下游潮位顶托共同作用下的水动力分布特性(见图7)。综上分析，所建立的一二维水动力模型基本符合瓯江青田段的洪水分析要求。
图7 控制断面实测水位与模拟过程对比
5.1 洪水情景模拟
5.1.1 设计洪水
设计洪水以流量资料推求(流量法)为主，区间支流设计洪水用暴雨资料推求(雨量法)。本文选取瓯江青田段100年一遇设计洪水进行情景模拟和洪水风险评估(见图8)。
图8 设计洪水流量过程线
河道一维模型上边界为大溪开潭水库下泄流量，由于开潭水库集雨面积为8 544 km2，而五里亭水文站的集雨面积为8 870 km2，面积比为0.96。因此，移用五里亭水电站相关频率下的设计流量作为大溪开潭水库的设计洪水，采用面积比进行修正。典型洪水选择1992年8月31日历史洪水过程。计算支流小溪的设计洪水时，由于小溪上建有滩坑水库，因此分为两部分计算：滩坑水库设计下泄流量以及滩坑至三溪口区间设计洪水。按照最不利原则，将二者进行线性叠加至滩坑坝址作为小溪的计算边界。
滩坑水库的下泄流量
Q泄=Q安全-DQ1
(1)
式中，Q泄为滩坑水库下泄流量，包含机组发电流量，调洪计算时按400 m3/s计；
Q安全为下游圩仁站断面处的安全泄量；
DQ1为考虑洪水传播时间后的滩坑—圩仁站区间流量(包括大溪干流洪水流量)。此外，计算考虑滩坑—圩仁站区间洪水流量的预报误差约为6%。
滩坑至三溪口区间及其他19个支流设计洪水用暴雨资料推求。暴雨取样为年最大值法，取最大24 h雨量，面雨量计算采用面积加权平均法。暴雨系列选用1953年～2011年共59年。暴雨频率分析采用P-Ⅲ型理论曲线拟合适线，求得流域设计暴雨成果，计算使用24 h概化雨型。流域产流计算采用蓄满产流原理的简易扣损法，汇流计算主要采用浙江省瞬时单位线法。
5.1.2 设计潮位
瓯江河口属于山溪性强潮河口，潮汐为非正规浅海半日潮。干流上中游水位主要受径流控制，下游河口潮流段，主要受潮汐控制。资料统计表明，温州站具有较好的代表性，选用测站年最高水(潮)位进行频率分析(见图9)，经P-Ⅲ型理论曲线适线，求得年最高设计潮位成果。设计潮型采用典型年法；
选取偏不利(1992年8月30日～9月2日)实测潮型进行同倍比放大。
图9 温州站设计潮位过程线
5.1.3 洪潮组合
瓯江流域下游洪水宣泄速度与洪潮遭遇情况相关密切。若遇上大潮，洪水受大潮顶托，江道水位会明显抬高。研究区域内年最大洪水与年最高潮位相遇的年份有：1971年、1987年、1990年、1992年、1996年等。经水文(潮位)站资料分析，瓯江青田段洪水有可能受大潮的顶托。因此，在选取洪潮组合时，选取5年一遇高潮位进行模拟计算。
5.2 洪水模拟分析
模拟瓯江100年一遇设计洪水遭遇温洲站5年一遇高潮位的情景，瓯江青田段防洪体系中可能出现的洪水风险，为评估青田现状防洪能力提供参考。下图为根据模拟成果绘制的洪水风险图，包括淹没水深和淹没历时(见图10、11)。
图10 瓯江流域100年一遇设计洪水淹没水深
模拟结果分析显示，洪水淹没主要发生在大溪、瓯江两岸的乡镇、村庄；
这是因为小溪上游有滩坑水库的防洪调蓄，因而两岸洪水淹没较小。大溪、瓯江两岸的低洼区域，如祯埠、海口、船寮等沿江乡镇，在100年一遇设计洪水情景下发生了不同程度的洪水淹没。
5.3 损失评估
洪水风险评估的基础资料主要包括基础地理信息(行政区划、居民点、高程、道路交通、流域水系等)、水文资料(降雨、水位流量等)、构筑物及工程调度规则、洪涝灾害资料(历史洪水、淹没范围、水深)和社会经济数据等。
结合洪水分析的结果，对受洪水淹没影响的人口、资产、设施及洪水灾害造成的经济损失进行评估。瓯江青田段江沿岸情况较特殊，主要沿江行政村聚集区作为防洪关注重点，分析时重点考虑瓯江干流段(青田县城区域)的沿江行政村，进行经济、人口等的损失评估。
图11 瓯江流域100年一遇设计洪水淹没历时
在100年一遇设计洪水情景下，青田县城两岸研究范围内如图12所示。受淹村镇集中在支流小溪和四都港汇入干流的区域，洪水位已高过绝大多数堤防标准，发生淹没的区域涉及4个街道(三溪口、瓯南、鹤城、油竹)共14个社区(村)，共计影响1.35万人，淹没区GDP约328 720.76万元，由于洪水造成的损失约131 488.3万元。
图12 青田县100年一遇设计洪水时受洪水影响区域示意
在此情景下，青田县各级防控指挥单位应结合实际组织人员巡堤查验，做好应急物资储备、抢险队伍准备，保障青田县城区等最重要保护对象的防洪安全，提前组织淹没区域的人员及时转移避险。
本文以浙江省瓯江青田段为研究区，通过构建一、二维水文水动力模型，对研究范围内的洪水风险进行模拟分析，评估山区流域性洪水对地区的社会经济影响。情景模拟分析充分考虑了台风型洪水影响的实际情况，通过洪潮组合对水文边界条件进行设置，并借助高精度DEM数据构建二维水动力学模型。经历史洪水的率定验证，本研究所建模型能够较好地模拟研究流域内的洪水淹没特征，这为未来青田县的流域洪水防御工作提供了技术支撑。
根据模型模拟的100年一遇设计洪水淹没成果，大溪、瓯江等两岸沿江低洼区域仍然是流域防洪重点关注区域，是加强防洪短板和应急抢险工作的优先对象。
猜你喜欢大溪瓯江洪水A new species of the gudgeon genus Microphysogobio Mori, 1934 (Cypriniformes: Cyprinidae) from Zhejiang Province, ChinaZoological Research(2022年3期)2022-06-07——关于大溪老街历史与现状的调查报告">悠悠老街的浅浅时光——关于大溪老街历史与现状的调查报告发明与创新(2021年3期)2021-01-12悠悠老街的浅浅时光发明与创新·小学生(2021年1期)2021-01-11甬台温高速至沿海高速温岭联络线大溪枢纽设计山东交通科技(2020年2期)2020-08-13温州瓯江北口大桥绿色公路创建实践上海公路(2019年3期)2019-11-25洪水时遇到电线低垂或折断该怎么办娃娃乐园·综合智能(2019年6期)2019-07-10《瓯江丛韵》在浙首发中华诗词(2018年7期)2018-11-15又见洪水(外二首)天津诗人(2017年2期)2017-11-29温州瓯江北口大桥多通道合建方案研究工程建设与设计(2016年8期)2016-03-11洪水来了幼儿画刊(2016年8期)2016-02-28
