馬 濤，呂愛(ài)民

(1.遼寧省水利水電科學(xué)研究院，沈陽(yáng) 110003;2.沈陽(yáng)市渾河管理中心，沈陽(yáng) 110011)

1 目的意義

1.1 城市防洪減災(zāi)的重要性

防洪減災(zāi)是人類社會(huì)大規(guī)模改造自然、適應(yīng)自然的活動(dòng)，需要有組織有計(jì)劃地進(jìn)行，既要遵循自然界的演變規(guī)律，又要順應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展規(guī)律。防洪減災(zāi)的研究，涉及對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)特性及其時(shí)空分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)，對(duì)人與自然基于洪水風(fēng)險(xiǎn)的利害關(guān)系、以及水災(zāi)成災(zāi)機(jī)理的探討，對(duì)防洪減災(zāi)體系、技術(shù)手段及對(duì)策措施的發(fā)展與完善等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于洪水、洪水災(zāi)害與防洪體系、減災(zāi)對(duì)策都做了大量的研究，并取得了較豐碩的成果。21 世紀(jì)中，面對(duì)防洪形勢(shì)的顯著變化與隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而日益提高的安全保障需求，在防洪減災(zāi)領(lǐng)域存在一系列等待解決的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，同時(shí)，也是防洪減災(zāi)領(lǐng)域的學(xué)科建設(shè)提供了發(fā)展的機(jī)遇。

隨著人口的不斷增長(zhǎng)，都市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，必將導(dǎo)致城市水災(zāi)模式發(fā)生變化，繼而促使城市水災(zāi)加劇的趨向。盡管各國(guó)投入防洪斗爭(zhēng)的人力和財(cái)力已相當(dāng)可觀，但每年的洪災(zāi)損失并無(wú)明顯的減少，甚至有增無(wú)減，而城市的洪災(zāi)損失更是加劇，并隨著城市化的發(fā)展越來(lái)越嚴(yán)重。因此，現(xiàn)代城市防洪減災(zāi)問(wèn)題應(yīng)引起人們的高度重視。因?yàn)橹挥袕乃枷肷细叨戎匾?，確實(shí)把城市防洪減災(zāi)作為城市發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)抓，才能保障城市穩(wěn)定的發(fā)展，才能保證社會(huì)安全和可持續(xù)發(fā)展。

1.2 非工程防洪減災(zāi)措施重要性

總結(jié)我國(guó)歷來(lái)的城市防洪減災(zāi)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，增加投入、重視防洪工程建設(shè)、提高城市防洪標(biāo)準(zhǔn)仍是我國(guó)城市防洪減災(zāi)的當(dāng)務(wù)之急。采取多種形式的防洪措施，包括工程、非工程的措施，是當(dāng)今防治洪水、減緩城市水災(zāi)損失的必要手段。

隨著城市化的迅速發(fā)展，城市洪災(zāi)損失有增無(wú)減，城市防洪工程措施已不足以解決城市洪水災(zāi)害，促使人們認(rèn)識(shí)到單純依靠工程措施防治洪水減緩城市洪災(zāi)損失在資金有限的條件下決非上策，因此，需要探索減少城市洪水災(zāi)害的非工程措施。采用將工程措施與非工程措施有機(jī)結(jié)合的策略，以非工程措施來(lái)推動(dòng)更加有利于全局與長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的工程措施，輔以風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)與風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償政策，形成與洪水共存的治水方略。并提出從“控制洪水”向“洪水管理”轉(zhuǎn)變的觀念，已成為當(dāng)代防洪戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移的重要標(biāo)志與必然趨向。

20 世紀(jì)70年代，美國(guó)首先提出采用非工程措施(Non-structural measures)的概念，即通過(guò)洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度、分洪、滯洪、立法、洪水保險(xiǎn)、洪泛區(qū)管理以及造林、水土保持等非工程措施來(lái)減緩洪澇災(zāi)害，改變損失分?jǐn)偡椒?，加?qiáng)防洪管理，順應(yīng)洪水的天然特性，因勢(shì)利導(dǎo)，以達(dá)到防洪減災(zāi)的目的。于是，世界各國(guó)在城市防洪減災(zāi)規(guī)劃上同時(shí)采用工程措施和非工程措施相結(jié)合，在非工程措施中主要包括:①洪水監(jiān)測(cè);②預(yù)報(bào);③預(yù)警;④調(diào)度;⑤演進(jìn)模擬;⑥災(zāi)情評(píng)估;⑦防洪工程體系的隱患監(jiān)測(cè);⑧安全評(píng)價(jià);⑨風(fēng)險(xiǎn)分析;⑩情景分析與決策支持等高新技術(shù)的運(yùn)用。在城市防洪方面，尤其注重防洪決策支持系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，單一的洪水預(yù)報(bào)、調(diào)度系統(tǒng)過(guò)度到防洪決策支持系統(tǒng)是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。

1.3 洪水預(yù)報(bào)與數(shù)值模擬技術(shù)的重要性

決策支持系統(tǒng)(Decision Support System，簡(jiǎn)稱DSS)是信息系統(tǒng)研究的最新發(fā)展成果，是融計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能、管理科學(xué)、決策科學(xué)、心理學(xué)、行為科學(xué)和組織理論等學(xué)科與技術(shù)于一體的技術(shù)集成系統(tǒng)，為決策者提供決策所需的數(shù)據(jù)、信息和背景材料，幫助明確決策目標(biāo)和進(jìn)行問(wèn)題識(shí)別，并對(duì)各種方案進(jìn)行分析、比較和判斷，為正確決策提供有益的幫助。

防洪決策支持系統(tǒng)是多種防洪非工程措施的集成系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)以及3S 技術(shù)等為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)各種防汛信息的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)傳輸、洪水預(yù)報(bào)模擬、綜合分析和智能處理，同時(shí)建立完整有效的會(huì)商系統(tǒng)，對(duì)降雨——徑流——洪水的過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬仿真，并快速得出科學(xué)的決策方案，及時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)施防汛搶險(xiǎn)救災(zāi)指揮調(diào)度。防洪決策支持系統(tǒng)是有效地減少洪水災(zāi)害損失的科學(xué)決策方法。

在城市防洪指揮系統(tǒng)建設(shè)中，綜合運(yùn)用并改進(jìn)洪水仿真模擬技術(shù)、洪水預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)、“3S”技術(shù)、信息系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、動(dòng)態(tài)規(guī)劃自動(dòng)尋優(yōu)技術(shù)等，預(yù)測(cè)城市下墊面變化情況下的洪澇態(tài)勢(shì)、可能的洪水入侵途徑和規(guī)模、暴雨澇災(zāi)影響、評(píng)估現(xiàn)有的防洪排澇體系及可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情，預(yù)測(cè)現(xiàn)有水情條件及事故條件下洪水變化以及所造成的新的風(fēng)險(xiǎn);反映并比較在洪水發(fā)生時(shí)可能采取的應(yīng)急措施及其風(fēng)險(xiǎn)，為防汛調(diào)度決策、應(yīng)急救援、洪水風(fēng)險(xiǎn)管理、土地利用等方面提供及時(shí)的信息服務(wù)和決策支持。

洪水預(yù)警預(yù)報(bào)與洪水演進(jìn)數(shù)值模擬技術(shù)的研究是防洪決策支持系統(tǒng)研究的重要組成部分，也是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在城市防洪減災(zāi)領(lǐng)域非工程措施研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容。根據(jù)上游流域雨情和水情預(yù)報(bào)城市河流洪水特征，通過(guò)預(yù)報(bào)作出決策，當(dāng)發(fā)生超防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，發(fā)布洪水警報(bào)，最大限度地節(jié)省人力、物力和財(cái)力，對(duì)于城市抗洪搶險(xiǎn)具有重要意義。

2 洪水預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)研究

2.1 概括

洪水預(yù)報(bào)是一項(xiàng)重要的防洪非工程措施，為水庫(kù)、河道、流域提供了有效的防洪減災(zāi)手段，可以為決策者提供一定的預(yù)見(jiàn)期。主要包括兩部分內(nèi)容:①預(yù)報(bào)方案編制;②預(yù)報(bào)系統(tǒng)軟件開發(fā)。結(jié)合渾河沈陽(yáng)城市段實(shí)際情況，編制了洪水預(yù)報(bào)方案，并開發(fā)了渾河沈陽(yáng)城市段洪水預(yù)報(bào)與調(diào)度系統(tǒng)，為流域管理單位提供了行之有效的防洪手段。

2.2 預(yù)報(bào)方案編制

洪水預(yù)報(bào)方案的編制要結(jié)合研究對(duì)象的實(shí)際情況，以及下墊面的實(shí)際情況，采用合適的洪水預(yù)報(bào)模型。目前，較常用的數(shù)學(xué)模型有:①流域水文模型:前期影響雨量(API)模型、新安江模型、陜北模型、薩克拉門托(SAC)模型、水箱(TANK)模型、分布式流域水文模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等;②河道洪水演進(jìn)模型:馬斯京根法、特征河長(zhǎng)法等;③實(shí)時(shí)校正模型:自回歸、滑動(dòng)平均、誤差實(shí)時(shí)校正、卡爾曼濾波等。渾河沈陽(yáng)城市段屬于北方地區(qū)，大多采用蓄滿產(chǎn)流模型、相關(guān)線模型，以遼寧指數(shù)模型，本研究采用3 種模型分別進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，率定相關(guān)參數(shù)，針對(duì)3 種不同模型的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為用戶提供更全面的預(yù)報(bào)結(jié)果。

2.3 洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是預(yù)報(bào)人員的作業(yè)平臺(tái)，可有效提高作業(yè)預(yù)報(bào)的質(zhì)量和效率。傳統(tǒng)的預(yù)報(bào)模式是依靠預(yù)報(bào)人員，采用相應(yīng)的水文模型，并人工錄入前期水文信息，然后經(jīng)過(guò)繁瑣的人工計(jì)算。因此，可靠性與時(shí)效性無(wú)法得到保證。本研究在洪水預(yù)報(bào)方案的基礎(chǔ)上，建立洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水文預(yù)報(bào)的智能化計(jì)算，為渾河沈陽(yáng)城市段提供有效的防洪手段。功能組成有:①預(yù)報(bào)參數(shù)率定;②降雨量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);③降雨徑流預(yù)報(bào)(流域產(chǎn)流計(jì)算、流域匯流計(jì)算);④河道洪水預(yù)報(bào);⑤實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)(實(shí)時(shí)校正模型);⑥系統(tǒng)管理與維護(hù)。下面對(duì)渾河大沈區(qū)間所采用的洪水預(yù)報(bào)方案(即預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型建模)，以及洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，該系統(tǒng)的預(yù)報(bào)方案編制見(jiàn)表1。

表1 預(yù)報(bào)方案模型統(tǒng)計(jì)表

渾河大沈區(qū)間洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

3 洪水演進(jìn)數(shù)值模擬技術(shù)研究

3.1 洪水演進(jìn)數(shù)值模擬技術(shù)概括

我國(guó)是洪水頻發(fā)國(guó)家之一，在洪水到來(lái)之前能夠及時(shí)準(zhǔn)確模擬洪水的淹沒(méi)路徑、時(shí)間、范圍的要素是非常重要的。洪水不僅在河道、水庫(kù)內(nèi)演進(jìn)，更為重要的是在洪泛平原上漫溢，進(jìn)而致災(zāi)。洪水三要素(包括洪峰、流量和歷時(shí))只能表征洪水的大小，不能表征洪水對(duì)區(qū)域影響的強(qiáng)烈程度。對(duì)于泛濫的洪水而言，水深、歷時(shí)、沖擊力、等淹沒(méi)指標(biāo)，才能用以評(píng)估洪水災(zāi)害對(duì)城市造成的損失。目前采用比較多的洪水演進(jìn)數(shù)值模擬方法都是采用水力學(xué)模型，是基于物理模型與黑箱模型之間的概念性模型，既涵蓋物理模型具有模擬自然狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，又涵蓋黑箱模型的簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)。目前，主要有一維數(shù)學(xué)模型、二維數(shù)學(xué)模型和三維數(shù)學(xué)模型，下面分別進(jìn)行介紹。

3.2 模型簡(jiǎn)介

一維數(shù)學(xué)模型是發(fā)展最早，也是最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，主要是模擬洪水的過(guò)程變化。

平面二維洪水演進(jìn)模型，即二維圣維南方程組模型。建立模型的具體內(nèi)容:

1)選用二維非恒定流雙曲線型偏微分方程組為基本控制方程;

2)用無(wú)結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行剖分;

3)用有限體積法與有限差分法相結(jié)合的方法來(lái)離散控制方程(包括河道型、灘地型和阻水建筑物型);

4)初始條件和邊界條件，其中邊界條件主要包括周邊界條件、開邊界條件和內(nèi)部邊界條件，還有動(dòng)邊界處理;

5)考慮沖淤計(jì)算，結(jié)合泥沙數(shù)學(xué)模型作河床變形定量預(yù)測(cè)。

圖1 渾河預(yù)報(bào)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.3 洪水演進(jìn)的三維仿真模擬

以往數(shù)模與物模相比，其缺陷是不直觀。利用洪水演進(jìn)模型與數(shù)字流域技術(shù)相結(jié)合來(lái)對(duì)流域的洪水演進(jìn)實(shí)現(xiàn)模擬仿真可以克服這一點(diǎn)。目前，已經(jīng)有一些比較成熟的洪水預(yù)報(bào)演進(jìn)模型，對(duì)防洪決策起了重要的參考作用，但還停留在數(shù)值計(jì)算階段，其預(yù)報(bào)結(jié)果粗糙晦澀。常規(guī)的分析手段，如水位變化過(guò)程線、流速(流量)變化過(guò)程線、瞬時(shí)等深線和流場(chǎng)圖等已不能滿足當(dāng)前數(shù)學(xué)模型發(fā)展和水利信息化的要求。

1990年以來(lái)，利用GIS 技術(shù)為手段進(jìn)行洪水淹沒(méi)研究一直是一個(gè)研究熱點(diǎn)，但大多數(shù)的研究仍然是基于二維平面的GIS 技術(shù)，主要是采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)實(shí)體的幾何關(guān)系進(jìn)行管理，三維仿真功能非常有限，因而無(wú)法準(zhǔn)確地反映地形的坡度、坡向、洪水的流向和洪水的演進(jìn)過(guò)程等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的進(jìn)步，大范圍地域的三維場(chǎng)景仿真已經(jīng)成為可能。將仿真技術(shù)應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)演進(jìn)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)近似真實(shí)的流域洪水預(yù)演，應(yīng)用仿真技術(shù)將預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)結(jié)果真實(shí)重現(xiàn)，建立虛擬的洪水演進(jìn)仿真系統(tǒng)為輔助決策提供強(qiáng)有力的支持。

洪水演進(jìn)仿真模擬系統(tǒng)是一套虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，是基于三維流域地形模型，從二維洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果中提取洪水流動(dòng)信息，按照時(shí)間的先后順序，創(chuàng)建一系列的洪水表面層，用來(lái)反映水深、流速和水流方向等的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。然后，在流域三維地形與景觀的基礎(chǔ)上疊加顯示演進(jìn)的分析模擬結(jié)果，形成一種逼真的水流流動(dòng)效果，實(shí)現(xiàn)流域水情的動(dòng)態(tài)三維仿真，對(duì)城市的防洪減災(zāi)進(jìn)行決策支持以及水科學(xué)的推廣都具有重要意義。

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