張凌霄

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

洪水是我國面臨的自然災害中最常見的種類，影響范圍廣、破壞力大。2020年6—7月，全國范圍內(nèi)超過26個省區(qū)發(fā)生洪水災害，受災人口超過千萬，直接經(jīng)濟損失超過1000億元。利用現(xiàn)代科技手段，有效預測洪水災害影響范圍、評估災害等，已成為地理信息技術(GIS)的重要應用領域。

1 區(qū)域概況

遼陽市位于遼寧省中部，屬于遼河平原，區(qū)域內(nèi)分布大小河流86條，其中以太子河、渾河兩大水系為主，因此，該地區(qū)水資源豐富，人均水資源量達到600m3。但隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，目前，區(qū)域內(nèi)水土流失嚴重，大片郊區(qū)被規(guī)劃為居民區(qū)，導致河道堵塞嚴重，泄洪壓力變大，每當夏季汛期來臨時，必然會造成洪水災害。在2018年，相關部門組織技術人員對遼陽市整個區(qū)域建立洪災預測GIS平臺，以SWAT模型為基礎建立了洪水災害影響程度模擬系統(tǒng)，為該地區(qū)防洪救災提供參考數(shù)據(jù)。

2 水網(wǎng)區(qū)降雨產(chǎn)流模型建立分析

2.1 SWAT水文模型的建立

2.1.1 SWAT模型原理

SWAT模型可利用GIS技術提供的空間數(shù)據(jù)信息來模擬地表水及地下水水量，用以評估區(qū)域內(nèi)洪水所產(chǎn)生的影響[1]。在建立SWAT模型時，主要依據(jù)如下步驟進行：

a.根據(jù)DEM將流域劃分為一定數(shù)量的子流域，劃分原則可根據(jù)形成河流所需要的最小集水區(qū)面積確定。

b.在每個子流域內(nèi)再劃分水文響應單元HRU(具有相同土地類型、土壤類型的區(qū)域)，每個水文響應單元內(nèi)的水平衡運算因素包括降水量、地表徑流、蒸發(fā)量、滲透量等[2]。

c.SWAT模型中所采用的水量平衡表達式見式(1)[3]，當?shù)乇斫邓慷嘤趽p失量時，則會產(chǎn)生徑流。

(1)

式中 SWt——土壤最終含水量，mm；

SW0——土壤前期含水量，mm；

t——時間步長，d；

Rday——第i天降水量，mm；

Qsurf——第i天地表徑流，mm；

Ea——第i天蒸發(fā)量，mm；

Wsweep——第i天滲透量和側流量，mm；

Qgw——第i天地下水含量，mm。

2.1.2 數(shù)據(jù)準備

建立遼陽市SWAT水文模型(所需要的數(shù)據(jù)見表1)[4]，相關資料可以去“地理國情監(jiān)測云平臺”查找和購買，在此不再詳述。

表1 遼陽市SWAT水文模型輸入數(shù)據(jù)

2.2 SCS產(chǎn)流模型的建立

2.2.1 SCS模型原理

地表徑流量是洪水淹沒范圍、深度等決定性指標。在模擬地表徑流時，SWAT模型一般采用SCS徑流曲線模型進行估算，該模型可反映不同土壤類型、土地利用方式、土壤含水量等多個參數(shù)對降雨徑流大小的影響，SCS模型的“降雨—徑流”基本關系見式(2)[5]。

(2)

式中Q——實際徑流量，mm；

P——總降雨量，mm；

Ia——降雨初損，mm；

S——區(qū)域該場降雨前的最大潛在入滲量，mm。

2.2.2 關鍵參數(shù)CN的確定

從式(3)可知：Ia和S是計算Q的最關鍵參數(shù)，而這兩個參數(shù)均與CN(徑流曲線數(shù))直接相關，關系式見式(4)、式(5)[6]，由此可知計算出CN值即可，而CN值與土壤類型、植被種類、土壤前期濕度、耕作方式等相關。

(3)

(4)

式中λ——比例系數(shù)(需試驗確定)。

表2是技術人員參照美國自然資源保護服務一些數(shù)據(jù)，得出的遼陽地區(qū)不同土地利用類型CN值的換算結果。

表2 遼陽地區(qū)不同土地利用類型CN值

2.2.3 關鍵參數(shù)λ的確定

比例系數(shù)λ的最佳取值各地區(qū)存在較大差別，在此通過對比確定，λ取值包括以下6個方案：0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3(模擬值和實測值見表3)[7]。由表中數(shù)據(jù)可知：土地利用類型按照水田、旱地、園地、林地、草地排列，其最佳λ值分別為0.15、0.25、0.05、0.2、0.3。

表3 不同λ值徑流量模擬值與實測值對比

2.3 模型參數(shù)率定及應用效果分析

在遼陽市SWAT模型及SCS模型建立過程中，需要對一些敏感性參數(shù)進行率定，技術人員實地調(diào)查了遼陽地區(qū)各參數(shù)的變化范圍及最適參數(shù)取值(見表4)[8]。

表4 SWAT模型相關參數(shù)率定及取值

在此模擬了2020年9月7日臺風“海神”影響下遼陽地區(qū)徑流過程，繪制模擬值和觀測值曲線(見圖1)。本研究利用“納什效率系數(shù)(NSE)”來驗證水文模型模擬結果的好壞，公式見式(5)[9]，E越接近于1，表示模擬結果越好。本研究E值在0.8～0.85之間波動，說明模擬效果很好。

圖1 總產(chǎn)流量實測值和模擬值對比

(5)

式中Q0——觀測值；

Qm——模擬值；

t——數(shù)據(jù)記錄時刻。

3 洪水淹沒及災情評估系統(tǒng)分析

3.1 洪水淹沒分析系統(tǒng)

3.1.1 最大滯留水量Qover計算

通過上文建立的SWAT模型可以估算出遼陽地區(qū)降雨產(chǎn)水量，再結合研究區(qū)排水能力、蓄水能力、境外來水量等參數(shù)，可計算出研究區(qū)最大滯留水量Qover，見式(6)[10]，進而可推算出洪水總量。

Qover=Qwater-(Lcap+Rcap+Dcap)

(6)

式中Qwater——區(qū)域地表總產(chǎn)水量，m3；

Lcap——區(qū)域湖泊極限蓄水量，m3；

Rcap——區(qū)域河網(wǎng)極限蓄水量，m3；

Dcap——區(qū)域現(xiàn)有排洪能力，m3。

3.1.2 洪水淹沒分析系統(tǒng)

洪水淹沒分析主要涉及兩方面：洪水淹沒范圍和淹沒水深分布，這是個動態(tài)過程，本研究利用GIS空間分析技術來構建洪水淹沒模型，基本思路如下：利用DEM數(shù)據(jù)計算出分析對象區(qū)容積；將該容積值與最大滯留水量進行比較，通過系統(tǒng)計算得出洪水水位，進而推算出洪水淹沒范圍和淹沒水深分布(見圖2)。

圖2 洪水淹沒分析基本流程

根據(jù)此項技術，遼陽市建立的洪水淹沒預警系統(tǒng)可實現(xiàn)提前12～24h向可能受影響范圍的居民發(fā)出洪水預警，為相關部門組織力量提前撤離災區(qū)群眾和財產(chǎn)贏得時間，據(jù)估計可使受災區(qū)域的經(jīng)濟損失數(shù)額降低50%左右，效果顯著。

3.2 洪災評估系統(tǒng)建立分析

洪災評估系統(tǒng)以洪水淹沒數(shù)據(jù)、項目區(qū)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等為基礎，利用GIS空間分析技術來實現(xiàn)對洪災損失進行多指標、多維度量化，評估流程見圖3。

圖3 洪災評估系統(tǒng)流程

遼陽市相關部門通過利用該系統(tǒng)，評估出臺風“海神”造成的經(jīng)濟損失達到5230萬元，其中僅農(nóng)業(yè)損失就占到3500萬元。后經(jīng)統(tǒng)計，“海神”造成的實際經(jīng)濟損失約為6180萬元，評估值與實際值相差18.16%，總體而言準該評估系統(tǒng)準確度較高，滿足實際要求。

4 結 語

遼陽市通過利用GIS、SWAT模型等現(xiàn)代計算機技術建立了地區(qū)產(chǎn)流模型、洪水淹沒分析等系統(tǒng)，經(jīng)過以臺風“海神”作為檢測對象，得出整個系統(tǒng)的預測準確度可達80%左右，可有效提供洪災預警、抗洪搶險等服務，大大提高遼陽市水利信息化水平。該系統(tǒng)建立需要緊密結合當?shù)貙嶋H地理條件，能提供的相關信息越詳細，其模擬結果就會越準確，切不可照搬其他地區(qū)數(shù)據(jù)。