楊雪菲，楊 帆，靳潤(rùn)芳，徐 梁

（洛陽(yáng)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引言

洪水風(fēng)險(xiǎn)管理是我國(guó)防洪減災(zāi)的重要基礎(chǔ)，在防洪規(guī)劃、防洪減災(zāi)工程、非工程措施部署、國(guó)土資源管理等方面都具有重要作用。制作洪水風(fēng)險(xiǎn)圖評(píng)價(jià)洪水風(fēng)險(xiǎn)，需采用可靠的信息，選擇科學(xué)的方法，建立可靠而高效的模型[1-2]。建立研究區(qū)域的洪水演進(jìn)水動(dòng)力模型是洪水風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算的基礎(chǔ)，根據(jù)洪水分析得到的淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)等要素，結(jié)合淹沒(méi)區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況分析評(píng)估洪水影響。本文系統(tǒng)應(yīng)用一維、二維及管網(wǎng)模型研究洛陽(yáng)市區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)。

1 區(qū)域概況

洛陽(yáng)位于河南西部、黃河中游，總面積1.52 萬(wàn)km2，其中市區(qū)面積803 km2，總?cè)丝?17.02 萬(wàn)，其中市區(qū)人口230.95 萬(wàn)，常住人口城鎮(zhèn)化率59.1%。洛陽(yáng)市城市地位顯著，需建立國(guó)家級(jí)安全城市，尤其以保證洪水安全為重。流經(jīng)洛陽(yáng)市城區(qū)內(nèi)的河流有伊河、洛河、澗河、瀍河。伊、洛、澗、瀍河穿過(guò)市區(qū)。洛陽(yáng)市河流水系圖見(jiàn)圖1。

圖1 洛陽(yáng)市中心城區(qū)水系及一維模型范圍

2 模型建立

2.1 河道一維模型構(gòu)建

采用Mike11 模型計(jì)算市區(qū)內(nèi)河洪水演進(jìn)，通過(guò)側(cè)向連接以及設(shè)置側(cè)堰公式計(jì)算，模擬堤防漫溢情況下，一維和二維模型水量交換。一維模型建模對(duì)象包括洛河、伊河、甘水河、澗河、瀍河5 條河流，以及邙山渠、中州渠、南城壕、鐵路防洪渠、大明渠、秦嶺防洪渠、新區(qū)西干渠、東干渠、伊濱區(qū)安瀾街排澇渠、開(kāi)拓大道排澇渠共10 條市區(qū)內(nèi)排澇渠。一維模型建模范圍見(jiàn)圖1。

2.2 地面二維模型構(gòu)建

地面二維模型采用Mike21 模型。二維模型計(jì)算范圍包括洛陽(yáng)市澗西區(qū)、西工區(qū)、老城區(qū)、瀍河回族區(qū)、洛龍區(qū)5 個(gè)區(qū)計(jì)算范圍見(jiàn)圖2。

圖2 洛陽(yáng)市二維模型計(jì)算范圍

二維水力學(xué)模型中，采用規(guī)則網(wǎng)格或不規(guī)則網(wǎng)格，對(duì)于規(guī)則網(wǎng)格，邊長(zhǎng)不宜超過(guò)300 m，對(duì)于不規(guī)則網(wǎng)格，最大網(wǎng)格面積不宜超過(guò)0.1 km2，重要地區(qū)、地形變化較大部分的計(jì)算網(wǎng)格要適當(dāng)加密。城市洪水分析的計(jì)算網(wǎng)格一般控制在0.05 km2以下。

2.3 地下管網(wǎng)模型構(gòu)建

地下管網(wǎng)模型采用MikeUrban模型。MikeUrban模型是基于地理信息系統(tǒng)的用于模擬城市給排水管網(wǎng)系統(tǒng)的建模軟件，可以用于模擬城市排水區(qū)的地表雨水徑流、水質(zhì)變化和泥沙運(yùn)動(dòng)等，能夠勝任模擬復(fù)雜的自由水面流和管道壓力流的地下管網(wǎng)系統(tǒng)。整個(gè)排水管網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬能夠劃分為兩個(gè)步驟：降雨徑流模塊和管網(wǎng)水力模塊。其中，降雨徑流模塊的輸出結(jié)果是后者的上邊界條件。

城市管網(wǎng)包括地下雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)等，污水管網(wǎng)一般不參與城市排澇，本次暫不考慮。因此，管網(wǎng)模型構(gòu)建采用本次收集的572條雨水干管，見(jiàn)圖3。

圖3 雨水管網(wǎng)分布圖

2.4 模型耦合及邊界處理

城市內(nèi)河洪水漫溢或決口后，河道洪水流入市區(qū)，部分通過(guò)雨水口或檢查井進(jìn)入地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)；暴雨在城市地表形成徑流，部分雨水直接流入河道，大部分通過(guò)雨水口或人工口進(jìn)入地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)然后排入河道。為準(zhǔn)確描述河道一維、地面二維、地下管網(wǎng)模型間的互相影響，需建立河道一維、地面二維和地下管網(wǎng)耦合模型。市區(qū)二維模型和內(nèi)河一維模型的河道兩岸進(jìn)行側(cè)向耦合，一維模型和地下管網(wǎng)模型排水口進(jìn)行耦合，地下管網(wǎng)模型檢查井和相應(yīng)的二維模型計(jì)算網(wǎng)格耦合，見(jiàn)圖4。耦合采用Mike Flood實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖5。

圖4 數(shù)學(xué)模型耦合方案

圖5 模型耦合示意圖

3 模型計(jì)算成果

暴雨洪水期間，雨水首先在地面填洼和下滲，滿足產(chǎn)流條件（蓄滿或超滲產(chǎn)流）后，在地表形成徑流，地表徑流一部分通過(guò)地面漫流排入河道，另一部分經(jīng)過(guò)集水井進(jìn)入地下管道后排入河道，組合內(nèi)河上游洪水，經(jīng)市區(qū)排入河道。若暴雨強(qiáng)度超出市區(qū)排澇能力，暴雨將在地面積水，形成內(nèi)澇；若河道洪水超出河道行洪能力，洪水將漫過(guò)堤防或造成堤防決口進(jìn)入市區(qū)。洛陽(yáng)市區(qū)暴雨洪水輸移過(guò)程示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 洛陽(yáng)市區(qū)暴雨洪水輸移過(guò)程示意圖

3.1 暴雨內(nèi)澇方案結(jié)果

對(duì)暴雨內(nèi)澇方案，計(jì)算了20 年一遇頻率內(nèi)澇洪水，從1 h、2 h、6 h和12 h等4 個(gè)歷時(shí)凈雨分析市區(qū)淹沒(méi)過(guò)程。1 h、6 h和12 h等4 個(gè)時(shí)段市區(qū)淹沒(méi)過(guò)程見(jiàn)圖7～圖9。

圖7 洛陽(yáng)市區(qū)20 年一遇1 h 水深分布圖

圖8 洛陽(yáng)市區(qū)20 年一遇6 h 水深分布圖

圖9 洛陽(yáng)市區(qū)20 年一遇12 h 水深分布圖

（1）1 h淹沒(méi)情況

降雨歷時(shí)1 h，總降雨量56.9 mm。水深小于0.3 m的區(qū)域面積達(dá)到13.9 km2。水深大于0.3 m的區(qū)域面積很小，為0.4 km2。中州西路、建設(shè)路、凱旋路沿線區(qū)域，古城快速路、東環(huán)路、王城大道合圍區(qū)域，積水淹沒(méi)情況較多。

（2）6 h淹沒(méi)情況

降雨歷時(shí)6 h，累計(jì)降雨量為81.6 mm，隨著降雨的進(jìn)行，水深小于0.3 m的區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，達(dá)到18 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的區(qū)域面積增大，達(dá)到1.4 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的區(qū)域面積減小，達(dá)到1.5 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區(qū)域面積增大，達(dá)到4.3 km2。中心城區(qū)地勢(shì)低洼的區(qū)域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒(méi)，一般在0.8 m左右。

（3）12 h 淹沒(méi)情況

降雨歷時(shí)12 h，累計(jì)降雨量為90.0 mm。水深大于0.3 m的區(qū)域面積進(jìn)一步增加，達(dá)到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的區(qū)域面積減小，達(dá)到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m 的區(qū)域面積增大小，達(dá)到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區(qū)域面積增大，達(dá)到4.8 km2。水深大于2.0 m、小于3.0 m的區(qū)域面積增大，達(dá)到3.1 km2。中心城區(qū)地勢(shì)低洼的區(qū)域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒(méi)，一般在1 m左右。

3.2 漫溢方案結(jié)果

對(duì)漫溢方案，計(jì)算了50 年一遇頻率洪水。經(jīng)過(guò)計(jì)算，洛陽(yáng)市內(nèi)河道在50 年一遇上游來(lái)水情況下無(wú)漫溢發(fā)生，因此對(duì)漫溢方案，分別從1 h、6 h 和12 h 等4 個(gè)時(shí)段分析市區(qū)淹沒(méi)過(guò)程即可。見(jiàn)圖10～圖12。

圖10 洛陽(yáng)市區(qū)50年一遇1 h水深分布圖

圖11 洛陽(yáng)市區(qū)50年一遇1 h水深分布圖

圖12 洛陽(yáng)市區(qū)50年一遇12 h水深分布圖

（1）1 h淹沒(méi)情況

降雨歷時(shí)1 h，總降雨量66.1 mm。水深大于0.3 m的區(qū)域面積進(jìn)一步增加，達(dá)到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的區(qū)域面積減小，達(dá)到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的區(qū)域面積增大小，達(dá)到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區(qū)域面積增大，達(dá)到4.8 km2。

水深大于2.0 m、小于3.0 m 的區(qū)域面積增大，達(dá)到3.1 km2。中心城區(qū)地勢(shì)低洼的區(qū)域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒(méi)，一般在1 m 左右。

（2）6 h 淹沒(méi)情況

降雨歷時(shí)6 h，累計(jì)降雨量為94.9 mm。水深大于0.3 m 的區(qū)域面積進(jìn)一步增加，達(dá)到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m 的區(qū)域面積減小，達(dá)到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的區(qū)域面積增大小，達(dá)到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區(qū)域面積增大，達(dá)到4.8 km2。水深大于2.0 m、小于3.0 m 的區(qū)域面積增大，達(dá)到3.1 km2。中心城區(qū)地勢(shì)低洼的區(qū)域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒(méi)，一般在1.1 m 左右。

（3）12 h 淹沒(méi)情況

降雨歷時(shí)12 h，累計(jì)降雨量為104.6 mm。水深大于0.3 m的區(qū)域面積進(jìn)一步增加，達(dá)到2.3 km2。水深大于0.3 m、小于0.5 m的區(qū)域面積減小，達(dá)到1.2 km2，水深大于0.5 m、小于1.0 m的區(qū)域面積增大小，達(dá)到1.7 km2。水深大于1.0 m、小于2.0 m的區(qū)域面積增大，達(dá)到4.8 km2。水深大于2.0 m、小于3.0 m 的區(qū)域面積增大，達(dá)到3.1 km2。中心城區(qū)地勢(shì)低洼的區(qū)域，尤其是立交涵洞、鐵路涵洞等地，基本淹沒(méi)，一般在1.2 m左右。

4 結(jié)論

（1）不同方案下水深大于0.05 m的最大淹沒(méi)區(qū)面積為119.4 km2，淹沒(méi)農(nóng)田面積796.0 hm2，淹沒(méi)居民地面積3980.0 萬(wàn)m2，受影響公路長(zhǎng)度930.0 km，受影響鐵路長(zhǎng)度6.2 km，受影響重點(diǎn)單位598 個(gè)，受影響人口總數(shù)101.6 萬(wàn)人。

（2）從水深等級(jí)分布上看，受影響的地物約57%分布在0.05 m～0.3 m的水深范圍內(nèi)，符合城市內(nèi)澇洪水的特性，并隨著水深的分布的增加，受影響的地物隨之減少，符合洪災(zāi)影響的一般規(guī)律。

（3）從受影響對(duì)象所在的行政區(qū)來(lái)看，洛龍區(qū)受影響面積占轄區(qū)面積比例最大，約為31%，瀍河回族區(qū)最小，約為13%。

（4）同等條件下，淹沒(méi)面積、淹沒(méi)農(nóng)田面積、淹沒(méi)房屋面積、受影響公路長(zhǎng)度、受影響鐵路長(zhǎng)度、受影響人口總數(shù)各項(xiàng)隨著洪水重現(xiàn)期的增大而增加，符合一般規(guī)律。