2. 南京水利科学研究院, 南京 210029;
3. 河海大学水文水资源学院, 南京 210098;
4. 江苏南大先腾信息产业股份有限公司, 南京 210012
2. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China;
3. College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, China;
4. Jiangsu Century Information Technology Co., Ltd., Nanjing 210012, China
0 前言
洪水风险分析技术是抵御洪水灾害的主要技术手段，随着计算机模拟技术、数据采集传输技术和洪水模拟模型技术的快速发展，实时洪水风险分析技术在防汛应急工作中越来越受到重视，在此基础上编制的洪水风险图和开发的洪水风险分析系统软件[1]成为防汛管理的有力工具。我国非常重视洪水风险分析相关工作，通过学习世界上一些先进的洪水风险图编制方法和先进经验，我国洪水风险管理的水平也得到了提高。
开展洪水风险分析的主要工作是基础数据分析处理，核心是洪水演进模拟模型，具体的实现手段是开发洪水风险分析软件系统。近年来，动态洪水风险分析模型和软件系统受到了越来越多的重视，结合快速发展的计算机技术，研究人员对洪水风险分析技术进行了深入的探索：张文婷等[2]模拟了沿海城市复杂地形条件情况下流域洪水实时演进过程；Mount等[3]构建了实时洪水风险分析决策框架，研制了决策支持系统；罗秋实[4]以黄河下游洪水淹没风险区包含黄河大堤内的滩区和堤外的防洪保护区为例，开发了黄河下游洪水淹没风险动态仿真关键技术；寇嘉玮等[5]考虑了外洪、区域洪水及内涝3类洪水，基于WebGIS开发了B/S结构的动态洪涝管理信息系统；牛帅等[6]以万城镇为例研究了村镇易涝区动态洪水风险分析模型；张小稳等[7]分析了动态洪水风险图的相关技术, 构建了无锡市城区动态洪水风险图系统；郭磊等[8]开展了鳌江流域洪水风险动态预警预报相关工作。从洪水风险分析结果展现方式和技术手段方面来看，已有研究注重计算机软件系统在洪水风险分析中的应用，开发了一些防洪保护区域的洪水风险分析系统，具备了一定的实用性。但现有研究采用的数值模拟方法主要是，首先通过建立水动力学数值模型开展研究区的洪水演进模拟；然后通过模型设定的计算分析条件模拟洪水演进过程，计算得出洪水淹没水深、到达时间以及流速等洪水演进特征要素；再利用洪水风险图绘制平台将洪水演进过程管理、存储、可视化；最后绘制洪水风险图。从洪水演进模拟计算的方面来看，当前洪水演进计算分析按照典型设计标准洪水进行计算，这样的模式难以满足实际防洪管理需要，尤其是突发洪水产生的洪水量级和洪水过程都具有极大不确定性，已有的洪水风险分析技术实时性不足，也无法适应洪水演进的动态性。实时、动态洪水风险分析系统是目前研究的热点，已有学者从多个角度着手，构建实用的动态洪水风险分析模型，其中有些研究开发了洪水分析计算机软件[5, 7]。在当前水利信息化快速发展的背景下，洪水风险图及管理系统凭借可以管理大量数据及能够进行定期更新的优势，越来越受到管理部门的重视[9-10]，洪水风险图及管理系统逐渐成为研发的主要方向。
因为洪水发生的量级、过程以及堤防产生溃口位置存在不确定性，当前洪水风险分析按照典型设计标准洪水进行计算的模式难以满足实际防洪管理需要。为了提高洪水风险分析的实时性以及适应洪水演进的动态性，本研究设计了动态实时洪水风险分析框架。采用一维和二维动态耦合水动力学数值方法耦合溃堤模型进行洪水演进计算模拟，构建动态实时洪水风险图编制与管理应用系统，以期实现灵活处理模型计算边界条件以及动态设置溃堤功能，为实时洪水管理与调度决策以及区域历史分洪和淹没情景反演提供支持，从而为防汛部门洪水预报、预警、预演以及预案工作提供支撑。
1 研究区域基本情况选取樵桑联围防洪保护区为研究区，其周边水系主要有西江干流、北江干流、顺德水道、南沙涌、甘竹溪等(图 1)。防护范围包括三水区的白坭镇及西南街道的一部分，南海市的丹灶镇、西樵镇、九江镇，顺德区的龙江镇及勒流街道的一部分，共5个镇的全部及两个街道的小部分地区。围内集雨面积437.48 km2，防护总耕地面积23 900公顷，人口约42万人，堤线总长116 km，是广东省内粮食、经济作物及水产养殖的重要产地。
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| 图 1 樵桑联围防洪保护区位置图(a)及周边水系及边界概化图(b) Fig. 1 Location map of the Qiaosang flood protection area(a) and generalized map of the surrounding water system and boundary(b) |
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洪水演进的动态性决定了洪水风险分析需要实时开展，即根据洪水的变化情况快速开展洪水风险分析，实时动态洪水风险分析在当前洪水风险管理工作中得到了普遍的认同。为了实现实时动态洪水演进模拟，本研究设计了动态实时洪水演进模拟模型，采用一维二维动态耦合水动力学数值方法，在樵桑联围防洪保护区进行了模型验证，开展了模型合理性、可靠性分析。通过灵活处理模型计算边界条件以及动态设置溃堤功能，计算了不同设计标准洪水或者实测洪水发生时，保护区堤防出现单一溃口或者组合溃口后洪水演进过程。
通过模型设置及输入模块，首先将樵桑联围防洪保护区洪水演进模型实时计算所需实时测量水文数据(如河道水位、流量)、动态溃口设置(如溃堤)及溃口参数计算，以及模型运算参数(如初始参数、起止时间、步长等)输入模型；然后采用一维水动力学模型计算防洪保护区的河道水系的水位、流量、流速等信息，采用溃堤模型计算堤防溃决溃口宽度、深度、溃口水位和流量变化等信息，采用二维水动力学模型计算防洪保护区内洪水演进的水深变化、淹没历时、洪水到达时间和溃口流量等信息；再将一、二维水动力学模型[11-14]及溃堤模型进行耦合，模拟不同致灾因子下樵桑联围防洪保护区的洪水演进过程。洪水演进模型采用的分析方法和耦合模型结构见图 2。
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| 图 2 洪水分析流程图 Fig. 2 Flood analysis flow chart |
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防洪保护区河道水系的水位、流量、流速等计算采用基于圣维南方程的河道非恒定流水动力学模型[15-17]。
连续方程为
(1) 动量方程为
(2) 式中：A为河流过水面积，m2；t为时间，s；Q为流量，m3/s；x为沿河道水流方向的水平坐标，m；q为河道的侧向流量，m3/s；g为重力加速度，取值为9.81 m/s2；z为河道断面水位，m；K为流量模数。
在河道交汇处通过水量平衡关系连接各河段，计算汇入点的流量。
(3) 式中：Qmd+1为d+l时刻汇入m节点的流量，m3/s；L(m)为节点m上连接河段的数目；Qm, jd+1为d+l时段j河段汇入m节点的流量，m3/s；ΔW为交汇点所蓄存的水量变化值，m3; M为模型中节点的数目。
因为樵桑联围保护区位于珠江三角洲腹地，涉及到的河流众多，周边水系构成的河网情况复杂；所以本研究在构建洪水模拟模型时，从整体分析建模着手，收集珠江三角洲河网水下地形数据，并结合已有研究基础，建立了珠江三角洲河网模型，用于计算樵桑联围保护区外江洪水演进过程。珠江三角洲一维河网模型河道长度约2 000 km，一维河道断面间距取值为0.5~2.0 km。模型上游边界在北江段选取石角水文站，在西江段选取高要水文站，设置流量边界；模型下边界在珠江三角洲入海口门潮位站，例如磨刀门、鸡啼门等，设置为水位边界(图 3)。图 3阴影部分为樵桑联围保护区在河网模型中的位置，位于西江和北江汇合口以下。
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| 图 3 樵桑联围防洪保护区一维模型河网及边界设置示意图 Fig. 3 Schematic diagram of one-dimensional model river network and boundary setting of Qiaosang flood protection area |
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近来，计算机技术迅速发展，数值计算方法也随之改进，二维水动力数学模型计算结果可以输出更加丰富和详细的洪水演进特征数据，因此在水利工程界越来越受到重视，被广泛用于分析江河洪水演进、溃堤、溃坝洪水研究[18]。
二维水动力学模型的控制方程如下所示：
连续方程为
(4) 动量方程为：
(5) 
(6) 式中：h为水深，m；U和V分别为x和y方向的单宽流量，m3/s，其中U=uh，V=vh，u和v分别为平均流速在x和y方向的分量，m/s；s0为源项;
Jox和Joy分别为x和y方向底坡，
采用有限体积法对方程离散，水流连续方程运用守恒格式进行离散，保证计算域内水量守恒，时间采用蛙跳法，使用交错网格计算物理量。首先在GIS地图软件中利用多边形绘制保护区的轮廓，提取出面积数据；然后根据当地地形图修正防洪保护区的面积；再根据面积大小，通过试算分析构建模型应该设置的最优网格面积，其中在人口和社会经济分布密集的片区应加密网格[19]；最后在考虑河道行洪的基础上，引入阻水建筑物(例如高出地面的路基、高速公路等)参与保护区网格划分，最终得到的划分网格数量为11 503个，网格单元的平均面积为0.03 km2，网格单元的平均边长为150 m，本研究采用的网格划分技术兼顾了计算精度和计算效率。结合遥感图像、数字高程模型、土地分类数据对网格计算所需的糙率、高程、孔隙度等参数进行分析和赋值。从地形情况来看，樵桑联围保护区四面环水，保护区总体地势呈现北高南低的走势，保护区中部的西樵山为地势最高点(图 4)。图 4中紫色边线为樵桑联围二维保护区计算网格和一维河道的耦合位置。
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| 图 4 樵桑联围防洪保护区二维模型网格与高程分布图 Fig. 4 Two-dimensional model grid and elevation distribution map of Qiaosang flood protection area |
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采用一维、二维动态耦合水动力学数值方法[6]构建樵桑联围洪水演进计算模型，樵桑联围防洪保护区溃口位置和溃口尺寸根据堤防工程等级、实际状况、险工段位置和保护对象重要性等因素综合确定，并征求当地管理部门或专家意见对溃口参数进行优化。对于西江干流、南沙涌、顺德水道、甘竹溪等河道堤防溃决，溃决主要模式为洪水漫顶溃决或管涌，溃决过程模拟采用溢流连接处理，溃决过程受控于设定的最终溃口宽度，分洪流量过程受控于河道内外水位差。
2.2 模型验证本研究前期构建的珠江三角洲一维河网模型已经使用2005-06洪水进行了率定分析，因篇幅所限，本文仅介绍模型验证分析结果。通过对研究区的水文资料及珠江三角洲河网河道地形数据进行分析，选择2008-06洪水资料进行模型验证。樵桑联围保护区所在位置主要受西江、北江洪水影响。2008-06，珠江三角洲范围发生流域性洪水，西江中上游遭遇5年一遇洪水，部分中游和下游地区发生超过10年一遇洪水，下游部分河段洪水超20年一遇。
一维河网模型建模范围内有诸多水文测站，本研究主要考虑樵桑联围保护区附近马口、三水和西江下游的大熬、甘竹(一)站，使用历史洪水水文资料进行模型计算，对比分析模型计算水位结果与实测水位数据，主要水位站点最高洪水位实测与模型计算结果见表 1，表 1显示，相对误差为-1.11%~2.42%，拟合结果理想。洪水过程验证对比见图 5，由图 5可知，模型水位计算结果与实测值同步性很好，再现了网河各站水位流量时间上的变化特征，构建的模型通过验证要求。
| 序号 | 站点 | 实测水位/m | 模型计算水位/m | 水位绝对差值/m | 水位相对误差/% |
| 1 | 马口 | 9.00 | 9.10 | -0.10 | -1.11 |
| 2 | 三水 | 9.21 | 9.11 | 0.10 | 1.09 |
| 3 | 大熬 | 3.72 | 3.63 | 0.09 | 2.42 |
| 4 | 甘竹(一) | 6.09 | 6.05 | 0.04 | 0.66 |
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| a. 马口；b. 三水；c. 大熬；d. 甘竹(一)。 图 5 主要水位站点模型计算水位数据结果与实测水位数据对比 Fig. 5 Comparison of model calculated water level data with actual measured water level data at major water level stations |
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使用本文构建的洪水演进模型模拟西江干堤发生溃口后樵桑联围保护区内洪水演进过程，并制作洪水淹没图。该模型可以根据堤防结构情况，任意设置溃口位置，设置典型量级或者实时洪水作为边界条件进行计算。典型溃口位置设定为西江大堤的江根段，处于三水区西江左岸。
樵桑联围四面环水，其中西江岸线最长，由于西江洪水具有峰高量大、持续时间长的特点，所以樵桑联围一旦发生西江堤防溃决，后果非常严重。通过洪水演进模拟得到了典型溃口发生不同量级(50年、100年、200年一遇)洪水后的洪水演进过程，以200年一遇洪水量级洪水溃堤情况为例进行分析。
模型模拟洪水量级为西江遭遇200年一遇设计洪水，江根溃口段所在堤防高程为12.53 m，溃口宽度168 m，溃口底高程2 m。通过模拟模型计算分析，得出西江200年一遇洪水江根溃口流量及溃口内外水位图(图 6)，通过计算结果可以看出，发生溃口后：溃口内保护区水位急剧升高，直到和西江水位差别不大，因为西江洪水峰高量大，发生溃口后洪水会迅速涌入防洪保护区，导致淹没水位快速升高，同时溃口处流入保护区流量剧增；防洪保护区内水位快速升高，在达到最高后，外江由于流速快，外江水位降低，所以防洪保护区内水位向外江流出。
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| 图 6 西江200年一遇洪水江根溃口流量及溃口内外水位 Fig. 6 Flow rate and the water level inside and outside the breach of Xijiang River during the 200-year flood |
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按照洪水风险图编制要求，通过底图加工以及洪水模拟结果分析，编制了该计算方案的洪水淹没图(图 7)。通过洪水演进模型以及洪水淹没图分析，樵桑联围西江发生200年一遇洪水时：江根段发生溃堤后，3 h江根村就会被淹没；在溃堤后3~6 h，五顶岗村和洲边村被淹；在溃堤后6~24 h，洪水影响丹灶镇仙岗村、富景社区、周村、银河村、岗头村、东升村，然后进入西樵镇，影响西樵镇崇北村、崇南村、大岸村、华夏村、联新村；在溃堤24 h以后，洪水一部分从丹灶镇城区向北演进，直到南岸村，大部分洪水继续向南演进，到达西樵镇其他村，并且进入九江镇新龙村、梅州村、沙咀村、上西村；溃堤后48 h，樵桑联围内龙江镇大部分遭受洪水影响。
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| 图 7 西江200年一遇洪水江根溃口洪水淹没图 Fig. 7 Flood inundation map of the river root breach in the 200-year flood of Xijiang River |
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动态实时洪水风险图编制与管理应用系统在洪水风险图计算结果的基础上，综合利用J2EE技术、地理信息系统技术、WEB技术等信息化和自动化技术，建立面向实时洪水风险分析的决策支持系统。系统整体层次架构如图 8所示。系统由数据层、平台层、应用层、展现层构成。
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| 图 8 系统层次架构 Fig. 8 System hierarchy |
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将樵桑联围防洪保护区洪水演进模拟计算的一维河网模型、二维洪水演进模型和溃堤模型改造移植到洪水风险模拟平台，完成对各方案的计算网络、事件和逻辑控制建库管理，集成开发动态实时洪水风险图编制与管理应用系统[10](下文简称“实时系统”)，对任意组合洪水方案进行快速模拟计算。“实时系统”同时具备与洪水预报系统交互功能，可以实时获取河道实测水情以及洪水预报结果，开展洪水演进和淹没分析，动态生成洪涝风险图；并依据计算结果对淹没范围、淹没水深、洪水到达时间、淹没历时等各类洪水特征要素进行统计，结合区域经济社会分布与人口状况，动态生成樵桑联围洪水淹没特征图(图 9、图 10)。
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| 图 9 动态洪水风险图管理系统界面示例 Fig. 9 Example of interface of dynamic flood risk map management system |
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| a. 第10时；b. 第20时；c. 第30时。 图 10 洪水演进仿真示例 Fig. 10 Flood evolution simulation example |
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“实时系统”利用B/S构架在WEB端进行洪涝风险预警与信息查询[20]。“实时系统”具备网络发布功能，能够自动生成预警信息和预警等级，并将模拟模型生成的网页报告在Internet上进行在线发布，包括模拟计算结果通过Web服务器在线发布，及远程客户或网络客户通过IE浏览器远程驱动服务器。
“实时系统”主要包括以下功能：
① 与洪水预报系统交互功能，可以实时获取河道实测水情以及洪水预报结果；
② 任意组合洪水方案进行快速模拟计算；
③ 动态设置堤防溃口，包括单一溃口和多溃口组合(图 11)；
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| 图 11 动态溃口组合洪水演进仿真示例 Fig. 11 Simulation example of dynamic burst combined flood evolution |
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④ 风险地点选择，查询方案选择、标注，洪水最大范围和淹没深度查询，指定淹没深度下的洪水最大淹没范围查询、对象查询以及风险图的管理等功能；
⑤ 洪水淹没查询功能，在地形图中选择所关心的地物，察看该地的淹没过程；
⑥ 可以根据任意剖面查询水面线、流量过程等；
⑦ 最大淹没范围图查询功能，查询同一个风险点所有方案最大淹没范围；
⑧ 到达时间图查询功能，根据场次洪水每个网格开始被淹没的时间绘制出到达时间图；
⑨ 淹没历时图查询功能，根据场次洪水每个网格开始被淹没到结束淹没的时间段绘制出淹没历时图；
⑩ 方案对比查询功能，查询同一个风险点下不同方案相同风险图对比图；
⑪ 方案实时计算功能，通过页面设置计算参数，后台实时计算洪水方案；
⑫ 洪水风险图制作功能，系统可以利用计算得到的洪水风险图层和存储在水利数据库的各类空间及属性数据，制作和打印指定的洪水风险图。
5 结语1) 本文设计了动态实时洪水风险分析框架，构建了动态实时洪水风险分析及管理系统。选择一、二维水动力学模型和溃堤模型动态耦合的洪水演进模拟方法构建模型，其能够进行任意量级的洪水和任意位置溃堤洪水演进的快速模拟计算。该方法经过2008-06洪水资料验证，证实可以用于实际的洪水演进模拟，可以作为动态实时洪水风险分析及管理系统的核心模型使用。
2) 综合利用J2EE技术、地理信息系统技术、WEB技术等技术构建“实时系统”，实现了洪水演进过程模拟和动态风险图生成及输出。该系统架构和系统构建方法为建设动态实时洪水风险分析及管理系统提供了可行的技术路线。
洪水预报和预警是防洪工作中的重要环节，在以后的研究中，需要研究在动态洪水风险图的基础上，结合水情雨情预报信息，实现实时洪水预报和预警，自动生成动态洪水预案，为防洪减灾决策科学化提供有力的技术保障。
致谢: 本研究得到广东省三防办、佛山市三防办、广东省水利水电勘测设计研究院对项目开展的大力支持。
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