基于水动力学模型的城区防洪能力评估研究

吴滨滨，喻海军，3，马建明，孙 庚，穆 杰

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心(水旱灾害防御中心)，北京 100038；3.水利部京津冀水安全保障重点实验室 北京 100038；4.应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085；5.北京中水科工程集团有限公司，北京 100048)

1 研究背景

城区河道现状防洪能力的准确评估是保障城市防洪安全的基础[1]，也是识别防洪薄弱环节及提出有效工程治理措施的前提。随着城市规模不断扩张，桥梁、橡胶坝等河道阻水建筑物的增多，侵占了河道行洪断面，不同程度地影响了河道行洪能力，需定期对河道防洪能力开展评估[2]，以了解河道现状防洪标准、河道可安全下泄的最大流量以及不同频率洪水下城区的淹没范围和淹没水深等。特别是多河汇聚、地势低洼的城市，洪涝灾害频发，洪灾损失巨大，迫切需要开展现状防洪能力评估与提升等方面研究。随着计算机技术的发展，水动力模型为河道现状防洪能力的评估提供了有力的工具[3-5]。

已有河道防洪能力研究主要集中在单一河道(干流为主)防洪控制水面线和过流能力模拟计算方面。张景[6]模拟比较了汾河干流下游不同量级洪水下河道沿程水位与堤顶高程的关系，计算了主要城市所属河段的过流能力，识别了风险点位，并评估了规划蓄滞洪区的防洪能力提升效果。冯金鹏[2]计算了不同频率洪水组合下河道典型断面的特征水位以及保证流量，分析了过流能力较弱的河段。刘一平等[7]评估了水库下游河道堤防漫溢的临界流量，并分析了阻水建筑物对河道行洪能力的影响。周惠成等[8]模拟分析了多种工况组合下水库下游河道的过流能力，探究了糙率对河道过流能力的影响。王宇明[9]复核了柴河水库下游河道现状防洪能力，计算了现状断面过流能力(保证流量)。方神光等[10]基于现有资料整理、实测水文资料分析和水动力模型相结合的方法，综合分析了西江干流主要防洪城镇及堤岸的现状防洪能力。胡阳等[11]通过二维水动力模型评估了现状防洪能力，研究了不同洪潮遭遇重现期下两岸堤防高程差变化对防洪能力的影响。目前针对多河汇聚的城市/区域防洪能力评估开展研究相对较少，仅个别学者开展了河道水面线计算、淹没范围和淹没水深分析、不同工程措施效果提升评估等研究[12-14]，尚无针对多河汇聚区域开展过流能力分析等相关研究。

本文以沱江上游金堂县城区为例，针对城区 “三河汇一江”的复杂交互关系，构建一二维耦合洪水分析模型，评估河道现状防洪能力(含跨河建筑物)及城区洪水淹没风险，识别金堂城区防洪的主要薄弱环节，为当地洪水风险管理和水安全保障提供技术支撑。

2 研究区域概况

金堂县位于成都平原东北部，县城位于北河、中河、毗河三河与沱江干流汇口处(表1、图1和图2)，素有“千里沱江第一城”之称，却也是沱江流域受洪水威胁最严重的地区。城区上游集水面积大(沱江干流三皇庙水文站以上为6590 km2)，多条支流呈扇形汇集，其中北河上游的绵远河、石亭河、湔江发源于四川省三大暴雨区之一的鹿头山暴雨区，中河、毗河为成都平原排洪河道，汛期暴雨量级大、持续时间长，洪水峰高量大、洪水组成与遭遇复杂；下游狭窄的金堂峡为川西水网仅有的三处出口之一，也是金堂县城洪水唯一的下泄通道，汛期行洪不畅；加之金堂县城自身防洪基础设施薄弱、防洪标准偏低、地势低洼等因素，一直是洪涝灾害频发区、重发区，已成为成都市乃至四川省防洪体系的显著短板。

图1 金堂县城区位置示意图Fig.1 Location of urban area of Jintang County

图2 金堂县城区放大图Fig.2 Enlarged view of urban area of Jintang County

表1 金堂境内主要河道特性表Table 1 Characteristics of main rivers in Jintang County

近年来，金堂更是频繁遭受洪水淹城灾害，尤其是2013年、2018年、2020年三场大洪水，人民生命受到威胁、财产遭受巨大的损失、社会经济发展秩序受到严重破坏，洪水灾害成为当地发展最大的威胁和破坏因素。其中，沱江三皇庙水文站2013年洪水量级为20～50年一遇；2018年洪水量级为50～100年一遇；2020年洪水量级更是超100年一遇，且金堂县城经历了2020.8.12、2020.8.17两轮洪水过程，三皇庙水文站共发生4次洪峰(12日2：15实测洪峰流量5930 m3/s，22：20实测洪峰流量6600 m3/s；16日22：20实测洪峰流量7950 m3/s；17日14：45实测洪峰流量8100 m3/s)[15]，受灾人口4.1万人，转移安置1620余人，直接经济损失19.7亿元。表2列出了金堂县城区几处沿河易受淹低洼地带的高程及历史洪水位，可见地面高程约444～447 m，2020.8.17、2018.7.11两场洪水城区洪水位大都在447～449 m之间，远高于地面高程。

表2 金堂城区沿河地势低洼街道高程及历史洪水位Table 2 Elevation and historical flood level of low-lying streets in the urban area of Jintang County

金堂县城现有防洪保护体系以堤防、护岸为主，受地形地势、市政排涝和城市空间布局限制，现有堤防高度均较低，防洪标准较低，难以抵御较大洪水，现有体系已不能满足城区防洪要求，迫切需要开展防洪研究，识别防洪薄弱环节，为提出有效工程治理措施提供支撑。

3 研究方法

3.1 数据测量和收集本研究中地形及河道断面数据(含跨河建筑物参数)为2020年1月实测数据。采用无人机搭载LiDAR航摄获取激光点云数据，并通过航带拼接、坐标转换、高程检查和点云滤波等处理，获得金堂县城区范围内的高精度地形数据(1 m DEM，1 m DSM)。城区外地形数据采用1∶10000地形图。河道断面数据采用测深仪、RTK等设备人工测量获得。

水文数据主要包括三皇庙水文站(沱江干流)和三水水文站(中河)的实时报汛数据、主要闸坝调度情况等，由金堂县人民政府防汛抗旱指挥部办公室(以下简称金堂县防汛办)提供。此外，毗河水位站(2019年设站，仅有2020年汛期数据)的实时报汛数据由四川省都江堰管理局东风渠管理处提供。

2020.8.17、2018.7.11、2013.7.9三场典型洪水的淹没调查范围及洪痕调查成果(淹没水深)由金堂县防汛办提供，覆盖城区重点位置。此外，本研究课题组也开展了2020.8.17、2018.7.11两场洪水的洪痕调查，主要包括城区及上下游河道沿岸淹没水位及水深的测量。因此本研究将双方的调查成果进行相互校验和复核，获得最终2020.8.17、2018.7.11两场洪水的洪痕调查成果。

3.2 洪水分析模型构建采用中国水利水电科学研究院洪水分析软件IFMS(Integrated(IWHR)Flood Modeling System)中的一二维耦合水动力学模型开展金堂县城区洪水演进模拟分析，该模型采用基于有限体积法的Godunov格式对一维圣维南方程组和二维浅水方程进行离散求解，已经成功应用于多个区域的洪水模拟，模型原理详见相关文献[16-18]。

3.2.1 一维河道模型 为了更加准确地反映金堂县城区“三河一江”的相互影响以及城区洪水淹没状况，一维河道建模范围将城区及主要河道适当外延，其中北河为绵远河与石亭江交汇处至北河闸河段，总长约13 km，实测断面34个；毗河为成都第二绕城高速至中河毗河汇合处河段，总长约13 km，实测断面138个；中河为旌江干道至三河汇合口河段，总长约20 km，实测断面129个；沱江干流为北河闸至九龙滩水电站河段，总长约19 km，实测断面98个。此外，老城区北侧北河与中河之间存在一条人工开挖的连通沟渠，枯水期基本干涸，洪水期根据北河和中河来水情况存在水流交互，本研究根据枯水期实测DEM提取沟渠断面12个，长约0.35 km。

本研究实测跨河建筑物相关尺寸和高程，共32座桥梁和6个闸坝。在模型中，通过断面概化考虑城区桥墩的阻水作用；对于洪水期间桥面本身也淹没的情况，在模型中通过减少断面过水面积来概化桥梁本身的阻水作用。对于城区1、2和3号橡胶坝，北河闸和盘龙寺枢纽，在模型设置中，均认为洪水期间为敞泄，只考虑底板和闸墩的阻水作用。

考虑到2018.7.11、2013.7.9洪水距离本研究实测断面时间较久，且在此期间开展了毗河清淤、3号橡胶坝改扩建、工农大桥施工等工程，本文根据相关报告和资料[19-20]修正局部河道断面。

3.2.2 二维地表模型 经现场调研发现金堂城区上游北河和中河存在洪水交互(除人工沟渠外)，两河之间的郊区在历史洪水中受淹严重，因此本研究将二维模型建模范围扩展至上游郊区，覆盖三河一江百年一遇洪水淹没范围，面积约110 km2。

对整个二维区域进行网格剖分，将区域内公路、铁路、绿岛、韩滩双岛等作为内部约束边界，最终共划分成84 514个非结构网格，其中对道路和地形起伏大的区域进行加密处理，靠近河流网格平均尺寸为20 m，而其他区域网格平均尺寸约为50 m。采用高精度DEM数据进行二维高程插值，利用DSM数据提取城区房屋建筑分布，采用面积修正率考虑网格内建筑的影响。同时根据影像数据及城区局部1∶2000地形图修正2013和2018年地面高程。

3.2.3 一二维耦合 采用侧向连接进行一二维耦合设置(见图3)。将北河、中河、毗河、连通沟渠以及沱江与建模范围内地面全部进行耦合。

图3 金堂县城区一二维耦合模型建模范围、高程及网格图Fig.3 The range，elevation and grid of the 1D-2D coupled hydrodynamic model for the urban area of Jintang County

3.2.4 边界条件 模型上游边界条件为北河、中河、毗河入境金堂的实际流量过程或设计洪水。对于2020.8.17洪水，中河入流边界采用三水水文站实测报汛数据，毗河入流边界采用毗河水位站实测报汛数据推求，北河入流边界则根据三皇庙水文站、中河入流边界、毗河入流边界推求，并通过不断试算和率定最终确定入流边界(图4)；对于2018.7.11洪水，中河入流边界采用三水水文站实测报汛数据，毗河和北河入流边界采用洪痕调查成果反推断面洪峰流量，按洪峰流量等比例缩放三皇庙水文站的洪水过程线，并通过不断试算和率定最终确定入流边界；对于2013.7.9洪水，采用洪痕调查成果反推断面洪峰流量，按洪峰流量等比例缩放三皇庙水文站的洪水过程线，并通过不断试算和率定最终确定边界。此外，本研究中三皇庙水文站及毗河、北河、中河河口设计洪水采用相关报告中已审批的成果(表3)。

图4 2020.8.17典型洪水上游边界条件Fig.4 Upstream boundary conditions of 2020.8.17 flood

表3 本研究采用的设计洪水成果Table 3 The design flood used in this study

模型下游边界采用九龙滩电站拦河闸水位流量关系曲线(图5)[23]。该曲线是在堰闸泄流公式计算的基础上，经过了电站运行中实测水位、流量校正过的水位流量关系曲线，精度较高，满足本研究要求。

图5 沱江九龙滩电站拦河闸H～Q关系曲线Fig.5 H～Q relationship curve of Tuojiang Jiulongtan Hydropower Station dam

3.2.5 其他参数设置 本研究构建的一二维耦合模型计算时间步长取2 s，其他时间参数(时间步数、起始时间)根据实际模拟时间段设定。

河道一维模型主槽和河滩地的糙率由实测洪水数据及洪痕调查成果率定获得。二维地表的糙率设置根据不同的土地利用类型进行初步设置，并经洪痕调查成果率定最终确定。

4 计算结果分析与城区防洪能力评估

4.1 模型率定与验证本研究采用2020.8.17、2018.7.11、2013.7.9三场典型洪水分别对模型进行率定和验证。率定的河道主槽糙率值n=0.026～0.035，滩地糙率值n=0.035～0.045，并对树木和房屋分布较密、桥梁等阻水建筑及跌水明显的局部断面适当增大糙率。二维模型中，沱江河滩地糙率取0.035～0.04，农田糙率取0.04，林地糙率取0.04～0.06，道路(含两侧绿化带)糙率取0.04，建筑糙率取0.06～0.08。

本研究收集了九龙滩电站2018.7.11和2013.7.9两场典型洪水坝前实测最大水位，2020.8.17由于洪水位超过电站水尺测量范围，未开展实时测量，本研究组于灾后对坝前洪痕进行测量。模拟结果与实测水位或洪痕基本一致，误差在±0.1 m以内，表明本次分析构建的洪水分析模型可以准确反映九龙滩水电站的实际泄流情况(表4)。

表4 九龙滩电站典型洪水中坝前水位实测值与模拟值对比Table 4 Comparison of measured and simulated water levels at Jiulongtan Hydropower Station

三皇庙水文站在三场典型洪水中总体模拟结果较好(表5和图6)，流量和水位纳什效率系数均高于0.85，洪峰误差均在1%以内，峰现时间误差均在1.5 h以内，最大水位模拟误差均在0.2 m以内。其中，2020.8.17洪水模拟精度更高，流量和水位纳什效率系数均高于0.95，洪峰误差仅0.1%，峰现时间误差仅0.59 h，最大水位误差仅-0.002 m。

图6 三皇庙水文站三场典型洪水实测与模拟结果Fig.6 Measured and simulated results of three typical floods at Sanhuangmiao Hydrology Station

表5 三皇庙水文站典型洪水实测值与模拟值对比Table 5 Comparison of measured and simulated flood values at Sanhuangmiao Hydrology Station

2018.7.11、2020.8.17两场典型洪水的模拟淹没范围与金堂县城实际调查淹没范围基本一致(图7，洪水淹没范围仅调查了城区及附近区域，上游郊区未调研)，淹没城区大部分区域、上下游乡镇及郊区；2013.7.9洪水模拟城区淹没范围跟当地人描述接近，主要北河沿岸老城区受淹严重，毗河两岸局部低洼地段受淹。

图7 三场典型洪水金堂城区及上下游淹没调研及模拟情况Fig.7 Investigation and simulation of three typical floods in Jintang urban area and nearby areas

三场典型洪水模拟的最大淹没水深也基本与实际调研洪痕相符(图7)，大部分点位的模拟淹没水深误差绝对值在0.2 m以内，占69%～84%。2020.8.17洪水模拟精度最高，在116个洪痕调查点位中，97个洪痕调查点误差绝对值均在20 cm以内，约占84%，其中城区模拟精度较高，北河中河上游郊区误差偏大；2018.7.11洪水模拟精度也较高，在82个洪痕调查点位中，62个洪痕调查点误差均在20 cm以内，约占76%。2013.7.9洪水调查洪痕较少，仅13个沿河洪痕调查点(桥梁为主)，其中9个点位的误差绝对值在20 cm以内，占69%。模拟误差较大的点位可能和局部地形概化精度有关，总体上，本研究经率定验证的模型精度较高，基本可以反映河道及地表洪水的实际演进过程。

4.2 城区河道现状防洪能力分析采用设计洪水和经率定验证的模型开展金堂县城区河段现状堤防防洪能力评估，其中地形采用2020年1月实测数据，土地利用类型(糙率设置)也为2020年实际情况。由于金堂县城区“三河汇一江”的复杂交互关系，存在多种洪水组合遭遇情况，本研究采用评估河段与沱江同频，其他河段相应的方法，分别计算同一洪水频率下单河段的水面线及淹没范围，并将毗河、中河、北河城区段堤顶高程与计算水面线进行比较，评判各河段的现状防洪能力(堤防超高取0.7 m[24])；再采用包络线法获得不同频率洪水下的淹没范围。评估结果见图8和图9。

图8 金堂县城区现状防洪能力Fig.8 Current flood control capacity for the urban area of Jintang County

图9 不同频率设计洪水下金堂城区淹没范围及水深Fig.9 Inundation range and depth of Jintang urban area under different frequency flood

金堂县现状城区范围内已建堤防(或护岸)整体防洪能力薄弱，大部河段防洪能力仅为5～10年一遇防洪标准，仅三条河城区上游局部段及三河汇口左岸满足20年一遇防洪标准，甚至存在不足5年一遇防洪标准的薄弱段。可见金堂城区实际防洪能力较低，迫切需要采取有效工程措施以提高防洪能力。

金堂县城区2019年末城市面积约28 km2(其中建成区面积约23 km2，水域面积约5 km2)[25]。现状设防情况下，当分别遭遇5年、10年、20年、50年、100年一遇洪水时，金堂县现有城区淹没面积分别达1.35 km2、3.49 km2、5.72 km2、10.71 km2、12.95 km2，分别约占现有建成区面积的5.87%、15.17%、24.87%、46.57%、56.3%。其中5年一遇设计洪水下，淹没范围较小，仅涉及局部低洼区域，包括温州商业城、生态水城、金海岸、金沙公园银砾路段、一水厂段、北滨路段、棕榈湖段等部分区域；10年一遇设计洪水下，现有老城区除了局部地势相对较高地块外，大部分均已淹没；20年一遇设计洪水下，老城区、毗河及北河沿岸低洼地段受淹严重；50年、100年一遇设计洪水下，城区约一半区域已经被洪水包围。

4.3 城区整体过流能力分析目前针对河段过流能力的评估多采用保证流量或者堤防漫溢流量作为河段最大泄量[6-9]，本文采用后者作为河段过流能力，计算过程需要多次试算，以得出最接近断面堤顶的对应流量。通过上一节河道现状防洪能力分析得到金堂城区主要防洪薄弱河段为不足5年一遇防洪标准的河段，同时也是地势低洼历史洪灾中淹没较深的河段，因此本节选取各薄弱河段典型断面计算不同洪水组合下其过流能力，同时评估金堂城区整体过流能力，以了解城区可以抵御多大的洪水。

金堂城区的总体过流能力受北河、中河、毗河三条河流洪水遭遇组合影响，同时受各条河流的防洪薄弱段限制。因此，有必要将三条河作为整体考虑，分析不同洪水遭遇组合情况下的过流能力。根据2020.8.17、2018.7.11、2013.7.9三场典型洪水的洪水组成，主要存在两种极端情况：中河和毗河来水多(2018.7.11)、北河来水多(2013.7.9)，因此采用这两场典型洪水组成研究城区整体过流能力(见表6)。

表6 不同洪水组成下金堂城区薄弱河段过流能力Table 6 The flow capacity of weak reach in Jintang Urban area

当按2018.7.11洪水三条河的洪峰组成时(即北河∶中河∶毗河=49.5%∶25.3%∶25.2%)，中河和毗河洪水较大，两者总占比与北河洪水相当，城区总体过流能力相对较小，主要在于中河、毗河薄弱段过流能力小，限制了城区的总体过流能力。当总入流超过4200 m3/s时，城区开始局部受淹(毗河沿岸生态水城、温州商业城)；当总入流超过5000 m3/s时，毗河沿岸金沙公园、金海岸也开始受淹；当总入流超过5400 m3/s时，老城区开始受淹。同时，该洪水组成情况下，中河、毗河来水相对较大，两者洪水对北河造成一定顶托，导致北河过流能力下降。北河城区薄弱段过流能力仅2700～3000 m3/s；中河、毗河城区薄弱段过流能力约为1100～1200 m3/s；两河(中河、毗河)交汇河段过流能力约为2300～2400 m3/s。

当按2013.7.9洪水三条河的洪峰组成时(即北河∶中河∶毗河=72%∶14%∶14%)，北河洪水占主导，来水较大，城区总体过流能力略有增大，主要在于北河薄弱段过流能力略大于中河、毗河薄弱段过流能力，有利于城区整体过流。当总入流为4700 m3/s时，城区基本不受淹；在4800～5200 m3/s时，仅有两河交汇处温州商业城局部被淹；超过5300 m3/s时，老城区也开始受淹。同时，该洪水组成情况下，北河城区薄弱段过流能力略有增大，约为3400～3600 m3/s；中河与北河在上游现有连通渠道处交互，中河城区薄弱段过流能力总体变化不大，约为1200 m3/s；中河、北河洪水均对毗河造成一定程度的顶托，导致毗河城区薄弱段过流能力下降，仅650～1000 m3/s；两河交汇河段过流能力仅为1800 m3/s。

总体而言，在不同洪水组合下金堂城区整体过流能力较低，仅4200～5000 m3/s左右城区就开始受淹。金堂城区三河相互顶托作用也十分明显，特别是毗河与中河交汇处角度约60°，两者水流相互顶冲，出流不畅。因此，金堂城区防洪能力的提升要在最大化挖潜城区河道自身防洪能力(河道扩卡、疏挖整治、完善堤防等)的基础上，开展上游蓄滞洪工程或者分洪工程，以减小城区段洪水流量及三河相互顶托作用。

4.4 城区跨河建筑物防洪能力评估金堂县2035规划城区范围内跨河建筑物包括桥梁19座、闸坝2座。由于桥梁建设年代及设计标准各有不同，其过流能力亦有所差别(见表7)。大部分桥梁特别是近年来新建的桥梁基本满足20年一遇的行洪要求，部分二十世纪八十、九十年代左右建设的桥梁由于年代久远，设计标准较低，而不能满足行洪要求。其中平安桥不足5年一遇防洪标准，其桥底高程低于5年一遇的洪水水面线0.35 m；毗河大桥不足10年一遇防洪标准，其桥底高程低于10年一遇的洪水水面线0.26 m；康宁桥、绿洲桥、绿岛鸟桥、绿岛北桥、毗河人工岛连接桥、北河三桥不足20年一遇防洪标准。此外，北河大桥、清风桥等拱桥最高拱顶虽然高于20年一遇洪水水面线，但桥身两侧阻水依然比较严重。此外，北河闸不足20年一遇防洪标准，盘龙寺闸大于20年一遇防洪标准。因此，在金堂城区防洪能力提升措施中建议结合堤防改造工程，对平安大桥、毗河大桥进行改建或新建。

表7 跨河建筑物现状防洪能力Table 7 Current flood control capacity of cross-river buildings

5 结论

(1)本文构建的一二维耦合洪水分析模型，经三场典型洪水实测及调查数据率定和验证，结果表明模型总体精度较高，其中三皇庙水文站洪峰误差均在1%以内，峰现时间误差均在1.5 h以内，建模范围内大部分洪痕点位的模拟最大淹没水深误差在0.2 m以内。

(2)金堂县城区范围内已建堤防(或护岸)整体防洪能力薄弱，大部分河段防洪能力仅为5～10年一遇防洪标准，仅三条河城区上游局部段及三河汇口左岸满足20年一遇防洪标准，甚至存在不足5年一遇防洪标准的局部薄弱段。

(3)不同洪水组合下金堂城区整体过流能力较低，仅4200～5000 m3/s左右城区就开始受淹；城区三河相互顶托作用十分明显，当北河洪水占主导时，城区整体过流能力相对较大。金堂城区防洪能力的提升建议在最大化挖潜城区河道自身防洪能力的基础上，开展上游蓄滞洪工程或分洪工程，以减小城区段洪水流量及三河相互顶托作用。

(4)城区多座跨河建筑物(桥梁和闸)防洪能力不足20年一遇防洪标准，其中平安桥、毗河大桥分别不足5年、10年一遇防洪标准，在未来金堂城区防洪能力提升中建议结合堤防改造工程，对平安大桥、毗河大桥进行改建或新建。