馬建明，喻海軍，張大偉，張洪斌，吳濱濱，穆 杰

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，100038，北京）

洪水分析軟件在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制中的應(yīng)用

馬建明1，2，喻海軍1，2，張大偉1，2，張洪斌1，2，吳濱濱1，2，穆 杰1，2

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，100038，北京）

依托全國(guó)重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院主持開展了洪水分析軟件研發(fā)，通過(guò)整合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)模型技術(shù)，開發(fā)了包括復(fù)雜水利工程調(diào)度模擬的一維河網(wǎng)計(jì)算引擎，高分辨率二維洪水分析計(jì)算引擎、快速非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成模塊，集成國(guó)內(nèi)外廣泛使用的SWMM管網(wǎng)模型，基于自主研發(fā)的GIS平臺(tái)，完成了一維、二維洪水模型和城市管網(wǎng)模型的前后處理功能研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了一二維耦合以及城市管網(wǎng)與二維模型耦合。形成了兩個(gè)軟件產(chǎn)品，為中小河流、防洪保護(hù)區(qū)、蓄滯洪區(qū)以及城市洪水分析提供技術(shù)支撐。

洪水分析軟件；洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制；洪水?dāng)?shù)值模型

洪水?dāng)?shù)值模型是分析獲取洪水運(yùn)動(dòng)及淹沒(méi)信息的主要手段，在預(yù)警預(yù)報(bào)、災(zāi)害評(píng)估等方面發(fā)揮著重要作用。針對(duì)國(guó)內(nèi)洪水分析軟件研發(fā)存在實(shí)用性和通用性較差等方面的問(wèn)題，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院聯(lián)合南京水利科學(xué)研究院、河海大學(xué)、山東大學(xué)等單位，依托全國(guó)重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖項(xiàng)目，在已有基礎(chǔ)上組織研發(fā)了通用洪水分析軟件IFMS和IFMSUrban。

一、軟件簡(jiǎn)介

1.總體框架

IFMS及IFMSUrban主要由模型引擎、GIS平臺(tái)、計(jì)算后處理以及擴(kuò)展工具等模塊組成，并以工作空間作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的集合，洪水分析所使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果數(shù)據(jù)均包含在工作空間內(nèi)。工作空間又分為模型要素、計(jì)算方案兩個(gè)部分，其中模型要素包含洪水分析所需的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如一維河網(wǎng)、二維網(wǎng)格、管網(wǎng)、時(shí)間序列、雨量站等數(shù)據(jù)，計(jì)算方案包括用戶選取的模型要素?cái)?shù)據(jù)、配置參數(shù)以及計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。模型要素是分析計(jì)算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，利用不同的模型要素可以創(chuàng)建不同的計(jì)算方案，提高了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的復(fù)用率，避免了重復(fù)數(shù)據(jù)的處理工作。計(jì)算方案是模型要素與相關(guān)配置參數(shù)的集合，不同的計(jì)算方案可共用相同的模型要素?cái)?shù)據(jù)，用戶可以選擇同一組模型要素?cái)?shù)據(jù)，設(shè)置不同邊界條件來(lái)組成不同的計(jì)算方案，也可以選擇不同的模型要素組合來(lái)形成不同的計(jì)算方案。洪水分析軟件IFMS及IFMSUrban的主體框架如圖1所示。

2.模型引擎

IFMS及IFMSUrban耦合集成了一維河網(wǎng)模型、二維水動(dòng)力模型、排水管網(wǎng)模型以及三者的耦合交互模塊，可應(yīng)用于河道、湖泊、蓄滯洪區(qū)、城市排水管網(wǎng)等洪水分析計(jì)算。

一維河網(wǎng)模型提供了兩個(gè)計(jì)算引擎：①基于隱式有限差分格式的一維引擎，可以適用于大型復(fù)雜的平原河網(wǎng)，具備模擬復(fù)雜調(diào)度規(guī)則和工況的能力，在太湖等河網(wǎng)區(qū)域得到了成功的應(yīng)用；②基于顯式有限體積法的一維引擎，具備模擬大坡度山區(qū)性河網(wǎng)的能力。

圖1 軟件主體框架圖

二維洪水模擬模型采用Godunov型格式進(jìn)行數(shù)值離散，其中Riemann問(wèn)題采用Roe格式進(jìn)行求解，重力源項(xiàng)采用特征分級(jí)離散，保證模型的守恒性，阻力源項(xiàng)采用隱式離散提高模型的穩(wěn)定性，采用MUSCL空間重構(gòu)和預(yù)測(cè)矯正法使得模型具有時(shí)間和空間二階精度，能夠適應(yīng)復(fù)雜地形，水面間斷也可計(jì)算，還能捕捉激波。同時(shí)，二維模型可以采用面積修正系數(shù)的方式來(lái)考慮地表建筑物（如居民樓），并可以在邊元上概化線狀阻水建筑物（如鐵路、高速公路），簡(jiǎn)化了建模工作，提高了計(jì)算效率。排水管網(wǎng)模型采用國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的SWMM模型，并對(duì)模型進(jìn)行了一系列的改進(jìn)和完善，模型具備計(jì)算城市產(chǎn)匯流的能力，提供了恒定流、運(yùn)動(dòng)波和動(dòng)力波等方法供選擇，能夠模擬壓力流和明渠流。一二維模型實(shí)現(xiàn)了多線程并行計(jì)算，支持在多核心計(jì)算設(shè)備上進(jìn)行高效模擬計(jì)算。

在上述不同單一模型引擎的基礎(chǔ)上，IFMS及IFMSUrban還實(shí)現(xiàn)了河網(wǎng)與二維模型的側(cè)向及正向耦合、在二維邊元上概化考慮一維河網(wǎng)的一二維耦合以及管網(wǎng)與二維的垂向耦合等不同形式的模型耦合。另外，IFMS及IFMSUrban還集成了高效的網(wǎng)格剖分工具，可以快速方便地進(jìn)行各種類型網(wǎng)格的剖分，如非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格、四邊形網(wǎng)格和混合網(wǎng)格的剖分。

3.GIS平臺(tái)

洪水分析軟件 IFMS及 IFMS Urban以自主研發(fā)的GIS平臺(tái)為基礎(chǔ)框架，運(yùn)用DirectX渲染技術(shù)將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過(guò)模型的計(jì)算、分析、編輯及可視化展示建立了一套能應(yīng)用于洪水分析專業(yè)模型平臺(tái)。平臺(tái)基于D3D硬件加速高效圖形渲染技術(shù)，實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的無(wú)極縮放和漫游瀏覽，提供基本的矢量數(shù)據(jù)標(biāo)繪功能，支持對(duì)通用數(shù)據(jù)（如DEM、遙感影像、矢量數(shù)據(jù)）的加載顯示，并以圖層化的方式管理。平臺(tái)支持GPU加速，能夠顯著提高渲染效率以及響應(yīng)速度，同時(shí)采用空間索引樹查詢，提高圖形查詢效率。

4.應(yīng)用場(chǎng)景

（1）IFMS的應(yīng)用場(chǎng)景

①河道、湖泊以及近岸水流數(shù)值模擬。IFMS提供多個(gè)河網(wǎng)引擎供用戶選擇，具備模擬山區(qū)及平原河網(wǎng)水流的能力，二維模型采用有限體積法，能夠準(zhǔn)確模擬計(jì)算常見的淺水流動(dòng)，如湖泊及近岸水流等。

②河道、湖庫(kù)、地表等水體交換模擬。IFMS實(shí)現(xiàn)了一維模型與二維模型的雙向耦合，可以方便地模擬暴雨、潰壩、決堤、潮水等引起的河道和地表洪水演進(jìn)。

（2）IFMSUrban的應(yīng)用場(chǎng)景

①城市暴雨內(nèi)澇分析。IFMS Urban具備模擬計(jì)算城市降雨產(chǎn)流、城市排水系統(tǒng) （包括管網(wǎng)和河網(wǎng)）的水流運(yùn)動(dòng)能力，可以通過(guò)構(gòu)建一二維耦合的水動(dòng)力模型，模擬城市洪水地表演進(jìn)過(guò)程。

②城市暴雨內(nèi)澇實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。耦合氣象精細(xì)預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)雨水情，快速預(yù)測(cè)可能積水的街道和積水深度，為城市實(shí)時(shí)內(nèi)澇預(yù)警提供支撐。

③城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)。IFMSUrban提供運(yùn)動(dòng)波、動(dòng)力波和恒定流等多種計(jì)算方法，可以處理大型管網(wǎng)排水系統(tǒng)，具備模擬壓力流和無(wú)壓流的能力，能夠方便地對(duì)城市排水管網(wǎng)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

④城市雨洪調(diào)蓄設(shè)施的評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)。IFMSUrban包含獨(dú)立的地表產(chǎn)流、地表漫流和管渠匯流模塊，能夠有效地對(duì)一些常見的低影響開發(fā)措施、排水設(shè)施（如泵站、蓄水池）進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。

二、軟件應(yīng)用案例

1.沂沭河上片防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制

山東省沂沭河上片防洪保護(hù)區(qū)屬沂沭泗流域，分布于沂河、沭河干流兩岸，總面積約3 408 km2。沂沭河上片防洪保護(hù)區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制采用IFMS建立河道一維與保護(hù)區(qū)二維耦合的非恒定流水動(dòng)力模型進(jìn)行洪水分析計(jì)算，以堰流方式模擬潰口進(jìn)洪過(guò)程。對(duì)于匯入沂河和沭河的支流，在模型中按照集中入流考慮。對(duì)于保護(hù)區(qū)內(nèi)的線性地物（公路、鐵路、堤防等）等，通過(guò)設(shè)置其所在網(wǎng)格邊的高程來(lái)反映。保護(hù)區(qū)共剖分了183 494個(gè)不規(guī)則網(wǎng)格。

以100年一遇設(shè)計(jì)洪水為例，亭子頭潰口洪水沿著低洼地帶向南運(yùn)動(dòng)，約8小時(shí)后洪水穿過(guò)兗石鐵路繼續(xù)向東南運(yùn)動(dòng)，16小時(shí)后洪水開始穿越膠新鐵路。隨后，洪水呈現(xiàn)出整體向東運(yùn)動(dòng)的態(tài)勢(shì)，25小時(shí)左右穿越臨沭鐵路，35小時(shí)左右洪水到達(dá)玉白河，洪水向前運(yùn)動(dòng)的態(tài)勢(shì)終止，洪水淹沒(méi)范圍基本達(dá)到最大。

圖2 2010年三岔河水位實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖

2.成都城區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制

成都城區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制采用IFMSUrban建立地表二維和一維耦合的非恒定流水動(dòng)力模型進(jìn)行洪水分析計(jì)算。排水管網(wǎng)和河網(wǎng)中水流模擬計(jì)算采用一維模型，地表其他區(qū)域的水流運(yùn)動(dòng)采用二維模型計(jì)算，對(duì)于涉及降雨的方案，需要進(jìn)行降雨產(chǎn)流計(jì)算，采用IFMSUrban中的產(chǎn)流模塊進(jìn)行計(jì)算。

成都城區(qū)范圍內(nèi)涉及的河道眾多，建模選取了其中較為重要的大小河流共55條，收集或測(cè)量斷面近700個(gè)。收集到約25萬(wàn)條排水管道信息，采用IFMSUrban中管網(wǎng)處理工具進(jìn)行拓?fù)錂z查修正、屬性糾錯(cuò)與管線概化之后，最終保留管道約1.5萬(wàn)條。網(wǎng)格剖分以成都城區(qū)繞城高速作為邊界約束，以道路、堤防、河流等作為內(nèi)部約束，共剖分了130 252個(gè)不規(guī)則網(wǎng)格。

在產(chǎn)流計(jì)算時(shí)，根據(jù)不同區(qū)域特點(diǎn)采用兩種策略：①有管網(wǎng)的區(qū)域采用劃分匯水區(qū)的方法進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，共劃分約15 442個(gè)子匯水區(qū)，此徑流優(yōu)先進(jìn)入管道；②沒(méi)有管網(wǎng)的區(qū)域，直接采用二維模型在網(wǎng)格上計(jì)算產(chǎn)流，徑流在地表上流動(dòng)。計(jì)算產(chǎn)流時(shí)考慮的因素主要包括不透水率、坡度、下滲率等因素。二維模型的參數(shù)主要是糙率，根據(jù)土地利用類型分別給定。

根據(jù)成都市洪水來(lái)源，共設(shè)計(jì)了21個(gè)洪水內(nèi)澇計(jì)算方案，分為4類：一是暴雨方案，二是外洪方案，三是暴雨洪水組合方案，四是歷史典型暴雨方案。

在上述工作基礎(chǔ)上，采用IFMS Urban構(gòu)建了動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)分析模型，開發(fā)了基于B/S架構(gòu)的成都中心城區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理平臺(tái)。系統(tǒng)以應(yīng)用為導(dǎo)向?qū)⑷S洪水仿真展示和管理、洪水分析以及災(zāi)情評(píng)估等功能有機(jī)結(jié)合，綜合考慮效率、并發(fā)、穩(wěn)定、安全等因素，為災(zāi)前預(yù)測(cè)預(yù)警和防洪調(diào)度、災(zāi)中群眾和物資轉(zhuǎn)移及安置、災(zāi)后損失評(píng)估提供輔助決策支持。

3.大遼河左岸防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制

大遼河左岸防洪保護(hù)區(qū)位于遼寧省中南部，保護(hù)區(qū)上至大遼河三岔河口，下至入?？冢瑓^(qū)內(nèi)涉及海城市、大石橋市、營(yíng)口市。大遼河左岸防洪保護(hù)區(qū)的洪水分析采用IFMS模型，其中大遼河河道部分采用一維河網(wǎng)模型，保護(hù)區(qū)采用二維水動(dòng)力學(xué)模型，并在潰堤處進(jìn)行一二維耦合。網(wǎng)格剖分采用非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，即三角形與四邊形相結(jié)合的方式，并在網(wǎng)格剖分時(shí)考慮道路、鐵路和堤防等阻水物，局部進(jìn)行加密處理，最終共剖分了163 381個(gè)網(wǎng)格。一維河網(wǎng)模型上游采用流量邊界，下游采用潮位過(guò)程作為邊界。

選擇2010年8月2日—9月13日之間實(shí)際發(fā)生的洪水過(guò)程對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，如圖2所示，模型計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位過(guò)程總體上比較吻合，表明模型具有較好的模擬效果。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察，沿大遼河左岸共選取了5個(gè)可能的潰口，分別計(jì)算了遭遇50年一遇和100年一遇洪水時(shí)潰堤造成的洪水風(fēng)險(xiǎn)情況。

4.南河（岷江）洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制

南河（岷江）位于四川省東南部，面積約2 631 km2，涉及河流主要為南河（岷江）干流，河長(zhǎng)約41.6 km，平均坡度為0.001。采用IFMS構(gòu)建水動(dòng)力學(xué)模型，其中南河（岷江）干流及支流采用一維河網(wǎng)模型概化，兩岸淹沒(méi)區(qū)采用二維水動(dòng)力學(xué)模型概化，并對(duì)潰堤洪水進(jìn)行一二維耦合洪水分析計(jì)算。在編制區(qū)域內(nèi)共考慮堰、閘、壩、橋等涉水建筑26處。網(wǎng)格剖分采用非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，并在網(wǎng)格剖分時(shí)考慮高速公路、鐵路和堤防等阻水物，局部進(jìn)行加密處理，共剖分了85 749個(gè)網(wǎng)格。一維河網(wǎng)模型上游采用流量作為邊界條件，下游采用水位流量關(guān)系作為邊界條件。

河道糙率根據(jù)防洪規(guī)劃報(bào)告的推薦值選取，并采用2010年8月典型洪水的洪痕數(shù)據(jù)進(jìn)行率定。采用2013年6、7月以及2016年7月3場(chǎng)典型洪水進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比斷面實(shí)測(cè)水位和計(jì)算水位，滿足精度要求。率定和驗(yàn)證成果如表1和表2所示。

根據(jù)洪水來(lái)源、洪水量級(jí)、洪水組合方式等，選取楠桿堰潰口分別計(jì)算了遭遇20年一遇、50年一遇和100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)洪水風(fēng)險(xiǎn)情況。

5.河北大陸澤、寧晉泊蓄滯洪區(qū)實(shí)時(shí)洪水分析

大陸澤及寧晉泊蓄滯洪區(qū)位于河北省南部，面積2 041 km2，是全國(guó)第三大滯洪區(qū)，同時(shí)也是海河流域第一大滯洪區(qū)和關(guān)鍵防洪工程。針對(duì)大陸澤、寧晉泊蓄滯洪區(qū)范圍廣、行洪河道多、調(diào)度規(guī)則復(fù)雜以及上游來(lái)流影響大等特點(diǎn)，將設(shè)計(jì)范圍從蓄滯洪區(qū)擴(kuò)展至其上游相關(guān)小流域，小流域總面積約1.3萬(wàn)km2。

小流域采用新安江水文模型對(duì)12條主要河道進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，并經(jīng)2016年“7·19”洪水驗(yàn)證。

蓄滯洪區(qū)采用IFMS中的一二維耦合模型建立了快速高效實(shí)時(shí)的洪水分析模型，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜洪水演進(jìn)過(guò)程的實(shí)時(shí)分析，兼顧一維河道、二維地表以及堰閘和分區(qū)滯洪調(diào)度等實(shí)時(shí)調(diào)控，并且基于北方流域特征考慮了入滲過(guò)程對(duì)洪水演進(jìn)的影響。在建立模型過(guò)程中，通過(guò)在二維邊元上概化一維河網(wǎng)的處理方法，保證二維網(wǎng)格尺寸均勻，提升了計(jì)算效率和穩(wěn)定性；同時(shí)采用并行計(jì)算技術(shù)，蓄滯洪區(qū)洪水實(shí)時(shí)分析模型可在短時(shí)間內(nèi)完成歷時(shí)一周的洪水淹沒(méi)過(guò)程，滿足實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)效性要求，為防汛決策爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。

表1 南河（岷江）干支流2010年典型洪水率定表

表2 南河（岷江）典型洪水驗(yàn)證表

三、結(jié) 論

①洪水分析軟件IFMS和IFMSUrban基于自主研發(fā)的GIS平臺(tái)，具有便捷、高效、能夠處理海量數(shù)據(jù)等特點(diǎn)。軟件采用工作空間統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)分為模型要素和解決方案分開管理，提高了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的復(fù)用率，避免了重復(fù)數(shù)據(jù)的處理工作。

②洪水分析軟件IFMS和IFMS Urban耦合集成了先進(jìn)和快速的一維河網(wǎng)模型、二維模型和城市排水模型等水動(dòng)力學(xué)計(jì)算引擎，能夠處理湖泊、河流、近岸以及城市管網(wǎng)等眾多方面的涉水問(wèn)題。

③洪水分析軟件IFMS和IFMS Urban在防洪保護(hù)區(qū)、蓄滯洪區(qū)、中小河流、城市等不同類型區(qū)域的成功應(yīng)用，表明IFMS和IFMSUrban具備處理復(fù)雜問(wèn)題的能力，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。■

[1]張大偉,李丹勛,陳稚聰,等.潰堤洪水的一維、二維耦合水動(dòng)力模型及應(yīng)用[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2010(2).

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責(zé)任編輯 韋鳳年

Adoption of evaluation software in flood risk map drawing

Ma Jianming,Yu Haijun,Zhang Dawei,Zhang Hongbin,Wu Binbin,Mu Jie

China Institute of Water Resources and Hydropower Research(IWHR)developed flood analysis software together with implementation of national flood risk map project for major areas.A storm water management model (SWMM)was developed through integration of advancedmodelling technology,including one-dimensional river network computing engine for complicated water structure scheduling simulation,high resolution two-dimensional flood calculation engine and rapid unstructured grid generation module.Based on self-developed GIS platform,coupling of one-dimension and two-dimension as well as coupling of urban pipe network with two-dimensional model can be realized.The created two software products provide technical support for risk analysis of small and medium rivers, flood protection zones,flood detention and retention zones and prevention of urban floods.

flood analysis software;flood risk map drawing;flood numerical model

TV877+TV122

：B

：1000-1123（2017）05-0017-04

2016-10-15

馬建明，教授級(jí)高級(jí)工程師。

全國(guó)重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0803107；2016YFC0803109）。