刘 越 黄志文 王志超 许小华 吴秋琴

（1.江西省水利科学院，南昌 330000；2.江西省鄱阳湖流域生态水利技术创新中心，南昌 330000）

0 引 言

我国洪涝灾害多发，给人民生命安全和经济发展带来了巨大危害，根据《中国水旱灾害防御公报2021》统计数据，2021年洪涝灾害共造成5 901万人次受灾，占全年受灾人口的55.1%，造成经济损失达2 458.9 亿元，占全年灾害损失的73.6%[1]。洪涝灾害已成为我国首要解决的问题之一，科学认识研究洪涝成因、提高防洪排涝能力、减轻洪涝灾害迫在眉睫。采用数字信息化技术重构易涝区域地形，对洪涝进行数值模拟建立数值模型，是较为科学的研究手段之一。蔡哲等[2]基于新安江模型建立了潦河流域洪水预报系统和灾害预报系统，结果表明新安江模型模拟洪涝灾害较为可靠。王栋等[3]基于环境流体动力学模型（Environmental Fluid Dynamics Code，EFDC）对清河下游溃坝洪水进行了模拟，对淹没水深、淹没范围和淹没时长等洪涝风险进行分析。段扬等[4]基于EFDC 模型对漳卫河流域大名蓄滞洪区进行洪水模拟，结果表明EFDC 模型可以较好地模拟洪水演进过程。王静等[5]比较EFDC 模型和MIKE 模型模拟洪涝演进过程，证明EFDC模型准确性更高、计算效率更快。总体而言，相对于其他模型，EFDC 模型调试简单、计算效率高且代码开源，更容易进行二次开发和系统集成，十分适合城镇洪涝模拟。

2020 年8 月4 日，2004 号台风“黑格比”给浙江永康市境内带来强降雨，导致棠溪流域发生暴雨洪涝，附近村庄房屋受淹，河道桥梁冲毁，部分村落发生人员伤亡。本文以永康市棠溪流域为例，通过数值模拟方法构建水文产汇流模型和二维水动力地表模型，分析流域内洪涝风险，为当地防洪减灾工作提供数据支撑和参考依据。

1 研究流域概况

1.1 流域概况

棠溪流域地处亚热带季风气候区，冬夏季风交替显著，年平均气温适中，四季分明，雨量丰沛，日照充足。3—4 月是西北季风减退和东南季风增强的时期，冷暖空气交汇形成绵绵春雨；4 月中旬至7 月中旬，夏季风的暖气流与南下的冷空气相遇，形成持续时间较长的锋面雨，阴雨连绵，降水集中，俗称“梅雨”，梅雨期最大暴雨通常发生在6 月；盛夏和秋季常常受副热带高压控制，降水主要为台风暴雨和局部雷阵雨，且大多集中在8 月至9 月下旬；冬季盛行偏北风，冷而干燥，气候以晴冷为主。棠溪流域横跨永康市和缙云县，流域水系图如图1 所示。流域面积48.05 km2，整体地势为东北高西南低，棠溪发源于周围山地，途经14 个村庄到杨桥头村汇入好溪，2 条主要支流分别从上马村和尚黄桥村汇入，河道蜿蜒曲折且已基本渠化，上下游落差较大，河床高程在251～583 m，平均坡降0.019，两岸皆为山区集雨面，左岸呈山高坡陡型，右岸则相对平缓，台风季节易发生洪涝灾害。

图1 棠溪流域水系图

1.2 历史洪涝情况

棠溪流域三面环山且靠近沿海地区，几乎每年台风入境都会发生不同程度的洪涝，其中台风“黑格比”引起的洪涝给当地带来严重损失，棠溪流域内河道溢流、桥梁被冲毁，造成大面积洪涝，周边居民受灾严重；棠溪站超100年一遇暴雨最大24 h 雨量达335.5 mm，沿河前3 排的房屋受到不同程度的洪水冲击而淹没，最大淹没水深1.50～2.39 m（表1），护岸、公路、农作物均受到不同程度的破坏，棠溪村、尚黄桥村发生人员因灾伤亡事件。

表1 2020年台风“黑格比”棠溪流域洪涝积水情况

2 洪涝模型构建及其验证

2.1 模型构建

根据棠溪流域特征，采用新安江流域产汇流模型构建山区水文模型，应用EFDC 模型构建地表二维水动力模型，并将二者耦合构建棠溪流域洪涝模型。这2 种模型都有广泛的应用，新安江模型是一个分水源、分阶段的完整的概念性降雨径流模型，在我国湿润与半湿润地区得到广泛应用，具有概念清晰、结构合理、调参方便和计算精度较高等优点；EFDC 模型融合了多种数学模型，可以对河流、湖泊、水库、湿地系统、河口和海洋等水体的水动力学和水质进行模拟[6]。

山区水文模型：采用新安江模型对棠溪流域山地集水分区进行产汇流计算。采用无结构不规则网格将流域划分为若干个单元面积，分析棠溪流域地理高程数据、河道断面数据、防洪工程分布和土地利用情况；采用泰森多边形法划分流域内雨量站所占权重，结合雨量站观测信息得到流域面雨量过程，将流域面雨量过程作为模型输入条件，建立棠溪流域水文模型。模型采用三层蒸发模式计算流域蒸散发、蓄满产流法计算降雨径流、马斯京根法计算河道汇流，依次计算每个单元到流域出口的流量过程，叠加后得到整个流域的流量过程。

二维水动力模型：采用EFDC 模型对棠溪流域进行洪水演进计算。利用EFDC 网格模块对研究区域进行网格划分，网格大小为4 m×4 m，将河道地形嵌入流域地形中得到整体地形，再将地形高程插入网格中建立棠溪流域地表模型。EFDC 模型主要参数为曼宁糙率系数，一般河道的曼宁糙率系数为0.01～0.08，地表的曼宁糙率系数根据土地类型设定，其中无植被地区的曼宁糙率系数为0.02～0.04，植被稀疏地区的曼宁糙率为0.03～0.06，植被茂密地区的曼宁糙率系数为0.08～0.20。将新安江模型计算的河道汇流流量过程作为上边界条件、河道出口断面流量过程作为下边界条件，从而建立二维水动力模型。EFDC 模型动力学控制方程如下：

式中：u、v、w为曲线正交坐标系下x、y、z方向的水平流速，m∕s；m为Jacobian 曲线正交坐标转换系数，m=mxmy；H为全水深，m（即未扰动的z坐标原点以下的水深和水面位移之和，H=h+ξ）；f为科氏力参数；fe为中间计算变量；Av为垂向紊动扩散系数；Qu和Qv分别为动量方程的源汇项（包括水平扩散项等）；b为浮力，其值为密度偏差和密度参考值的比值；C为需要模拟的水质参数；Ab为水中物质的垂向扩散系数[7]。

耦合模型：编写代码将山区水文模型降雨产汇流模拟结果直接写入二维水动力模型的输入文件进行水量自动交换计算过程，建立棠溪流域完整的洪涝模型。

2.2 模型率定

将台风“黑格比”降雨模拟结果与历史实测数据进行对比，率定模型参数使模拟结果接近实测结果。结果表明，模型模拟各洪涝最大淹没水深与洪痕水深基本一致，洪峰时间也基本相同，模拟淹没面积略小于实际上报积水面积。由于网格大小和地形数据的限制，部分村落地形无法精确模拟，但模拟淹没面积误差在可允许范围内，认为模型精确性较好。模拟结果与实测结果对比如表2 所示，率定得到新安江模型参数如表3 所示，EFDC 模型主要参数如表4所示。

表3 新安江模型参数取值

表4 EFDC模型主要参数取值

3 洪涝风险分析

3.1 模拟计算方案及计算结果

查询浙江省短临暴雨图集和白竹雨量站台风“黑格比”降雨雨型，根据点雨量均值等值线图及点雨量变差系数等值线图，计算各频率设计暴雨如表5所示，设计暴雨过程如图2所示。基于棠溪流域耦合模型，进行不同重现期设计暴雨情景下的洪涝模拟，根据棠溪流域汇流特点，划定流域总汇流面积39.52 km2，选取3 个雨量站作为控制站，分别设定各频率24 h 逐10 min 设计暴雨数据作为模型边界条件，计算得到各频率洪水淹没范围如图3所示。

表5 不同频率（P）下的设计暴雨统计表

图2 各频率（P）设计暴雨过程

图3 各频率（P）下模拟区域洪水淹没范围

3.2 河道防洪能力分析

棠溪河段现状防洪标准为5年一遇至10年一遇，其中上马村周边河道防洪能力为5 年一遇、义门村周边河道防洪能力为10 年一遇、棠溪村周边河道防洪能力为10 年一遇、尚黄桥村周边河道防洪能力为5年一遇。现对5种不同频率设计暴雨工况模拟洪涝结果进行分析，对各频率洪水下河岸最大溢流水深进行提取（表6），并用ArcGIS 软件将洪水位超出堤防的河段标出（图4）。结果表明，棠溪干流河道防洪能力为5年一遇至20年一遇不等，上弄口村河段较窄，约有1.04 km 不满足5 年一遇设计标准，该河段曲折蜿蜒过流能力不足是河道溢流的主要原因；尚黄桥村河段和包坑村河段满足5 年一遇设计暴雨标准；上马村到棠溪村河段满足10年一遇设计暴雨标准，旸村村到好溪入流口河段满足10年一遇设计暴雨标准。棠溪支流河道流量较小且坡降较大，降雨影响不明显，后岗头村下游1 km 河段和支流部分曲折河段满足20年一遇设计暴雨标准，其余支流河段能承受100年一遇设计暴雨标准。

表6 各频率（P）下棠溪流域河道防洪能力分析表

图4 棠溪流域各设计工况河道险工险段分布示意图

3.3 洪涝风险分析

通过耦合模型计算各设计工况流域洪涝积水情况，提取各频率洪水最大淹没范围和各网格水深（图5）。结果表明，各村落承受设计暴雨能力不同，且主要受灾村落皆处于棠溪干流附近，支流附近村落基本不受洪涝影响。5 年一遇设计暴雨时，上弄口村最先发生洪涝，主要原因是上弄口村地势较低河道较窄，最易发生溢流；10 年一遇设计暴雨时，尚黄桥村和包坑村相继出现洪涝；设计暴雨达20 年一遇时，棠溪流域大部分村落发生大小洪涝，其中上弄口村、尚黄桥村和包坑村受灾最为严重，其他村落有少部分房屋受洪涝影响；设计暴雨达50 年一遇时，棠溪村和白竹村也发生严重洪涝，临河房屋都受洪涝影响；设计暴雨达100年一遇时，棠溪干流附近村落都受洪涝侵害。

图5 各频率（P）下下模拟区域洪涝风险图

统计各频率下棠溪流域历史洪涝村落的最大洪涝面积和最大积水水深（表7）及各频率流域内不同水深淹没面积和不同水深淹没面积占比（表8）。结果表明，5年一遇设计暴雨时，上弄口村最大积水深度0.87 m，村庄内淹没面积1 900 m2，随着降雨强度增加，洪涝风险增多且村落淹没面积增大；10 年一遇设计暴雨时，尚黄桥村洪涝水深达0.96 m，村庄内淹没面积3 200 m2；20 年一遇暴雨时，上弄口村最大积水深度达1.26 m，尚黄桥村最大洪涝面积达4 500 m2；50 年一遇暴雨时，棠溪村洪涝水深达0.90 m，最大洪涝面积达1600 m2；设计暴雨达100 年一遇时，白竹村洪涝水深达1.44 m，最大洪涝面积达2 300 m2，包坑村最大积水深度近2 m，尚黄桥村最大洪涝面积达6 300 m2。由此可知，随着设计暴雨强度增加，洪涝淹没范围和最大积水深度也随之增加；随着暴雨重现期增大，深水区面积增加，淹没面积的增加幅度逐渐降低，且0.05～1 m的水深占比先减少后增加，说明局部洪涝严重程度增加，暴雨重现期越大易涝区受灾越严重。

表7 各频率（P）下棠溪流域历史洪涝积水村落情况统计表

表8 各频率（P）下不同水深淹没面积统计表

3.4 洪涝积水村落降雨阈值分析

参考《城镇洪涝防治系统数学模型应用技术规程》（T∕CECS 647—2019）评估城镇洪涝积水风险，并根据淹没深度（h0）设定洪涝积水风险等级标准，低风险：50 cm＞h0≥15 cm，中风险：100 cm＞h0≥50 cm，高风险：h0≥100 cm。

设计降雨大部分雨量集中在3 h内，根据棠溪流域洪涝模型降雨水深模拟结果，得到各易涝村落不同风险情况下3 h降雨量阈值（表9）。当3 h降雨量达60 mm（近5年一遇）时，上弄口村为中风险易涝村落；当3 h降雨量达80 mm（超10年一遇）时，上弄口村则变为高风险易涝村落；当3 h降雨量达90 mm（超20年一遇）时，尚黄桥村为高风险易涝村落；当3 h降雨量达100 mm（超20年一遇）时，包坑村为高风险易涝村落；当3 h降雨量达110 mm（超50年一遇）时，棠溪村为中风险易涝村落，白竹村为高风险易涝村落；当3 h降雨量达120 mm（超100年一遇）时，棠溪村为高风险易涝村落。

表9 易涝村落的降雨量（3 h）阈值分析

4 结 语

（1）棠溪干流河道防洪能力为5 年一遇至20 年一遇不等，支流大部分河段能承受50 年一遇设计暴雨标准。上弄口村河段防洪能力不足5 年一遇，尚黄桥村和包坑村河段防洪能力不足10 年一遇，主要原因是河道较窄、过流能力不足产生河道溢流。

（2）受灾村落大部分在干流附近，各村落承受设计暴雨能力不同，上弄口村最易受洪涝影响，其次为尚黄桥村和包坑村，将这3 个村落的河道防洪标准提升至10 年一遇，就可大大减少城镇洪涝影响。

（3）当3 h 降雨量60 mm 时，上弄口村为中风险易涝村落，3 h 降雨量达80 mm 时，则变为高风险易涝村落；3 h 降雨量90 mm 时，尚黄桥村为高风险易涝村落；3 h 降雨量100 mm 时，包坑村为高风险易涝村落；3 h 降雨量110 mm时，棠溪村为中风险易涝村落，白竹村为高风险易涝村落；3 h降雨量120 mm时，棠溪村为高风险易涝村落。