孙飞飞，江雨田，任立良，孙如飞，赵思远，朱从飞

(1. 宁波市水利水电规划设计研究院有限公司，浙江 宁波 315192； 2. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098)

1980年，中国洪水风险图的编制提上日程[1]。2002年吴义阳[2]在地区洪涝灾害发生后对风险进行评估，得出小流域短暂强降水将引起洪涝灾害，导致经济损失和人员伤亡的结论。此结论对后续的洪水风险图编制有着重要影响。2007年李娜等[3]以上海为例，绘制了城市在防洪工程措施受损和暴雨来袭时的洪水风险图。2007年梁忠民等[4]研究了GIS技术与洪水风险图相结合的系统，并投入使用，为之后两者相结合的系统提供了宝贵经验。2020年章杭惠等[5]提出建立洪水风险实时分析系统以及探索"风险共担"的洪水管理模式等方面的建议。

浙江省洪水风险图编制开始于1989年，2003年开始加快制作洪水风险图的进度[6]。但由于当时技术、经济条件的制约，洪水风险图是静态的纸质形式，这类洪水风险图精度低，难以及时更新，不能达到防汛防台的实际要求。为了解决浙江省各级防汛部门对洪水风险图部署和运用的实际需求，同时规范、指导全面推进工作的实施，浙江省防汛防台抗旱指挥部统一部署，编制了《浙江省洪水风险图编制规划(2016-2019)》《浙江省洪水风险图编制实施方案》(2016-2020)，宁波市鄞州区鄞东南平原洪水风险图编制项目是此次规划实施的重点内容之一。

本研究从鄞东南地区防洪减灾、防汛管理等实际需求角度出发，在鄞东南地区建设“覆盖整个建设范围且拥有独立数据库及信息查询管理、洪水风险分析评估、洪水风险图绘制”等功能的动态洪水风险图管理与应用系统。系统以动态洪水风险预报预警技术作为支撑，对即将到来的台风进行提前的模拟、分析及评估——对洪水的演进进行实时跟踪，根据实际水雨情及气象信息预测可能发生的洪潮情形，并进行洪水演进计算，根据洪水演进计算结果实时绘制洪水风险图、动态模拟城市受淹与退水过程、快速提取决策信息。通过信息化、技术化的手段，加强洪水风险管理，提前预估可能存在的洪涝风险，并针对性地提出相对可行的避险、抢险方案，实现从“被动抗洪抗灾”向“主动防洪防灾”转变，最大限度地降低洪涝灾害损失。

1 研究区基本情况

鄞州区地处长三角南翼、浙江省东部沿海，是计划单列市宁波市六区之一[7](图1)。流域内地势南高北低、东高西低，形成由南向北的排水格局[8]。鄞东南平原河道纵横交错，现状河网水面率6.4%。宁波市隶属亚热带季风气候区，雨量丰沛，经常受到台风、海潮、洪涝等自然灾害影响[9]。据宁波市水利局统计，自1949年起，台风袭击宁波市共计166次。其中，造成不同程度损失的有50次，年均0.7次。近10年来，对流域影响较大的有2012年“海葵”台风、2013年“菲特”台风、2015年“灿鸿”台风、“杜鹃”台风、2016年“莫兰蒂”台风和2018年“山竹”台风等。

2 甬江流域洪水模拟数学模型构建

本研究以鄞州区境内隶属甬江流域的鄞东南平原作为洪涝风险动态预报预警系统的研究范围，区域面积约314 km2。考虑到鄞东南平原排水条件与整个甬江流域东排区的排水情况互为动态关系，计算范围拓展至整个甬江流域东排区，计算范围面积约4 265 km2。研究选用既能模拟平原河网洪水演进又能反映区域淹没情况的洪水模拟数学模型——甬江流域洪水模拟数学模型。该模型中，河道计算采用一维非恒定流，同时耦合平原调蓄和雨水管网排水能力，针对整个甬江流域的河道洪水及平原淹没过程进行模拟[10]。模型上边界是采用暴雨推求洪水，通过山区河道汇流和水库调度，作为平原河网上边界；推算平原区水田、水面、城镇、旱地及非耕地的净雨过程作为平原陆域上边界；流域下边界为外海甬江口及杭州湾的潮位过程；内边界为甬江流域内部河网、闸泵、平原陆域调蓄空间。模型边界条件充分考虑了流域洪水成因特点，适用性程度较高。

2.1 甬江流域洪水模拟数学模型原理

2.1.1流域水文模拟

流域水文模拟主要用于山区产汇流计算和平原区域产流计算。考虑到甬江流域东排区城市化程度较高，故将平原下垫面细分成旱地及非耕地、水面、水田、城镇[11]。

2.1.1.1产流计算

甬江流域属于湿润半湿润地区。根据多位研究员研究及应用验证，山区、平原区的旱地及非耕地采用三水源新安江模型进行产流计算较为合适[12]。蒸散发计算采用三层模型[13]，产流计算按照蓄满产流方式进行。

2.1.1.2汇流计算

洪水资料较为完备地区的坡面汇流计算采用“线性水库汇流模型方法”；当集水面积大于50 km2时，无资料地区坡面汇流计算采用“浙江省瞬时单位线法”；当集水面积小于50 km2时，采用“浙江省推理公式法”[14]。如果分区内有水库，先通过水库调洪演算计算出水库的下泄流量过程，再通过马斯京根法进行河道汇流演算，得出进入下游河道的洪水流量过程。

2.1.2水库洪水预报调度模拟

水库在实际防汛应用中，根据不同水库的保护目标、洪水量级的大小、洪水所处的阶段不同，会有多种调度运行模式，如按照水库控制运行计划模式、指令调度模式、时间序列调度模式、补偿调度模式等。

2.1.3潮位预报模拟

鄞东南平原排水受到奉化江、甬江干流潮水顶托影响，台风期间潮水位变化主要受天文潮、台风风暴增水影响。本研究以天文潮调和分析方法为基础，结合增水预测分析，通过天文潮与增水值进行耦合实现潮位预报。天文潮潮位高度公式如下：

(1)

式中j——分潮数；v——格林威治天文相角；v0——t=0时刻的v值；S0——长期平均海水位高度；H、g——调和常数。

2.1.4河网水动力模拟

河网采用节点-河道模型，水域和陆域划分为调蓄小分区，将河网、水域和陆域组成统一的数学模型[15](图2)。

2.2 模型率定及验证

产汇流模型参数率定以流域内亭下水库1988—2017年16场洪水资料为例，选取洪峰流量、峰现时间、径流量和洪水过程确定性系数为主要评定指标。以甬江流域2012年“海葵”台风、2015年“灿鸿”台风和2015年“杜鹃”台风作为参证洪水，进行平原河网水动力参数率定计算。

基于《浙江省洪水风险图编制技术细则(试行)》(2015)中的相关规定，以“菲特”“莫兰蒂”和“山竹”3场台风进行甬江流域洪水模拟数学模型验证。其中 “菲特”台风亭下水库流量过程确定性系数为0.91，甬江流域各代表站点计算与实测的水位误差差值小于等于8 cm，各代表点计算与实测的淹没水深差值小于等于12 cm；“莫兰蒂”台风甬江流域各代表站点计算与实测的水位误差差值小于等于6 cm；“山竹”台风横溪水库流量过程确定性系数为0.94，甬江流域各代表站点计算与实测的水位误差差值小于等于8 cm，33个居民小区中有28个居民小区计算与实测的淹没水深差值符合《浙江省洪水风险图编制技术细则(试行)》(2015)要求。综合分析后得到居民小区淹没合格率达到84.8%，满足《洪水风险图编制导则》的要求，因此本模型能够用于洪水分析及洪水影响分析计算。

3 洪涝风险动态预报预警系统设计

3.1 系统架构

整个系统划分为信息感知层、数据服务层、应用支撑层、业务应用层。服务端使用Java语言，前端页面使用Html5、CSS3语言，地图基于ArcGIS平台开发。基于网络数据库、应用“浏览器/服务器”模式开发基础信息管理、实时洪水风险分析评估等子系统，可运行于Windows/Linux环境。系统结构见图3。

3.2 动态洪水风险分析评估子系统

动态洪水风险分析评估子系统利用已建立的洪水模拟数学模型分析计算鄞东南平原动态洪水，预报预警洪涝灾害。洪水分析计算以气象降雨预报为依托，结合甬江流域内实时水雨工情信息，兼顾实时防汛调度指令，融合各部门防汛信息，开展暴雨洪水对编制范围内影响全过程的预判、跟踪与评估。

3.2.1降雨预报

在洪水发生过程中，已发生时段的降雨数据来源为甬江流域内实时监测的雨量数据，系统自动在后台滚动将实时点雨量数据存入数据库中，将点雨量数据转化成为各产流分区的面雨量数据；预报时段的降雨数据可以根据需要进行人工配置，按照山区和平原，或者流域进行区分，并选择典型降雨进行时空分配。

3.2.2水库、闸泵调度

在洪水发生过程中，已发生时段的水库、闸门、泵站调度数据来源为甬江流域内实时监测的水库、闸门、泵站工情数据，预报时段的水库、闸泵调度数据来源为防汛部门的水库、闸泵调度指令或自身控制运行计划。

3.2.3产汇流计算

产汇流计算采用基于水文学方法的产汇流模型作为底层计算引擎，为平原河网水动力计算提供上游山区来水边界条件和平原净雨边界条件。根据降雨分析计算方案确定的降雨边界以及水库调度方案确定的水库调度方式，对范围内进行产流计算和汇流计算。

3.2.4潮位分析计算

实时潮位预报为平原河网水动力计算提供下边界条件。在洪水发生过程中，已发生时段的潮位过程采用实时监测的潮位数据，预报时段的潮位过程，系统采用天文潮预报叠加风暴增水的方式得到完整的潮位过程。

3.2.5洪水演进计算

洪水演进计算采用基于水力学方法的河网水动力模型作为底层计算引擎，模拟洪水在平原河道、平原陆域的演进过程[16]。选定产汇流方案、潮位计算方案和闸泵调度方案，进行洪水演进计算，计算河道和平原洪水过程，输出各代表站点水位过程、典型断面水位流量过程，并分析淹没水深、淹没历时等信息，以此对洪涝灾害进行预报预警。水位分析成果见图4。

3.3 系统应用

3.3.1“米娜”台风应用情况

2019年第18号台风“米娜”于10月1日在舟山市普陀区沈家门登陆，登陆时中心附近最大风力11级。为了防范和应对“米娜”台风可能带来的洪涝灾害，9月29日至10月2日，根据防汛形势分别计算分析了5组方案，见表1。

表1 “米娜”台风计算方案说明

3.3.1.1系统预报精度评估

在5组水位预报成果中，方案4(10月1日16时)计算时，气象预报降雨与后续实际降雨较为一致,故选择10月1日16时方案最高水位预报值与实测值进行对比见表2，部分代表性站点水位过程见图5。从图表可以看出，流域内各水位站点实测最高水位基本在预报区间之内，精度较好。

表2 “米娜”台风系统预报水位与实测水位对比

a) 姜山站

b) 鄞州公园站

c) 江东内河站图5 “米娜”台风方案4部分站点计算与实测水位过程线对比

d) 五乡新站续图5 “米娜”台风方案4部分站点计算与实测水位过程线对比

3.3.1.2台风复演

“米娜”台风结束后，利用本系统对台风期间洪水演进过程进行了复演。降雨过程采用实测值，水库、闸门、泵站按照实际调度，外海潮位采用实测潮位值，平原河网初始水位采用洪水初期的实际水位，模拟过程168 h，结果见表3、图6。

表3 “米娜”台风复演甬江流域各代表站点最高洪水位验证成果

a) 姜山站

b) 鄞州公园站图6 “米娜”台风复演方案部分站点计算与实测水位过程线对比

c) 江东内河站

d) 五乡新站续图6 “米娜”台风复演方案部分站点计算与实测水位过程线对比

3.3.2“利奇马”台风应用情况

2019年第9号台风“利奇马”于2019年8月10日以超强台风的强度在台州市温岭城南镇沿海登陆。8月9日至8月11日，系统共计算8组方案。其中“8月10日9时”方案计算时，气象预报降雨与后续实际降雨较为接近，故选择该方案最高水位预报值与实测值进行对比，结合一系列代表站点计算与实测水位过程线对比图可以看出：鄞东南片区各水位站点预报最高水位与实测最高水位均存在不同程度的差距，分析其具体原因，预报降雨提供的数值偏小，导致模型计算结果与实测结果存在一定差距。

台风结束后，利用本系统对台风期间洪水演进过程进行了复演。由代表测站计算与实测水位过程线对比图分析可知，计算与实测水位过程吻合较好。复演各代表站点最高洪水位验证成果见表4。

表4 “利奇马”台风复演鄞东南地区各代表站点最高洪水位验证成果

4 结论

a) 选择了水文学方法和水力学方法分析，建立甬江流域洪水模拟数学模型，模拟了特定频率洪水发生时，鄞东南平原内可能的淹没范围、淹没水深、淹没时长，依据分析结果，编制鄞东南平原动态洪水风险图。

b) 产汇流模型参数率定以流域内亭下水库1988—2017年16场洪水资料为例，选取洪峰流量、峰现时间、径流量和洪水过程确定性系数为主要评定指标。以甬江流域“海葵”台风、“灿鸿”台风、“杜鹃”台风作为参证洪水，进行平原河网水动力参数率定计算。经模型验证，确定性系数、计算与实测的水位误差差值等值均在《浙江省洪水风险图编制技术细则(试行)》(2015)要求范围内，因此甬江流域洪水模拟数学模型能够用于洪水分析及洪水影响分析计算。

c) 建立鄞东南平原洪涝风险动态预报预警系统，实现洪水风险分析、洪水过程模拟演进和风险图成果的查询和输出。系统应用时选取了“利奇马”和“米娜”两场台风，对“利奇马”台风进行实时洪水演进模拟时，由于预报降雨提供的数值偏小，导致模型计算结果与实测结果存在一定差距。但在“利奇马”台风复演时，鄞东南平原各代表站计算与实测水位过程吻合较好。对“米娜”台风进行实时洪水演进模拟和台风复演时，鄞东南平原各代表站计算与实测水位过程吻合较好。经评估，鄞东南平原洪涝风险动态预报预警系统预报精度较好。