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广州市静态洪涝风险图编制案例

发布于：2023-03-01 08:36:01 来自：给排水工程/给排水资料库 [复制转发]

摘要：为提高广州市的洪涝防御能力，首次以流域和排涝片区为单元，构建排涝片区二维水动力模型，算清流域“水账”，分析洪涝成因，编制广州市9大流域105个排涝片区的静态洪涝风险图。洪涝风险图能直观反映曾经发生积水或洪涝淹没的位置及空间分布，提前掌握洪涝淹没范围、淹没水深、淹没时间等关键信息，对摸清广州市洪涝灾害风险隐患底数具有重要价值，可为制定科学有效的超标洪涝防御预案，提高避洪转移、防汛抢险物资分配及调度的科学性提供重要支撑。

李文涛，工学硕士，高级工程师，设计三院副院长，研究方向包括水污染防治、海绵城市、排水防涝、深层排水隧道、水务信息化等。

伴随着广州城市化的快速发展和全球性气候变化，短历时强降雨和灾害性气候频发，加之潮位上升，给城市排水防涝带来巨大压力，每逢汛期时有内涝发生，给生活生产秩序造成较大影响。为提高广州市的洪涝防御能力，以流域为单元，构建流域水动力模型，清算流域 “水账”，分析洪涝成因，编制广州市9大流域105个排涝片区静态洪涝风险图，辅助城市洪涝应急决策支持。随着基础数据的不断完善，逐步建立分区动态洪涝风险图。

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基于洪涝系统观的排涝片区划分

根据广州市的地形地貌、河道水系情况等因素，将全市范围内流溪河等 9大流域共划分为105个排涝片区（见图1）。从流域和排涝片区角度具有相对封闭的汇流空间，保证了水量计算的精度，可作为“水账”计算和风险图编制的基础。

图 1 广州市105个排涝片区划分图

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编制技术路线

以排涝片区为基础，构建洪涝模型，清算流域水账，绘制洪涝风险图，编制技术路线详见图 2，主要包括五步工作。

图2 洪涝风险图编制技术路线

①基础数据分析：收集各排涝片区的地形、相关水系、排水工程及调度、历史洪涝灾害等情况。

②分区洪涝模型建立：每个排涝片区单独建模，耦合源头海绵设施、排水管渠、河道湖泊和地表网格，满足洪涝计算要求。

③水账计算：考虑50年、100年一遇和区域历史最大暴雨洪水共三个区域暴雨为主的水文组合，按排涝片区面积与净雨量的乘积计算各组合径流总量。按排涝片区内水库、湖泊、河道（跨排涝片区的河道按照面积比例划分）等水体滞蓄容积累加得到排涝片区总调蓄容积。根据洪涝风险图计算成果，按所有网格最大淹没水深与网格面积的乘积之和计算地表滞蓄量。

④洪涝风险分析计算：基于历史水淹资料，采用概化的一维、二维水动力数学模型进行淹没范围及水深分析。计算结果按所有网格最大淹没水深与网格面积的乘积之和计算地表滞蓄量。

⑤图集绘制成册：底图采用高清遥感图、高精度DEM（2020年，10m精度），增设等高线。标绘要素主要包括流域边界线、历史水浸点、等高线、地市级驻地、县区驻地、乡镇街道驻地、雨量站、水位站、泵站、水闸、医院、学校、高速公路、城市主干道及一般道路、铁路，河流湖库水系，淹没水深分布图，典型潮位和雨量过程，以及水账计算结果简表、风险统计信息、指北针和比例尺等。

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模型建立与计算

3.1模型建立

城市洪涝模型由产汇流模型、河道洪水演进模型、管网模型、地表洪水演进模型等耦合而成。

① 产流模型

降水经过地表的截留、下渗、蒸发等过程之后，剩余的部分则作为地表径流停留在汇水区表面。其计算见式（ 1）：

式中： Q _总为降雨总量； Q _下渗与 Q _蒸发分别为雨水下渗量和降雨蒸发量，其中降雨蒸发量视具体情况而定。

Q _总是降雨时段内的累计降雨容积（m ³ ），由各子汇水区降雨深度乘以汇水区面积得到； Q _下渗以降雨渗透到地表土壤下的水量计算；产汇流模型中的下渗量利用Horton模型计算。

② 汇流模型

汇流过程是指将各分区净雨汇集到出口控制断面或直接排入河道的过程。地表径流模拟采用非线性水库模型，由连续方程和曼宁方程联立求解。模型需要输入每个排水小区的面积、宽度、坡度、透水地表和不透水地表的曼宁糙率，不透水地表的百分比，无洼蓄能力的不透水地表所占百分比，以及透水地表和不透水地表的洼蓄量。

③ 管网水动力模型

采用管网明满流方程。

④ 地表洪水演进模型

采用守恒形式的二维浅水方程。

3.2 水位边界条件

① 洪（潮）水位边界

北部山区的排涝片区与外江水位按降频考虑，计算工况为：以片区暴雨为主时，采用 100年一遇设计降雨，遭遇外江20年一遇设计水位过程；以外江洪水为主时，采用100年一遇设计水位过程，遭遇内河20年一遇设计降雨。

中心城区、南部网河区排涝计算工况为：以雨为主时，采用 100年一遇设计降雨，遭遇外江5年一遇设计潮位过程；以潮为主时，采用100年一遇设计潮位过程，遭遇5年一遇设计降雨。

② 水闸泵站运行调度

在降雨前的最后一个潮周期内，通过水闸自排和泵站强排将片区水位预降至片区或闸内的最低控制水位。降雨期间，外江水位低于内河涌时使用水闸自排，超过内河涌之后则使用泵站强排。

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水账计算

4.1 计算降雨

根据《广州市暴雨强度公式编制与设计暴雨雨型研究技术报告》（ 2021年12月），采用芝加哥雨型作为短历时降雨过程的设计雨型，以同频率分析法推算24 h设计暴雨雨型，同频率分析法计算的广州市各区24 h逐5 min设计雨型降雨过程线分配如图3所示。

图 3 广州各区 24h逐5min设计雨型降雨过程线分配

4.2 分区水账计算

对广州市九大流域的105个排涝片区、1 368条河涌、307座水库、8大湖泊及众多山塘、坑塘等现状防洪排涝设施能力进行评估。经核算，全市最小可调蓄总容积为2.46×10 ⁸ m ³ ，红色预警3 h降雨100 mm对应的径流量为45863×10 ⁴ m ³ ，100年一遇24h降雨对应的径流量为160949× 10 ⁴ m ³ 。

“水账”是指针对全市105个排涝片区，摸清现有山塘、水库、河湖的可调蓄能力以及河口水闸泵站的排涝能力，在发生强降雨时，算清各排涝片区能应对一定重现期的降雨量级。经核算，全市105个排涝片区的总调蓄容积为2.46× 10 ⁸ m ³ ，其中水库、湖泊调蓄容积为1.36× 10 ⁸ m ³ ，河涌可调蓄容积为0.79× 10 ⁸ m ³ ，山塘、坑塘可调蓄容积为0.31× 10 ⁸ m ³ 。各流域可调蓄容积计算结果见表1。

表 1 广州市九大流域雨洪调蓄容积 /径流量统计

根据水账计算结果可知：

① 北部山林生态区（白坭河、流溪河、增江三大流域）地处山区，全市大部分水库集中于此。可调蓄容积主要由水库提供，说明北部山区对区间汇水调蓄能力较弱，应以外排作为主要除涝手段。

② 中部中心城区（石井河、珠江前航道两大流域）总体上北高南低、半山半城，城市下游洼地同时受山洪与潮汐顶托影响，因城市开发密度高，可调蓄容积占100年一遇径流总量的9.1%、10%，控制能力相对较弱，应采取蓄泄兼施的治理策略。

③ 南部滨海湾区（大石-三支香-沥滘、屏山河-沙湾水道两大流域）各联围内河网密布，水面率较高，河涌、坑塘可调蓄容积分别占100年一遇径流总量的8.9%、16.6%，天然具有分散调蓄的特征。同时联围内地势低洼，受潮汐顶托影响明显，应充分挖掘其围内调蓄潜力。

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风险图编制

洪涝风险图编制参照《洪水风险图编制导则》（ SL 483—2017）要求，底图采用高清遥感图、高精度DEM（2020年，10m精度），增设等高线，根据水动力数学模型计算结果，绘制全市105个排涝片区的历史洪涝风险图、50年一遇降雨遭遇多年平均高潮位风险图、100年一遇降雨遭遇多年平均高潮位风险图。该套洪涝风险图已交由各区水务部门在2022年防汛工作中使用，大幅提高了防汛工作的科学性和精准性。