（安全技术及工程专业论文）城市洪水灾害的模拟及风险管理对策的研究——以淮南市为例.pdf

瞽 、t 罐 。擎徘皂萃拱翦毒妊汤非娶申鬲萼搬毒￥妊阜剐酵茸砚珥丢扯妤非羁 肆囤辫蕈彗专焉( 料鲤擎一) 皇翦晕封甲。萃砚翦去驷干避、千斟阜坷翎士群辫錾l l f 娶肆砰群辛：翼 显l 茸砚搓导= j i = 坼致瓣显吾i ：嚣母 叼，审延抱孑摹湃孑坐辑奈y 妊卑因噩单坐； ； ￥：( 孵g f l l ) 弭酉i 千粤觋 i 1 1 0 | ：) e 9i 0 0 s 8 6i ! o a n x l 霹m l1 6 9 o e o e 6 e i 望目当独 酩：i j 暂半瓣孑萃i 而每f魏杀甜工与杀性辫盥垮f 崔嘲 口+ 迹华杀努刨口蟛辚翦掣口再杀而每千洫团千边笪亲口千科孵纂茸砚 目比日s 匆o o e i酶目挺嚣l 0 8 e o l o o e i 乙 l 鲁杀l封勘 矽弱 旧k 坐掣靴询距地明善鞑酪是硐w 暂群辫阴晕m 雄旅皿辑目睹茸现 冒哥晕勤萃孤珥毒甭革搬毒￥拦单 目z 皆7 由d o 乙 毒阿：舌霭y 砰群籍岩勤 。拙器鼬仆冈i 建酬雨延抱甲辑碰辛一蔷两s l j 碑斟卓。犁群驰丁皋瓤霉刨y 宰 。百马y 牢甲凿璺碍业搿票刨业幽蹲礁一站剐朝茸拱章智狮斤硝士砷革拱研寿6 1 3 莓鬻 ：挺嚣茸砚裂甄日斯曾劬明鞘暮勤田刨晦区杀杀￥拦掣觋群覃现珥杀驯y 章：崧丝y 牢 。i l q i i x a p u i 0 0 8 ：1 9 i o 乙。i i z o u ：如i l ：舆豳勘s j 国弭互革瞥銎f 士审茸识 。笨砚拦髟刨髟酣i 瞠萃鸷g 迥趔髟掰辫蕾瞠革斟蟛叫业即谢昧墨哿茸砚珥杀妊导非 。唑砰明茸砚擎髯瓤凝融洋翠曷龄y 卓轴刨。影础目署墅轻* 轻辑6 9 4 * 晔并轻觋 翻辫壕茸砚西南翠衅y 鲫冀狲乒两鹭暂茸砚再奈明幽墼犁群莓瞥擗硎f 1 1 士审( 琴采) 吐晰半 杀国七b i 睡孵延搬酉署轩性国审掣珊杀碑群岩勤覃砚珥杀( p ) ：茸识爵杀明妊萃瞥玛责军群 勰旦磁掣杀y 妊掣犁酵￥单衅望辚癣群( ) ：钐班舀髫鹾嘭碡i 掰滕茸弓革砚谣询料 莓、孝砚誊日茸砚谤鬻丁豳四辫母銎圜币蛳甲科讯瞥蝈辫蠡出s ：囡觋僻蜞勘茸现舛杀蜣i 拄妤琳相也蹲嘉朝日尥性l 瞠嘉磷k ( z ) ：掣辫磉萆弓覃砚珥奈千、亟斟女y 监单y 孵蜒 茸砚料杀甭琶地型哿碍士睥西研嚣椎由黪、由缮目滥佝血辫奈( 到士印暂章虺由驾狮氍 曰) 茸观珥奈罩瞥举解辫澎何箬勘罪珂蒜( 【) ：帽。砰酎辫茸砚珥杀鲫即豳婴犁群餮砰勘譬 翠晕衅杀￥妊阜。晕群蔚葛辅出胜衅跫) ； i 茸砚珥奈甭g 搬￥晕嘉￥妊掣掷上弓毕y 章 。狲去码翠群疆牢驺狮茸识可杀明y 章蕞挚杀￥拦单掣澎解桨勘 逛珥去年班、千斟朝辫搬黎哗蕊墨附唑唑赠劲茸砚觋嘉雨延擅工￥杀y 妊掣馨戳 牮砰群甘科革孤哥毒毒￥妊掣 本人郑重声 取得的研究成果 含任何他人创作 涉及的研究工作 学位论文原创性 学位论文作 根据南开大 请和相关部门批 说明为空白。 论文题目 申请密级口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月 日 审批表编号批准日期 2 0 年月 日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于l o 年) 摘要 摘要 我国是洪水灾害频繁且严重的国家，洪水灾害对人民的生命财产构成了极 大的威胁，也影响了国民经济的发展。淮南市是国家第一批公布的2 5 座重点防 洪城市之一，洪水灾害十分严重，淮南市淮河南岸聚集了大量的人口、工厂和 农田，一旦发生较大规模的洪水，将对人民生命和财产安全造成很大的破坏。 本文运用h e c r a s 模型和h e c g e o r a s 模块，在a r c g i s 环境中模拟不 同设计洪水周期下的漫顶洪水淹没以及不同时刻的溃堤淹没。此外，还介绍了 国际气象组织提出的“城市洪水风险管理”的概念。本文大致可以分为以下几个 部分t ( 1 ) 收集和调研国内外有关洪水淹没模拟的文献。据调查，目前模拟洪水 淹没的技术方法主要包括两个方向：一是自主研发的模拟平台；二是运用模拟 软件，比方：d e l f t 、m i k e1 1 、m i i c e2 1 、h e c r a s 等。h e c r a s 是一款免费 的软件，而且结合h e c g e o r a s 在a r c g i s 中模拟洪水淹没的方法不但被证明 是可行的，而且近几年国外的一些权威组织也通过这种方式模拟洪水淹没的场 景，可以说该技术方法具备一定研究水平。 ( 2 ) 详细介绍h e c r a s 模型和h e c g e o r a s 模块的原理、功能、使用 方法以及a r c g i s 在洪水模拟中的作用。 ( 3 ) 在g i s 环境中，模拟淮南市洪水灾害，主要包括两个方面：一是模拟 在现有工况条件下淮南市在不同设计洪水周期( 4 0 年、6 0 年和1 0 0 年一遇) 下 的洪水漫顶淹没情况，得到不同横断面的设计水位线、漫顶淹没的范围、淹没 水深等数据；二是模拟百年一遇设计洪水周期下不同时刻，田家庵段堤坝发生 溃堤造成洪水淹没的情况，得到不同横断面的设计水位线、溃堤淹没范围、淹 没水深等数据。 ( 4 ) 在模拟结果的基础上分析淮南市防洪现状，并介绍国际气象组织于 2 0 0 8 年提出的“城市洪水风险管理”的概念。 通过本文的研究发现，本次漫顶洪水模拟结果较合理，可为城市防洪预警、 制定人员疏散方案以及洪水灾害损失评估等方面提供参考的依据。 关键词：洪水模拟；漫顶；溃堤；h e c r a s , h e c g e o r a s p e o p l e ，f a c t o r i e sa n df a r m l a n di nt h es o u t ha r e ao fh u a ir i v e ri nh u a i n a n ，i fs o m e b i gf l o o da p p e a r s ，i tw i l lb r i n gb a di m p a c to np e o p l e sl i f ea n dt h es a f e t yo fp r o p e r t y t h i s p a p e r u s e sh e c r a sm o d e l ，h e c - g e o r a sm o d u l et os i m u l a t e o v e r t o p p i n gi n u n d a t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n td e s i g nf l o o da n dd i k eb r e a ki n u n d a t e u n d e rd i f f e r e n tt i m e f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ec o n c e p to f u r b a n f l o o d 鼬s km a n a g e m e n t ”t h a ti s s u g g e s t e db yw m o ( w o r l dm e t e o r o l o g i c a l o r g a n i z a t i o n ) t h i sp a p e rm a i n l yc o m p r i s e sa sf l o l l o w i n g ： f i r s t ，m a n yl i t e r a t u r e sr e l a t e dt of l o o ds i m u l a t i o na l ec o l l e c t e da n dr e s e a r c h e d b o t ha th o m ea n da b r o a d a c c o r d i n gt ot h es u r v e y , t h et e c h n o l o g ym e t h o d so ff l o o d s i m u l a t i o ni n c l u d et w od i r e c t i o n s ：s e l f - d e v e l o p e ds i m u l a t i o np l a t f o r ma n dt h eu s eo f s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，f o re x a m p l e ：d e l f t ，m i k e1 1 ，m i k e2 1 ，h e c r a s ，e t c h e c r a si sn o to n l yaf r e es o f t w a r e ，a n dt h ec o m b i n a t i o no fh e c g e o r a st o s i m u l a t ei n u n d a t i o ni na r c g i si sn o to n l yp r o v e dt ob ef e a s i b l e ，b u ti nr e c e n ty e a r sa n u m b e ro fa u t h o r i t a t i v eo r g a n i z a t i o n sa b r o a ds i m u l a t e df l o o ds c e n a r i ob yt h i sm e a n s ， s oi tc a nb es a i dt h a tt h et e c h n i q u eh a sac e r t a i nl e v e lo fr e s e a r c h s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l e s ，f u n c t i o n a n d u s eo fh e c - r a sm o d e la n d h e c g e o r a sm o d u l ea r ei n t r o d u c e d ，a n dt h er o l eo f a r c g i si nf l o o ds i m u l a t i o n t h i r d l y , t h i sp a p e rs i m u l a t e sf l o o dd i s a s t e ro fh u a i n a nc i t y i nt h eg i s e n v i r o n m e n t ，i ti n c l u d e st w oa s p e c t s ：o no n eh a n d ，t h i sp a p e rs i m u l a t e so v e r t o p p i n g i n u n d a t i o nu n d e re x i s t i n gw o r kc o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n tc y c l e so fd e s i g nf l o o d ( 4 0 ， 6 0a n d10 0 - y e a r s ) ，a n dg e t sd i f f e r e n td e s i g nw a t e rl e v e lo fc r o s s - s e c t i o n s ，t h es c o p e o fo v e r t o p p i n gf l o o d , s u b m e r g e n c ea n do t h e rd a t a ；s e c o n d l y , o nt h eo t h e rh a n d ，t h i s p a p e rs i m u l a t e sf l o o dc a u s e db yd i k eb r e a ko ft i a n j i a a nd u a nu n d e rd e s i g nf l o o d l l i 1 1 1 我国历年洪水概述1 1 1 2 河流洪水灾害的种类3 1 1 3 城市洪灾的成因5 1 1 4 城市洪水灾害的影响6 第二节国内外研究现状一8 第三节主要研究内容1 4 第四节理论方法和技术路线1 4 1 4 1 理论方法1 4 1 4 2 技术路线16 第二章娅c r a s 软件和脏c g e o r a s 模块1 9 第一节h e c r a s 软件19 第二节h e c g e o r a s 模块3 0 第三节g i s 平台上的模拟分析3 0 第三章淮南市洪水灾害的模拟3 4 第一节淮南市基本情况3 4 3 1 1 自然概况3 4 3 1 2 社会经济概况。3 5 第二节淮南市洪涝灾害及防洪工程建设3 6 3 2 1 历年洪水灾害。3 6 3 2 2 淮南市防洪工程建设情况3 7 3 2 3 淮南市防洪规划的要求3 9 i v 3 4 6 模拟成果5 5 第四章城市洪水风险管理6 2 第一节淮南市防洪现状分析6 2 4 1 1 淮南市防洪存在的不足。6 2 4 1 2 防洪减灾的措施。6 3 第二节w m o 的洪水风险管理对策6 3 4 2 1 城市洪水风险的构成6 4 4 2 2 城市洪水风险的减灾措施一6 6 4 2 3 洪水风险管理的建议。7 2 第五章结论和建议。7 4 第一节结论一7 4 第二节展望和建议7 6 参考文献。7 8 8 ：2 ： v 的产物【l 】。目前对洪水尚没有统一的定义。现代地理学辞典把“洪水”定义为： “河流水位超过河滩地面溢流的现象的统称，常由出现洪水地区上游或当地的暴 雨或融水所致，常以人定的某一有影响水位为标准，越过这一水位则被定义为 洪水”。这个定义对于洪水灾害的研究具有较强的可操作性和适用性。 在遍及全球的各种自然灾害中，洪水灾害最为常见。即使在科技高度发达 的今天，洪水灾害依然是威胁人类生命安全和财产损失最大的自然灾害【2 j 。我 国是一个洪涝灾害频繁而严重的国家，自公元前2 0 6 年至公元1 9 4 9 年问，共发 第一章绪论 年，夏季南方的长江、北方的嫩江、松花江流域相继发生特大洪灾，受灾面积 达2 5 8 7 h m 2 ，受灾人口2 3 亿人，倒塌房屋5 6 6 万间，直接经济损失高达2 4 8 4 亿元。2 0 0 4 年9 月3 日，十年九旱的达州市遭受了百年不遇的特大暴雨洪灾， 造成5 个县城进水，水、电、气全部中断，达州城区最深进水8 r n ，此次特大暴 雨洪水造成2 7 0 个乡( 镇) 、4 0 5 0 5 万人受灾，因灾死亡7 0 人，直接经济总损 失高达6 l 亿元。2 0 0 7 年7 月中旬，济南市和重庆市各地普降暴雨，城市暴雨 引发特大山洪灾害，两市的城市暴雨造成1 0 3 人死亡或失踪【3 j 。武汉、西安、 郑州、杭州以及一些中小城市，也发生严重的过洪水灾害，严重影响了城市正 常的生产生活秩序。 表1 1 全国历年洪涝灾害损失统计( 1 9 9 0 2 0 0 8 年) 【4 ，5 ，6 ，刀 资料来源：水利部水利水电规划设计总院全国防洪规划，2 0 0 1 年9 月；国家防汛抗旱总 指挥部办公室；中国统计年鉴2 0 0 9 ，中国统计出版社 2 从水灾经济损失来图看，2 0 世纪9 0 年代我国水灾损失整体呈上升趋势， 但是，将水灾损失总值与国内生产总值相比之后，略有下降趋势，说明水灾损 失的增长与经济发展密切相关。然而，该比值高居0 3 2 3 8 4 之间，是美、 日等发达国家该项指标的3 2 0 倍，说明我国水灾对经济发展的影响要比发达国 家显著得多，防洪减灾工作有待大力加强，任重而道远。 1 1 2 河流洪水灾害的种类 洪水灾害的形成受气候、下垫面、地理位置等自然因素与人类活动因素的 影响。洪水可分为河流洪水、湖泊洪水和风暴潮洪水等。其中河流洪水依照成 因的不同，又可分作以下几种类型： ( 1 ) 暴雨洪水。它是由较大强度的降雨形成的，简称雨洪，就发生的范围、 强度、频次以及对人类的威胁性而言，中国大部分地区以暴雨洪水为主。我国 受暴雨洪水威胁的地区主要分布在长江、黄河、淮河、海河、珠江、松花江、 辽河等7 大江河下游和东南沿海地区。河流洪水的主要特点是峰高量大，持续 时间长，灾害波及范围广。近代的几次著名水灾，如长江1 9 3 1 年和1 9 5 4 年大 水、珠江1 9 1 5 年大水、海河1 9 6 3 年大水、淮河1 9 7 5 年大水等，都是这种类型 的洪水。 涨暴落的洪水。由于山区地面和河床 形成急剧涨落的洪峰。所以山洪具有 通常灾害波及范围较小。这种洪水如 舢舢姗 舢姗舢伽 。 第一章绪论 ( 3 ) 融雪洪水。多为季节性气温正常变化所引发的洪水，主要发生在高纬 度积雪地区或高山积雪地区，时间较有规律，有春、夏两次洪水期。 ( 4 ) 冰凌洪水。主要发生在黄河、松花江等北方江河上。由于某些河段由 低纬度流向高纬度，在气温上升，河流开冻时，低纬度的上游河段先行开冻， 而高纬度的下游段仍封冻，上游河水和冰块堆积在下游河床，形成冰坝，也容 易造成灾害。在河流封冻时也有可能产生冰凌洪水。 ( 5 ) 溃坝洪水。它是大坝或其他挡水建筑物发生瞬时溃决，水体突然涌出， 造成下游地区灾害。这种溃坝洪水虽然范围不太大，但破坏力很大。此外，在 山区河流上，在地震发生时，有时山体崩滑，阻塞河流，形成堰塞湖。一旦堰 塞湖溃决，也形成类似的洪水。这种堰塞湖溃决形成的地震次生水灾的损失， 往往比地震本身所造成的损失还要大。 从下表概括了上述五类河流洪水的各个基本属性特征。 表1 2 我国河流洪水的种类及特征 我国幅员辽阔，除沙漠、戈壁和极端干旱区及高寒山区外，大约2 3 的国 土面积存在着不同类型和不同危害程度的洪水灾害。如果沿着4 0 0 m m 降雨等值 线从东北向西南划一条斜钱，将国土分作东西两部分，那么东部地区是我国防 洪的重点地区。 此外，从洪水的重现期来看，根据我国洪水水情和防洪水平，一般将洪水 划分为5 级：一般洪水：重现期2 1 0 年的洪水；较大洪水：重现期1 0 - 2 0 4 第一章绪论 年的洪水；大洪水：重现期2 0 5 0 年的拱水；特大洪水重现期5 0 1 0 0 年的 洪水；罕见的特大洪水重现期为1 0 0 年及以上的洪水【8 】。 1 1 3 城市洪灾的成因 近年来，由于社会经济的发展，生产力水平的提高，社会财富和人口不断 向城市集中，城市洪灾损失呈不断增长趋势。城市是国家和地区的政治、文化 经济中心和重要的交通枢纽，在整个国民经济中具有举足轻重的地位，其影响 自然比一般地区重要，因此研究城市的洪水灾害有重要意义，而且对于地区和 国家的经济发展具有重要作用。城市洪水灾害的成因主要有以下4 点： ( 1 ) 城市地理位置因素。我国有十分之一的国土和1 0 0 多座大中城市地面 高程在江河或潮位以下，易遭受洪水的危害。我国有1 8 0 0 0 余千米的大海海岸 线和数千个大小岛屿，7 0 以上的城市、5 8 的国民经济收入和绝大数经济开 发区分布在沿江、沿海地区。另外，我国还有许多城市位于山坡下，易于遭受 山洪和泥石流的灾害威胁。 ( 2 ) 城市聚集因素。城市，是现代文明的象征，已成为现代社会的政治、 经济、文化、教育、信息、商贸和交通中心，人口和财富的聚集地。随着城市 化进程的不断发展，城市数量不断增加，城市规模不断扩大，人口、财富不断 向城市聚集。城市聚集性使同样的洪水造成的损失变得更大。 ( 3 ) 城市环境因素。城市的发展改变了原来的水文环境，加重了城市洪水 灾害。绿地和自然土壤下垫面条件逐渐减少，取而代之的是水泥路面、广场以 及密集的房屋，绿地面积越来越少，不透水面积增大，使得雨洪下渗率降低， 雨水汇集加快，加上河湖坑塘被填，蓄水面积减少，导致地面径流增加。城市 化的结果也造成了“热岛效应，气温上升，增加了暴雨出现的几率和强度，增 加了发生洪水灾害的概率。许多城市由于地下水过量开采，形成严重的地面沉 降，一些煤炭城市由于开采煤炭造成许多塌陷，这些也加重了城市洪水灾害。 一些城市因对水土保持工作重视不够，造成山体滑坡、泥石流以及河道堵塞， 洪水灾害越来越严重。 ( 4 ) 我国城市的防洪能力较低。全国( 未计港澳台地区) 有防洪任务的城 市6 4 2 座，其中已有1 7 7 座城市达到国家防洪标准，占全部有防洪任务城市总 数的2 8 ；另有4 4 0 座城市制定了防洪规划，占全部有防洪任务城市的6 9 。 5 第一章绪论 全国还有4 6 5 座城市低于国家规定的防洪标准，占总数的7 2 。特别是非农业 人口在1 5 0 万人以上的1 6 座大城市中，只有2 座达标。在所有有防洪任务的城 市中，防洪标准低于1 0 年一遇的城市有1 3 4 座，占城市总数的2 1 ；防洪标准 在l o 年一遇 - 2 0 年一遇的城市有1 7 2 座，占2 7 ；防洪标准在2 0 年一遇5 0 年一遇的城市2 3 9 座，占3 7 ；防洪标准在5 0 年一遇1 0 0 年一遇的城市有7 9 座，占1 2 ；防洪标准在1 0 0 年一遇以上的城市有1 8 座，仅占3 t 9 。 全国8 万多座水库个有四分之一的大中型水库、五分之二的小型水库属于 病库、险库【l o l 。由于城市的扩大、人1 3 的增加和经济的发展，同样的洪水灾害 所造成的损失较过去几倍甚至几十倍的增加。 ( 4 ) 其他因素。城市洪水灾害还受其他诸多因素的影响。如全球气候变暖 引起海平面上升，同时还会引起许多入海河流水位的上升，将会增加许多沿海、 江河城市的洪水威胁，增加现有洪水风险；另外，人类不合理的江河开发也会 造成城市洪水的风险增加。 1 1 4 城市洪水灾害的影响 洪水灾害是可持续发展的重要制约因素，严重影响国家或地区的生态环境、 经济和社会的持续发展。随着城乡社会发展和人民生活水平提高，洪水灾害造 成的损失越来越大，成为影响我国经济发展和社会安定的一大问题。本文就洪 水灾害对自然生态、社会、经济、政治等方面的影响进行简要分析。 ( 1 ) 经济方面 洪水灾害不仅对受灾地区人民的生命、经济财产、收益状况产生巨大的破 坏作用，而且会影响到整个国家或地区的经济稳定性，给经济发展带来了极大 的消极影响。对经济的影响主要包括：一是对农业的影响。洪水灾害常常造成 大面积农田被淹，作物被毁，使作物减产甚至绝收，据统计：1 9 5 0 年 - - 2 0 0 0 年 的5 1 年中，全国平均农田受灾面积9 3 7 万公顷，成灾5 2 3 万公顷【1 l 】；二是对 交通运输的影响。每年汛期各类洪水灾害对铁路正常运输和行车安全构成很大 危害，据报道：因洪灾造成铁路中断、停止行车的事故是很严重的，长江流域 第一章绪论 1 2 4 2 座小型水库垮坝、水毁堤防3 6 3 8 8 2 4 千米 1 2 】。四是对城市和工业的影响。 由于城市资产密度高，对供水、供电、供气、交通、通讯等系统的依赖增大， 一旦遭受洪水袭击，损失较为严重，统计数据表明，一些经济较发达的沿海省 份，城市与工业的水灾损失已经占到水灾总损失的6 0 以上。 ( 2 ) 社会方面 洪水灾害导致人类生存条件破坏，直接影响洪泛区的人们。另外，洪水淹 没导数房屋倒塌，居民流离失所，频繁受淹将引起居民的迁移，从而产生居民 生活空间变化及可能的民俗变化。同时，洪水灾害使广大群众的生活遇到极大 的困难，精神上受到沉重的打击，出现恐惧思想，对恢复丧失信心，夸大灾情， 单纯依赖政府和外界救济，大大降低了生产积极性致使洪泛区经济发展滞后， 形成脆弱的社会环境，洪灾自救能力减弱，打乱了正常的社会铁序，冲击社会 的各个方面，甚至引起社会动荡。 ( 3 ) 生态环境方面 随着洪水的发生，将会产生水土流失、泥石流、滑坡及岩崩等伴生灾害。 洪水从上游带来的大量砂石流，使下游的农业耕地遭到大量泥沙石的淹盖，破 坏了该地区的生态平衡，影响了农业生产的发展：洪水泛滥以后，土壤经大水 浸渍，地下水位拾高，其中所含大部分碱性物质被分解，随着强烈蒸发，大量 盐分被带到地表，使土壤盐碱化，对农业生产和生活环境带来严重危害；洪水 泛滥引起水环境的污染，包括病菌蔓延和有毒物质扩散，使水质恶化、卫生标 准大大降低，直接危及人民健康；洪水决口泛滥，泥沙淤塞，对河道功能的破 坏极其严重，尤其是河流泛滥改道，对水系的破坏范围极广，影响深远。 ( 4 ) 政治方面 洪水灾害对国家政策有很大的影响。洪水灾害导致经济收人降低，洪水灾 害影响区的税收减少，恢复生产重建家园的重要任务迫使政府投人大量的财政 经费，影响国民财富的积累及重新分配。此外，洪水灾害还影响着政府的防洪 政策。政府通过各种立法以及各种行政措施，限制洪泛区的不合理开发，实行 有效的洪泛区管理。同时通过各种防洪措施保护洪泛区的经济发展，鼓励投资， 使原本的洪泛区变为经济开发区。两者取决于洪水对该地区的可能影响程度。 洪水灾害损失逐年增加的同时，使国家的防洪战赂从采用控制性措施转向 采用综合利用控制性措施和减缓性措施，寻求技术上、经济上、环境上可行的 方案。 7 第一章绪论 第二节国内外研究现状 对于洪水灾害的模拟分析，最为重要的是利用水力学数学模型模拟洪水的 二维演进。数学模型是将已知的水动力学的基本定律用数学方程进行描述。在 一定的定解条件( 初始条件和边界条件) 下求解这些数学方程，从而达到模拟某 个水动力学的理论问题或工程实际问题。 目前，我国水利工程中模拟洪水灾害场景的工具通常通过购买国外昂贵的 商业软件，进而模拟实现，如丹麦水力研究所( d a n i s hh y d r a u l i ci n s t i t u t e ，简称 d h i ) 的m i k e 、美国b r i g h a m 大学环境模型研究实验室研发的s m s ( s u r f a c e w a t e rm o d e l i n gs y s t e m ) 、荷兰d e l f t 水力研究所开发的d e l f t 和s o b e k 等。 这一类的文献包含：张晓日斤【1 3 】等人以北京奥运会公园区为研究对象，收集相关 资料，建立基于a r c g i s 平台的雨水系统g e o d a t e b a s e 数据库，利用丹麦d h i 的m i k e 系列模型中的u r b a n 、m i k e l l 、m i k e 2 1 以及m i k e f l o o d 等模块，构建 雨水径流、雨水管网、河道系统、地面二维漫流的耦合模型，研究不同降雨重 现期情景下，奥运会公园区的可能积水风险。王炜1 1 4 j 将d e l f t 3 d f l o w 应用于 太浦河洪泛区的二维洪水演进数值模拟，采用以侧堰堰流为基础的溃堤模型进 行堤坝溃决分析，与一维模型相衔接，并将洪水数值模拟的结果与a i c g i s 软件 相结合，绘制了洪水风险图，对洪水造成的损失亦做了初步评估，为区域开展 防洪减灾工作提供了决策支持。周游【l5 】利用m i k e1 1 建立辽河河道洪水演进一 维水动力模型，通过对历史洪水的模拟计算确定模型中重要的糙率参数，模拟 计算不同频率的洪水对辽河堤防的影响，分析预测容易发生险情的断面位置以 及堤防在不同频率洪水下的风险级别。王领元【1 6 】应用丹麦公司的m i k el l 水动 力学模块，计算碧流河2 0 年一遇洪水加年大潮和2 0 年一遇加历史大潮两种工 况，另外通过m i k e2 1 水动力学模块对经典的部分二维溃坝进行了数值模拟， 得到了河流的流畅、等深线等一些可视化的结果。陈建峰等人【1 7 】介绍了 h e c r a s 模型的组成和功能，探讨了其运行方式，并以黑河为例，模拟该河流 金盆水库坝址至入渭河口的河道洪水( p = l ) 水面线。王洪梅i i s 通过对松花江 流域的污染状况的分析，对流域的河道水系进行概化，建立一维水量水质数学 模型，利用s o b e k 进行求解，并率定和验证模型。 除此之外，国内部分学者通过自主研发模拟平台实现洪水灾害的模拟。这 一类的文献有：钟力云【1 9 】采用三级解法和简化有限体积法分别建立了一维河网 8 第一章绪论 非恒定流模型和二维漫顶计算模型，利用模型对温州市某个时间的暴雨洪水过 程进行了模拟。王立辉【2 0 】根据间断有限元法的基本原理，构建了求解一维浅水 方程的计算格式。采用o s h e r 格式，应用线性最d x - - 乘法重构计算参数，构建 适于模拟溃坝洪水演进的有限体积数值计算方法，建立了在d d u n a y a 三角形网 格上的计算模型，在此基础上模拟二维溃坝洪水演进以及进行溃坝风险分析。 张秋霞和王义成1 2 1j 基于流域2 0 md e m 数据和实测流量资料，利用自行开发的 二维洪水淹没模拟模型对北京雁栖河下游河道在设定频率下洪水淹没情况进行 了模拟，采用n a s h s u t c l i f f e 系数对模型模拟水位结果进行了验证，结合g i s 技 术对模拟范围、模拟水深、淹没土地进行了分析。吴迪军等人【2 2 j 建立了基于圣 维南方程的河道洪水演进的水动力学模型，在m a t l a b 环境中，采用库朗格式的 特征线方法对基本方程进行数值求解，得出水位和流量沿河道的时空变化关系， 在此基础上进一步研究了基于g i s 的洪水演进可视化方法。祝红英等人1 2 3 j 基于 d e m 格网模型，通过改进迭代种子蔓延算法，实现给定水深情况下洪水淹没区 的计算模型，讨论洪水淹没演进过程可视化实现的关键技术，并使用a r c e n g i n e 开发包进行二次开发，以二维和三维两种可视化方式，动态而形象地模拟在指 定洪水水位下的洪水淹没演进过程。孙秀丽等人【2 4 】建立了一种溃坝洪水模拟的 一维、二维耦合模型，采用交错网格、线性递推、交替隐格式求解，并运用此 模型对某水库溃坝洪水进行模拟，对溃坝洪水向下游推进过程、以及洪水漫堤 后向下游城镇的演迸过程进行水动力学模拟，得出水位和流速的沿程分布，实 现水流的快速预报。张防修【2 5 】建立复式河道一维非恒定流数学模型，采用四点 线性隐格式离散圣维南方程组，针对洪水漫滩或退水瞬间断面宽度突变的情形， 在动量方程中采用行洪河宽对主槽河宽进行修正，应用该模型对黄河下游白鹤 一孙口河段洪水演进进行模拟。王志力等人【2 6 】使用r o e 类型的近似r i e m a n n 解 计算界面的通量、m u s c l 重构和两步r u n g e 2 k u t t a 法，建立了非结构化网格 的二维浅水方程的高精度、高分辨率数值模型，并应用此模型对9 8 年胖头泡分 滞洪区分洪过程进行模拟，获得滞洪区不同时段的淹没范围和淹没水深。张新 华等人【2 7 利用二维浅水波方程，提出了基于有限差分格式的数值模拟模型，通 过在日本富士川流域内甲府盆地的应用，建立起了二维溃堤洪水在都市区淹没 过程的计算机模拟模型。李天文等人【2 8 】基于数字高程模型的栅格结构，以渭河 下游洪水淹没数据为基础，依据无源淹没和有源淹没的原理，并结合e r d a s8 5 的虚拟g i s 模块实现了无源淹没的三维可视化模拟。李云等人【2 9 】以淮河临淮岗 9 第一章绪论 洪水控制工程为研究对象，建立一、二维洪水演进嵌套数学模型，分别采用剖 开算子法和特征线解法进行离散和圣维南方程组的求解，并在三维g i s 软件 v r m a p 2 0s d k 平台下开发了一套大型行蓄洪区防洪减灾决策支持系统软件，实 现了防洪工程枢纽建筑物及其场景查询、洪水淹没过程显示、建筑物破坏程度 直观表现的等一系列功能。张红萍【3 0 】建立了蒙洼蓄滞洪区二维非恒定流不规则 网格洪水计算模型，模拟蒙洼蓄洪区内洪水淹没过程，分析蓄洪区内洪水风险。 马建明等人【3 l j 在原有中国水利水电科学研究院研出的基于二维不规则网格和有 限体积法的二维水动力学模型软件的基础上，基于n e t 平台，使用c 撑语言， 研发了二维洪水演进模拟的洪水风险分析平台，结合沂河左堤洪水风险图编制， 对平台进行了测试和应用，对该类型洪水风险图的编制进行了探索。苏布达等 人p 2 1 以g i s 栅格数据为基础，建立了二维水动力洪水动态演进模型，并以湖北 省荆江分洪区为研究对象，在数字地形模型和l a n d s a te t m 遥感影像等数据的 基础上，根据分洪区1 9 5 4 年分洪情况和规划运用设计，模拟了不同分洪方案 下的洪水淹没范围、水深和相应的洪水淹没地物面积及其可能损失等。 国外对此也颇有研究，例如：英国的m s h o r r i t t 和p d b a t e s 3 3 j 运用l d 和2 d 的水力模型( h e c r a s ，l i s f l o o d f p 和t e l e m a c 2 d ) i 贝e j 验英国境内 一条6 0k m 长的s e v e m 河流在1 9 9 8 和2 0 0 0 年时发生的洪水事件。通过与实际 统计结果相比较发现，眦c r a s 和t e l e m a c 2 d 模型能够给出理想的洪水淹 第一章绪论 表1 3 存储单元法和水力模型在模拟洪水淹没时的差异对比，越往下模型的复杂性越高 第一章绪论 g a r e t hp e n d e r 等人【3 6 1 于2 0 0 7 年在其文章中归纳了用于分析洪水风险管理 的模型，包括：一维( 1 d ) 和二维( 2 d ) ，此外还有1 d + 、2 d 等，如下表所示。 表1 4 洪水风险管理的模型 1 2 第一章绪论 求解三维雷诺兹 3 d 平均n a v i o r s t o k e s 方程组 c f x ，f l u e n t , p h e o n 局部预测主河道 和漫滩地的三维流速场。 综上所述，通常很难将这些商业软件或自主研发的模拟平台推广到工程应 用和科研领域中，制约了工程的应用发展。对于洪水场景的模拟，本论文借助 h e c r a s 模型和g e o r a s 模块，在g i s 平台上模拟出不同洪水设计流量条件 下的洪水漫顶淹没情况以及溃堤后的淹没场景。 从资料和文献中可以看出，国内开展h e c r a s 模型的研究并不多，而且 只是软件的一些简单应用( 比方蔡新明、姜志浩、陈建峰等人的研究 3 7 , 3 8 , 1 7 ) ， 跟国际上的相关研究机构或组织相比，还有较大的差距。在台湾，h e c r a s 软 件应用地比较广泛，比如：汤嘉芸等人运用f l o 2 d 模式和h e c g e o r a s 模式 模拟敏督利台风所带来的暴雨在南湖当地造成的洪水现象，发现髓c g e o r a s 模式可模拟输出每一个小时的淹没范围、水深、可更清楚地观察洪范区水位的 历史变化【3 川；吴辉龙等人结合h e c r a s 模式与g i s 模式模拟筏子流发生洪灾 时的情况 4 0 1 。近几年来，国外借助h e c r a s 软件和g e o r a s 模块分析河道洪 水的项目或文献也不少，而且软件应用的广度和深度都要明显超出国内水平。 例如：联合国教科文组织( u n e s c o ) 下属的水灾害风险管理中心( i c h a r m ) 于2 0 0 8 年应用h e c r a s 软件和g e o r a s 模块对尼泊尔b a n k e 流域的洪涝灾害 进行了模拟分析【4 l j ；m r k n e b l 等人于2 0 0 5 年运用h e c h m s 和h e c r a s 两 款软件对s a na n t o n i o 流域进行了洪水的模拟研究1 4 2 j ；el u i n o c gc i r i o m b i d d o c c u a a g a n g i d e n g t 等人于2 0 0 9 年将h e c r a s 软件作为河道一维恒定流 模拟的工具来评估洪水带来的影响【4 3 1 ；美国陆军工程师团( u s a r m yc o r p so f e n g i n e e r s ) 于2 0 0 8 年使用h e c h m s 和h e c r a s 两个软件对夏威夷岛上e l u a 水库做了溃坝分析，模拟出下游洪水的淹没情况洲；美国f e m a ( 联邦应急管 理署) 分别于1 9 9 7 年、2 0 0 0 年和2 0 0 2 年将h e c r a s 模型应用于洪水保险的 领域，效果较好【4 5 1 。因此，将h e c r a s 模型和g e o r a s 模块结合起来，实现 洪水淹没场景的二维模拟是非常可行的，而且也具备相当的研究水准。 1 3 第一章绪论 第三节主要研究内容 淮南市国家第一批公布的2 5 座重点防洪城市之一，该市位于淮河中游的皖 境，地跨淮河两岸，是建国初以开采煤矿而设立的市。 结合淮南市的防洪规划标准及要求，本论文的研究内容为： ( 1 ) 在g i s 环境中，模拟在现有工况条件下不同洪水周期( 4 0 年、6 0 年、 1 0 0 年一遇) 所造成的洪水漫顶淹没情况，主要信息包含：洪水漫顶淹没的水 深和淹没面积。 ( 2 ) 在g i s 环境中，模拟百年一遇洪水周期下，田家庵段堤坝于不同时刻 发生溃堤造成的洪水淹没情况，主要信息包含：溃堤造成的洪水淹没的水深和 淹没面积。 ( 3 ) 在模拟结果的基础上分析淮南市防洪现状，指出不足之处，同时还介 绍了国际气象组织提出的“城市洪水风险管理”概念。 1 4 1 理论方法 第四节理论方法和技术路线 国外从维数的角度将洪水模拟的方法归为7 类( 详见表1 4 ) 。其中，对于 l d 方法而言，它假定水流是位于与主河道中心线对齐的一个一维空间中。模型 中的几何形状是河道和漫滩横截面与通道中心线相垂直。横截面之间距离的测 量也需要由计算机模拟得到。对河流沿岸水位和流量的变化的预测是通过求解 s t v e n a n t 方程组的获得的。 其中，体积守恒方程为： _ a q + 丝：口( 1 一1 一)+ 2 口 i j 礅西 动量守恒方程为： 署+ 昙( 等卜罢一g 掣+ g 扣删 2 ， 这些方程模拟了洪水不稳定行为的同时还考虑了纵向静压力梯度以及水流 与河道地基之间的摩擦阻力。在模拟洪水淹没的过程中，通常采用有限差分法 1 4 第一章绪论 求解这些方程组。 在这种模型中，漫滩淹没的预测被看成是求解s t v e n a n t 方程组的一个主要 部分，该方法适用于有限的横向尺寸和没有被岸堤从主渠道上分开的洪泛区。 该技术存在一定的缺陷，那就是漫滩水流被假定在与主渠道平行的一个方向上， 并且所有的动量和质量传递都是沿着河道方向的。这显然不适用于有通过滩区 的复杂水流路径存在的情况。 在l d + 方法中，漫滩是以水库和漫滩蓄水单元( f s c s ) 的形式建模的，其 横向水位超过蓄水单元表面。f s c 的几何形式是利用水位和规划面积的关系定 义的。f s c 中的漫滩水位与主河道的水位是相联系的，利用所谓的溢出单位， 也就是模拟河流与f s c s 之间以及f s c s 之间的水流变化。河流与f s c s 之间以 及f s c s 之间溢出单位的水位变化可以使用以一堰流方程为基础的偿还关系来 估计。每个f s c 的水位可以通过使用体积守恒计算出来。与一维方法不同，1 d + 不认为水流是平行于主渠道流动的，但f s c 的计算动量是不守恒的。这使得水 能够瞬间转移通过f s c ，这在某些情况下会导致模拟问题。有一些商用的河流 模型软件包支持1 d 和1 d + 的方法。 基于2 d 浅水方程组来预测洪水淹没的模型被归类为2 d 方法，在二维空间 尺寸中求解水深和平均水深流速。这些可以以保守的形式表现为： 一o u i 望i 箜：h 4 - 4 -( 1 3 )= i_j a t 瓠 却 u 吲一 g = h v h u v h 2 ， g t + 枷2 办甜 g 笙+ 砌2 g 了+ 力材 h u v ，h = o g h ( s o ，一) 咖( 岛，一) ( 1 4 ) 可以通过各种数值方法( 比方，有限差分法、有限元或有限体积)