廣東省沿海平原中小河流淹沒圖編制方法初探

葉志恒，陳丕翔，鐘偉強，張曉艷，苗 青，王 揚，楊海東

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，南京 211106)

1 概述

廣東省全境位于20°09′—25°31′N和109°45′—117°20′E之間，屬熱帶和亞熱帶季風氣候，毗鄰南海[1]。廣東省沿海中小河流蜿蜒曲折，河口附件水系交錯河網密布，部分流域甚至無明顯分水嶺。省內流域面積在200～3 000 km2獨流入海中小河流89條[2]。集雨面積大于1 000 km2的獨流入海的河流有黃崗河、榕江、練江、龍江、南渡河、黃江等12條河流。目前廣東省沿海中小河流中以防洪功能為主的大型水庫修建較少，防洪目前仍主要靠堤圍防護。

中小河流洪水災害是當前嚴重的自然災害之一[3]，2020年廣東省因洪澇災害受災人口達22.6萬余人，直接經濟損失高達40.30億元[4]。洪水淹沒圖作為防洪減災重要非工程措施對增強群眾隱患意識、制定科學的防洪決策和洪水災害應急預案、規范土地利用與管理等具有重要的指導意義[5]。

廣東省沿海中小河流源頭段地處山丘區，兩岸堤防分布較少，下游河段地處平坦網河區，兩岸居民分布較多，多數河段已建堤防，部分河段已形成閉合堤圍。廣東省沿海中小河流呈現上游河段比降較大，洪水匯流時間快，下游比較平緩，水動力嚴重不足的特性。受上游徑流和下游潮汐頂托，加之部分民房臨河修建阻礙行洪，使得下游河段存在較大的洪澇災害隱患。本文基于《山丘區中小河流洪水淹沒圖編制技術指引》，結合沿海平原中小河流特征，通過總結烏坎河淹沒圖制作經驗，探討一種適用于我省沿海平原河流洪水淹沒圖制作方法。

2 方案制定

2.1 資料收集

根據《山丘區中小河流洪水淹沒圖編制技術指引》收集區域內水文氣象、行政邊界、水利工程調度規則、社會經濟、相關規劃和遙感影像圖等相關資料。

2.2 地形數據處理

基于5 m空間分辨率的DEM數據和實測河道地形，運用Gis技術將河道地形與DEM地形合并，針對需要計算的河段快速提取河道橫斷面，并結合現場實際情況進行修正，進而獲得河道及灘地地形。在此基礎上，將河道地形與DEM地形合并，獲得可供計算采用的地形。

2.3 設計洪水

對于已有設計成果或實測資料的河流，需復核后采用。無已有成果，有實測資料的采用頻率分析法、水文比擬法等方法計算，確定最終成果。無設計成果，且無實測資料的流域面積小于1 000 km2的河流，采用《廣東省暴雨參數等值線圖》(2003年)及《廣東省暴雨徑流查算圖表》分析設計暴雨，同時采用廣東省綜合單位線法和廣東省推理公式法由暴雨資料推求中小流域設計洪水。無設計成果，無實測資料的流域面積大于1 000 km2的河流，進一步考慮暴雨的空間分布，一般采用水文比擬法進行計算。

2.4 洪水模擬

2.4.1模型構建

根據《山丘區中小河流洪水淹沒圖編制技術指引》對于山丘區中小河流，可采用一維恒定均勻流進行計算，該方法對于山丘區河流淹沒圖的編制具有效率高、準確度可靠等優點[6]。對于廣東省沿海平原中小河流而言，河流兩岸地勢平坦，采用一維恒定均勻流計算無法模擬河灘地水流流向和流速，且無法保證洪量平衡，導致淹沒范圍嚴重失真。

本次針對廣東省平原中小河流的特性，采用Mike21軟件建立二維非恒定流模型計算。模型范圍一般以河岸線外擴5～10 km，淹沒模型采用不規則網格，其中河道內網格尺寸為5～20 m，河岸網格最大面積不超過0.01 km2，分布有房屋等建筑物的，采用相關方法，考慮網格區域內建筑物的影響。

2.4.2模型范圍

結合《山丘區中小河流洪水淹沒圖編制技術指引》要求，計算上邊界原則上按基于面積200 km2的河道斷面作為起點，由于廣東省沿海平原中小河流流域內通常村莊密布，為更全面凸顯洪水風險，計算以河道最上游村莊斷面為計算起點，以入海河口為計算終點建立模型。

2.4.3計算工況

根據《山丘區中小河流洪水淹沒圖編制技術指引》要求，中小河流洪水淹沒需計算P=1%，P=2%、P=5%、P=10%和P=20%五種頻率洪水。對于沿海山區中小河流獨流入海河流，洪水計算時需考慮洪潮遭遇。參考《珠江三角洲洪潮特性及其遭遇分析》[7]，洪水與潮水為2個獨立事件，其遭遇是隨機的[8]。因此，對于獨流入海的中小河流計算工況需考慮以上游洪水為主，下游潮水相適應和已下游潮水為主，上游洪水相適應的2種工況，總計10種頻率，最終計算結果取2種工況的外包成果。

2.4.4計算邊界條件

上游流量邊界采用設計洪水計算成果，區間洪水以區間入流方式考慮。下邊界根據計算工況確定，以洪為主時采用多年平均高高潮水位，以潮為主時采用對應頻率設計高潮位。

2.4.5糙率選取

參照沿河村落、集鎮和城鎮等保護對象所在河流的溝道形態、床面粗糙情況、植被生長狀況、彎曲程度以及人工建筑物等因素選取糙率，對于有實測水文資料河流，通過歷史文獻、水文站實測值或已批復設計成果進行率定，對于無實測資料河段造綠選取可參考表1[9]。

表1 糙率取值

2.5 淹沒分析

采用二維水動力模型計算的河流僅需通過Arcgis刪選出淹沒網格區，確定淹沒影響范圍，統計不同淹沒水深所對應淹沒程度?；谘蜎]范圍，通過Arcgis統計人口、社會經濟、房屋和土地4類承災體情況。

2.6 淹沒圖制作

基于衛星影像圖，添加研究對象流域內河流水系、道路等交通設施、行政區劃、居民區范圍、河流流向、保護對象在全流域的地理位置等，以及編制單位與編制時間、圖名、圖例、比例尺、指北針等輔助信息，從而形成洪水淹沒基礎底圖模板。在洪水淹沒基礎底圖的基礎上，將洪水淹沒計算分析成果整合至基礎底圖上，其核心信息包含各級洪水頻率和工程超標準洪水工況下淹沒范圍、淹沒水深以及淹沒影響。

3 典型案例

3.1 流域概況

烏坎河是陸豐市獨流入海的河流，發源于陸豐市羅經嶂，全長約48 km，流域面積約568 km2，年徑流量為6.93億m3。流域內人口約30萬人，可耕地面積約26萬畝。河道兩岸建有50年一遇堤防3處，20年一遇堤防5處，10年一遇堤防1處，已建堤防總長度為63.36 km。河口上游約23 km處建有八萬河水閘，以水閘為節點，上河段河流位于山丘區，比降較大，河面較窄，河道兩岸多為山體，水閘下游河段表現出平原河道特性，河道寬闊，比降較小，河網密布，河道兩岸地勢平坦。

3.2 邊界條件

烏坎河為獨流入海河流，本次計算考慮以洪為主和以潮為主2種工況。流量邊界根據《廣東省暴雨等值線圖》，采用查圖法得到設計暴雨成果，并采用《廣東省暴雨徑流查算表》中的綜合單位線發計算得到各洪水頻率條件下設計洪水。以洪為主工況采用不同頻率設計洪水流量遭遇下游多年平均高高潮水位；以潮為主工況采用2年一遇設計洪水流量遭遇下游不同頻率設計高潮位(見表2)。

表2 各頻率邊界條件及流量(1985國家高程)

3.3 模型構建

根據《山丘區中小河流洪水淹沒圖編制技術指引》以中小河流所在流域為單元，將兩岸有人居住或農田等防洪保護對象的河段確定為計算范圍[10]。烏坎河沿岸保護對象主要為沖橋鎮、博美鎮、內湖鎮和八萬鎮，根據防洪保護對象確定本次模型上游計算起點位于陸豐市八萬鎮人民鎮府上游2.5 km，計算終點為烏坎河入海河口。烏坎河流域處于黃江流域和鰲江流域之間，流域之間分水嶺不明顯。為保證淹沒區域全覆蓋，本次模型建立以河岸線向外擴8 km為邊界，模型總面積320 km2。河道內最大網格尺寸為15 m，河岸最大網格網格尺寸100 m，其中河岸網格尺寸與距河道距離成正比，總計網格101 625個。地形數據基于5 m×5 m的DEM高程數據，嵌套河道實測地形，采用泛克金差值法將地形數據賦值于網格(見圖1)，河道內水閘、堤防以水工建筑物的形式添加至模型。

圖1 烏坎河模型范圍示意

3.4 模型驗證

主河槽糙率取值0.025～0.033，河灘地糙率取值0.035～0.040，河岸糙率取值參考表1，計算考慮干支流匯入。烏坎河流域建有博美水文站，采用該站點實測水位流量關系進行對比分析。由于本次計算流量值大于實測值，但計算值與站點值趨勢線較為吻合(見圖2)，故認為本次水動力模型計算結果基本合理，可用于本次淹沒圖編制。

圖2 計算值與站點實測值驗證示意

3.5 淹沒圖制作與分析

將二維模型計算結果與基礎數據疊加渲染，得到不同洪水頻率下烏坎河洪水淹沒圖(見圖3)。當發生5年和10年一遇洪水時，淹沒范圍基本位于河槽內，當發生20年～50年一遇洪水時，部分農田村莊淹沒，當發生100年一遇洪水時，堤防出現漫堤現象，淹沒范圍較大，表明此次淹沒范圍成果合理。當烏坎河流域發生5年、10年、20年、50年和100年一遇洪水工況下，研究區域內受淹沒面積分別為14.88 km2、16.43 km2、20.13 km2、56.39 km2和111.95 km2，城鄉建設用地占比分部為0.94%、1.03%、1.12%、8.02%和13.15%。隨著洪水量級的增大，淹沒范圍和城鄉建設用地占比呈現爆發式增長。

圖3 烏坎河干流洪水淹沒示意

八萬河水閘上游段呈現山丘區中小河流特性，下游河段呈現出平原型中小河流特性，本文以水閘為節點，分別統計水閘上、下游河段淹沒面積(見圖4)。不同洪水頻率下，下游河段淹沒范圍遠大于上游河段，其中100年一遇工況下下游河段淹沒面積為上游河段的11.3倍，可見平原型中小河流淹沒影響范圍相較于山丘區中小河流更廣。對比水閘下游河段50年一遇和100年一遇2種洪水頻率下淹沒特征可知，50年一遇洪水主要淹沒范圍為河段左岸及右岸的博美鎮，陸豐市區段因堤防修建可抵御50年一遇洪水；100年一遇洪水為超標準洪水工況，其淹沒范圍為50年一遇洪水的2.2倍，陸豐市區大面積受淹，可見堤防修建是平原中小河流防洪減災的重點環節。

圖4 八萬河水閘上、下游洪水淹沒情況示意

針對平原中小河流淹沒特性，本文建議采取以下針對措施：① 對于相對開闊的河段可以考慮按照不同的防洪標準，分級建設堤防，留出更多的行洪通道，更科學有效地防御洪水[11]；② 根據流域地形地貌及水文條件，盡可能興建防洪控制性水庫以調節干流洪峰，減少平原河段防洪壓力；③ 基于現有的河道管理范圍線，對河湖“四亂”進行徹底清拆[12]。

4 結語

本文以粵東沿海平原型中小河流為研究對象，在充分考慮河流特性的基礎上，結合《技術指引》，以烏坎河為例介紹了淹沒圖制作過程中模型建立、淹沒分析等內容，探討了沿海平原型中小河流洪水淹沒圖制作方法，并得到如下初步認識：① 根據廣東省沿海平原中小河流特性，計算范圍始于上游村落止于入海河口，模型范圍以河岸線外擴5～10 km為宜；② 為較為準確模擬洪水演進，模型計算應采用二維非恒定流方法進行模擬；③ 淹沒圖編制需考慮以洪為主和以潮為主2種工況下，并取2種工況外包成果作為最終成果。