基于TUFLOW模型的洪水實時預(yù)測預(yù)報技術(shù)研究與實踐

楊 宇，王 喆，劉貞鵬，劉 艷

（1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530216；2.廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023；3.廣西民族大學(xué)，南寧 530006）

1 概述

我國是世界上發(fā)生洪水災(zāi)害最頻繁的國家之一。2021年，主要江河共發(fā)生12次編號洪水，全年洪澇災(zāi)害共造成5 901 萬人次受災(zāi)，因災(zāi)死亡失蹤590 人，倒塌房屋15.2 萬間，直接經(jīng)濟損失2 458.9億元。發(fā)生洪水淹沒或人員受困主要是由于無法提前預(yù)知哪些區(qū)域?qū)⒈缓樗蜎]及淹沒的時間。為了解決這一問題，我研究團隊基于TUFLOW模型技術(shù)，通過綜合分析區(qū)間降雨、上游來水等洪水匯流過程，土壤下滲、河道排洪等洪水下泄過程，開展對區(qū)域內(nèi)洪水分布及淹沒時間的實時預(yù)測預(yù)報技術(shù)研究工作。經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)采用直接降雨法一二維耦合洪水模型技術(shù)，將整個流域或者城市城鎮(zhèn)的匯水區(qū)劃分為5～30 m的二維小網(wǎng)格，同時利用計算機并行計算技術(shù)，能夠提前45分鐘以上預(yù)測出有受洪水淹沒威脅的區(qū)域位置，從而為水利部門、應(yīng)急部門開展人員轉(zhuǎn)移提供技術(shù)支撐。

2 模型框架與原理

本次研究主要是為提升昭平縣洪水實時預(yù)測預(yù)報能力，針對昭平縣主城區(qū)范圍建設(shè)洪水實時預(yù)報模型，在已知桂江和思勤江來水條件下能夠預(yù)報流經(jīng)該區(qū)域的洪水量級及其淹沒影響。

2.1 模型框架

此次研究采用TUFLOW 軟件為基礎(chǔ)進行二次開發(fā)，通過構(gòu)建一、二維耦合洪水模型，實現(xiàn)洪水模型生成及洪水匯流下泄過程監(jiān)測、洪泛區(qū)平原與河流洪水分析、河口水流和水質(zhì)模擬。

2.2 計算原理

模型計算原理介紹如下。

2.2.1 TUFLOW一維水動力學(xué)模型

TUFLOW 一維水動力學(xué)模型求解的基本方程為圣維南方程組。

連續(xù)方程：

式中：A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q為斷面流量，m3/s；U′為側(cè)向來流在河道方向的流速，m/s；x，t分別是距離坐標和時間坐標；q為源匯的單寬流量，m2/s；α為動量修正系數(shù)；g為重力加速度；ξ為水位，m；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m。

一維數(shù)值求解采用非常穩(wěn)定和精確的二階拉格朗日格式，方程可寫為：

2.2.2 TUFLOW二維水動力學(xué)模型

TUFLOW 二維水動力學(xué)模型求解的是深度平均二維淺水方程，方程如下：

連續(xù)方程：

式中：u和v為垂線平均流速在x、y方向的分量，m/s；H為水深，m；△x和△y為x、y方向上的網(wǎng)格單元；cf為科氏力系數(shù)；μ為動量擴散系數(shù)；p為大氣壓強，kPa；ρ為水體密度，kg/m3；Fx和Fy為x、y方向上的外力，N/kg。

本項目采用TUFLOW有限控制體積法引擎。

2.2.3 TUFLOW一、二維模型耦合

通過對一、二維模型的耦合，實現(xiàn)連接處水動力信息的傳輸。本次采用在一維模型中嵌入二維區(qū)域（見圖1）。

圖1 一、二維耦合的機理

2.3 工作內(nèi)容

本次研究的主要工作內(nèi)容如下：

（1）收集構(gòu)建實時洪水預(yù)報模型需要的各種數(shù)據(jù)資料，包括基礎(chǔ)地理信息、防洪工程資料、水文氣象資料、歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)等；

（2）開展模型范圍內(nèi)河道和城區(qū)地形測量；

（3）構(gòu)建實時洪水預(yù)報模型軟件；

（4）構(gòu)建研究對象區(qū)域及影響該區(qū)域洪水淹沒范圍內(nèi)流域的一二維耦合洪水模型，開發(fā)設(shè)置實時洪水預(yù)報模型邊界條件的接口，實現(xiàn)洪水預(yù)報的目標。

3 實踐過程與效果分析

3.1 模型構(gòu)建

3.1.1 模型概述

本次以昭平縣昭平鎮(zhèn)為研究對象。昭平鎮(zhèn)的主要洪水威脅來自于過境的桂江及匯入桂江的思勤江，同時，昭平鎮(zhèn)周邊，特別是西側(cè)的馬圣河流域山洪也能形成較大的洪水威脅。因此，本項目洪水預(yù)報模型以上游桂江上昭平水庫和思勤江上三門灘電站水庫作為洪水模型的上游邊界，取距離昭平鎮(zhèn)二橋約1.8 km 的桂江河道斷面作為模型范圍的下游邊界，在此上下游邊界之內(nèi)的所有區(qū)間匯水流域作為洪水模型的范圍，面積120 km2。

3.1.2 模型范圍

一維二維耦合水動力學(xué)模型的范圍見圖2，其中黃色線條以內(nèi)的藍色線條代表河道一維水動力學(xué)模型范圍，紅色面狀區(qū)域是昭平鎮(zhèn)二維洪水模型區(qū)域。模型的上邊界為昭平電廠大壩，下邊界為昭平鎮(zhèn)下游3～4 km河道斷面。

圖2 一二維耦合模型范圍

在模型中，一維河道在橫向的寬度由沿著左右河岸劃設(shè)的線條定義，河岸線內(nèi)是一維河道，河岸線外是二維模型區(qū)域。

（1）一維模型。本次研究一維模型的建設(shè)內(nèi)容為圖2 范圍內(nèi)約16 km 的桂江和思勤江河道、城區(qū)紅色二維區(qū)域內(nèi)的藍色河道馬圣河。桂江和思勤江河道約1 km左右設(shè)置一個河道斷面，馬圣河大致每200 m左右設(shè)置一個斷面。通過分析高清影像圖或照片，并根據(jù)實地考察記錄，可以初步確定河道的糙率系數(shù)，沿斷面不同的植被和地貌可以取不同的糙率系數(shù)，糙率系數(shù)最終通過率定確定。本次研制的實時洪水預(yù)報模型不以城區(qū)自身匯水區(qū)的暴雨作為洪水來源[1]。另一方面，昭平鎮(zhèn)主城區(qū)地形是中間高于周邊，排水管網(wǎng)不會倒灌淹沒城區(qū)，城區(qū)淹沒只能從周邊低洼地形逐漸向高處演進，因而模型不需要包括城區(qū)排水管網(wǎng)。

（2）二維模型。在圖2 所示約15 km2紅色范圍內(nèi)構(gòu)建二維水動力模型。將二維區(qū)域劃分規(guī)則方形小網(wǎng)格，本次采用5～10 m網(wǎng)格尺寸構(gòu)建模型。根據(jù)不同的土地利用情況，以分類批處理方式設(shè)置二維模型區(qū)域的糙率系數(shù)，糙率系數(shù)最終也用歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)進行率定調(diào)整。

一維、二維模型見圖3～6。

圖3 洪水模型示意圖

圖4 洪水最大淹沒水深和流速矢量模型

圖5 洪水風(fēng)險區(qū)劃模型

圖6 洪水控制斷面水位變化過程模型

3.1.3 數(shù)據(jù)的收集和應(yīng)用

構(gòu)建洪水預(yù)報模型需要采用大量各方面數(shù)據(jù)。主要包括：昭平縣數(shù)字高程DEM 數(shù)據(jù)、基層地理信息DLG 矢量數(shù)據(jù)、數(shù)字高程DEM 數(shù)據(jù)和DOM 影像數(shù)據(jù)、河道斷面數(shù)據(jù)、歷史降雨和洪水?dāng)?shù)據(jù)、歷史降雨數(shù)據(jù)、歷史洪水水庫泄洪數(shù)據(jù)、水庫基本信息資料、昭平鎮(zhèn)排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)、排水涵管、涵洞、橋梁等建設(shè)資料、雨量、水位站信息、氣象預(yù)報降雨數(shù)據(jù)[2]。

3.1.4 模型組成

（1）地形數(shù)據(jù)。模型采用的地形數(shù)據(jù)見圖2，其中城區(qū)采用了高分辨率的1∶2000 和1∶500 地形數(shù)據(jù)。

（2）排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)。本次研究僅收集到主干道的排水官網(wǎng)，沒有雨篦子及其連接管數(shù)據(jù)及小區(qū)內(nèi)雨篦子和支管數(shù)據(jù)。本項目根據(jù)現(xiàn)場勘察人工添加雨篦子，并采用虛擬管道的方法處理小支管（見圖7）。昭平鎮(zhèn)多數(shù)區(qū)域地形起伏明顯，有利于排水，在桂江不高水水位頂托情況下區(qū)域暴雨導(dǎo)致局部內(nèi)澇的危險性較小，待今后具備更詳細的排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)時模型還可進一步細化和完善。

圖7 昭平鎮(zhèn)排水管網(wǎng)

（3）涵管和橋梁。洪水預(yù)報模型包括了昭平鎮(zhèn)核心區(qū)域的涵管和橋梁（見圖8）。

圖8 昭平鎮(zhèn)涵管和橋梁

（4）土地利用。不同的土地利用影響雨水的下滲系數(shù)和地表糙率系數(shù)，洪水預(yù)報模型根據(jù)收集到的DLG 矢量數(shù)據(jù)提取土地利用數(shù)據(jù)（見圖9），并設(shè)置不同的初始下滲參數(shù)和糙率系數(shù)。下滲參數(shù)和糙率系數(shù)需通過歷史暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)進行多次率定確定。

圖9 模型范圍內(nèi)土地利用數(shù)據(jù)（彩色以外灰色本底為森林）

3.1.5 GIS圖層處理

將Arcgis 作為模型構(gòu)建的界面，所有圖層在GIS 中進行屬性賦值。構(gòu)建模型的GIS 圖層有：地形、河道（包括斷面）、橋梁、水庫的泄水閘、堤防、一二維耦合、網(wǎng)格剖分、項目區(qū)范圍、土地利用、一二維邊界條件等。

3.1.6 模型參數(shù)設(shè)置和率定

本次研制實時洪水預(yù)報模型需要率定驗證的主要參數(shù)是河道的糙率系數(shù)和城區(qū)地面的糙率系數(shù)，根據(jù)水力學(xué)手冊和模型經(jīng)驗，不同土地利用情況采用糙率系數(shù)初始值見表1。

表1 洪水模型初始參數(shù)設(shè)置范圍

模型參數(shù)的率定方法是在表1所列范圍內(nèi)對幾種土地利用的糙率系數(shù)進行調(diào)整組合，尋找能夠使河道和城區(qū)洪水水位計算值與實測值最吻合的參數(shù)組合，其中最主要的是桂江河道的糙率系數(shù)，它對河道洪水水位及城區(qū)淹沒具有關(guān)鍵影響[3]。

一般縣市區(qū)的水利部門都掌握了歷史洪水的數(shù)據(jù)，包括上游水庫下泄流量過程或開閘泄水記錄、洪痕記錄或者洪水水位數(shù)據(jù)等。本次模型率定擬收集采用不少于3 場歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)，模型參數(shù)率定和驗證的精度不低于國家相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

3.1.7 實時洪水預(yù)報模型邊界條件接口

本次研制的實時洪水預(yù)報模型需要采用昭平電廠的實時和預(yù)報下泄流量作為上游邊界提交，同時采用昭平鎮(zhèn)下游一定距離的桂江斷面實測水位或水面坡降作為模型的下游邊界條件，以便在每次滾動啟動實時洪水預(yù)報模型前方便快捷的準備邊界條件數(shù)據(jù)。具體方法是直接調(diào)取水庫的調(diào)度數(shù)據(jù)和河道水位監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.2 運行效果分析

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，了解到昭平鎮(zhèn)最近3次最大的洪水發(fā)生在2005 年、2008 年和2020 年6 月，經(jīng)過與水文、水利、氣象部門進行對接，收集了這3場暴雨洪水的數(shù)據(jù)和水庫泄水?dāng)?shù)據(jù)。但是最終只有2020年6月暴雨洪水的相關(guān)數(shù)據(jù)較完整，2005年和2008年的歷史暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)不足以滿足模型參數(shù)率定的要求。

2020年7月7～8日的洪水在昭平鎮(zhèn)造成了一些區(qū)域淹沒嚴重，但主要是桂江高水位造成。收集本次洪水的水文氣象信息，對洪水模型的河道糙率系數(shù)進行率定，得知桂江昭平水文站實測洪水水位與洪水預(yù)報模型計算洪水位的比較，可見兩者吻合較好，差別在正負0.3 m以內(nèi)。同時，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查記錄，模型計算的淹沒范圍/水深與實際情況非常吻合（見圖10～11）。

圖10 2020年6月7～8日模型計算洪水位于昭平水文站實測洪水位比較圖

4 技術(shù)優(yōu)勢與創(chuàng)新

圖11 2020年6月7～8日模型計算洪水最大淹沒范圍/水深圖

（1）網(wǎng)格化匯流計算，提高預(yù)測精準度。本次研究將采集到的地形圖劃分為5 m-30 m的小網(wǎng)格，同時計算每一個網(wǎng)格上受到的降雨、上游來水等匯流因素，同時分析該網(wǎng)格內(nèi)土壤下滲情況和下游排洪情況，從而獲得該網(wǎng)格內(nèi)產(chǎn)生洪水淹沒的具體數(shù)據(jù)。同時引入城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)影響參數(shù)，構(gòu)建一二維耦合模型，大幅度提高預(yù)測精度。

（2）采用計算機并行計算技術(shù)，提高預(yù)測周期。洪水預(yù)測時間為監(jiān)測到上游來水后進行淹沒區(qū)域計算獲得結(jié)果的時間至洪水到達淹沒區(qū)域的時間。這一時間，又被稱為人員轉(zhuǎn)移的可利用時間。這一時間的長短，決定著山洪災(zāi)害預(yù)警、會商決策、人員轉(zhuǎn)移能否順利實施[4]。本項目通過采用計算機并行計算技術(shù)，多個模型同時計算上游來水、區(qū)間降雨、土壤下滲、河道排洪等影響淹沒區(qū)形成的因素，最大限度上縮短運算時間，提高預(yù)測時間。

（3）提升水利信息化建設(shè)，增強區(qū)域災(zāi)害預(yù)測預(yù)報能力，積極推進洪水一體化管理水平。本次研究通過搭建洪水預(yù)測預(yù)報模型，結(jié)合現(xiàn)有水雨情監(jiān)測站點，以智能的空間分析對受災(zāi)的信息提供決策支撐。為防汛工作人員提供實時直觀的預(yù)測預(yù)報信息，為管理者和決策者提供智能的預(yù)警分析支持手段，這對區(qū)域災(zāi)害預(yù)測和防災(zāi)減災(zāi)方面是一個有效的提高，通過應(yīng)用信息化技術(shù)，在管理能力上也有明顯的質(zhì)的提升。

（4）突破“信息孤島”，提高防汛預(yù)警智能化、網(wǎng)絡(luò)化水平，提升居民災(zāi)害防御能力。本次研究成果能夠有效解決山洪災(zāi)害防御的“最后一公里”難題，將預(yù)報期由30 min 提高到45 min，為基層開展群眾疏散提供了寶貴的時間。

5 建議

（1）突出重點、注重效益。根據(jù)昭平縣當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展實際和特別是主城區(qū)防洪存在的突出問題，制定切實可行的治理目標。從當(dāng)?shù)氐姆篮閷嶋H出發(fā)，結(jié)合本次研究成果，找準需要治理區(qū)域的重點河段、關(guān)鍵環(huán)節(jié)與薄弱部位，采取經(jīng)濟、適用、有效的措施，優(yōu)先安排人口相對密集、洪澇災(zāi)害頻發(fā)的洪澇區(qū)域治理、解決突出問題，注重治理效益。

（2）統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、綜合治理。堅持人與自然和諧發(fā)展，既有效防御洪水，又安排好洪水出路。堅持統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，處理好上下游、左右岸、干支流的關(guān)系，統(tǒng)籌處理好洪澇災(zāi)害易發(fā)區(qū)治理與城鎮(zhèn)發(fā)展、河流生態(tài)環(huán)境保護、水資源開發(fā)利用的關(guān)系，進一步優(yōu)化城區(qū)洪水監(jiān)測預(yù)警體系，統(tǒng)籌銜接好工程措施與非工程措施，防洪與排澇，近期與長遠的關(guān)系。

（3）因地制宜、促進人水和諧。防洪保護區(qū)內(nèi)城區(qū)河段大部分堤防建設(shè)尚未完善，未形成封閉圈，使得城區(qū)防洪能力仍舊較低，城區(qū)整體防洪仍未達標。建議盡快完善城區(qū)防洪堤建設(shè)。堅持因地制宜，根據(jù)河流特征和昭平縣當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展水平，合理確定治理規(guī)模、標準和措施，盡量保持河道自然形態(tài)，防止侵占河道，促進人水和諧。

（4）注重管理、明確事權(quán)。堅持注重管理，在加快山洪災(zāi)害防治項目建設(shè)的同時，要同步建立和完善管理機制，明確管護主體、管護責(zé)任和管護經(jīng)費，建立健全管理制度和長效機制，鞏固和保持治理成果。