城市洪水風(fēng)險圖編制方法與技術(shù)

1、城市洪水風(fēng)險圖編制方法與技術(shù),李 娜水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心中國水利水電科學(xué)研究院防洪抗旱減災(zāi)研究所,二〇一二年十一月 中國深圳,洪水風(fēng)險圖,洪水風(fēng)險圖是反映洪水風(fēng)險大小的地圖，是一種有效的非工程措施,洪水災(zāi)害風(fēng)險公示調(diào)整土地利用規(guī)劃實(shí)施洪水管理的基礎(chǔ)調(diào)整城市規(guī)劃指導(dǎo)城市防洪排澇規(guī)劃開展洪水保險的依據(jù),,洪泛區(qū)管理和洪水保險（美國）,,危險區(qū)劃(瑞士、法國等)紅區(qū)：高危險— 禁止開發(fā)區(qū)藍(lán)區(qū)：中危

2、險— 限制開發(fā)區(qū)黃區(qū)：低危險— 警示區(qū),日本福山市洪水避難地圖,避難所,開敞避難點(diǎn),道路易積水點(diǎn),泥石流危險區(qū),警察署,日本福山市海嘯風(fēng)暴潮風(fēng)險圖,福山市洪水避難地圖宣傳手冊,發(fā)達(dá)國家風(fēng)險圖特點(diǎn),起步較早法規(guī)健全標(biāo)準(zhǔn)完善技術(shù)先進(jìn)應(yīng)用廣泛投資充足,美國自上世紀(jì)50年代開始風(fēng)險圖編制,美國在《防洪法》、《洪水保險法》等法律法規(guī)中明確要求制作風(fēng)險圖,美國、日本、歐洲等已形成完備的風(fēng)險圖編制技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),水力學(xué)模型、GIS技術(shù)

3、、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等得到廣泛應(yīng)用,風(fēng)險圖已被廣泛應(yīng)用于洪水保險、洪水避難、土地利用管理、公眾風(fēng)險意識提高等方面,美國聯(lián)邦政府投入約20億美元用于風(fēng)險圖編制與更新，單價約為4000-6000美元/km2,上海市世博園區(qū)洪水風(fēng)險圖—暴雨積水,上海市洪水風(fēng)險圖-暴雨積水及撤離安排,濟(jì)南市洪水風(fēng)險圖—道路積水,佛山市內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)--禪城區(qū)內(nèi)澇積水風(fēng)險圖繪制,2008年6月-2011年5月，全國洪水風(fēng)險圖編制（一期）,2005年，36個區(qū)域開展了洪水風(fēng)險

4、圖編制試點(diǎn),全國洪水風(fēng)險圖,《洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則》,洪水風(fēng)險分析軟件,洪水風(fēng)險圖繪制和管理系統(tǒng),20個試點(diǎn)區(qū)域洪水風(fēng)險圖,2011年8月，全國洪水風(fēng)險圖編制試點(diǎn)（二期）,,,,,洪水風(fēng)險分析,,洪水模擬,洪災(zāi)損失評估,,關(guān)鍵技術(shù),城市暴雨洪水風(fēng)險分析方法,水文學(xué)模型,水力學(xué)模型,GIS數(shù)字地形技術(shù)分析方法,無法反映區(qū)域內(nèi)各處水力要素值的差異和變化，如淹沒水深、流速、淹沒歷時等,以水體由高向低運(yùn)動的原理作為計(jì)算的基本依據(jù)，所提供計(jì)算結(jié)果僅

5、能反映洪水運(yùn)動的最后狀態(tài)，不能詳細(xì)描述洪水的運(yùn)動過程。,模擬方法,采用非結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格對區(qū)域進(jìn)行離散,連續(xù)方程：,動量方程：,基本方程,,,,,,,,,,,,,,,,,網(wǎng)格形心處計(jì)算水位,網(wǎng)格四周通道上計(jì)算流量,有限體積法求解,基本原理,數(shù)據(jù)前處理,城市洪澇仿真模型,模型結(jié)構(gòu),讀入數(shù)據(jù)文件,,初始化,核心計(jì)算模塊,,運(yùn)行過程監(jiān)控展示,,,,,,,計(jì)算結(jié)果輸出,主體計(jì)算模塊,模型運(yùn)行方式,驗(yàn)證計(jì)算,歷史降雨過程輸入模型,排水管網(wǎng)、閘門、泵

6、站工作狀況,運(yùn)行仿真模型,計(jì)算結(jié)果后處理，并與實(shí)測積水資料對比，修正誤差,,,,,,實(shí)時監(jiān)測計(jì)算,實(shí)時降雨數(shù)據(jù)輸入模型,排水管網(wǎng)、閘門、泵站工作狀況,運(yùn)行仿真模型,計(jì)算結(jié)果后處理,,,,,,預(yù)報計(jì)算,預(yù)報降雨信息輸入模型,設(shè)定排水管網(wǎng)、閘門、泵站工作狀況,運(yùn)行仿真模型,計(jì)算結(jié)果后處理,,,,,,,運(yùn)行方式,對降雨時空分布不均勻特征的模擬,1,對河道洪水的模擬,2,對地形的模擬,3,對建筑物分布對洪水影響的模擬,4,對土地利用的模擬,5,

7、對阻水建筑物的模擬,6,對防洪工程體系的模擬,7,模型的特點(diǎn),,模型特點(diǎn),對排水系統(tǒng)的模擬,8,對城區(qū)暴雨順街行洪的模擬,9,對地下空間的模擬,10,對降雨、外洪、高潮位遭遇的模擬,11,對外部匯流的模擬,12,對洪水漫溢和堤防潰決的模擬,13,模型的特點(diǎn),,模型特點(diǎn),對降雨時空分布不均勻特征的模擬,1,模型采用距離加權(quán)反比插值法，將離散的雨量站降雨量通過處理，得到模型每個網(wǎng)格形心處的降雨數(shù)據(jù),對河道洪水的模擬,2,河道型網(wǎng)格,特殊河道

8、型通道,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,普通節(jié)點(diǎn)特殊型河道節(jié)點(diǎn)河道型通道特殊型河道通道阻水型通道（堤防）特殊型通道的水位計(jì)算單元水流方向,,,,,,,矩形斷面,,對地形的模擬,3,模型采用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格對研究區(qū)域進(jìn)行離散，網(wǎng)格布置更為靈活，能更準(zhǔn)確地反映計(jì)算域的地形特征。,網(wǎng)格高程可由DEM數(shù)據(jù)或高程

9、點(diǎn)數(shù)據(jù)自動插值獲得,,濟(jì)南,對建筑物分布對洪水影響的模擬,4,面積修正率,,,,,,對土地利用的模擬,5,網(wǎng)格產(chǎn)流系數(shù),按空間地表的不同情況線性內(nèi)插，設(shè)在基本不透水區(qū)域產(chǎn)流系數(shù)為0.9，天然植被集水區(qū)域?yàn)?.5，其余部分按不透水面積比例（即面積修正率）線性內(nèi)插，其計(jì)算基本公式為：,,網(wǎng)格糙率,網(wǎng)格類型,,河道型湖泊性普通型,對阻水建筑物的模擬,6,阻水建筑物,,街道立交路段鐵路堤防,按堰流公式計(jì)算,對防洪工程體系的模擬(堤防和

10、閘門),7,上海,,對排水系統(tǒng)的模擬,8,有詳細(xì)的排水網(wǎng)管分布和排水能力資料時，地下管網(wǎng)內(nèi)按一維非恒定流模擬，并與地面二維非恒定流耦合,對排水系統(tǒng)的模擬,8,無詳細(xì)的排水網(wǎng)管分布和排水能力資料時，按等效的方法將地下排水系統(tǒng)按虛擬的地下水庫模擬,濟(jì)南,雨水設(shè)計(jì)流量：,濟(jì)南市暴雨強(qiáng)度公式：,,對城區(qū)暴雨順街行洪的模擬,9,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

11、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,普通節(jié)點(diǎn)特殊河道節(jié)點(diǎn)特殊道路節(jié)點(diǎn)外河河道內(nèi)通道特殊河道通道特殊道路通道阻水型通道（堤防）特殊河道通道的水位計(jì)算單元特殊道路通道的水位計(jì)算單元,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,城市中的道路作為特殊通道處理,對城區(qū)暴雨順街行洪的模擬,9,北京道路積水,對城區(qū)暴雨順街行洪的模擬,9,濟(jì)南道路流速,對地下空間的模擬,10,對降雨、外洪、高潮位遭遇的模擬,

12、11,作為邊界條件處理,對外部匯流的模擬,12,入口邊界條件,,9處邊界入流通過水文模型計(jì)算,對洪水漫溢和堤防潰決的模擬,13,模型前處理時設(shè)置相關(guān)參數(shù),,模型運(yùn)行時實(shí)時設(shè)置相關(guān)參數(shù),,,對洪水漫溢和堤防潰決的模擬,13,黃浦江漫溢,黃浦江潰堤,應(yīng)用實(shí)例,北京,上海,實(shí)例1 —北京市城區(qū)暴雨積水模擬,研究范圍 模型的建立 典型暴雨模擬 設(shè)計(jì)暴雨方案設(shè)定與模擬,研究范圍,模型的建立,網(wǎng)格：9640通道：20094節(jié)點(diǎn)：1045

13、5,總面積：約1000km2網(wǎng)格平均面積： 約0.1km2,模型的特點(diǎn),1、考慮降雨分布時空的不均勻型特征2、改進(jìn)主要道路積水模擬方法3、圖形化模型計(jì)算界面4、動態(tài)顯示降雨過程、道路和區(qū)域的積水變化過程5、動態(tài)顯示模型相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù),“2004.7.10”暴雨模擬,典型暴雨模擬,“2004.07.10”積水模擬結(jié)果表,典型暴雨模擬,,“2004.07.10”模擬結(jié)果圖,設(shè)計(jì)暴雨方案,依據(jù)北京市區(qū)防洪排水規(guī)劃（1995年

14、版），北京市城區(qū)雨水灌渠規(guī)劃設(shè)計(jì)采用的暴雨強(qiáng)度公式是1980年北京市市政設(shè)計(jì)研究院在收集整理40多年降雨資料的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的，公式為：,各設(shè)計(jì)重現(xiàn)期1小時降雨歷時的暴雨強(qiáng)度及降雨量,各設(shè)計(jì)重現(xiàn)期2小時降雨歷時的暴雨強(qiáng)度及降雨量,,設(shè)計(jì)重現(xiàn)期,時段(h),各設(shè)計(jì)重現(xiàn)期降雨過程(mm)（1小時時段）,,,,設(shè)計(jì)暴雨,設(shè)計(jì)方案模擬結(jié)果（1年一遇）,設(shè)計(jì)方案模擬結(jié)果（2年一遇）,設(shè)計(jì)方案模擬結(jié)果（3年一遇）,設(shè)計(jì)方案模擬結(jié)果（5年一遇）,實(shí)例

15、2 —上海市區(qū)暴雨洪水模擬,基礎(chǔ)資料的收集和整理,1,上海市區(qū)洪澇仿真模型的建立,2,方案計(jì)算,4,模擬結(jié)果,5,模型的驗(yàn)證,3,資料收集和整理,基礎(chǔ)資料的收集和整理,1,上海市區(qū)洪澇仿真模型的建立,2,方案計(jì)算,4,模擬結(jié)果,5,模型的驗(yàn)證,3,實(shí)例2 —上海市區(qū)暴雨洪水模擬,上海市區(qū)洪澇仿真模型的建立,網(wǎng)格數(shù)：11933通道數(shù)：24557節(jié)點(diǎn)數(shù)：12625網(wǎng)格平均面積： 約0.16km2（400m×400

16、m）總面積：2066 km2,網(wǎng)格劃分,,模型前處理,浦東新區(qū),模型前處理,將模擬范圍內(nèi)除黃浦江以外的主要河道作為特殊通道處理；主干道路通道按地形資料賦實(shí)際高程值,特殊通道處理,,上海市區(qū)洪澇仿真模型的建立,模型前處理,排水分區(qū)（158個）,,上海市區(qū)洪澇仿真模型的建立,模型前處理,泵站（154個）,,上海市區(qū)洪澇仿真模型的建立,模型前處理,閘門（52個）,,上海市區(qū)洪澇仿真模型的建立,模型主體計(jì)算模塊,主體計(jì)算模塊利用二維非恒定流水

17、動力學(xué)模型求解各個計(jì)算時段離散網(wǎng)格周邊通道的流速、流量，并在此基礎(chǔ)上求出網(wǎng)格的平均水深。,上海市區(qū)洪澇仿真模型的建立,基礎(chǔ)資料的收集和整理,1,上海市區(qū)洪澇仿真模型的建立,2,方案計(jì)算,4,模擬結(jié)果,5,模型的驗(yàn)證,3,實(shí)例2 —上海市區(qū)暴雨洪水模擬,模型的驗(yàn)證,上海市暴雨洪水仿真模型的驗(yàn)證,派比安”臺風(fēng)期間黃浦江潮位過程的驗(yàn)證,“麥莎”臺風(fēng)期間降雨的驗(yàn)證,基礎(chǔ)資料的收集和整理,1,上海市區(qū)洪澇仿真模型的建立,2,方案計(jì)算,4,模擬結(jié)果

18、,5,模型的驗(yàn)證,3,實(shí)例2 —上海市區(qū)暴雨洪水模擬,方案計(jì)算,防汛墻漫溢(2個方案),1000年一遇設(shè)計(jì)潮位(派比安潮型和9711潮型)，模擬總時長72h和90h,防汛墻潰決(8個方案),4個潰口,1000年一遇設(shè)計(jì)潮位(2種潮型),方案計(jì)算,海堤漫溢(4個方案),500和1000年一遇設(shè)計(jì)潮位(2種潮型),(36小時),,,,,,,波浪爬高按《上海市城市防洪排水規(guī)劃匯編》一書中的取值和《海港水文規(guī)范》(JTJ 213-98),海堤各

19、段潮位由吳淞站和蘆潮港站同時刻潮位按距離插值,方案計(jì)算,海堤漫溢,500和1000年一遇設(shè)計(jì)潮位(派比安潮型和9711潮型),波浪爬高按《上海市城市防洪排水規(guī)劃匯編》一書中的取值和《海港水文規(guī)范》(JTJ 213-98),方案計(jì)算,海堤潰決(12個方案):3個潰口+200年一遇設(shè)計(jì)潮位(派比安潮型和9711潮型)3個潰口+1000年一遇設(shè)計(jì)潮位(派比安潮型和9711潮型),方案計(jì)算,典型暴雨和設(shè)計(jì)暴雨(3個方案):,(1)

20、浦東新區(qū)“20080825”暴雨 (最大累積降雨量151.5mm),,,,,方案計(jì)算,典型暴雨和設(shè)計(jì)暴雨(3個方案):,(2) 浦東新區(qū)“20080825”最大24小時降雨量，1963年降雨過程,(3) 20年一遇最大24小時降雨量，1963年降雨過程,下邊界：“20080825”暴雨期間吳淞站潮位過程,方案計(jì)算,組合情況(4個方案),(1) 1000年一遇設(shè)計(jì)潮位防汛墻漫溢+ 20年一遇24小時降雨過程(1963年型),方案

21、計(jì)算,組合情況(4個方案),(2) 200年一遇設(shè)計(jì)潮位海堤漫溢 + 20年一遇24小時降雨(1963年型),(3) 1000年一遇設(shè)計(jì)潮位海堤漫溢 + 20年一遇24小時降雨(1963年型),(4) 1000年一遇設(shè)計(jì)潮位海堤潰決 + 20年一遇24小時降雨(1963年型),基礎(chǔ)資料的收集和整理,1,上海市區(qū)洪澇仿真模型的建立,2,方案計(jì)算,4,模擬結(jié)果,5,模型的驗(yàn)證,3,實(shí)例2 —上海市區(qū)暴雨洪水模擬,模擬結(jié)果,防汛墻漫溢（971

22、1，千年一遇）,模擬結(jié)果,防汛墻潰決,新華港務(wù)公司岸段,9711潮型,模擬結(jié)果,海堤漫溢,模擬結(jié)果,海堤漫溢,1000年一遇設(shè)計(jì)潮位（9711潮型）,模擬結(jié)果,海堤潰決,模擬結(jié)果,海堤潰決（以方案1為例）,,,,模擬結(jié)果,典型暴雨和設(shè)計(jì)暴雨,20年一遇設(shè)計(jì)暴雨,模擬結(jié)果,組合方案,1000年一遇海堤潰口2潰決+20年一遇設(shè)計(jì)暴雨,,,,,城市洪水分析系統(tǒng),網(wǎng)格剖分,屬性編輯,特殊通道添加,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入,,,,,城市洪水分析系統(tǒng),邊