城市洪水风险图编制方法与技术

城市洪水风险图编制方法与技术李娜水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾研究所二〇一二年十一月中国深圳洪水风险图洪水风险图是反映洪水风险大小的地图，是一种有效的非工程措施洪水灾害风险公示调整土地利用规划实施洪水管理的基础调整城市规划指导城市防洪排涝规划开展洪水保险的依据洪泛区管理和洪水保险（美国）1风险的确定2风险评价3风险信息发布4实施规划洪泛区管理转移风险降低风险风险图评价现有与未来风险规划危险区划(瑞士、法国等)红区：高危险—禁止开发区蓝区：中危险—限制开发区黄区：低危险—警示区日本福山市洪水避难地图避难所开敞避难点道路易积水点泥石流危险区警察署日本福山市海啸风暴潮风险图福山市洪水避难地图宣传手册发达国家风险图特点•起步较早•法规健全•标准完善•技术先进•应用广泛•投资充足美国自上世纪50年代开始风险图编制美国在《防洪法》、《洪水保险法》等法律法规中明确要求制作风险图美国、日本、欧洲等已形成完备的风险图编制技术规范和标准水力学模型、GIS技术、网络技术等得到广泛应用风险图已被广泛应用于洪水保险、洪水避难、土地利用管理、公众风险意识提高等方面美国联邦政府投入约20亿美元用于风险图编制与更新，单价约为4000-6000美元/km2上海市世博园区洪水风险图—暴雨积水：0.50m：0.30~0.50m：0.15~0.30m：0.05~0.15m上海市洪水风险图-暴雨积水及撤离安排济南市洪水风险图—道路积水佛山市内涝预警系统--禅城区内涝积水风险图绘制2008年6月-2011年5月，全国洪水风险图编制（一期）2005年，36个区域开展了洪水风险图编制试点全国洪水风险图•《洪水风险图编制导则》•洪水风险分析软件•洪水风险图绘制和管理系统•20个试点区域洪水风险图2011年8月，全国洪水风险图编制试点（二期）地形地势分析洪水来源分析洪水频率分析洪水淹没分析洪水影响分析洪水风险分析洪水模拟洪灾损失评估关键技术城市暴雨洪水风险分析方法水文学模型水力学模型GIS数字地形技术分析方法无法反映区域内各处水力要素值的差异和变化，如淹没水深、流速、淹没历时等以水体由高向低运动的原理作为计算的基本依据，所提供计算结果仅能反映洪水运动的最后状态，不能详细描述洪水的运动过程。维数描述已有的软件1D求解一维圣维南方程组InfoworksRS(ISIS),Mike11,HEC-RAS1D+1D+河网外洪水存储单元InfoworksRS(ISIS),Mike11,HEC-RAS2D-2D-动量方程LISFLOOD-FP2D求解二维非恒定流方程组TUFLOW,MIKE21,TELEMAC中国水科院的城市洪涝仿真模型2D+2D+考虑垂向速度TELEMAC3D3DCFX,FLUENT,PHEONIX模拟方法采用非结构不规则网格对区域进行离散hMNqtxy2221/3()()0NuNvNZnvuvghgtxyyh连续方程：动量方程：2221/3()()0MuMvMZnuuvghgtxyxh基本方程××××××××××××网格形心处计算水位网格四周通道上计算流量有限体积法求解基本原理数据前处理城市洪涝仿真模型模型结构读入数据文件初始化核心计算模块运行过程监控展示计算结果输出主体计算模块模型运行方式验证计算历史降雨过程输入模型排水管网、闸门、泵站工作状况运行仿真模型计算结果后处理，并与实测积水资料对比，修正误差实时监测计算实时降雨数据输入模型排水管网、闸门、泵站工作状况运行仿真模型计算结果后处理预报计算预报降雨信息输入模型设定排水管网、闸门、泵站工作状况运行仿真模型计算结果后处理运行方式对降雨时空分布不均匀特征的模拟1对河道洪水的模拟2对地形的模拟3对建筑物分布对洪水影响的模拟4对土地利用的模拟5对阻水建筑物的模拟6对防洪工程体系的模拟7模型的特点模型特点对排水系统的模拟8对城区暴雨顺街行洪的模拟9对地下空间的模拟10对降雨、外洪、高潮位遭遇的模拟11对外部汇流的模拟12对洪水漫溢和堤防溃决的模拟13模型的特点模型特点对降雨时空分布不均匀特征的模拟1模型采用距离加权反比插值法，将离散的雨量站降雨量通过处理，得到模型每个网格形心处的降雨数据对河道洪水的模拟2河道型网格特殊河道型通道普通节点特殊型河道节点河道型通道特殊型河道通道阻水型通道（堤防）特殊型通道的水位计算单元水流方向矩形断面对地形的模拟3模型采用无结构不规则网格对研究区域进行离散，网格布置更为灵活，能更准确地反映计算域的地形特征。网格高程可由DEM数据或高程点数据自动插值获得济南对建筑物分布对洪水影响的模拟4面积修正率KkDTTiDTTiiTiDTTiAXYDTqLQAXYADTHHkk1212)1(2)),max(1(21jjTjDTTjDTTjAXYAXYHvQ对土地利用的模拟5网格产流系数按空间地表的不同情况线性内插，设在基本不透水区域产流系数为0.9，天然植被集水区域为0.5，其余部分按不透水面积比例（即面积修正率）线性内插，其计算基本公式为：AXYCIM)5.09.0(5.0下垫面树丛道路空地河道糙率(n)0.0650.0350.0350.025-0.035网格糙率网格类型河道型湖泊性普通型对阻水建筑物的模拟6阻水建筑物街道立交路段铁路堤防按堰流公式计算红色代表阻水通道蓝色代表内河河道通道灰色代表道路通道绿色为普通通道胶济铁路小清河堤防济南对防洪工程体系的模拟(堤防和闸门)7上海对排水系统的模拟8有详细的排水网管分布和排水能力资料时，地下管网内按一维非恒定流模拟，并与地面二维非恒定流耦合对排水系统的模拟8无详细的排水网管分布和排水能力资料时，按等效的方法将地下排水系统按虚拟的地下水库模拟济南FqQs雨水设计流量：6645.0)0911.11()lg7573.01(916.1869tPq济南市暴雨强度公式：编号面积(km2)设计暴雨强度q雨水设计流量(m3/s)排水体积（万m3）[L/(s*ha)](mm/h)150.9873.226.4224.0161224.8473.226.4109.279334.4173.226.4151.2109421.2673.226.493.467537.6673.226.4165.5119对城区暴雨顺街行洪的模拟9普通节点特殊河道节点特殊道路节点外河河道内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计算单元特殊道路通道的水位计算单元城市中的道路作为特殊通道处理对城区暴雨顺街行洪的模拟9北京道路积水对城区暴雨顺街行洪的模拟9济南道路流速对地下空间的模拟10对降雨、外洪、高潮位遭遇的模拟11作为边界条件处理对外部汇流的模拟12入口边界条件9处边界入流通过水文模型计算对洪水漫溢和堤防溃决的模拟13模型前处理时设置相关参数模型运行时实时设置相关参数对洪水漫溢和堤防溃决的模拟13黄浦江漫溢黄浦江溃堤应用实例北京上海实例1—北京市城区暴雨积水模拟研究范围模型的建立典型暴雨模拟设计暴雨方案设定与模拟研究范围模型的建立网格：9640通道：20094节点：10455总面积：约1000km2网格平均面积：约0.1km2模型的特点1、考虑降雨分布时空的不均匀型特征2、改进主要道路积水模拟方法3、图形化模型计算界面4、动态显示降雨过程、道路和区域的积水变化过程5、动态显示模型相关统计参数2004年7月10日各站日降雨量(7-10-8:00-7-11-8:00)2983584611456305777623211010157116812020406080100120羊坊闸松林闸东直门朝阳龙潭闸乐家花园高碑店右安门石景山葫芦垡崇青天安门卢沟桥黄村三家店沙河闸顺义日降雨量(mm)“2004.7.10”暴雨模拟典型暴雨模拟天安门01020304050608:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:000:002:004:006:008:00时间降雨量(mm)松林闸0510152025303540458:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:000:002:004:006:008:00时间降雨量(mm)龙潭闸01020304050608:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:000:002:004:006:008:00时间降雨量(mm)石景山051015202530354045508:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:000:002:004:006:008:00时间降雨量(mm)右安门051015202530358:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:000:002:004:006:008:00时间降雨量(mm)卢沟桥01020304050608:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:000:002:004:006:008:00时间降雨量(mm)“2004.07.10”积水模拟结果表积水点编号积水点名称积水深度(m)积水点编号积水点名称积水深度(m)1红军营南路0.33213科丰桥0.2482六郎庄桥0.2814马家楼桥西0.3983积水潭桥0.17315公益桥0.1864田村铁路桥0.45216肖村桥0.2825万寿路南延0.52117十八里店桥0.2096京原路口0.51118成寿寺桥0.2117青塔桥0.22719永定门桥0.2418吴家村路0.30420红领巾桥0.1899岳各庄桥0.24621莲花桥0.42610丽泽桥0.19322复兴门0.26411菜户营桥0.5123阜成门0.28212丰南桥0.34824丰台南路0.301典型暴雨模拟“2004.07.10”模拟结果图设计暴雨方案711.0)8()lg811.01(2001tPq依据北京市区防洪排水规划（1995年版），北京市城区雨水灌渠规划设计采用的暴雨强度公式是1980年北京市市政设计研究院在收集整理40多年降雨资料的基础上推导出来的，公式为：各设计重现期1小时降雨历时的暴雨强度及降雨量P(年)t(分钟)q(mm/min)1小时段降雨量(mm)1600.6035.92600.7444.63600.8349.75600.9456.2各设计重现期2小时降雨历时的暴雨强度及降雨量P(年)t(分钟)q(mm/min)2小时段降雨量(mm)11200.3845.721200.4756.931200.5363.451200.6071.7设计重现期时段(h)各设计重现期降雨过程(mm)（1小时时段）1234567891011121年一遇00035.99.900000002年一遇00044.612.300000003年一遇00049.713.700000004年一遇00056.215.500000001年一遇降雨过程010203040123456789101112时段(h)降雨(mm)2年一遇降雨过程01020304050123456789101112时段(h)降雨(mm)3年一遇降雨过程0102030405060123456789101112时段(h)降雨(mm)5年一遇降雨过程0102030405060123456789101112时段(h)降雨(mm)设计暴雨设计方案模拟结果（1年一遇）设计方案模拟结果（2年一遇）设计方案模拟结果（3年一遇）设计方案模拟结果（5年一遇）实例2—上海市区暴雨洪水模拟基础资料的收集和整理1上海市区洪涝仿真模型的建立2方案计算4模拟结果5模型的验证3资料收集和整理分类名称格式说明地形数据高程点Shape文件基础地图数据行政区划水系图道路铁路居民地雨量站分布水位站分布排水泵站、排水系统、水闸水文数据吴淞、黄埔公园、芦潮港、外高桥各站设计高潮位Excel表格50、100、200、500、1000年一遇典型潮位过程Excel表格