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摘要：本文利用一维水动力学模型及ARCGIS相关技术，结合咸丰县空间信息、水文水资源等基础数据，模拟分析了不同洪水频次条件下咸丰县内忠建河洪水淹没情况和洪水影响情况评价，为防汛决策部门进行洪水预警、防洪预案的制定提供科学的参考依据。
关键词：山洪灾害防治；危险区图绘制；洪水分析
前言
洪涝灾害是我国发生频率高、影响范围广的一种自然灾害。据相关统计，我国约有50%的人口和70%的财产分布在洪水威胁的区域[1]。为了有效地进行抗洪救灾，尽量减少由于洪水带来的人员伤亡和财产损失，需要科学地评价和分析不同频次的洪水对洪水危险区域可能造成的影响，从而有针对性的制定相应措施。
为了减小山洪灾害的影响，国家于2013启动了全国山洪灾害调查的一系列的调查评估。
如何更好地分析洪水风险情况，国内外已经有不少学者做了深入的研究，这其中数值模拟的方法是现在主要的研究方法[2-3]。黄萍等针对江西省南新圩防洪保护区的实际情况，结合2010年和2012年洪水相关资料，构建了基于MIKE21的洪水模拟模型，并对防洪区出现50a一遇的洪水演进过程进行了模拟分析[4]。
本文以湖北省典型山洪频发地区咸丰县为例，根据收集到的基础地理和水文相关数据，结合TUFLOW软件和ARCGIS等成熟软件，对忠建河山洪危险区域进行洪水风险评价分析，评估县内重点地区的防洪能力，为咸丰县防洪救灾提供技术支持。
1 研究区概况
1.1 自然地理
咸丰县位于湖北省恩施土家族、苗族自治州西南部。地跨东经108°37′～109°20′，北纬29°19′～30°2′。东接宣恩，东南邻来凤，南与重庆酉阳接壤，西界重庆黔江，北连利川，东北接恩施市。南北长80.375km，东西宽68.95km。国土面积2550km2。县城区是咸丰县人民政府所在地，面积322km2，是全县的政治、经济、文化中心。
本文研究的洪水风险研究区范围如图1所示。忠建河上的上游边界在距离忠建河与太平沟交汇口1.38公里的麻柳坝附近。
1.2 河流水系
咸丰县城区河流主要是忠建河，忠建河属清江水系清江支流，发源于龙家界柿子坪，在官坝草坪流经宣恩后汇入清江，县内流域面积238km2，其中县城以上集水面积为47.0km2，河长39km，河床坡降平均为6.60‰。
忠建河在咸丰县城自西南向东北穿城而过，两岸大小冲沟发育，项目区范围内有6条支流汇入忠建河，其中左岸5条，右岸1条，最大支流为左岸太平沟，承雨面积17.02km2，沟长3.62km，比降3.5‰。其他冲沟规模较小，一般冲沟宽度小于10m，弯曲，流量较小，对城区淹没情况影响较小。
2计算分析方法
2.1一维水动力模型
根据咸丰县城区地形及河道断面情况，采用一维水动力学模型进行河道和河道周边城区洪水风险分析，能够提供洪水淹没范围、淹没水深、流速、洪水前锋到达时间和淹没历时等信息，满足洪水危险区图绘制的需要。本文咸丰县城区洪水风险的模拟分析是利用国际广泛应用的TUFLOW软件进行的。
TUFLOW是由澳大利亚WBM公司和昆士兰大学联合研发项目开发的商业水力学软件，可用于流域洪水模拟、城市排水与雨洪管理。對于洪水计算，TUFLOW的一维数值求解采用非常稳定和精确的二阶拉格朗日格式。它能够模拟泵、闸门、堰坝、桥梁、涵洞、溃堤等各种构筑物[8]。
2.1.1模型原理
一维水动力学模型求解的基本方程为圣维南方程组：
2.1.2模型范围
一维水动力学模型模拟的范围是如图2所示的蓝色线条代表的区域。其中模型的上边界范围为忠建河桩号K0+000断面（咸丰县麻柳坝附近）和太平沟桩号T0+000断面（距离忠建河与太平沟的交汇口1.2公里处），下边界范围为咸丰县城区的育才巷下游200米处。
2.1.3模型边界条件
建立洪水分析模型时，对于忠建河洪水分析，上游边界条件根据《湖北省暴雨径流查算图表》计算的洪水过程线，同时加入太平沟相应洪水过程线作为侧向入流边界条件。下游边界条件为育才巷下游200米处给定的水位流量过程线。
2.2洪水影响分析
洪水影响分析是针对不同洪水方案对居民地指标进行灾情统计。统计工作在ArcGIS软件平台下，基于GIS软件的叠加分析功能，将洪水淹没特征分布图层和与土地利用分布图层通过空间地理关系进行叠加分析，计算洪水淹没范围内不同土地利用类型及数量；建立淹没水深（历时）与各类地物受淹情况关系。
洪水影响分析具体工作流程：
（1）现场实地调查、数学模型模拟计算或遥感分析方法确定洪水淹没范围、淹没水深、淹没历时等致灾特性指标。
（2）洪水淹没特征分布通过空间地理关系进行拓扑叠加，获取洪水影响范围内不同淹没水深下淹没房屋面积及其分布。
（3）选取具有代表性的典型地区、典型单元、典型部门等分类指标进行灾情调查统计，将调查资料与计算结果进行对比分析。
3忠建河洪水计算成果分析
3.1淹没范围和淹没面积
考虑的洪水计算方案包括忠建河10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇4种洪水量级。
不同频率洪水条件下，城区的淹没面积不同，具体情况见表1。
由表可知，100年一遇设计洪水条件下，总淹没面积最大，为0.31 km2，基本将忠建河大部分河段沿岸区域以及太平沟中游部分区域淹没。
50年一遇设计洪水条件下，淹没范围有所减少，忠建河上、下游以及太平沟中游淹没范围明显减小，淹没面积达到0.28 km2。
在20年一遇设计洪水条件下，咸丰县城区受淹范围较大幅度减少受淹范围主要集中在忠建河中游的县工商局到南门一桥的沿岸区域，淹没面积达到0.25 km2。 10年一遇设计洪水条件下，城区淹没范围最小，但县工商局到县粮食局之间青杨河沿岸区域还是受到洪水影响，淹没面积为0.22km2。
由图可知，咸丰县第二实验小学、新城民族小学、咸丰县民族中学、咸丰县中等职业技术学院、咸丰县民族技工学校、咸丰县政府、高乐山镇政府、县人民医院区域现状防洪能力最高，高于100年；县妇幼保健院儿童医院区域现状防洪能力为10～20年之间。
3.2淹没水深
100年一遇设计洪水条件下最大淹没水深为6.49米，位于忠建河沿岸的县粮食局处。50年、20年和10年一遇设计洪水条件下最大淹没水深分别为6.25米、5.79米和5.24米。由此可见，随着进洪流量的减小，最大淹没水深也随之减小。
3.3控制断面水位
以县粮食局桥前控制断面为例，分析不同频率下水位变化情况，绘出控制断面水位时间关系曲线图，如图3所示。
由图可知，不同频率条件下，水位随时间的变化有少许差异，但均与下泄流量的变化趋势相同。各频率条件下，水位达到最大值的时间有所差异，具体情况见表2。10年一遇设计洪水情况下峰值水位最低且水位最先达到最大值，100年一遇设计洪水情况下峰值水位最高且水位最晚达到最大值。
100年、50年、20年、10年一遇设计洪水进口流量峰值分别在第13小时、13小时、12小时、11小时，控制断面水位峰值到达时间相较稍微有所滞后。
4结论
本研究针对咸丰县山洪危险区域进行了风险评价。取得的主要成果如下：
（1）建立了TUFLOW一维水动力学模型，模拟结果能从整体上反映研究区域由于漫堤洪水引起的淹沒空间分布；建立了咸丰县城区灾情统计模型，统计受淹房屋数据，为研究区域的防洪减灾提供丰富的信息支持；完成了各方案的洪水分析计算、洪水影响统计分析和现状防洪能力评价。
（2）忠建河部分河段在2011年进行过河道治理。此次计算一维河道采用实测断面，计算结果显示咸丰县城区大部分区域基本能够抵御20年一遇洪水，但是忠建河上县工商局到县粮食局之间的沿岸区域只能够抵御10年以下量级的洪水。
参考文献：
[1]陈华丽，陈刚，丁国平. 基于GIS的区域洪水灾害风险评价[J]. 人民长江，2003，34（6）：49-51.
[2]Tingsanchali T，Karim.M. M. Flood hazard and risk analysis in the southwest region of Bangladesh[J]. Hydrological Process，2005，19：2055 -2069.
[3]廖丹霞，杨波，王慧彦，等.基于GIS 的河北省滦县洪水灾害风险评价[J].自然灾害学报，2014，23（3）：93 -100.
[4]付成威，苑希民，杨敏. 实时动态耦合模型及其在洪水风险图中的应用[J]. 水利水运工程学报，2013，5：32-38.
关键词：山洪灾害防治；危险区图绘制；洪水分析
前言
洪涝灾害是我国发生频率高、影响范围广的一种自然灾害。据相关统计，我国约有50%的人口和70%的财产分布在洪水威胁的区域[1]。为了有效地进行抗洪救灾，尽量减少由于洪水带来的人员伤亡和财产损失，需要科学地评价和分析不同频次的洪水对洪水危险区域可能造成的影响，从而有针对性的制定相应措施。
为了减小山洪灾害的影响，国家于2013启动了全国山洪灾害调查的一系列的调查评估。
如何更好地分析洪水风险情况，国内外已经有不少学者做了深入的研究，这其中数值模拟的方法是现在主要的研究方法[2-3]。黄萍等针对江西省南新圩防洪保护区的实际情况，结合2010年和2012年洪水相关资料，构建了基于MIKE21的洪水模拟模型，并对防洪区出现50a一遇的洪水演进过程进行了模拟分析[4]。
本文以湖北省典型山洪频发地区咸丰县为例，根据收集到的基础地理和水文相关数据，结合TUFLOW软件和ARCGIS等成熟软件，对忠建河山洪危险区域进行洪水风险评价分析，评估县内重点地区的防洪能力，为咸丰县防洪救灾提供技术支持。
1 研究区概况
1.1 自然地理
咸丰县位于湖北省恩施土家族、苗族自治州西南部。地跨东经108°37′～109°20′，北纬29°19′～30°2′。东接宣恩，东南邻来凤，南与重庆酉阳接壤，西界重庆黔江，北连利川，东北接恩施市。南北长80.375km，东西宽68.95km。国土面积2550km2。县城区是咸丰县人民政府所在地，面积322km2，是全县的政治、经济、文化中心。
本文研究的洪水风险研究区范围如图1所示。忠建河上的上游边界在距离忠建河与太平沟交汇口1.38公里的麻柳坝附近。
1.2 河流水系
咸丰县城区河流主要是忠建河，忠建河属清江水系清江支流，发源于龙家界柿子坪，在官坝草坪流经宣恩后汇入清江，县内流域面积238km2，其中县城以上集水面积为47.0km2，河长39km，河床坡降平均为6.60‰。
忠建河在咸丰县城自西南向东北穿城而过，两岸大小冲沟发育，项目区范围内有6条支流汇入忠建河，其中左岸5条，右岸1条，最大支流为左岸太平沟，承雨面积17.02km2，沟长3.62km，比降3.5‰。其他冲沟规模较小，一般冲沟宽度小于10m，弯曲，流量较小，对城区淹没情况影响较小。
2计算分析方法
2.1一维水动力模型
根据咸丰县城区地形及河道断面情况，采用一维水动力学模型进行河道和河道周边城区洪水风险分析，能够提供洪水淹没范围、淹没水深、流速、洪水前锋到达时间和淹没历时等信息，满足洪水危险区图绘制的需要。本文咸丰县城区洪水风险的模拟分析是利用国际广泛应用的TUFLOW软件进行的。
TUFLOW是由澳大利亚WBM公司和昆士兰大学联合研发项目开发的商业水力学软件，可用于流域洪水模拟、城市排水与雨洪管理。對于洪水计算，TUFLOW的一维数值求解采用非常稳定和精确的二阶拉格朗日格式。它能够模拟泵、闸门、堰坝、桥梁、涵洞、溃堤等各种构筑物[8]。
2.1.1模型原理
一维水动力学模型求解的基本方程为圣维南方程组：
2.1.2模型范围
一维水动力学模型模拟的范围是如图2所示的蓝色线条代表的区域。其中模型的上边界范围为忠建河桩号K0+000断面（咸丰县麻柳坝附近）和太平沟桩号T0+000断面（距离忠建河与太平沟的交汇口1.2公里处），下边界范围为咸丰县城区的育才巷下游200米处。
2.1.3模型边界条件
建立洪水分析模型时，对于忠建河洪水分析，上游边界条件根据《湖北省暴雨径流查算图表》计算的洪水过程线，同时加入太平沟相应洪水过程线作为侧向入流边界条件。下游边界条件为育才巷下游200米处给定的水位流量过程线。
2.2洪水影响分析
洪水影响分析是针对不同洪水方案对居民地指标进行灾情统计。统计工作在ArcGIS软件平台下，基于GIS软件的叠加分析功能，将洪水淹没特征分布图层和与土地利用分布图层通过空间地理关系进行叠加分析，计算洪水淹没范围内不同土地利用类型及数量；建立淹没水深（历时）与各类地物受淹情况关系。
洪水影响分析具体工作流程：
（1）现场实地调查、数学模型模拟计算或遥感分析方法确定洪水淹没范围、淹没水深、淹没历时等致灾特性指标。
（2）洪水淹没特征分布通过空间地理关系进行拓扑叠加，获取洪水影响范围内不同淹没水深下淹没房屋面积及其分布。
（3）选取具有代表性的典型地区、典型单元、典型部门等分类指标进行灾情调查统计，将调查资料与计算结果进行对比分析。
3忠建河洪水计算成果分析
3.1淹没范围和淹没面积
考虑的洪水计算方案包括忠建河10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇4种洪水量级。
不同频率洪水条件下，城区的淹没面积不同，具体情况见表1。
由表可知，100年一遇设计洪水条件下，总淹没面积最大，为0.31 km2，基本将忠建河大部分河段沿岸区域以及太平沟中游部分区域淹没。
50年一遇设计洪水条件下，淹没范围有所减少，忠建河上、下游以及太平沟中游淹没范围明显减小，淹没面积达到0.28 km2。
在20年一遇设计洪水条件下，咸丰县城区受淹范围较大幅度减少受淹范围主要集中在忠建河中游的县工商局到南门一桥的沿岸区域，淹没面积达到0.25 km2。 10年一遇设计洪水条件下，城区淹没范围最小，但县工商局到县粮食局之间青杨河沿岸区域还是受到洪水影响，淹没面积为0.22km2。
由图可知，咸丰县第二实验小学、新城民族小学、咸丰县民族中学、咸丰县中等职业技术学院、咸丰县民族技工学校、咸丰县政府、高乐山镇政府、县人民医院区域现状防洪能力最高，高于100年；县妇幼保健院儿童医院区域现状防洪能力为10～20年之间。
3.2淹没水深
100年一遇设计洪水条件下最大淹没水深为6.49米，位于忠建河沿岸的县粮食局处。50年、20年和10年一遇设计洪水条件下最大淹没水深分别为6.25米、5.79米和5.24米。由此可见，随着进洪流量的减小，最大淹没水深也随之减小。
3.3控制断面水位
以县粮食局桥前控制断面为例，分析不同频率下水位变化情况，绘出控制断面水位时间关系曲线图，如图3所示。
由图可知，不同频率条件下，水位随时间的变化有少许差异，但均与下泄流量的变化趋势相同。各频率条件下，水位达到最大值的时间有所差异，具体情况见表2。10年一遇设计洪水情况下峰值水位最低且水位最先达到最大值，100年一遇设计洪水情况下峰值水位最高且水位最晚达到最大值。
100年、50年、20年、10年一遇设计洪水进口流量峰值分别在第13小时、13小时、12小时、11小时，控制断面水位峰值到达时间相较稍微有所滞后。
4结论
本研究针对咸丰县山洪危险区域进行了风险评价。取得的主要成果如下：
（1）建立了TUFLOW一维水动力学模型，模拟结果能从整体上反映研究区域由于漫堤洪水引起的淹沒空间分布；建立了咸丰县城区灾情统计模型，统计受淹房屋数据，为研究区域的防洪减灾提供丰富的信息支持；完成了各方案的洪水分析计算、洪水影响统计分析和现状防洪能力评价。
（2）忠建河部分河段在2011年进行过河道治理。此次计算一维河道采用实测断面，计算结果显示咸丰县城区大部分区域基本能够抵御20年一遇洪水，但是忠建河上县工商局到县粮食局之间的沿岸区域只能够抵御10年以下量级的洪水。
参考文献：
[1]陈华丽，陈刚，丁国平. 基于GIS的区域洪水灾害风险评价[J]. 人民长江，2003，34（6）：49-51.
[2]Tingsanchali T，Karim.M. M. Flood hazard and risk analysis in the southwest region of Bangladesh[J]. Hydrological Process，2005，19：2055 -2069.
[3]廖丹霞，杨波，王慧彦，等.基于GIS 的河北省滦县洪水灾害风险评价[J].自然灾害学报，2014，23（3）：93 -100.
[4]付成威，苑希民，杨敏. 实时动态耦合模型及其在洪水风险图中的应用[J]. 水利水运工程学报，2013，5：32-38.