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李 娜 程晓陶:上海市区洪水风险图的制作研究
  2005-11-22 11:25  

 



李 娜 程晓陶
(中国水利水电科学研究院)

摘 要:上海市临江靠海,市内地势低平、河网密布,热带气旋、高潮位、暴雨是影响上海的主要灾害类型。上海市修建了海塘、防汛墙和排水泵站等工程,大大提高了城市的防洪排涝能力,但是,近年来频繁发生的洪涝灾害,依然对上海市的经济、社会生活带来很多危害。本文介绍了上海市区洪水风险图制作的目的、步骤、方法与所采用的关键技术,以及集城市洪涝仿真模型、GIS技术、风险信息查询与风险图制作于一体的洪水风险图信息管理系统。本项研究成果为编制上海市防汛应急预案提供了科学依据。
关键词:上海市区、洪水风险图、城市洪涝仿真模型、信息管理系统

1 引言

  目前,中国城市化正处于高速发展阶段,根据国家发展规划到2010年和2020年城市化率预计分别达到45%和50%。城市在现代社会中的地位日益显著,2000年,全国663座城市的市区GDP占全国的78.2%。具有防洪任务的620座城市的市区GDP占全国的76.5%。

  城市是人口、资产高度集中的地区,一旦发生洪涝灾害,经济损失严重,政治影响大。因此,综合利用各种措施,减轻城市洪涝灾害损失对目前中国的经济发展和社会稳定具有十分重要的现实意义。

  洪水风险图是反映洪水风险大小的地图。从国内外经验看,它是一种被广泛采用的防洪非工程措施。绘制城市洪水风险图,可以在制定城市防洪及排水规划、规定洪水风险区建筑物设计与建设标准、编制防汛应急预案、部署防汛抢险措施、评估洪涝灾情、增强公众的洪水风险意识等工作中发挥重要的作用。

  本文以上海市区为例,详细介绍上海市区洪水风险图制作的目的、目标、方法、关键技术、初步成果及洪水风险图信息管理系统的结构与功能。

  上海市地处长江三角洲前沿,东濒东海,南临杭州湾,西接江苏、浙江两省,北界长江入海口。上海市面积6340.5km2,其中市区面积2643.06 km2。市内地势低平,河网密布,平均高度为海拔4m左右,目前全市共有大小河道约1.26万条,总长超过3万km,河网平均密度为6-7km/km2

  上海市属亚热带海洋性季风气候,气候湿润,雨量充沛,多年平均年降水量为1142.0mm。

  上海市现有人口约1700万,2004年生产总值达到7450.27亿元,排全国各省市的首位[1]。

  受特定地理环境和气候因素的影响,热带气旋、高潮位、暴雨是影响上海的主要灾害类型,其中以热带气旋引发的风暴潮危害最大;暴雨所形成的城市涝灾也给上海市的生产生活带来很多不便。近些年来,1991年、1997年、1999年、2000年、2001年、2005年都发生了较为严重的风暴潮或暴雨灾害。

  为抗御洪、潮、涝灾,上海市修建了海塘、防汛墙、排水泵站等防洪排涝设施。目前,约有一半的主海塘能够防御百年一遇高潮位和11~12级风力的同时侵袭,市区防汛墙的设防标准已达到1000年一遇,截至2001年底,已建成排水系统177个,服务面积370 km2,排水能力1856 m3/s[2]。

2 研究目的和目标

  虽然修建了海塘、防汛墙和排水泵站等工程,上海市仍然几乎每年都有不同程度的洪、涝、潮灾发生,这些灾害对上海市的经济、社会生活都带来了很多危害。因此,为了减轻灾害损失和社会影响,并为编制上海市防汛应急预案提供科学依据,上海市防汛信息中心决定联合中国水利水电科学研究院开展上海市区洪水风险图制作研究。

  本次洪水风险图制作研究的目标是建立上海市区洪水风险分析系统,利用城市洪涝灾害仿真模型,模拟计算上海市区遭受暴雨、风暴潮与太湖流域洪水袭击的情况下,因黄浦江防汛墙溃决或城市内涝可能发生的受淹情况,并在此基础上绘制上海市区洪水风险图。

  鉴于城市洪涝灾害成因的多样性及其组合的复杂性,尤其是针对上海市区洪水风险图制作“为防汛应急预案编制服务”的要求,项目最终将建立上海市洪水风险信息管理系统并提供给上海市防汛信息中心,作为其日常风险管理运用的工具。每年汛前和汛期,可以根据城市发展变化情况利用该系统对基础信息进行调整,针对重点关注的问题补充洪水计算方案,形成一系列的风险图集,并便于查询与制图,从而可为应急预案的制定与修编提供科学的依据。

3 制作步骤与方法

  研究制作上海市区洪水风险图,包括如下几步:

  第一步:根据需求确定需要制作洪水风险图的区域;
  第二步:编制初始报告。包括数据完备性分析、制作方法选择、费用评估等内容;
  第三步:基础数据获取、整理;
  第四步:进行洪水频率分析,确定流量和洪水过程线;
  第五步:进行洪水风险分析,确定特定洪水重现期下因堤防溃决或暴雨可能形成的洪水位与淹没范围等;
  第六步:制作洪水风险图;
  第七步:开发洪水风险图信息管理系统,包括基础数据和洪水风险信息的管理、查询、展示、输出等;

  编制洪水风险图最为关键的一步是进行洪水风险分析,确定洪水淹没要素(淹没范围、水深等)。目前,进行洪水风险分析常采用的方法有:历史洪水调查法、水文学法、水力学法。历史洪水调查法是对历史上已发生过的大洪水进行调查,将各次大洪水的淹没边界和淹没水深标明在地形图上。水文学法是通过洪水频率分析,在获取不同的洪水频率的水位、流量和河段洪量的基础上,依据河道及周边区域地形地貌描绘不同频率洪水的淹没范围、淹没水深。水力学法一般是通过数学模型,求解连续方程和运动方程,利用差分的方法计算出各运动时刻的流速、流向和水深。

  不同方法对基础数据的需求、适用的范围、产出的结果、所需费用都有所不同,不同地区或流域应根据数据完备情况、区域洪水灾害的严重程度、区域经济实力及已有成果等来选取适宜的方法。

  本次上海市区洪水风险图的制作选用的是水力学方法,选取水力学方法的原因如下:

 ·上海市区地势低平、水灾成因复杂;
 ·水力学方法除了能够提供洪水淹没范围、水深和流速外,还能够提供洪水淹没过程、淹没历时等信息,对防汛应急预案的编制有重要参考价值;
 ·上海市区的水文、地理、防洪、排涝等基础资料较为完备。

4 制作关键技术

4.1基础资料收集整理

  水力学方法计算精确,但要求的资料较为详细,包括有水文、地形地貌、防洪排水工程和历史灾害资料等。本次研究主要收集了以下一些资料:

 ·电子地图图层及基本属性:河道边界、道路、高架路、区县界、乡镇界、防汛墙、排涝泵站、排水系统、水利分片、水闸;
 ·黄浦江主要观测站(如吴淞口、黄埔公园、米市渡等)的设计潮位过程及最高潮位;
 ·黄浦江防汛墙堤顶高程;
 ·易出险的防汛墙位置分布图、可能的倒墙宽度;
 ·历史堤防出险情况;
 ·上海市设计暴雨资料。
 ·各级河道的主要断面资料;

4.2洪水仿真模拟
4.2.1研究范围
  
  由于诸多原因的限制,本次研究的范围是上海市区外环线以内,包括黄浦江、苏州河等主要河流。在浦西,研究范围北至蕴藻浜,南至淀浦河,西至外环路,东以黄浦江为界;在浦东,研究范围北、西以黄浦江为界,南至川杨河,东至外环路(见图1)。



4.2.2仿真模型

  本次研究采用的是中国水利水电科学研究院防洪减灾研究所开发的城市暴雨洪水仿真模拟模型[3]。该模型的方法是解流体运动的基本方程,根据地形、地物特点,将模拟范围划分为不规则的三边形、四边形或五边形网格,以这些网格为基本单位,利用差分的方法进行数值计算就可以求出洪水在各运动时刻的流速、流向和水深。在计算时要考虑各网格的各种内部条件和边界条件。作为内部条件考虑的因素有糙率、网格范围内的房屋密度、排水分区的分布及能力、是否有河道及桥梁等。对于区管河道、排水管网及其它影响内涝积水的工程设施,采用分类的方法对方程采取不同的简化格式,以提高计算的精度。作为边界条件考虑的有堤防、公路、涵闸、泵站、铁路等。全部计算区域共划分为776个不规则网格,计算通道1671个,节点896个(图2)。

  该模型有主体计算模块、数据前处理模块和后处理模块组成,其逻辑结构图见图3。


  在利用该模型进行方案计算之前,首先将吴淞站1997年型的潮位过程按照千年一遇设计高潮位进行放大,并以该过程作为边界条件,输入模型,计算得出黄浦公园的高潮位,并与设计值进行比较。在两者较为接近时,得出的模型参数作为方案计算所需的参数。

  该模型可以计算两类情景,一类是堤防溃决或漫溢时的洪水淹没情况,另一类是暴雨产生积水的情况。

4.3洪水风险图成图

  利用仿真模型,可以得出不同方案下的可能淹没范围和每个网格的最大淹没水深。在制作洪水风险图时,首先将这些结果转入系统数据库,然后利用GIS软件,将这些信息与电子地图“网格”图层匹配,匹配成功后,每个网格都有一列属性——“最大淹没水深”,再利用GIS工具,绘制最大淹没水深等值线和等值面,最后将基础背景地图图层(如区县界、河流、堤防、土地利用等)、最大淹没水深等值线和等值面图层,以及标注、说明、图例等辅助信息图层,按照一定顺序叠加起来,形成设定方案的洪水风险图[4]

  本次研究形成的上海市区洪水风险图包括两类:一类是黄浦江防汛墙溃决或漫溢时的洪水风险图,另一类是上海市区普降暴雨积水时的洪水风险图。图4和图5是洪水风险图的两个实例,图4标识了某处防汛墙溃决后可能造成的淹没范围及水深分布,图5表示了上海市区普降暴雨时可能的积水情况,除此以外,两张图还标识了淹没水深图例、溃口位置、指北箭头、导航图和详细的边界条件说明。

5 洪水风险图信息管理系统

  为了方便用户查询洪水风险图中的洪水风险信息,专门开发了基于GIS的信息管理系统[5]。该系统是利用ArcInfo格式的电子地图,采用Microsoft Visual Basic和控件式GIS开发工具Map Objects,并利用SQL Server作为数据库支持软件进行开发的。

  该系统主要由基础信息管理、洪水仿真模型、洪水风险图制作和洪水风险信息查询等模块组成,系统模块组成图见图6。

  基础信息管理模块主要针对地形地貌信息、水文信息、防洪排涝工程信息进行显示、查询、输入、编辑、输出等操作。洪水仿真模型模块具有边界条件生成、模型计算和数据输出等功能,并能够在背景地图上重演洪水演进过程。洪水风险图制作模块的功能是利用模型数据结果,形成各种方案的洪水风险图,包括等值线生成等值面生成、图例颜色编辑等。洪水风险信息查询模块可以进行直接点击式查询和输入特定名称定位查询两种方式,可以查询某点或特定名称的淹没水深、水位。基本GIS功能包括图形放大、缩小、漫游和鹰眼图显示等,系统管理主要是指系统权限管理和用户管理。

6 结论

  城市化进程的加快,城市洪水问题日益突出,城市洪水风险图应该是一项非常有效的洪水管理非工程措施。上海市区洪水风险图制作的实践表明,在编制城市洪水风险图时,需要特别注重以下几个方面:

 ·首先进行问题分析与需求分析,摸清洪水风险图的使用对象、制作目的和适宜的表现形式;
 ·认真分析城市洪水特性,选择科学、经济的洪水风险分析方法;
 ·利用先进的制图技术进行绘制,即有利于洪水风险图成图,也有利于图形的更新与维护。


 

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