基于高精度DEM的城市洪水风险图编制应用案例分析_苏德慧.pdf

Feb.2023 NO.2 VOL.332023年2月 第2期 第33卷CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENT中国防汛抗旱城市防洪URBAN FLOOD CONTROL1 洪水风险图应用目前全球范围内的洪涝灾害无论是从数量和规模都呈现出快速增加的趋势，成为全球面临的重大挑战。根据联合国发布的 灾害的代价200020191，过去20年间，全球共发生7 348起灾害事件，造成123万人死亡，受灾人口高达40亿人，直接经济损失达2.97万亿美元，其中全球的洪水灾害数量从1 389起上升到3 254起，占灾害总数的40%；在全球十个受灾最多的国家中，中国共发生577起灾害事件居全球首位，是世界上灾害尤其洪涝灾害最严重的国家。除中国外，美国（467起）、印度（321起）、菲律宾（304起）和印度尼西亚（278起）紧随其后。世界十大历史洪水灾害中，前5次均发生在中国，如1975年河南发生的板桥水库垮塌造成的特大洪水灾害，1998年长江大洪水、2012年北京“721”暴雨洪水、2021年郑州“720”特大暴雨洪水等。洪涝灾害的数量、规模及损失近年来呈快速增加的趋势，洪涝灾害成为多数城市的痛点和难点问题。洪水灾害增加的原因主要有极端天气和城市化。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）公布的最新评估报告2表明，过去50年，极端天气事件特别是强降雨、高温热浪等极端事件呈增多增强的趋势，预计今后在全球气候变暖大背景下，这种极端事件将更加频繁。极端天气造成暴雨洪水频发，现有的工程设计体系将被迫做出大幅调整，如过去的20年中，全球很多地区的100年一遇设计降雨和设计洪水发生频率降低为20年一遇左右，对工程设计造成了巨大挑战，美国休斯敦的设计降雨自2000年以来已经做了两次大的修改和调整，设计降雨由过去的100年一遇变为10年一遇至20年一遇。除极端天气外，城市化是洪水灾害增加的另外一个原因。19722020年间，中国75个主要城市面积扩大7.46倍，城市化导致城市硬质下垫面剧增，相同降雨条件下地表形成的洪水峰值增加数倍以上，洪水风险大幅增加。基于高精度DEM的城市洪水风险图编制应用案例分析苏德慧1赵杨2毛叶丰1刘昊2林甬梁1林翔2（1.海绵城市雨水收集利用技术有限公司，宁波315100；2.北京雨人润科生态技术有限公司，北京100005）DOI:10.16867/j.issn.1673-9264.2022252摘要：简要总结洪水风险图的应用及其编制技术和方法，以深圳市坪山区为例，基于0.5 m网格的高精度地形数据，建立了水文学模型和二维水力学模型，对地形数字高程模型（DEM）的精度、地形处理方法、模型方法、设计降雨、计算网格、模拟尺度等做了深入探讨，并且对区域内在不同降雨条件下的地表汇流过程进行了详细模拟，提炼出洪涝风险分布信息，包括淹没深度、范围，流速，洪水发生、退水时间过程等。基于模拟结果，绘制了该流域在不同设计降雨条件下（2年一遇至100年一遇）城市高精度洪涝风险图。高精度DEM与二维水力学模型是提高城市洪水风险图精度和质量的关键要素。关键词：洪水风险图；高精度地形数据；水文学模型；二维水力学模型中图法分类号：TV122；TV87文献标识码：A文章编号：1673-9264（2023）02-40-06苏德慧，赵杨，毛叶丰，等.基于高精度DEM的城市洪水风险图编制应用案例分析J.中国防汛抗旱，2023，33（2）：40-45.SU Dehui，ZHAO Yang，MAO Yefeng，et al.Applicationof urban flood risk mapping based on high precision DEMJ.China Flood&Drought Management，2023，33（2）：40-45.（in Chinese）收稿日期：2022-06-29第一作者信息：苏德慧，男，博士，正高级工程师，E-mail：。40Feb.2023 NO.2 VOL.332023年2月 第2期 第33卷中国防汛抗旱CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENT城市防洪URBAN FLOOD CONTROL开挖补偿开发填方洪水河道100年一遇洪水平原500年一遇洪水平原河道美国、欧洲、日本等国家在洪水风险图的绘制和应用已经超过50年，实践证明，洪水风险图的绘制和应用是一项非常有效的非工程策略，是当今城市规划和防洪排水中重要的技术支撑，对于当地的防洪排涝规划、工程设计、洪涝风险现状评估、洪涝灾害损失评估、推动洪水保险、加强防汛应急管理、优化城市综合国土规划、提高公众洪水风险意识、减少洪涝灾害损失起到了重要作用。以美国为例，1968 年由国会和美国联邦应急署（Federal Emergency Management Agency,FEMA）主导的国家洪水保险法案（National Flood Insurance Program，NFIP）3主要包括洪水风险图绘制、洪水平原管理法规和洪水保险3个主要部分，其中的主要工作之一是利用水文水力学模型在全国范围内制作洪水风险图，并且逐步推广到全国的大部分城镇社区。同时制定发布了洪水平原管理和开发政策，建立了洪水保险体系，成为美国在城市开发过程中防洪排涝、保护水资源和水生态的主要法律法规和策略。目前美国 80%的社区都建立了洪水风险图和洪水保险制度。国内洪水风险图的编制最早由中国水利水电科学研究院的刘树坤、程晓陶自1980年开始在国内一些区域开展研究。洪水风险图的试点工作开始在辽河、珠江、黄河下游等流域的干流段进行，沈阳、广州、海口、深圳、哈尔滨等城市也相继开始了城市区域试点工作4。1997年发布 洪水风险图制作说明5对洪水风险图的编制做了分期规划和制作技术说明，有效推动了全国范围洪水风险图的研制进程。2004年，国家防汛抗旱总指挥部办公室确立了全面推动我国洪水风险图编制工作的思路，组织编制了 洪水风险图编制导则6。2009年，发布了 洪水风险图编制技术细则（试行）7，但洪水风险图编制应用一直没有纳入水利和城镇建设开发的强制执行的法规，所以目前在国内仍处于比较分散的试用阶段。目前我国正在经历大规模的快速城市化过程，超大型城市不断涌现，城市人口占比例迅速提高。城市化极大改变了区域原有的水文水力学特征，大量道路、房屋建设增加了下垫面的不透水率，地表径流产生量大大增加，与此同时，相当部分河流的排水通道却被挤压占用，增加了城市洪涝灾害的风险，因此城市洪涝治理和洪水风险图编制更加迫切和重要。2 洪水风险图编制方法受测量技术和地形数据数量和精度制约，长期以来欧美主流的洪水风险图的模拟分析和编制主要是针对人口密集的河流，多采用一维水文水力学流域模型，集中于河道内外的流动、水位变化、过流能力、两岸淹没范围等，建立了以一维河道河网为基础的洪水风险图。以美国为例3，洪水风险图的制作主要是利用水文学模型HEC-HMS（Hydrological Engineering Center，Hydrological Model System）和水力学模型 HEC-RAS（Hydrological Engineering Center，River Analysis System，RAS），对于全国的主要河流，按照不同降雨条件下、不同频率的洪水，如10年一遇、50年一遇、100年一遇、500年一遇给出洪水淹没范围及洪水风险图、洪水河道，并发布洪水风险图技术报告，指出应用的方法及模型。河道内洪水淹没深度和范围如图1 所示。上述洪水风险图缺点是精度有限，依赖于河道和周边地形、流向，对于一些尺度较大的河流、未开发的天然区域比较适合。对于城市区域、由于受到城市复杂地形、基础设施和建筑严重阻挡影响时，一维模型呈现出很大的缺陷和局限性，无法给出超出河道断面外的城市大面积地表漫流和洪水淹没的详细信息、无城市道路、小区和一些重要设施的水位和洪涝淹没信息。相比之下，二维水力学模型更加适合于模拟水流通过城市区域复杂几何地形的情况，如城市街道和建筑物、道路、立交桥和其他设施，结合高精度的地形图，二维模型能够准确地模拟城市地面复杂的水流、积水的漫溢及消退过程。只是由于地形数据的精度和获取往往比较困难，很大程度上限制了这些模型在洪水风险图编制上的广泛应用。近年来，激光雷达技术（LIDAR-Light detection andranging）以及地理信息系统（GIS）在工程领域得到广泛应用和发展，可以获取大面积、高精度的城市地形图，使得利用二维水力学模型模拟城市复杂地形条件下地表洪水流图 1 河道内洪水淹没深度和范围示意图41Feb.2023 NO.2 VOL.332023年2月 第2期 第33卷CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENT中国防汛抗旱城市防洪URBAN FLOOD CONTROL动过程成为可能。激光雷达代表光探测和测距，是一种遥感方法，它使用脉冲激光形式的光来测量到地球的距离（可变距离）。这些光脉冲与机载系统记录的其他数据相结合，生成关于地球形状及其表面特征的精确三维信息。反射被记录为数百万个单独的点，统称为“点云”，代表物体在表面上的三维位置，包括建筑物、植被和地面。通常会提供3种不同的高程数据，分别为数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、数字表面模型（Digital Surface Model，DSM）和 数 字 地 形 模 型（Digital Terrian Model，DTM）。DSM是一种高程模型，其中包含地形的高程及地面以上的要素，如建筑物、植被、塔和其他基础设施。目前DEM已大量应用在洪水风险图编制和相关水文水力学模型中，而对于城市内的复杂地形，只有当网格精度到2 m以下时（图2），才能对城市复杂条件的地表特征，如建筑物、道路、内河、池塘水体等进行识别，从而实现洪水精准模拟，大幅提高洪水风险图的精度与质量。目前传统的洪水风险图制作受地形图精度限制，因此对于城市洪涝风险模拟和洪水风险图编制还有待优化和提高。3 洪水风险图编制应用案例基于激光雷达测量技术所获取深圳田坑水流域内约20 km2范围内0.25 m网格的高精度地形数据（DEM），对流域内的河流、池塘、排水渠道、街道、桥涵等地形地貌和地表排水设施进行精准识别。在此基础上，利用GIS建立水文模型（HEC-HMS）及二维的水力学模型（HEC-RAS6.0）。3.1 区域简介田坑水位于深圳坪山区，是龙岗河在深圳市境内的一级支流，位于龙岗河的中下游河段，流域位于坪山区的西北部。田坑水流域面积20.9 km2，全长约10.9 km，天然平均坡降约为4.3（图3）。3.2 水文模型的选用与建立项目中采用了精度和可靠性较高的分布式水文模型HEC-HMS8（图4）。该模型软件由美国陆军工程兵团自70年代开发并且不断升级改造，旨在模拟流域水系的完整水文过程，模型汇集了美国主要经典的水文分析模型方法，如下渗损失方法、单位线法线和水文汇流分析。（1）设计降雨。模型采用的设计降雨来源于 深圳市城市设计暴雨雨型研究深圳市排水防涝综合规划（2014年2月）成果。（2）流域划分。按照DEM地形、街道、排水管网、行政区划等要素，将流域内进一步划分为42 个子汇水区。最大汇水区面积1.4 km2，最小汇水区面积0.1 km2，汇水区的平均面积为0.75 km2。完成划分后，将有关流域和汇水分区进一步导入HEC-HMS 模型。田坑水流域上游的3个水库，均为供水水库，且汇水面积小。经过分析，对于洪水风险下游影响很小，在分析中不再考虑。（3）模型方法、参数确定和输入。水文模型中降雨损失采用 SCS CN（Soil Conservation Service Curve Number）方法，主要根据下垫面的土地类型，确定相应的CN值以及损失计算。该方法参数容易确定，计算简单，通用性较好。产汇流模型中采用 SCS 单位线法（SCS Unite Hydrograph），该方法是美国在1960年代推出的比较成熟的水文算法，适应性