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摘要：研究城市发生超标准洪水时的受水灾影响范围对于城市防洪至关重要。以ARCGIS应用软件为平台，利用浑河沈阳城市河段主城区的DEM模型和水文分析数据，通过对比浑河沈阳城市河段的洪水风险图，分析了该河段右岸三环内主城区的超标准洪水淹没范围。分析方法能够满足超标准洪水淹没分析的应用，并可为其他城市或河流超标准洪水防御预案的编制提供借鉴。
关键词：超标准洪水;洪水淹没范围;GIS;DEM;浑河沈阳城市河段
中图法分类号：TV122.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.003
文章编号：1006 - 0081（2021）06 - 0016 - 05
1 研究背景
随着中国城市化进程的加快和城市化程度的提高，城市在社会经济发展中的作用也不断增大。因此，城市的防洪工作对国民经济和社会可持续稳定发展具有重要意义[1]。沈阳是中国东北地区重要的中心城市。浑河及其主要支流满堂河、小沙河、杨官河、白塔堡河、南运河、卫工河等流经沈阳市中心城区，其汛期流量大、水位高，枯水期流量小，季节性非常明显。经过多年持续建设，全市河流基本形成了比较完整的防洪排涝工程体系。沈阳市现有的城市防洪体系是依据GB50201《防洪标准》构建的，考虑了中心城区常住人口规模、城市社会经济地位、洪水类型及对城市安全的影响、自然及技术经济条件、流域防洪规划对城市防洪的安排等多方面因素，包含工程措施和非工程措施，但是其应对的都是防洪标准内的洪水灾害，对于超标准洪水的影响范围和应对措施并无分析。
2020年3月，为应对可能发生的水旱灾害领域“黑天鹅”“灰犀牛”事件，水利部召开会议推进编制超标准洪水防御预案，要求所有大江大河和重要支流以及有防洪任务的县级以上城市参与编制。为指导浑河沈阳城市河段超標准洪水防御预案的编制，需要明确浑河发生超标准洪水时沈阳城市河段的影响范围。
2 现有防洪体系及超标准洪水量级设定
2.1 防洪工程概况
浑河沈阳城市河段范围为沈阳抚顺交界-沈阳西四环桥，其两岸依靠现状高地和堤防基本形成了完整的防洪体系，两岸现状防洪情况见表1，两岸设防标准见图1，两堤之间右岸非行洪区起止范围从南京桥上游1 409 m处-长青桥北桥台处，总长8.2 km，主要分为王家庄地区和天坛地区。浑河沈阳城市河段主要支流为牤牛河、杨官河、张官河和白塔堡河，目前各河道中上游防洪标准均为20 a一遇，牤牛河下游金家屯-河口段（浑河回流段）右岸防洪标准为300 a一遇，左岸防洪标准为100 a一遇，其他河道浑河回流段防洪标准为100 a一遇。
2.2 拦跨（穿）河建筑物
浑河沈阳城市河段现有拦河水工建筑物6处，拟建拦河水工建筑物1处。浑河沈阳城市河段内跨（穿）河建筑物共24座，其中铁路桥5座，穿河隧道2座（八三隧道、五爱隧道），已建公路桥17座。主城区河段两岸现有穿堤洞口17处，其中左岸5处，右岸12处;过堤人行通道6处。现有穿堤（跨河）工程37处，其中：引水10处，排水16处，热网管线1处，通讯电缆7处，燃气管线2处，电力管线路1处。主要拦河建筑物和跨河桥梁见图2。
2.3 防洪薄弱环节
根据浑河堤防工程、跨栏河工程建设情况及主要支流分布情况，沈阳城市防洪薄弱地段主要分布在伯官大桥以上左岸丰乐村、右岸烟台村，鸟岛左右岸，王家湾，新立堡桥-长青桥左岸，长青桥右岸非行洪区，长大铁路桥左岸，云龙湖桥以下苏家屯区段、浑河闸-西四环等处。此外全河段现有穿堤洞口、涵闸较多，部分节点达不到300 a一遇防洪标准，左堤浑河桥至长青桥段有3处人行穿堤口和1处公园入口，遇特大洪水时是防洪的薄弱环节，容易形成险情。防洪薄弱点见图3。
2.4 超标准洪水量级设定
根据浑河沈阳城市河段堤防建设情况，按照现有防洪标准提升一个量级进行超标准洪水量级的设定，分别将浑河沈阳城市河段划分为右岸入沈阳界（小仁镜村）-金家屯段、金家屯-浑河闸段、浑河闸-西四环段、左岸入沈阳界（下伯官坝）-浑河闸段、浑河闸-西四环桥段5个区段。浑河沈阳城市河段超标洪水量级划分情况及超标对应流量见图4和表2。
3 分析方法与成果验证
3.1 分析工具
地理信息系统（GIS）现已被广泛应用于诸多领域，在洪水治理方面实现了快速、准确、科学模拟以及预测洪水淹没范围的作用[2]，ARCGIS应用工具则能够提供强大的GIS空间分析功能，通过建立GIS模型完成了洪水模拟分析的全过程。数字高程模型（DEM）可以通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟，用一组有序数值阵列形式表示地面高程，本次分析需要的是浑河沈阳城市河段两岸主城区的DEM模型。水文数据用于分析计算浑河沈阳河段河道不同频率下的洪水流量以及对应流量下河道沿程水面线，水面线成果见表3。
3.2 分析方法
本次分析采用有源淹没分析的方法，需要考虑地形之间的“流通”淹没情形，即洪水只淹没它能流到的地方，这种情形适用于如江河、水库等高发区向周边领域范围扩散的洪水区[3]。本次分析中以浑河沈阳河段干流为洪水扩散种子点，两岸城区高程在洪水水位以下的区域均为与种子点相接的连通区，洪水通过连通区向周围扩散，最终形成连片的淹没区域。
在ARCGIS平台建立分析模型，导入浑河沈阳城市河段两岸主城区的DEM数据，形成洪水淹没分析的基础。在水文分析得到的一维洪水水面线上选取若干点位，每个点位绘制带有水位属性的河道横断线，并向左右两岸延伸至该点水位可能淹没的城区范围以外，然后将河道横断线转为点要素，采用自然邻域法利用转化后的点要素，按照邻近点基于区域大小按比例对这些点要素进行插值，形成以水位为基本数据的栅格图形。 建立面图层，面图层涵盖范围要比可能淹没区的范围稍大，用面图层剪切上述插值形成的栅格图形，形成比淹没范围稍大的淹没区栅格图形。利用栅格计算器，用淹没区栅格图形减去浑河沈阳河段城区DEM模型，即用洪水水位减去地面高程，得到区域内的淹没水深，此时的水深数值可能存在负值，即地面高程高于洪水水位的区域，再通过空间提取数值为正的区域，得到正常的洪水淹没区。洪水淹没分析技术路线见图5，以浑河沈阳城市河段为例的分析过程见图6。
3.3 成果分析
按照上述分析方法计算的浑河沈阳河段右岸主城区三环内的500 a一遇超标准洪水淹没区域为东至新立堡桥及二环路，西至沈阳绕城高速路，北至沈阳绕城高速大转弯互通、向工街、沈阳故宫以南、东陵西路以南，南至浑河右岸滩地。从中水北方勘测设计研究有限责任公司于2016年编制的沈阳城市洪水风险图看出，浑河沈阳河段右岸主城区三环内的500 a一遇超标准洪水淹没区域为东至新立堡桥及二环路，西至沈阳绕城高速路，北至沈山线铁路桥、沈阳故宫以南、长安路以南，南至浑河右岸滩地。
沈阳城市风险图考虑的是在浑河右岸辉山明渠入河口、东方威尼斯堤防、长大铁路桥下游右岸堤防3处产生溃口时，以二维洪水演进过程形成的洪水淹没范围，其分析过程更符合洪水流动的实际情况。本次分析过程为在选取的每个洪水水面线点位都产生溃口时，假想洪水不向其他方向流动，仅向右岸城区以插值水位平推过去形成洪水淹没范围，是一个静态分析的过程，即当水位为超标准洪水位时，水位高于地面的区域均为淹没区，以此分析的成果偏保守。洪水风险图是模拟发生超标准洪水时，堤防产生若干溃口，洪水不断进入城区的淹没成果，是一个动态分析的过程，模拟成果更接近实际洪水演进过程，因此形成的洪水淹没范围比洪水风险图所示的淹没范围稍大。对比两种方法的分析成果，洪水淹没区的围以及淹没区水深总体趋势相似，因此本次分析的成果基本能够反映超标准洪水发生时浑河沈阳城市河段的影响范围，可为超标准洪水防御预案的编制提供参考。两种分析成果对比见图7。
4 结 语
本文分析了一种计算超标准洪水淹没范围及淹没水深的简便方法，能够为短期内需要编制超标准洪水防御预案，但又缺乏以往类似洪水风险图等相关成果的城市或河流在编制预案时提供借鉴。本方法较为精简方便，且易于实现，考虑的超标准洪水发生情形没有统一分析两岸同时发生超标准洪水的情况。超标准洪水淹没范围的分析以及防御预案的编制涉及众多复杂、变化和不确定的因素，例如环境变化情况下的洪水演变特征、流域范围内防洪排涝体系标准和能力、暴雨洪水监测预报体系与预警发布机制的建立、防洪工程整体应急调度的可操作性等，这些都影响着超标准洪水的形成和演进过程，并决定着采取何种措施应对超标准洪水，因此超标准洪水淹没范围的分析以及防御预案的编制是一项长期的、需要不断修编完善的任务[4]。未来超标准洪水防御的研究要充分考虑到上述各方面对洪水分析的影响，使超标准洪水防御预案的编制更为科学，对防汛工作起到更为切实可行的指导作用。
参考文献：
[1] 黄克荣. 论城市防洪在国民经济建设中的地位和作用[J]. 当代建设，1997（4）：12-15.
[2] 葛小平，许有鹏，张琪，等.GIS支持下的洪水淹没范围模拟[J]. 水科学进展，2011，13（1）：456-460.
[3] 金哲，肖旋旎.基于GIS的洪水淹没区分析[J].吉林水利，2014（6）：30-62，37.
[4] 程晓陶.防御超标准洪水需有全局思考[J]. 中國水利，2020（13）：8-10.
（编辑：李 晗）
关键词：超标准洪水;洪水淹没范围;GIS;DEM;浑河沈阳城市河段
中图法分类号：TV122.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.003
文章编号：1006 - 0081（2021）06 - 0016 - 05
1 研究背景
随着中国城市化进程的加快和城市化程度的提高，城市在社会经济发展中的作用也不断增大。因此，城市的防洪工作对国民经济和社会可持续稳定发展具有重要意义[1]。沈阳是中国东北地区重要的中心城市。浑河及其主要支流满堂河、小沙河、杨官河、白塔堡河、南运河、卫工河等流经沈阳市中心城区，其汛期流量大、水位高，枯水期流量小，季节性非常明显。经过多年持续建设，全市河流基本形成了比较完整的防洪排涝工程体系。沈阳市现有的城市防洪体系是依据GB50201《防洪标准》构建的，考虑了中心城区常住人口规模、城市社会经济地位、洪水类型及对城市安全的影响、自然及技术经济条件、流域防洪规划对城市防洪的安排等多方面因素，包含工程措施和非工程措施，但是其应对的都是防洪标准内的洪水灾害，对于超标准洪水的影响范围和应对措施并无分析。
2020年3月，为应对可能发生的水旱灾害领域“黑天鹅”“灰犀牛”事件，水利部召开会议推进编制超标准洪水防御预案，要求所有大江大河和重要支流以及有防洪任务的县级以上城市参与编制。为指导浑河沈阳城市河段超標准洪水防御预案的编制，需要明确浑河发生超标准洪水时沈阳城市河段的影响范围。
2 现有防洪体系及超标准洪水量级设定
2.1 防洪工程概况
浑河沈阳城市河段范围为沈阳抚顺交界-沈阳西四环桥，其两岸依靠现状高地和堤防基本形成了完整的防洪体系，两岸现状防洪情况见表1，两岸设防标准见图1，两堤之间右岸非行洪区起止范围从南京桥上游1 409 m处-长青桥北桥台处，总长8.2 km，主要分为王家庄地区和天坛地区。浑河沈阳城市河段主要支流为牤牛河、杨官河、张官河和白塔堡河，目前各河道中上游防洪标准均为20 a一遇，牤牛河下游金家屯-河口段（浑河回流段）右岸防洪标准为300 a一遇，左岸防洪标准为100 a一遇，其他河道浑河回流段防洪标准为100 a一遇。
2.2 拦跨（穿）河建筑物
浑河沈阳城市河段现有拦河水工建筑物6处，拟建拦河水工建筑物1处。浑河沈阳城市河段内跨（穿）河建筑物共24座，其中铁路桥5座，穿河隧道2座（八三隧道、五爱隧道），已建公路桥17座。主城区河段两岸现有穿堤洞口17处，其中左岸5处，右岸12处;过堤人行通道6处。现有穿堤（跨河）工程37处，其中：引水10处，排水16处，热网管线1处，通讯电缆7处，燃气管线2处，电力管线路1处。主要拦河建筑物和跨河桥梁见图2。
2.3 防洪薄弱环节
根据浑河堤防工程、跨栏河工程建设情况及主要支流分布情况，沈阳城市防洪薄弱地段主要分布在伯官大桥以上左岸丰乐村、右岸烟台村，鸟岛左右岸，王家湾，新立堡桥-长青桥左岸，长青桥右岸非行洪区，长大铁路桥左岸，云龙湖桥以下苏家屯区段、浑河闸-西四环等处。此外全河段现有穿堤洞口、涵闸较多，部分节点达不到300 a一遇防洪标准，左堤浑河桥至长青桥段有3处人行穿堤口和1处公园入口，遇特大洪水时是防洪的薄弱环节，容易形成险情。防洪薄弱点见图3。
2.4 超标准洪水量级设定
根据浑河沈阳城市河段堤防建设情况，按照现有防洪标准提升一个量级进行超标准洪水量级的设定，分别将浑河沈阳城市河段划分为右岸入沈阳界（小仁镜村）-金家屯段、金家屯-浑河闸段、浑河闸-西四环段、左岸入沈阳界（下伯官坝）-浑河闸段、浑河闸-西四环桥段5个区段。浑河沈阳城市河段超标洪水量级划分情况及超标对应流量见图4和表2。
3 分析方法与成果验证
3.1 分析工具
地理信息系统（GIS）现已被广泛应用于诸多领域，在洪水治理方面实现了快速、准确、科学模拟以及预测洪水淹没范围的作用[2]，ARCGIS应用工具则能够提供强大的GIS空间分析功能，通过建立GIS模型完成了洪水模拟分析的全过程。数字高程模型（DEM）可以通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟，用一组有序数值阵列形式表示地面高程，本次分析需要的是浑河沈阳城市河段两岸主城区的DEM模型。水文数据用于分析计算浑河沈阳河段河道不同频率下的洪水流量以及对应流量下河道沿程水面线，水面线成果见表3。
3.2 分析方法
本次分析采用有源淹没分析的方法，需要考虑地形之间的“流通”淹没情形，即洪水只淹没它能流到的地方，这种情形适用于如江河、水库等高发区向周边领域范围扩散的洪水区[3]。本次分析中以浑河沈阳河段干流为洪水扩散种子点，两岸城区高程在洪水水位以下的区域均为与种子点相接的连通区，洪水通过连通区向周围扩散，最终形成连片的淹没区域。
在ARCGIS平台建立分析模型，导入浑河沈阳城市河段两岸主城区的DEM数据，形成洪水淹没分析的基础。在水文分析得到的一维洪水水面线上选取若干点位，每个点位绘制带有水位属性的河道横断线，并向左右两岸延伸至该点水位可能淹没的城区范围以外，然后将河道横断线转为点要素，采用自然邻域法利用转化后的点要素，按照邻近点基于区域大小按比例对这些点要素进行插值，形成以水位为基本数据的栅格图形。 建立面图层，面图层涵盖范围要比可能淹没区的范围稍大，用面图层剪切上述插值形成的栅格图形，形成比淹没范围稍大的淹没区栅格图形。利用栅格计算器，用淹没区栅格图形减去浑河沈阳河段城区DEM模型，即用洪水水位减去地面高程，得到区域内的淹没水深，此时的水深数值可能存在负值，即地面高程高于洪水水位的区域，再通过空间提取数值为正的区域，得到正常的洪水淹没区。洪水淹没分析技术路线见图5，以浑河沈阳城市河段为例的分析过程见图6。
3.3 成果分析
按照上述分析方法计算的浑河沈阳河段右岸主城区三环内的500 a一遇超标准洪水淹没区域为东至新立堡桥及二环路，西至沈阳绕城高速路，北至沈阳绕城高速大转弯互通、向工街、沈阳故宫以南、东陵西路以南，南至浑河右岸滩地。从中水北方勘测设计研究有限责任公司于2016年编制的沈阳城市洪水风险图看出，浑河沈阳河段右岸主城区三环内的500 a一遇超标准洪水淹没区域为东至新立堡桥及二环路，西至沈阳绕城高速路，北至沈山线铁路桥、沈阳故宫以南、长安路以南，南至浑河右岸滩地。
沈阳城市风险图考虑的是在浑河右岸辉山明渠入河口、东方威尼斯堤防、长大铁路桥下游右岸堤防3处产生溃口时，以二维洪水演进过程形成的洪水淹没范围，其分析过程更符合洪水流动的实际情况。本次分析过程为在选取的每个洪水水面线点位都产生溃口时，假想洪水不向其他方向流动，仅向右岸城区以插值水位平推过去形成洪水淹没范围，是一个静态分析的过程，即当水位为超标准洪水位时，水位高于地面的区域均为淹没区，以此分析的成果偏保守。洪水风险图是模拟发生超标准洪水时，堤防产生若干溃口，洪水不断进入城区的淹没成果，是一个动态分析的过程，模拟成果更接近实际洪水演进过程，因此形成的洪水淹没范围比洪水风险图所示的淹没范围稍大。对比两种方法的分析成果，洪水淹没区的围以及淹没区水深总体趋势相似，因此本次分析的成果基本能够反映超标准洪水发生时浑河沈阳城市河段的影响范围，可为超标准洪水防御预案的编制提供参考。两种分析成果对比见图7。
4 结 语
本文分析了一种计算超标准洪水淹没范围及淹没水深的简便方法，能够为短期内需要编制超标准洪水防御预案，但又缺乏以往类似洪水风险图等相关成果的城市或河流在编制预案时提供借鉴。本方法较为精简方便，且易于实现，考虑的超标准洪水发生情形没有统一分析两岸同时发生超标准洪水的情况。超标准洪水淹没范围的分析以及防御预案的编制涉及众多复杂、变化和不确定的因素，例如环境变化情况下的洪水演变特征、流域范围内防洪排涝体系标准和能力、暴雨洪水监测预报体系与预警发布机制的建立、防洪工程整体应急调度的可操作性等，这些都影响着超标准洪水的形成和演进过程，并决定着采取何种措施应对超标准洪水，因此超标准洪水淹没范围的分析以及防御预案的编制是一项长期的、需要不断修编完善的任务[4]。未来超标准洪水防御的研究要充分考虑到上述各方面对洪水分析的影响，使超标准洪水防御预案的编制更为科学，对防汛工作起到更为切实可行的指导作用。
参考文献：
[1] 黄克荣. 论城市防洪在国民经济建设中的地位和作用[J]. 当代建设，1997（4）：12-15.
[2] 葛小平，许有鹏，张琪，等.GIS支持下的洪水淹没范围模拟[J]. 水科学进展，2011，13（1）：456-460.
[3] 金哲，肖旋旎.基于GIS的洪水淹没区分析[J].吉林水利，2014（6）：30-62，37.
[4] 程晓陶.防御超标准洪水需有全局思考[J]. 中國水利，2020（13）：8-10.
（编辑：李 晗）