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 赵 杨 毛叶丰 刘 昊 林甬梁 林 翔

（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）

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2000—2019》[1]，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“7·21”暴雨洪水、2021年郑州“7·20”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。1972—2020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。

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。

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。

图1 河道内洪水淹没深度和范围示意图

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 and ranging）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。

图2 宁波南部商务区附近的DEM/DSM地形图比较

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）。

图3 田坑水流域示意图

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-HMS[8]（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。

图4 水文模型的建立范围、框架和界面示意图

（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，适应性较广，且无显著的流域水文特征限制，参数选取简单，易于计算，在美国和其他地区应用较多。

河道汇流计算采用动力波法（Kinetic Wave）。该方法以河道的几何尺寸（如宽度、边坡、底宽等）进行模拟计算，也是一种简单易用的方法。

3.3 水力学模型选用与建立

水力学模型采用美国的HEC-RAS6.0 模型和软件[9]，主要应用其最新的二维水力学计算模型部分来完成水力学计算和分析。该二维模型结合GIS 技术引入了Ras Mapper 具有超强的地形处理能力、计算能力，能够对百万个以上做不均匀网格处理，计算区域可达百万平方公里，河道和重点部分做加密网格处理，模型同时具备超强的加速计算能力。

HEC-RAS6.0 是目前最前沿的水力学计算软件，可以模拟城市复杂的洪水地表流动，河渠汇流、流速、水深、水面线和淹没范围计算以及洪水风险图的编制等。该二维模型采用了“高分辨率亚网格模型”或者“子网格”进行计算的新技术。“子网格”是指使用详细的底层地形来开发代表单元和单元面的几何和水力属性表，这一功能可以允许建模者使用更大的计算单元，而不会丢失控制流动运动的底层地形的太多数据。这项技术可以加大计算网格和计算区域，同时不丢失地形的精度数据，可以极大地提高模型的计算区域，使大尺度城市洪涝模拟变得容易。

（1）二维水力学模型的建立。模型研究范围包括田坑水流域内约20 km2，含田坑水、三角楼水、老鸦山水等周边区域含南部龙岗河支流花鼓坪水等。

（2）二维模型主要计算参数取值。城市复杂地形DEM/DSM 简化处理：受到树木、草地、各种建筑物、围墙、道路、立交桥、过河桥梁等影响，城市地表产汇流过程十分复杂，为满足地表水流二维模型模拟的需求，测量获得的DEM/DSM模型需要做进一步的分析处理后方可应用。因此为能够得到满足城市真实地表汇流情况模拟的城市地表高程数据，需要对数据进行一定处理，如需要保留挡水建筑物的高程信息（如建筑、挡墙等）的同时应去除掉不真实的挡水设施（如树木、植物、过河桥梁）信息等。

计算区域的网格：主要为10 m×10 m，其中河道上下游部分分别采用加密网格2.5 m×2.5 m、5 m×5 m。计算网格总数320 809个，网格最大为198 m2、最小为6.25 m2。

曼宁阻力系数：主要按网格内土地类型进行划分。其中道路、广场不透水区域取值0.013～0.020、草地树林取值0.06～0.08、自然河道取值0.03～0.04、混凝土河道取值0.013。

排水干管、箱涵系统的简化处理：对于流域内几条主要排水干管、箱涵的简化（限于HEC-RAS 管道模拟能力弱，洪水风险图主要针对高重现期地表流动和风险，因此忽略了排水支管部分，对于主要排水干管、箱涵（大于2 m），对地形做了开槽明渠化的简化处理。

模型流量输入与边界条件：包括田坑水流域内7个节点流量（TKS01-TKS07）、三角楼水（TKS-TRIB1）、老鸦山水（TKS-TRIB2），还有其他周边区域的5 个入流量（OFF01-OFF05）、花鼓坪水交口上游（LGH-TRIB01）、龙岗河入流，水力学模型范围、汇水分区及边界流量示意见图5、图6。南部边界部分、东部边界、龙岗河入流边界按照水文模型计算中的设计流量和流量过程输入，出流边界设置为均匀流出流边界。上述入流流量数据均来自上节的水文模型。

图5 水力学模型范围、汇水分区示意图

图6 水力学模型边界流量示意图

（3）模型初步验证。2021年7月21日，坪山区发生了强降雨，降雨总历时约12 h。坑梓区雨量监测站7 月21 日累计降雨量165 mm，其中最大1 h降雨量达60.5 mm。在该降雨事件中，田坑水流域内大水湾住宅区、秀新桥等区域遭受较严重的洪涝灾害，如图7所示。根据2021年7月21日的实际降雨资料，结合模型进行模拟分析，对于田坑水流域实际积水观测点的积水范围与模型结果进行对比分析，结果表明模拟的一些主要淹没积水区和实际观测和发生的积水范围情况二者接近，见表1。

图7“2021.7.21”坪山区暴雨洪水实测点位置示意图

表1 模型结果和实测值对比m

3.4 计算结果和洪水风险图编制

田坑水流域局部区域（龙田中心公园及龙兴路区域）、田坑水全流域在50 年一遇，24 h 降雨条件的模拟结果如图8、图9 所示。图10 为田坑水流域设计降雨条件（100 年一遇，24 h）下的洪水风险图，由于洪水风险图的内容和形式国内还没有统一的标准，本项目参照美国洪水风险图的做法，显示了淹没范围和水深，关于流速、退水时间等如何在洪水风险图中展示，本文暂不讨论和列举。

图8 50年一遇，24 h设计降雨模拟结果（龙田中心公园，龙兴路区域）

图9 50年一遇，24 h设计降雨模拟结果（全流域）

图10 田坑水流域100年一遇，24 h设计降雨洪水风险示意图

本文以深圳市坪山区田坑水流域为例，基于0.5 m网格的高精度地形数据，建立了水文学（HEC-HMS）模型和二维水力学模型（HEC-RAS6.0）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，据此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）城市高精度洪水风险图，对于地形图DEM的精度、模拟方法、模拟区域等做了深入探讨。

（1）地形数据是决定洪水风险图精度的重要参数，对于城市而言，2.0 m以下的DEM/DSM 能够对城市地表和排水特征做比较精准的描述，可以大幅提高洪水风险图编制精度和质量。

（2）城市中采用一维水力学模型有很大局限性，二维水力学模型或者一、二维耦合的模型具有突出的优点。对于洪水风险的模拟精度和洪水风险图编制质量均有大幅提高。

（3）基于高精度DEM 的二维水力学模型方法是未来城市洪水风险图编制的方向和趋势。

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