洪澇淹沒的原因分析

洪澇淹沒的原因分析

洪水風險圖是了解該地區(qū)洪水風險嚴重性的科學專題圖。這是一種預防和防災措施的非工程措施。根據(jù)風險圖，可以顯示不同地區(qū)洪水風險的分布信息。在一些經濟發(fā)達和科技先進的國家,繪制并應用洪水風險圖進行防洪減災已非常普遍,我國也有很多學者對此進行了研究并取得了豐碩的成果.劉樹坤等在20世紀80年代繪制了永定河泛區(qū)、小清河分洪區(qū)、黃河北金堤滯洪區(qū)、東平湖分洪區(qū)、太子河下游平原區(qū)、遼河干流及遼河油田、廣州市等的洪水風險圖.張行南等從氣象、徑流和地形3個因素考慮,采用成因分析的方法,制成了全國洪水危險程度區(qū)劃圖.程曉陶等在研究開發(fā)城市洪水演進一維、二維非恒定流混合模型的基礎上,分現(xiàn)狀與規(guī)劃措施實施后兩種情況對各典型年暴雨、高潮的組合在深圳市可能造成的洪澇災害進行了數(shù)值模擬與分析,其結果為深圳市合理評價防洪(潮)規(guī)劃提供了依據(jù).仇勁衛(wèi)等根據(jù)北江大堤可能出現(xiàn)的潰堤風險,模擬了北江大堤潰決后保護區(qū)內洪水的演進過程,模型的計算結果提供了淹沒水深、淹沒范圍、淹沒歷時以及流速等洪水風險信息,為北江大堤洪水風險圖的繪制提供了依據(jù).王臘春等采用河網非恒定流計算方法,分析洪澇的發(fā)生過程,并結合地理信息系統(tǒng),模擬洪澇的淹沒范圍,為及時掌握洪澇災情,進行防洪減災決策提供依據(jù).本文在對上述方法進行研究和歸納的基礎上,在分析上海市洪水災害成因的前提下,根據(jù)上海市的降水、地形、地物、洪澇災害等特點,研究洪災的影響因素,以及這些因素與洪災危險程度間的相關關系,求出危險程度隸屬度.在地理信息系統(tǒng)平臺上,采用多邊形疊置分析和聚類分析等手段,研究洪水災害危險程度區(qū)劃的方法,進而繪制成洪澇淹沒風險圖.本文所研究的淹沒可能性,或稱為風險是一種相對的概念,即不同區(qū)域之間風險大小的相對比較,對防洪規(guī)劃、社會和經濟活動的決策等具有一定的意義.用本文方法研制的風險圖,在防洪工作中具有較強的實用性.1洪水風險圖研究的基本原則1.1防洪工程下的洪澇沒收風險圖上海市地處東海之濱長江口,受風暴潮和暴雨的威脅非常大,極易造成洪澇災害.上海市的洪澇威脅主要來自兩個方面:一是臺風季節(jié)高潮位與風暴潮遭遇時,由于潰壩、漫壩而形成的洪水威脅;二是由于暴雨形成的內澇.對于洪水,其成因包括兩個方面:(a)潮位和地形;(b)堤防的抗洪能力.堤防的抗洪能力,包括堤高設計標準和大堤本身的質量標準.本文首先不考慮大堤本身的問題,這意味著只研究天然情況下不同區(qū)域可能遭受洪水淹沒的可能性,同時也意味著假定任何地方潰壩的可能性相同的情況下,遭受洪水淹沒的可能性的空間分布.對于內澇,與洪水相似,取決于兩個方面,一是降雨和地形等自然因素,二是排水能力.前者是自然因素,后者是防洪工程措施.對于郊區(qū)內澇,本文同樣先不考慮排水能力這一因素,意味著只考慮天然情況下和假定不同區(qū)域排水能力相同情況下,內澇淹沒可能性的空間分布.對于中心城區(qū),則著重考慮地下管網的排水能力.對于防洪工程和排澇工程,從風險角度來說,其可以減少洪水的威脅,對隸屬度是一種負聚類.因此,將其作用隸屬度圖層與不考慮工程條件下的風險圖進行疊置分析,即可得到現(xiàn)狀防洪工程下的洪澇淹沒風險圖.1.2洪水淹沒風險圖的主要研究內容1.2.1地貌地貌條件由于不同區(qū)域洪與澇特性的不同,風險圖研制時應對整個上海市進行區(qū)劃.由于下墊面阻水建筑的密度和特性的不同,應將上海市劃分為中心城區(qū)和郊區(qū)兩個部分.對于中心城區(qū)和郊區(qū),依據(jù)地形、地表覆蓋、阻水建筑物、江河道路等線狀地理特征、水利區(qū)劃的結果以及河網自排能力,將研究區(qū)域劃分成多個相對獨立的地理單元.對地理單元建立洪澇淹沒可能性評價體系與評價方法.地理單元的評價指標:(a)對于內澇主要有降雨、徑流、面積、地勢高低、坡度、坡向、河網密度、水利區(qū)劃等;(b)對于風暴潮主要有潮位、地理位置、地形、線性與孤立狀阻水建筑物的分布等.每一地理單元再根據(jù)地勢高低進一步劃分成具體的計算單元,劃分時將高程基本相同的區(qū)域劃為一個計算單元,取高程平均值作為該計算單元的高程.在同一地理單元中,各計算單元洪澇淹沒可能性的大小主要取決于地勢的高低.由于從降雨到形成徑流,對不同地理單元其入滲等損失不同,將采用不同的降雨徑流相關模型或扣損模型得到各地理單元的凈雨量,用于確定各計算單元可能被淹沒的風險等級.線狀阻水建筑物,定義為堤岸和路基高于地表的道路,起到一定程度的阻隔水流動的作用.在本文中,線狀阻水建筑物是洪澇特性區(qū)劃的重要依據(jù),這意味著處于不同地理單元具有相同高程的計算單元將可能具有不同的風險等級.洪澇特性區(qū)劃的具體方法及流程見圖1.圖2為部分典型區(qū)洪澇特性區(qū)劃結果.由于風暴潮主要影響沿海、長江口、沿黃浦江兩岸一定的區(qū)域范圍,因此需劃分出受風暴潮影響的區(qū)域.該區(qū)域的劃分可采用地理信息系統(tǒng)中提供的制作緩沖(Buffer)區(qū)的功能,綜合考慮增水量及地形條件,得到寬度不等的緩沖區(qū).對位于已形成緩沖區(qū)內的地理單元和計算單元,根據(jù)阻水建筑物、地形、河網連通等情況建立洪水演進淹沒的評價模型,確定淹沒范圍.對不同的區(qū)域,采用不同的方法和模型,推求出相應的風險度.1.2.2同頻率漲位空間分布及洪水沉積過程研究a.歷史高潮位頻率計算.盡可能多地選定潮位代表站,對歷年的高潮位進行頻率計算,確定不同頻率條件下的單站高潮位.由于歷史高潮位實測資料中包含臺風的影響因素,故需要對臺風的影響進行分析.計算的頻率擬采用1a,2a,5a,10a,20a,50a一遇.b.同頻率高潮位的空間分布研究.潮位從外海到內河存在一個演進的過程,而潮位代表站是有限的.為此,需根據(jù)水力學的基本原理,確定同頻率高潮位的空間分布圖,以確定各計算單元同頻率條件下的高潮位.c.典型潮位過程研究.潮位變化是一個漲落起伏的過程,此過程直接影響洪水的淹沒范圍.為此,需對各種潮位過程,包括臺風條件下的潮位過程進行研究,確定典型潮位過程,供洪水淹沒計算使用.d.洪水淹沒過程模擬.按線性阻水建筑物劃分計算單元,對孤立狀阻水建筑物進行概化,按照地形分布建立洪水演進淹沒的評價模型,由固定頻率潮位過程進行洪水演進淹沒模擬,確定相對應的淹沒范圍.1.2.3下墊面排水能力實測a.首先進行洪澇特性區(qū)劃,然后給出二級地理單元相應的降雨量.b.根據(jù)歷史暴雨的降雨量、水位及流量實測數(shù)據(jù),估算不同單元的排水能力.c.根據(jù)下墊面產流特性的不同,對地理單元進行分類,研究各種類型的徑流系數(shù).考慮地下管網及泵站、河網的排洪能力,給出各等級預警降水量相對應的內澇水量,再由數(shù)值高程模型計算相對應的淹沒范圍.d.根據(jù)歷史暴雨的調查資料,修正所得的淹沒范圍.1.2.4綜合風險圖的制作a.首先分別研制洪水和內澇風險圖.在地理信息系統(tǒng)平臺上,將不同頻率淹沒范圍進行疊置分析,采用綜合隸屬度函數(shù)的方法,經邊界均化處理等,制作成風險圖.b.對洪水和內澇風險圖進行疊置分析,確定兩者間的相對權重,經調試后制作成綜合風險圖.c.在廣泛征求專家咨詢意見、與歷史洪澇災害進行對比分析的基礎上,對風險圖進行調整和修正.1.2.5防洪效應分區(qū)堤防主要是防御風暴潮,其主要性能指標為防洪標準和工程質量.首先對堤防的空間分布進行研究,確定描述堤防的指標體系,根據(jù)指標對堤防進行分區(qū).在地理信息系統(tǒng)平臺上,根據(jù)地形和阻水建筑物,確定各堤防的影響范圍.然后根據(jù)相對應的指標,采用隸屬度的方法,制作防洪效應隸屬度分布圖層.排澇泵站的主要指標體系是抽水能力.在地理信息系統(tǒng)平臺上,首先根據(jù)地形、河網分布、地下排水管網的分布,確定各排澇泵站的影響范圍,然后根據(jù)排澇能力制作防洪效應隸屬度分布圖層.1.2.6洪效應風險圖的研制將無工程條件下的風險圖與堤防和排澇泵站的防洪效應隸屬度圖層進行疊置分析,生成多邊形圖層.對各多邊形的屬性進行負聚類,確定分級指標,研制風險圖.洪澇淹沒風險圖研制過程見圖3.2建立風險圖的并完善風險圖的編制和分類洪澇風險圖的研制主要有地貌學的方法、實際洪水法和水文學方法、水力學方法,1,其中水文學與水力學方法應用廣泛.本文在水文學原理的基礎上,以地理信息系統(tǒng)和模糊數(shù)學分析法為工具,進行洪澇淹沒風險分析.本文的研究工作分為兩步,首先在不考慮防洪工程措施狀況下,研究和制作洪水風險圖,在此基礎上,考慮防洪工程的效應,根據(jù)防洪工程措施的作用范圍,制作防洪效應隸屬度圖層;然后與不考慮防洪工程的風險圖進行疊置分析,制作現(xiàn)狀防洪工程條件下的風險圖.地理信息系統(tǒng)是一種在計算機硬件支持下的空間數(shù)據(jù)輸入、存貯、檢查、運算、顯示、更新和綜合分析的應用技術系統(tǒng).隨著計算機技術的發(fā)展,地理信息系統(tǒng)不僅大大提高了人們對空間數(shù)據(jù)的收集、存貯、分析、顯示和信息處理的能力,同時還豐富了對信息處理的動態(tài)性和空間分析能力,現(xiàn)已成為一個具有廣泛應用和發(fā)展前景的領域.模糊數(shù)學是用數(shù)學方法研究和處理具有“模糊性”現(xiàn)象的理論.隨著研究對象的復雜化,對研究對象越來越難以精確地描述,這是一個突出的矛盾.對于一個復雜的系統(tǒng),傳統(tǒng)的方法不再適用,尋找一套處理模糊性的數(shù)學方法,可以通過少量的信息而得到更好的成果.由于影響洪水和洪災危險的因素非常復雜,且界限模糊,因此,可以把洪災區(qū)劃問題視為一個模糊集,對于洪水危險程度的度量采用模糊數(shù)學方法.“有發(fā)生洪水的危險”作為一個模糊概念,在鑒別這一概念時,并不急于作肯定或否定的回答,而是用閉區(qū)間的一個實數(shù)去度量它,這個數(shù)便是隸屬度.隸屬度的引入使洪災區(qū)劃工作逐步走向定量化,提高了洪災區(qū)劃工作的科學性.隸屬函數(shù)的確定可以采用統(tǒng)計方法、對比排序法和綜合評定等.洪水風險圖的分類分級主要可以采用綜合因子的累