3 案例——新西兰北部省流域洪水风险管理项目
3.1 项目背景
新西兰北部省位于新西兰北岛的北部地区，属亚热带气候，年雨量在1500～2000mm。其管辖范围内陆地面积13286km2，海岸线3200km，最高山峰在海平面781m以上。
新西兰的行政管理基本以流域为边界，政府的职能以管理流域内水土资源和环境为主。根据《国家1941土壤保护和河流控制法案》第126条规定，北部省政府的水利部门，作为流域性管理机构，需要负责流域内洪水和土壤侵蚀（水土保持）的预防和消减工作，在河道管理及防洪排涝方面需要指导下级地市级政府的工作。主要职责包括以下几个方面：
（1）促进河流综合管理，制定适当的土地保护、河道保护措施。
（2）确定并量化洪水风险。根据北部省的地区政策声明（国家水资源管理法框架规定的地区政府向公众发布的政策性文件），省流域机构是其管辖范围内洪水和侵蚀风险管理，以及风险量化的主要责任承担者。作为风险识别的一个重要组成部分，流域机构负责研究、分析和收集洪灾信息，并将信息提供给土地所有者，潜在的开发商和咨询方。洪水灾害识别及风险分析也是地区和地方政府洪水灾害管理工作的一部分。
（3）洪水事件记录和管理。流域机构需制定洪水事件的淹没水深、淹没范围和淹没时间的记录标准和记录流程。记录的数据将被用于更精准地确定洪水易发区域，洪水风险，最低安全高度，以及协助流域管理工作。
（4）实时监测数据——流域机构管理本流域机构安装的遥测雨量计和流量监测站，并且可以登录查看和使用国家水和大气研究管理中心（NIWA）的站点数据。监测网络的扩展将更有利于洪水预警预报。
在上述规定下，北部省政府根据流域防洪要求和面对问题的程度、地区发展要求，确立了共22个重要流域（图1），于2008年就“重点流域洪水风险管理项目”一次性向全国招标，该项目的主要目的是系统性的研究流域内洪水风险范围和程度，制定和优化近远期工程和非工程防洪减灾措施，编制可执行、可指导各部门工作的洪水风险管理规划。项目内容包括以下几个方面：
（1）构建四类不同优先等级的22个流域详细水文水力学洪水分析模型。
（2）模拟及识别一系列设计降雨事件下的洪水风险区域。
（3）进行风险评估，确定各流域内不同风险等级区域的范围和受影响对象。
（4）制定降低洪水风险的策略，编制流域可持续管理计划，以及开展应对未来挑战相关研究，如河道评估、环境影响评价、海平面上升、河流冲刷研究等。
作为公众宣传教育的一部分，该项目有关内容除了听证会散发的资料有介绍，在政府网站上面也进行了公布。
3.2 基于风险管理的项目实施
洪水风险管理项目的实施必须按照新西兰、澳大利亚2004年共同颁发的标准，即 AS/NZS 4360：2004及NZS 9401：2008（图2）进行。该标准规定，风险管理决策（工程和非工程措施等）必须经过有公众参与的，以信息系统为基础的风险识别和以模型分析为手段的风险评估。
图1 22个重点流域区位示意图
新西兰北部省的重点流域洪水风险管理项目的实施过程中建立的流域洪水风险评估框架最终形成了北部省的洪水风险管理标准流程。
图2 AS/NZS 4360：2004风险管理标准流程
3.3 公众参与
项目实施初期，水利部门和项目实施方在受灾区组织了一系列的项目信息发布和听证会，听取和收集了地区与受灾群众对洪水淹没程度和对他们造成的影响进行的描述，以及针对地方发展、确定特别保护区域提供的建议。
项目实施的中期和后期，项目实施方在受灾区举办了一系列会议，介绍了初步的河流管理报告、洪水风险图和流域管理计划，听取和采纳了各方意见，并进一步与河流管理联络委员会进行沟通，以帮助政府制定并优化减少洪水风险的各项措施。
3.4 丰富的信息资源
模型构建和洪水风险管理需从多方面获得数据。在大多数流域管理项目中，通用的GIS信息并没有被很好地理解和应用。构建的模型也少有水文模型接口，或河网模型只能覆盖目标流域附近一小部分区域。这种模型的简化会影响模拟结果的质量，并且由于不确定性的增加提高管理的成本。
正确使用这些信息和参数将提高模型计算的准确度和风险评估的实用性。例如，可以通过土地利用类型、土壤类型、集水区坡度和长度来确定子流域特征。基于GIS信息（如城镇、房产、建筑物、农田、学校、道路等）帮助确定洪水风险等级。对这些数据进行分析也是洪涝灾害评估的基本过程之一。
3.5 综合的流域模型
如何有效利用可用信息，以及获得的数据质量将直接影响项目实施采用的方法及结果。每个流域也可能因为流域特点不同而采用不同的建模方法和 GIS 数据。
除了河流网络和断面数据，流域降雨、子流域特性、水库蓄水和运行是影响河网模型结果精度的关键因素。强大的河道模型商业软件和丰富的GIS数据是一把双刃剑。如何最大程度正确有效地应用数据，往往取决于建模工程师对软件功能、信息业务含义、关键要素或水力和水文知识的理解。一般来说，模型包括：水文模块与河道水力模块的集成；划分子集水区，包括土地利用类型、土壤类型和坡度等信息；代表流域地理特征的河道网络空间分布；详细的工程信息，如桥梁、断面、堰等；重要的水工构筑物，如水库和大坝的设计以及运行原则；淹没区高分辨率DEM；潮汐边界。
3.5.1 基本模型构架
该项目通过对现有GIS数据的挖掘和有效利用，建立了22个流域的集水文、水力学于一体的精细化模型。以其中的一个模型为例，其河网模型延伸至流域上游的山区，通过充分利用测量断面和高精度地形测量数据，使间距为50m 左右河道断面覆盖了大部分河流。模型通过子流域水文与河网水力学模型耦合，考虑了水库在内的所有主要的水力要素，反映了流域的真实物理特性（图3）。
图3 NRC项目构建的Waiarohia模型
通过对数据的充分理解，该项目非常有效地使用了以下GIS信息：
（1）GIS河道中心线用于定义模型网络。
（2）土地利用与土壤类型用于估计降雨损失参数。
（3）20m等高线用于定义子流域边界。通过考虑边坡、土壤类型、土地利用、连接类型，将子集水区划分成更详细的区块，并从中获取水文参数。
（4）资产如房屋、道路、农场等，作为风险评估的保护对象。
（5）河道形状、桥的位置用来确定临界水力结构。
（6）影像图、土地利用类型用于集水区下垫面入渗参数的估计。
3.5.2 激光雷达测量成果的使用
激光雷达测量为项目提供了详细的地面高程信息。使用激光雷达测量了集水区主要区域的地面高程并建立了地面高程模型（DEM），测量精度为1m网格大小，垂直精度±0.15m。激光雷达与航空摄影、GIS图层与其他传统的测量方法集成，使模型师和工程师可以更好的理解研究目标。
评估结果表明，测量数据有较好的精度，与河道断面形状相匹配良好。激光雷达测量方法不能测量水面以下的河道形状（图4）。但利用测量断面位置精确匹配，通过高程修正和沿河纵向内插，可以得到实测断面之间的高分辨率河道断面数据（图5）。
图4 激光雷达测量与实测断面对比
3.5.3 二维模型
洪水二维模拟已经成为一种成熟的技术。项目中首先根据二维模拟快速确定最保守的最大洪水淹没范围，然后利用地形校正后的1m网格雷达地形测量成果，构建精细的一维河网与二维浅水地表流耦合模型，得出详细清晰的洪水淹没成果和洪水水力要素。图6显示了高精度的地面高程，图7显示精细的模型耦合配置。
图5 利用高精度地面雷达和部分水下测量数据推求的河道地形
图6 高精度地面高程
图7 模型耦合展示
详细二维模型具有以下优点：
（1）获取淹没区内精确的水动力要素信息，清晰反映洪水淹没范围，水深和流速，帮助理解洪水淹没特征。
（2）对淹没区内设施的考虑，加强了对洪水影响的理解。
（3）降低了由于模型计算方法的简化而导致的模糊成果对工程决策的技术误差。
（4）提供了可靠的风险评估基础。
利用高精度模型获得的洪水淹没成果见图8。
图8 利用高精度模型获得的洪水淹没成果
3.6 风险评估
风险评估通过收集政府信息、历史洪灾、保险资料，分析得出了大量用以定义各种洪水影响对象的洪水损失关系曲线。这些损失关系曲线、现有GIS数据和洪水模型的结果被用来在GIS上建立灾情评估模型，以量化流域洪水导致的各类损失，并进一步按流域、方案、区域累计和比较，主要包括：直接经济损失、环境影响、社会影响、文化影响、人身安全损失、重要资产损失。风险评估流程图见图9。
图9 风险评估流程图
3.7 项目成果
丰富的信息资源和精细的模型分析，为流域洪水风险的量化提供了很好的基础。该项目以风险分析成果为基础，提出了针对各流域因地制宜的防洪工程措施，同时也通过洪水风险图的绘制和发布、洪水应急管理和超标准洪水策略的制定，综合实现经济有效的洪水风险调控和风险规避。
该项目的主要成果包括以下几个方面：
（1）各流域洪水风险管理规划报告，包含工程规划、洪水风险图、应急管理措施、模型技术报告、各类附图。
（2）洪水风险图包括10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇、200年一遇流域设计暴雨，以及考虑海平面上升后的影响组合；其中10年一遇和100年一遇洪水风险图在政府网站利用 WebGIS对公众发布，以便相关利益群体和土地开发商了解其关注区域是否存在洪水风险、风险区域的范围和风险程度。这是一个很好地通过公众参与复核技术成果合理呈现的一种方式，同时也是良好的成果推广应用和公众教育手段。发布的洪水风险图见北部省政府网站链接：http：//gis.nrc.govt.nz/NRCMaps/desktop.html？theme=Consultation%20—%20Flood%20Hazards。