2 项目重难点及对策
2.1 一维、二维耦合水动力学模型建模
长江流域荆江河段水系错综，水情复杂，分洪区内建设完善，地物多样，如何利用水动力模型真实反映洪水演进过程及淹没状况是制作洪水风险图的关键。由于荆江分洪区分洪或溃堤过程中河道—分洪区洪水耦合作用显著，需要同时模拟洪水在河道、防洪保护区的传播过程，因此需进行长江干流和分洪区的一维、二维耦合计算。考虑到MIKE系列模型具备一维水动力学模型与一维、二维耦合模块，可实现一维河道与分洪区耦合计算需求，因此，项目组将MIKE系列模型计算结果作为最终提交成果。
2.1.1 河道一维水流数字模型建模
长江干流河道洪水分析采用枝城—城陵矶一维水力学方法，上边界条件为枝城站流量过程，下边界条件为城陵矶水位。在长江干流枝城—监利河段、虎渡河、松滋河、采穴河和藕池河等建立一维非恒定流水动力模型，河道总长433.11km，根据长江河道走向和控制节点的分布情况，设置河道断面280个（图1）。其中，长江干流枝城—监利河段河长约245km，共设置143个断面，断面间距变化范围约为0.5～3.7km，断面数据采用2010年实测断面资料（图2）；虎渡河太平口—南闸河段内河长约95km，共设置断面57个；松滋、采穴河计算河段河长共74.21km，共设置59个断面；藕池河计算河段河长共18.90km，共设置16个断面。
图1 一维水动力河网模型
在根据河道实际状况综合分析，初步确定糙率的基础上，选取2010年7月18日—2010年8月2日实际洪水过程进行模型参数调试率定后，选取2012年7月17日—2012年8月7日实际洪水过程进行模型验证。糙率取值如下：
图2 一维水动力横断面数据
（1）荆江干流枝城—城陵矶。主槽为0.018～0.022，边滩为0.023～0.030。
（2）虎渡河、松滋河、藕池河。主槽为0.022～0.030，边滩为0.030～0.038。
率定结果统计表见表1、表2。
表1 糙率率定验证水位结果统计表
表2 糙率率定验证流量结果统计表
荆江干流监利—枝城河段率定与验证水位对比图见图3～图6。
图3 枝城站2010年水位对比图
图4 沙市站2010年水位对比图
图5 枝城站2012年水位对比图
图6 沙市站2012年水位对比图
用实际水情反推得到的河道糙率是综合糙率，综合反映了河道河型、河势、成型堆积体、河床河岸粗糙度等多方面因素对河道水流的阻力。从2010年、2012年两个年份洪水的率定和验证结果看，各水文（位）站2010年的最大水位偏差为13.40cm、流量最大偏差为2.38%，2012年的最大水位偏差为20.00cm、流量最大偏差为1.20%；验证结果与实测洪水的最大水位误差绝对值不大于20cm，最大流量相对误差（实测流量与计算流量之差的绝对值/实测流量）不大于10%；并且水位涨落趋势和流量变化趋势基本一致。因此，糙率的取值合适，模型计算结果可靠。
2.1.2 分洪区内二维非恒定流模型
荆江分洪区内采用三角形网格进行网格划分，按照网格最大面积不大于0.05km2设定，对特殊地物，如高速和渠道，进行局部加密处理，考虑到水量平衡的精度要求和实际工程需要，对区域进洪口附近结合地形特点进行局部加密，生成了渐变网格。剖分网格总数为63601个（图7），最小网格面积550m2，最大网格面积42659m2。各网格糙率根据土地利用类型，在参考《荆江分洪区洪水演进数值模拟及动态显示研究报告》的糙率取值和杜家台分蓄洪区2011年洪道分流模拟的糙率取值的基础上，参照《水力学手册》的糙率经验值选取。采用糙率为房屋0.085、树林0.070、旱地0.065、水田0.050、鱼池0.040。如果某网格内含有多种土地利用类型，则按照各种地形糙率的加权平均值确定该网格的糙率。
图7 二维水动力学建模
2.1.3 分洪口或溃口的处理
分洪口或溃口流量通过设置虚拟河道，实现一维、二维模型的耦合计算（图8）。虚拟河道按溃堤模型设置，溃堤宽度、虚拟河道宽与分洪区溃口宽度保持一致。为使溃堤发展过程满足技术大纲的要求，利用时间序列文件控制其发展过程（图9）。
图8 一维、二维耦合设置实例
图9 溃口发展过程模拟
2.1.4 洪水分析过程中其他重点考虑的因素
洪水分析过程中其他重点考虑的因素包括以下几方面：
（1）特殊地物的概化、计算区域内的阻水道路、居民区等采用修改局部网格地形方式模拟。网格剖分时，在计算区域中绘制出阻水道路的中心线，将中心线用点等分成若干段（等分间距小于计算区域边界的点间距）。故剖分时，阻水道路及附近的网格较密，在计算过程中可以较精确的模拟实际地形的效果。
（2）分洪区出流处理，按不利的原则，本次计算不考虑分洪区退洪，外边界采用封闭处理，不设置出流边界。
图10 高速公路不同路基段分布
（3）洲滩围垸的处理，长江干流荆江河段包含众多洲滩围垸，围垸防洪标准高于计算对象洪水量级的，按不过水考虑，低于计算对象洪水量级的和单退和双退围垸因在发生大洪水时需扒口行洪，模型计算过程中按过流处理，不考虑其子堤的阻水作用。
（4）高速公路概化分为土基段、高架段（图10）。土基段通过加高网格高程进行概化；高架段按阻水面积和桥墩形状，设置水工建筑物模拟阻水效果（图11）。
（5）安全区、安全台处理，考虑到安全区和安全台的高程较高、工程坚固，洪水演进过程中不考虑其发生漫流或产生溃口等情况，因此在网格划分处理时直接去除这些地区。
示例据数程工物状线水阻11图
（6）涉及沟渠的处理方式包括结合地形特点进行局部加密，地形局部修改等。
2.2 洪水分析及洪水分析结果合理性评价
2.2.1 洪水分析方案
荆江分洪区的洪水风险主要来自分洪运用，根据《洪水风险图编制技术细则》，分洪区洪水分析方案考虑主动分洪和被动溃口两种情况。主动分洪情况下，选择1998年型200年一遇和1000年一遇洪水及1954年型1000年一遇洪水等分别作为主动分洪方案的长江干流洪水条件，选择分洪控制条件为当沙市水位达到45.00m时开启北闸分洪，共3套主动分洪计算方案；被动分洪情况下，根据堤防历史险情，堤基地质条件和河势条件等，选定麻豪口镇、郑河村二圣寺电灌站、埠河镇水德寺村等3个荆南长江干堤溃口以及埠河镇群义村等1个虎东干堤的溃口共4个被动分洪方案溃口，其中荆南长江干堤溃口宽度均为1000m，虎东干堤溃口宽度为500m。此外溃口宽度、深度随时间线性变化。被动分洪方案采用三峡调蓄后100年一遇和200年一遇枝城洪峰流量以及1000年一遇枝城流量过程作为被动溃口方案的长江干流洪水条件，与4处溃口组合，共12套被动分洪计算方案。
2.2.2 洪水分析结果
为对荆江分洪区洪水风险进行分析，建立了一维—二维耦合水动力学模型并进行荆江分洪区洪水演进模拟，得到主动分洪计算方案、被动分洪计算方案共15套方案的区域洪水演进结果。依据洪水到达分洪区北侧新红、分洪区狭窄收缩段青华寺、分洪区中部公安县城以及洪水淹没整个区域等位置所对应的时刻，从洪水演进总历程中选取4个时段，图12给出分洪方案4个时段的水深分布图，对不同时段内15套洪水计算方案的洪水推进过程分别对水深分布情况进行分析。
为进一步分析洪水演进结果，对同一溃口的100年一遇、200年一遇洪水方案的洪水演进过程进行比较，若在进洪时刻相同的情况下，相比于100年一遇方案，200年一遇方案的洪水演进更快，分洪区各处的水深值更大，则荆江分洪区洪水推进过程符合一般规律。对于1000年一遇洪水条件荆江分洪区产生溃口的计算方案，除了得到荆江分洪区内洪水演进的洪水到达时间、淹没范围、水深、流速等，也可了解到沙市水位的变化，从而估计荆江河段的防洪情势。
2.2.3 结果合理性评价
针对不同方案的计算结果，进行了合理性分析与评价，主要包括：
（1）计算方案的分洪历时以及分洪量，同时分析分洪区内洪水的演进过程以及各特征点处的水深、流速变化及洪水到达时间。
（2）水量平衡分析，检验通过分洪口门或溃口进入分洪区的洪量和分洪区内水量的变化值是否相等。
（3）局部流场分布分析，计算域内地形特殊的地方，如地势的突然变化、河渠、堤防、道路等边界位置，分析其流场分布是否能反映出阻水构筑物的阻水作用或河渠的导水作用（图13）。
（4）设计方案的风险信息比较，计算方案的水流过程要符合水流不间断的原则，综合分析洪水最大水深、洪水到达时间、淹没历时、流速分布的合理性。同时分析不同计算方案的洪水风险信息，必须符合和满足物理概念上的判别。
图12 分洪方案不同时刻水深分布示例（单位：m）
图13 局部流场分布分析示例（单位：m）
2.3 避洪转移分析模型及其求解方法
洪灾避险转移评价方法研究也是项目的重点和难点，目前可供借鉴的研究成果不多。避险转移分析工作主要包括3个环节。
2.3.1 现有转移预案的数字化工作
在湖北省防汛抗旱指挥部办公室、荆州市防汛抗旱指挥部办公室与荆江分洪区工程管理局的指导和协调下，项目组多次赴荆江分洪区进行实地考察，与荆江分蓄洪区工程管理局及下属各乡镇管理所进行了深入的探讨，获取了详尽的乡镇转移安置预案、居民点分布、安置区域信息、路网信息等信息，最后成果汇集为表格保存，并基于GIS平台完成了现有转移预案的数字化工作。
2.3.2 主动分洪下的避险转移策略
前述方案基于荆江分蓄洪区分洪运用预案，明确了转移人员和安置场所，但安置场所的分配和转移路线的确定主要根据乡镇管理所的经验和既定安排。通过对荆江分洪区现有主动分洪预案的分析和现场查勘，发现预案中存在大量有待优化和完善空间，项目组以ArcGIS为平台，以转移时间最短为目标函数，考虑分洪区内所有可使用的转移道路的道路等级，道路宽敞通畅的国道、省道等设置为高等级，县道、乡间小路设置为低等级，路径规划时优先选择等级高的道路。为了使规划的安置路线精确到比村更小的单元（如以村民组为一个转移单元），将所有村的待转移人口、安置场所的可配置容量划分为同等级的子单元。模型求解基于子单元，从安置场所出发（安置场所即是“源”），将其所有可配置的资源分配给待安置的村（村庄即是“汇”），实现资源的分配和路径规划。
为比较主动分洪时预案规划的避险路线与基于安置容量配送的避险转移模型路线的优劣，确立了3种类型的评价指标：转移耗时、转移路径长度、观测路段的人流量。结果显示，优化模型计算条件下，4个评价指标都得到了不同程度的优化；有92个村经过优化模型计算后在人均耗时和总耗时成本两个指标上占优，有96个村的人均路径长、总距离成本比预案中规划路线下的指标值要小；整个分洪区的耗时成本和距离成本相比预案降低了15.36%、17.04%。针对每个镇的计算结果也表明，绝大部分乡镇的耗时成本和距离成本相比预案大幅减少。相关成果得到荆江分蓄洪区工程管理局的确认和肯定，将作为未来避险转移预案修改时的重要依据。
2.3.3 被动溃口下的避险转移策略
在主动分洪相关研究的基础上，项目组对分洪区围堤意外失事出现被动分洪情景的转移策略进行了研究，取得了相应的研究成果。主要工作包括：
（1）避险转移模型建模。被动分洪下避险转移的目标为在最短的时间内完成人员转移。因此，统筹考虑风险规避、路线有利调整、安置点容量、转移主体转移耗时上限等约束，以所有避险转移主体的转移时间花费综合最小为目标建立数学函数，实现被动分洪情况下的高效避险转移目标。
（2）需在转移路线规划中考虑溃口洪水演进对转移道路的影响。为此，基于洪水分析结果编制了洪水道路淹没表以约束转移方案执行，拟定不同转移方式下避险转移主体对道路拥堵影响的权重，建立不同等级道路拥堵程度和避险转移主体加权规模映射关系。在此基础上，提出了时间窗口的概念，依据分蓄洪区地理空间信息分析，建立了不同时间窗口下的转移道路禁忌表；运用“假设—检验—修正”的迭代计算方法，实现同时考虑洪水演进过程和道路拥堵的避险转移方案评价方法。
（3）人员转移代价评价方法。将对人员转移代价评价分为有指挥和无指挥两种情形，从实际情况出发，将各村的避险转移人员按照基层自治组织（村民小组和居民小组）划分为不同的避险转移主体（可人工设定转移主体的规模），即每一个基层自治组织为一个避险转移主体；同时按照道路间的交叉点将道路划分为不同的路段，在此基础上考虑避险转移中的拥堵问题，设计不同的评价函数，实现不同情形下的人员转移代价评价。
（4）被动分洪下的避险转移是一类复杂的多维、多约束、非线性规划问题，庞大的计算规模使得常规数学求解方法的适应性受到限制，“维数灾”问题突出。针对这一问题，通过采用大系统分解协调对复杂问题进行解耦，将多决策变量问题分解成单一决策变量的若干个子问题，利用一维搜索算法对子问题进行空间维局部寻优搜索。
2.4 多源异构信息集成与应用平台开发
风险图编制所涉及的数据具有海量多源异构的特性，相关模型及软件众多，如何高效集成这些单元是建立具有普适性风险图编制与应用平台的关键。
项目组通过建立面向服务体系的统一数据支持平台，为多框架多开发语言的普适计算环境提供RESTful（状态无关）数据支持接口，基于服务总线与模型协商组合技术，建立了跨平台多源异构系统集成架构，并按技术大纲要求开发集成了荆江分洪区洪水风险图编制与应用平台交付业主使用（图14）。“荆江分洪区洪水风险图编制与应用平台”主体功能模块包括了基础数据、洪水分析、损失评估、风险图绘制、风险图管理、避洪转移分析、应急避险及示范洪水演进等八大模块。
图14 荆江分洪区洪水风险图编制与应用平台