變化環境下我國西北內陸河區洪災綜合應對

馮 婧,嚴登華,秦天玲,鄭曉東,3,耿思敏,4

(1.東華大學環境科學與工程學院,上海 201620;2.中國水利水電科學研究院水資源所, 北京 100044;3.河北工程大學,河北邯鄲 056038;4.中國海洋大學環境科學與工程學院, 山東青島 266100)

我國西北內陸河區自西向東跨越新疆、青海、甘肅、內蒙古、寧夏5 省(自治區)。由于寧夏所占面積比例較小,對西北內陸河區整體洪災形勢影響較小,故研究中忽略不計。西北內陸河區屬于干旱氣候區,是生態環境和氣候變化的極端脆弱區、敏感區和響應區,水資源狀況是制約西部大開發戰略實施的關鍵因素。20 世紀80 年代之后,在以全球氣候變化和人類高強度活動為主要特征的變化環境影響下,西北地區氣候在整體上呈現由暖干向暖濕轉型的趨勢[1-2],洪災呈現影響范圍擴大、經濟損失加重的趨勢,且區域性特征明顯,發生在干支流上的洪水均呈增多態勢。在識別洪水災害成因的基礎上,采取綜合應對措施,實現可持續管理是變化環境下水資源綜合管理的需求。因此,在全球極端事件頻發和局部區域人類活動繼續加強的情況下,筆者探討了變化環境下西北內陸河區洪災的新特征,并對其成因進行剖析,提出綜合應對措施以降低洪水災害發生的風險。

1 西北內陸河區洪水災害的主要特征

西北內陸河區洪災的發生具有普遍性。發生頻率、影響范圍和程度以及經濟損失都呈增加趨勢,且具有區域性的典型特征,發生在干支流上的洪水呈“雙上升”的趨勢,洪水沿著獨特的產匯流路徑逐漸演進。

1.1 洪水災害具有普發性,發生的頻次和造成的損失逐漸加大

西北內陸河區歷史上就是一個洪災頻發區。以新疆和青海為例,1950—1999 年,新疆總共發生大小洪水災害791 次,發生頻次為7.91 次/a,且隨著年代的增加呈增加趨勢,每10 a 以3.77 次的速度線性增加(圖1)[3];青海省平均每3 ～5 a 發生1 次大洪水,10 ～15 a 發生1 次特大洪水[4]。

圖1 新疆洪水災害頻次變化趨勢

1950—2009 年,在未考慮變價影響的情況下,統計西北地區因洪水災害所造成的累計直接經濟損失為186.24 億元,21 世紀10 年代的直接經濟損失是20 世紀50 年代的36 倍多(表1)[5-11];考慮變價影響,以1978 年新疆維吾爾自治區地區生產總值指數為基準,對1978—2008 年西北內陸河區的洪水災害所造成的直接經濟損失進行分析,其具有0.579 8 億元/a 的增長趨勢(圖2)。據新疆維吾爾自治區防汛抗旱總指揮部辦公室統計表明,2010 年7 月, 新疆喀什地區發生不同程度的山洪和泥石流災害,初步估算經濟損失達3 524 萬元。

表1 1950—2009 年西北內陸河區洪災直接經濟損失表(未考慮變價影響)

1.2 洪水災害的影響范圍擴大,具有年際震蕩周期

據新疆、青海、甘肅、內蒙古內陸河區水災資料統計[5-11],從1950—2009 年,因洪災總計農田受災面積402.61 萬hm2,成災面積183.15 萬hm2,受災人口2 473.192 3 萬人,死亡人口3 954 人;受災面積呈上升態勢,21 世紀10 年代為157.05 萬hm2,是20 世紀50 年代13.68 萬hm2的11 倍多;受災人口及死亡人口也呈增加趨勢,21 世紀10 年代的受災人口達到1 636.82 萬人,是20 世紀50 年代受災人口數4.99萬人的300 多倍,見圖3(a),(b)。

圖2 1978—2008 年西北內陸河區洪災直接經濟損失

圖3 受災面積及受災人口的年際變化(10 a 期)

對1950—2009 年期間的洪水受災面積進行morlet 小波分析(圖4),受災面積存在15 a、36 a、55 a的年變化周期,小周期的正負交替變化嵌套在大周期的正負結構中,較低周期對應的正負變化更為頻繁。以15 a 為典型周期,洪災受災面積在20 世紀80 年代之后呈增加趨勢,即進入洪災頻發期。

圖4 洪水受災面積的周期變化

1.3 洪水災害類型多樣,以暴雨型和融雪型洪水為主

各種類型的洪水災害(融雪洪水、冰川洪水、冰凌洪水、暴雨洪水以及疊加型洪水)在西北內陸河區都有發生,但以暴雨型和融雪型洪水為主,大面積、大范圍的洪水災害在西北內陸河區較少發生。暴雨型洪水多由山洪引起,發生的局部性、歷時的短時間性、降水的高強度性、災害的難預見性、水沙的高含量性是其主要特點,中小河流和溪溝近年發生洪水的頻次增加,且會產生較高的洪峰是其與其他區域洪水不同的顯著特點,從流域上游沖刷下來的水沙、水鹽對中下游區域的水生態和社會經濟系統造成的災害損失大且難以預測和評價;融雪洪水的發生強度和范圍取決于冬季的積雪深度、范圍以及春季氣溫的升溫幅度和持續時間,其主要特點是歷時長、漲落緩慢。以北疆為例,發生面積廣、影響大的融雪洪水主要有1966 年、1971 年、1977 年、1985 年、1988年、2005 年[12]。融雪洪水若與強烈的暴雨天氣遭遇,二者疊加,會形成特大洪水,產生更強的洪峰,且近幾年發生疊加型洪水災害的頻次增大。1999 年新疆所發生的大范圍洪水是在持續高溫下高山冰雪融水疊加暴雨形成的峰高量大的洪水[13]。

1.4 獨特的產匯流途徑導致洪災范圍和程度的變化,且干支流洪水呈雙上升趨勢

從地理條件分析,西北內陸河區流域有一個共同特點：徑流形成區位于河流出山口以上,徑流耗散區為中游的湖泊或盆地,徑流最后消失在荒漠和尾閭湖泊中。其獨特的產匯流機制決定了洪水災害發生的最基本特征：山區為暴雨形成區,平原區為洪水高發區,尾閭湖泊區為洪水消失區,即沿著流域產匯流路徑,洪水逐漸演進,且洪水多在人類活動最強烈的區域(中游)具有最大洪峰,損失慘重。在積雪和氣溫等氣候條件相似的區域,易發生時間相近和洪水類型相似的洪災。如1985 年、1988 年、2005 年分別在伊犁地區、天山北坡地區和塔城北部地區出現3 次大范圍洪水,其發生時間大致相近,融雪水在山前順勢漫流,并呈片狀發生[12]。從受災地區的空間分布看,新疆是受災最嚴重的地區,其約占西北內陸河區洪水災害受災面積的一半,其受災面積和死亡人口所占比例最大。

另一方面,發生在干支流上的洪水呈雙上升趨勢,發生在中小河流、溪溝的洪水增多(表2)。其原因是：①近十幾年來低山區、前山帶暴雨增多,量級增大;②小河流域上的突發性暴雨山洪,洪水來去快,加上缺少骨干工程的攔蓄作用,難以預防,容易成災[9]。以2010 年的洪水災害為例,據新疆維吾爾自治區防汛抗旱總指揮部辦公室的統計,2010 年6月19 日,受伊犁河谷持續高溫天氣和山區局部強降雨影響,伊犁河流域各山溝水系來水量猛增,霍城縣果子溝、切特克蘇溝、切特薩爾布拉克、格干溝相繼暴發洪水。

表2 近60 年來西北內陸河區典型洪水[12-18]

2 洪災成因

2.1 獨特的自然條件

西北內陸河區深處歐亞大陸腹部,遠離海洋,高山、高原、盆地交錯封閉分布,境內降水量稀少且時空分布不均。眾多冰川和積雪發育在高山處,且由于高大山系攔截和抬升水汽的作用,山區可截獲較多水汽,從而降水比較豐富,植被發育較好;河流徑流沿程注入中游平原區,在山前平原形成大片綠洲,但此區降水稀少;最后徑流消失在沙漠或戈壁的尾閭湖泊區。

但近年來西北氣候可能存在由暖干向暖濕轉變的趨勢,整體上呈氣溫升高和降雨增加的態勢。施雅風等[1-2]提出了西北氣候可能由暖干向暖濕轉型的科學推斷。急劇升溫是誘發融雪的動力條件,降水增大加大了融雪洪水和暴雨洪水遭遇的機會。

2.2 人類活動不當,蓄滯洪區被侵占

西北內陸河區獨特的氣候地理條件決定了區域洪災產生的大背景,其脆弱的生態環境是長期作用的結果,但人類過度開發利用綠洲加劇了生態系統的非常規擾動,改變了天然水循環過程,洪水的演進路徑受到人為干擾,洪峰更高、損失更大。從內陸河區“自然-社會”二元水循環的角度出發,以綠洲為主的上中游地區,灌溉業發達,往往用水量過大、無效蒸發和損失大、用水效率低,上中游擠占下游的生活、生產、生態用水,致使下游河流出現季節性斷流,尾閭湖泊發生萎縮,天然生態系統退化,對洪水的調蓄能力下降;同時中游區域過度的土地開發利用加劇了水土流失、水污染和沙化的速率,洪水過程攜帶更多的水沙、水鹽、水雜質。

近年來,西北內陸河區土地開發利用強度增大,洪泛區、蓄滯洪區等天然綠洲逐漸減少。人類對洪泛區的過度開發利用是西北洪水損失加重的重要原因之一,而這是由于缺乏合理的洪水風險區劃造成的。當地區域經濟結構布局未考慮洪水因素的影響,對包括生態系統在內的防洪缺乏正確認識,同時洪水易發區又是人類活動最強烈的區域,易造成較大的洪災損失。

2.3 水利工程布局不合理,綜合調節性能差

1996 年發生洪水的范圍主要出現在新疆重要的經濟帶和交通干線的中小河流或洪溝上,而1999年出現的洪水涉及范圍更廣,大多為大河或較大河流,流程長,相對容易防范,洪災損失比1996 年小,但局部性洪災仍比較嚴重[13]。這充分說明了西北內陸河區在中小河流的防洪基礎設施建設不足。西北內陸河區一方面重視工程措施的重要性,另一方面防洪基礎設施仍舊不足,水利工程整體布局不合理,老化失修嚴重,抗御洪水災害的標準偏低,聯合調配能力差。在上游,出山口缺乏調節性的水利工程;在中游平原區域,建設面廣水淺的平原水庫,其蒸發強烈、無效損失大,經濟生態環境的綜合效益不高,不利于下游尾閭湖泊區的生態環境安全,不能起到有效實施洪水綜合管理和資源化的作用;在下游尾閭湖泊區,恢復生態系統的重大工程有所開展,植被和生態系統得到一定的改善,但強度和范圍仍需加強。

3 洪災的綜合應對措施及關鍵技術問題探討

西北內陸河區是我國極端水問題突出的地區,洪水的高風險區是西北干旱區適宜人居的唯一環境,這決定了實施基于風險的洪水管理模式的基本背景和必要性。隨著洪水災害的加劇,需“趨利避害,統籌兼顧”,健全洪水管理體制,制定和完善洪水風險區劃,實施“天地一體化”監測網絡,運用氣陸耦合模式進行洪水的實時預警預報,綜合管理洪水資源,并在洪水發生之后評估經濟、社會、環境以及管理風險, 修正評估結果, 達到社會滿意的結果(圖5),逐步在西北內陸河區形成地方法規體系、工程保障體系、組織管理體系、資金保障體系、社會化服務體系等防洪一體化系統。

3.1 提高水利工程的調蓄能力

針對西北地區歷年重視抗旱而防洪不足的現象,需在適度提高防洪標準的基礎上,適時維修、調整、重建防洪工程,重點支持水庫的建設和聯合調度,水庫在調蓄洪水,減少下游防洪壓力、洪水資源化方面的作用在以干旱為主要特征的西北內陸河區效益尤其顯著,但需規避其在不同利益相關方之間爭奪資源的風險。首先,對現存安全隱患或功能布局不合理的水庫進行維修和改造,對存在安全問題的水庫要加快實施常態管理下的除險加固、排漏檢查,使防洪工程逐步達到設計防御洪水標準,建設防洪安全保障體系,同時利用水庫解決河流季節性斷流問題,完善水資源供需保障體系;對調控效益不高或綜合效益不顯著的水庫重新進行水資源功能的調節或水庫的報廢重建,進行防洪開發利用規劃,重新在水深、水表面積小的出山口區域選址建立骨干性調節樞紐,綜合發揮防洪、旅游、供水、發電等綜合效益;最終形成以防洪基礎設施建設為重點,以地方中型工程為主,以少數典型大型工程為輔的水利工程體系和防洪安全保障體系：在上游區域,進行洪水的“源頭減排”,建設骨干性水利樞紐工程;在中游區域,減緩城市化速率,增加城市的防洪排澇基礎設施建設,合理進行土地利用規劃,進行“洪水過程調配”和“洪水資源化”;在下游區域,保護和重建濕地和湖泊等水域生態系統,進行“末端控制”。在可持續發展原則之上,形成預防、開發、利用、保護水資源的體系,建立全流域的防洪工程保障系統。

圖5 西北內陸河區洪水管理對策

3.2 制定和完善流域洪水風險區劃

西北內陸河區的流域洪水風險區劃是對洪水的分布(即洪水的發生和程度)進行時空尺度上的分區,以保護天然綠洲、保障人類安全、減輕洪災損失為基本準則,強化流域為基本管理單元,將風險管理理論融入流域防洪規劃與管理中,制定適應新情勢的流域管水方案。首先,需識別長時序的流域洪水成因(以典型洪水特點與規律為研究重點),劃分洪水類型;其次,在系統識別變化環境下流域供水-輸水-需水-排水的動態變化特征基礎上,綜合考慮不同承載體、孕災環境、致災因子的特性,結合洪水的發生頻率、水文水力特征、經濟社會發展情況、防洪標準等指標,對洪水災害的危險性、社會經濟的易損性和成災因子的風險性進行全口徑評價,然后繪制并實時修訂洪水風險圖,從而識別洪水的可能發生區,有利于開展搶險救災工作[20]。Boardman 等[21]認為,如果不以洪水風險圖為基礎,改變洪水易發區的土地利用類型,減少洪水的徑流,未來的氣候變化會大大加大洪水風險和財產損失。因此需對不同頻率下的洪水空間分布進行風險區劃,將流域劃分為不同風險等級的洪水影響區。

3.3 加強“天地一體化”的監測-預警-響應-評估綜合體系建設

西北內陸河區洪澇災害的發生具有局部的典型特征,而對于小區域短歷時洪水的預報難度較大,但可從洪災所呈現的“面”的特征來識別流域洪水災害的演變規律及其洪水成因,孕其于“天地一體化”防洪網絡建設之中,加強大面積長歷時多水源的洪水預警預報研究,提高基于遙感和氣陸耦合模式的洪水預警預報(災害性水文氣象形勢監測、預報)能力,盡量不在洪災發生概率高的區域進行經濟用地的開發,規避洪水風險。在洪水風險區劃的基礎上,以統一的物理模式,將3R 技術、氣候預報、水文預測等技術與社會經濟發展評估相融合,對水循環的大氣過程、地表過程、土壤過程和地下過程以及水資源的開發利用狀況進行綜合監測,將雨情、水情、災情的預警預報與實時決策、動態評估相耦合;對洪災所造成的自然、社會、經濟、生態、環境影響分別進行事前預測評估、事中影響評估、事后整體評估,相應的實施整體應對機制,即分別啟動事前應急預案、實時修正應對方案以及災后整體評估工作。其中,事后整體評估為后期恢復重建工作、洪水風險區劃的滾動修正及防洪管理工作的調整提供依據;從而對常規水資源與中水、再生水等非常規水資源及應急水源進行綜合調度。

3.4 實施面向洪災過程的多水源綜合應急調配策略

在水利工程硬件能力的支持下,為了保障下游綠洲用水的基本需求以及協調不同區域的需求,必須實現流域水資源的科學合理配置,統一管理,統籌調度,發展面向洪災過程的水資源聯合調配技術,即實施基于8 大總量控制的水資源綜合調控,把洪水從應急管理層面納入到區域水資源綜合調配規劃中,進行未來可能極端洪水情境下水資源的供給與需求態勢分析,充分考慮變化環境下的承載能力,按照“生活、生態、生產”的先后順序進行極值條件下的水資源調配,完善常規的僅僅考慮常態水資源調配情景的思路。其中,流域水沙資源的調配在西北內陸河區極端條件下水資源的調配過程中尤其重要,洪水資源化是調配過程中的重要環節,其需要土地類型的合理區劃和管理。Sun 等[22]研究發現,通過實施一系列調水措施,塔里木河下游的生態系統完整性提高,地下水位得到控制,需繼續采取調水措施恢復干旱半干旱區的河濱植被系統。所以需加大恢復天然生態系統力度,合理進行水資源的綜合調配,減小洪水風險。

3.5 基于不同風險等級的洪水應急管理能力建設

在洪水風險區劃的基礎上,科學核算區域水資源和水環境承載能力,結合承載能力,將防洪規劃納入到區域整體發展規劃及水資源綜合規劃中,據此優化產業結構布局,制定不同風險等級下的應急管理和聯合調度預案,實施最嚴格最有效的水資源管理。應急調度管理能力的提高以變化環境下工程措施和調度技術的提高為技術保障,以產業與水利工程布局的合理改善為政治基礎,以各行各業不同利益相關方防洪意識的提高為社會保障,以多水頭的聯合應急調配為應急保障,制定防洪應急管理預案。將防洪減災納入日常水資源綜合管理中,形成風險管理與常態管理相結合的模式：即從“短時應急管理”向“長-中-短時相結合管理”轉變,從“有限目標下的管理”向“變化環境下全過程多源頭的綜合管理和控制”轉變,實施“源頭風險規避-過程災害削減-末端規劃修訂”相結合的洪水控制模式,從而規避洪水風險,提高洪水風險管理能力。

4 結 語

在以人類活動和氣候變化加強為主要特征的變化環境下,西北內陸河區的氣候正在經歷由暖干向暖濕變化的過程,氣溫和降雨整體上均呈增加趨勢。西北內陸河區的洪水災害具有普遍性的特征,洪水沿著獨特的產匯流路徑逐漸演進,其發生頻率、影響范圍和影響程度以及經濟損失都呈增加的趨勢,且在不同區域具有不同的典型特征,發生在干支流上的洪水呈“雙上升”的趨勢,即洪水具有向中小河流、干支流轉變的趨勢。

西北內陸河區洪水災害的形成有其獨特的成因,在獨特的自然條件背景下,人類活動不當是洪水(災害)加劇的主要因素,水利工程布局不合理是洪水損失無法得到有效控制的原因,且人類活動對洪水的影響是可調可控的。在制定洪水風險區劃和建立“天地一體化”監測評估體系的基礎上,實施面向洪災過程的水資源綜合調配措施,并適時適地建設骨干水利工程,提高水利工程的聯合調蓄能力,并建設基于不同風險等級的應急管理能力,綜合各種措施應對洪水災害。其中,分析氣候變化敏感區洪災的長時間尺度特征,發展面向洪災過程的水資源調配以及應對措施是未來的研究方向之一。

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