區域洪水風險管理模型構建及應用

劉柏君，雷曉輝，權 錦，王 浩

(1.河海大學水文水資源學院，南京 210098； 2. 中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

水資源作為重要的基礎自然資源之一，其在自然界中的總量是有限的，且由于氣候和地理條件的限制，不同地區的水資源量相差很大，造成了我國出現南水多北水少、水資源時空分布不均的局面出現，給水資源的管理帶來了很大的困難。隨著人類活動的頻繁和氣候變化的劇烈，在變化環境的大背景下，我國很多區域都出現了水資源變異的問題，特別是洪澇災害頻發的長江流域，存在著不同類型和不同程度的洪災風險，且洪水發生的頻率高、范圍廣、災害重、經濟損失大，嚴重威脅著社會經濟的可持續發展和人民生活財產安全，給區域水資源保護、水資源配置等工作帶來了巨大挑戰。近年來，國內外的專家學者利用多種方法與建模等手段，從區域洪水災害評價、區域洪水風險評價、洪水風險管理及洪水風險圖編制等多方面對洪水問題進行了大量研究[1-10]，還有學者專門對荊江-洞庭湖復雜河網洪水演進過程進行了研究[11]，極大地豐富了洪水管理的研究成果。但是，針對包含分洪區在內的區域洪水風險管理的研究卻不多。特別地，基于風險的洪水資源管理是變化環境下的必然選擇[12]。分洪區在區域洪水管理中具有至關重要的作用，而大量級或大流量洪水引起的堤壩潰口問題在很大程度上增加了洪水的風險性，如何在此情勢下利用模型準確模擬出洪水演進過程并評價洪水影響，值得深入的研究。因此，本文通過構建長江中下游荊江河段區域洪水風險管理模型，模擬防洪大堤出現潰壩情況后區域內不同洪水情勢下洪水流動狀態，分析洪水演進過程中所帶來的風險及風險分布特征，評價區域洪水風險的影響，從而有效降低洪水風險，并針對新形勢下防洪減災措施的制定起到決策輔助作用，以期為區域洪水風險管理提供有效的技術支持。

1 模型原理

針對區域構建的洪水風險管理模型，包含洪水演進子模型與洪水影響評價子模型。洪水演進子模型由基于區域特性所構建的MIKE11一維水動力模型和MIKE21二維水動力模型耦合而成；洪水影響評價子模型，即利用洪水演進模型所計算的洪水淹沒范圍、淹沒水深及淹沒時長，通過訪問調查建立水深-損失曲線[13]，從而基于災情評估(含受災人口、受淹總面積、受淹耕地面積、受淹道路長度)和經濟損失評估(含居民財產損失、工業損失、農業損失、商貿業損失、道路損失)兩方面對洪水影響進行評價(區域洪水風險管理模型框架見圖1)。其中，受災人口采用如下公式進行計算[14]：

(1)

式中：Pe為受災人口；Ai,j為第i行政單元第j塊居民地受淹面積；di,j為第i行政單元第j塊居民地的人口密度；n為行政分區數；m為居民地塊數。

2 模型構建及應用

2.1 研究區域概況

位于湖北省的荊江河段地處長江流域洪澇災害分布的中心地帶，是長江中下游洪水災害最為嚴重區域。由北側長江干流、東側長江干流、南側藕池河、安鄉河與西側虎渡河所環繞的荊江分洪區(見圖2)地處湖北省公安縣，北緯29.50°～30.38°N，東經111.23°～112.80°E，高程自北向南遞減。分洪區面積為921.34 km2，設計蓄洪水位42.00 m，有效蓄洪量為54億m3，主要用于調蓄荊江河段的超限洪水，從而確保荊江大堤安全，降低武漢市和洞庭湖區的洪水威脅。區域地處濕潤區，屬于中北亞熱帶氣候，多雨水且降雨集中，年均降水量為1 125～1 190 mm，汛期在5-10月，7、8月為主汛期，期間降水量站全年降水量的30%～55%。年均氣溫為16.2～16.6 ℃，多年平均日照時數為1 798.3～1 845.7 h，年均風速2.1～2.8 m/s，夏季多南風，冬季多西北風。地區汛期在5-10月，7、8月為主汛期，期間降水量站全年降水量的30%～55%。區域內的荊南長江防洪干堤、虎東防洪干堤和南線防洪大堤(見圖2)在1884-1954年分別出現了15次、17次和4次的漫溢。氣候變化和人類活動的雙重影響給區域洪水風險管理的增加了不少困難[15]。

圖2 荊江分洪區Fig.2 Flood-Diversion Area of Jingjiang (FDAJJ)

2.2 洪水演進子模型構建

荊江河段水系眾多，入流和出流條件復雜，單一的水動力模型無法準確的模擬出洪水演進特征。因此，本文利用MIKE11-MIKE21耦合模型[16,17]模擬區域洪水演進過程。模型研究區域[概化圖可見圖3(a)]包含荊江分洪區、長江干流(枝城-監利水位站段)、沮漳河(作匯流點)、松滋河(松滋口-新江口水文站段及松滋口-沙道觀水文站段)、采穴河、虎渡河(藕池口-康家崗水文站段及藕池口-管家鋪水文站段)和藕池河(太平口-南閘段)。

圖3 研究區域處理圖Fig.3 The processed picture of study area

(1)網格劃分及斷面設置。采用三角形網格將荊江分洪區劃分出63 601個網格[見圖3(b)]，最小網格面積為550 m2，最大為42 659 m2，以便MIKE21模型計算。同時，將研究區域內的河網進行斷面設置，其中，長江干流段利用2010年實測斷面資料設置143個斷面，虎渡河段、松滋河段、采穴河段和藕池河均利用2009年實測斷面資料分別設置57個、32個、27個和16個斷面[見圖3(c)]，以便MIKE11模型計算。

(2)模型初始條件與邊界條件。對于模型初始條件的設定，根據相關研究[18,11]，分洪區內高程低于33.40 m的網格單元，初始水位就取33.40 m，初始流速取0；分洪區內高程高于33.40 m的網格單元，初始水位取實際高程，初始流量同樣取0。

對于長江干流，選擇枝城站流量過程和監利站水位過程作為MIKE11模型的上、下外邊界條件；對于沮漳河，選擇1 818、1 300、1 300 m3/s分別作為100、200、1 000年一遇洪水的入流邊界條件；對于松西河和松東河，分別選擇新江口站水位流量關系和沙道觀水位流量關系作為出流邊界條件；對于虎渡河，選擇南閘水位流量關系作為出流邊界條件；對于藕池河，選擇康家崗、管家鋪水位流量關系作為出流邊界條件；對于荊江分洪區，選擇44.5、45.0、45.22 m分別作為100、200、1 000年一遇洪水的外邊界條件。特別地，區域內安全區可以去除，不作為內邊界條件參與計算；區域內江心洲，不考慮其阻水作用；區域內道路、渠道和河道，需要分別對局部網格地形與局部糙率進行修改。

(3)模型率定與驗證。MIKE11模型分別采用長江干流石首、新廠、郝穴、沙市、陳家灣、馬家店、枝城、監利站2010年7月18日-8月2日和2012年7月17日-8月7日的洪水實測流量、水位資料進行糙率的率定和驗證。有結果可知，各站點2010年最大水位差為13.4 cm、流量最大變差為2.38%，2012年最大水位差為20.0 cm、流量最大變差為1.20%。水位誤差絕對值均在20 cm內，最大流量相對誤差均在10%內，說明糙率取值合理，模型可用于河網的模擬計算。率定和驗證后的糙率為，荊江干流枝城-城陵磯主槽糙率為0.020，邊灘為0.025；虎渡河、松滋河、藕池河主槽糙率為0.024，邊灘為0.033。

荊江分洪區只存有1954年7月22日至8月22日分洪運行的資料，區域內已發生較大變化，不能用于MIKE21模型的率定與驗證。因此，可以通過糙率敏感度分析[19]，驗證北閘流量相對誤差，并與1954年資料對比淹沒面積、淹沒深度的合理性，從而率定并驗證模型糙率的可靠性。結果顯示，北閘流量相對誤差為2.35%，小于10%，且淹沒面積、淹沒深度在1954年資料的有效范圍內，說明糙率取值合理，模型模擬結果可靠。率定和驗證后的糙率為，水田0.050，魚池0.040，旱地0.065，樹林0.070及房屋0.085。

2.3 洪水演進-洪水影響評價模型耦合

將洪水演進子模型模擬的洪水變化過程特征作為與洪水影響評價子模型的耦合點，即組成輸入-輸出模型格式，實現模型間的數據傳遞，從而完成區域洪水風險模型的構建。

2.4 洪水情勢設定

根據荊江河段堤防地質條件、河勢變化和歷史情況，選擇荊南長江干堤上的麻豪口鎮鄭河村、二圣寺電灌站、埠河鎮水德寺村和虎東干堤上的埠河鎮群義村共四處為可能潰口點。由于三峽工程在2010-2014年年均正常蓄水位達到175.0 m，在很大程度上改變了荊江地區防洪形式，因此，設定三峽調蓄后100年一遇、200年一遇和1 000年一遇作為各可能潰口點的洪水情勢。

3 模型結果與討論

3.1 洪水演進過程分析

本文選取水德寺(見圖2)為例進行洪水演進分析，假設洪水預報長江干堤水德寺外江在2015年8月3號將發生了100年一遇或200一遇洪水，且發生大堤潰決，洪水演變過程見圖4，顏色越淺水越深，其中，圖4(a)～圖4(d)分別為荊江分洪區在100年一遇洪水情況下分洪后10、20、50、110 h的水深分布情況，圖4(e)～圖4(h)分別為荊江分洪區在200年一遇洪水情況下分洪后10、20、50、90 h的水深分布情況。水德寺100年一遇洪水情況下，分洪總歷時為231 h，蓄洪量為53.96億m3，洪水由水德寺潰口流入分洪區，逐時向南流動，第10 h，洪水前緣到達新紅；第11～20 h，新紅積聚部分洪水，最大水深為6.0 m，且部分洪水繼續流向青華寺方向，后經過馬家咀狹窄收縮段，往黃金口快速推進；第21～50 h，洪水沿陸遜湖、崇湖邊線迅速推進，此時崇湖最大水深為5.5 m；第51～110 h，洪水先向黃天湖推進，隨后淹沒崇湖東北部近公安縣區域地市較高的沿江一代，此時黃天湖最大水深為6.5 m；大約115 h后，洪水完全淹沒荊江分洪區，如若水德寺潰口還未完全封堵，分洪區全區水位還會持續抬高。水德寺200年一遇洪水情況下，分洪總歷時為184 h，蓄洪量同為53.96億m3，除第11～20 h間新紅由于洪水積聚的最大水深為6.5 m及洪水完全淹沒荊江分洪區的時間為115 h跟100一遇洪水不同外，其余洪水演進過程均相同。從圖4還可以看出，不論100一遇還是200年一遇洪水，距離入口近的地方水深大，流速大，且在地勢低但地勢起伏不顯著的地區如新紅、青華寺、崇湖和黃天湖等，流速都比較平穩，但水深均超過了6 m，這些地區的安全水深在4.5～5.0 m，必然會出現漫堤現象，洪水風險較大；而地勢高的地區如公安縣等，洪水到達時間晚，水深值小，基本不受洪水威脅。

3.2 洪水影響評價分析

由表1中的洪水影響評價結果可知：①各可能潰口點在不同洪水情勢下，區域內受災人口均在50萬人上下，受災人口較多。由于區域內人口較密，一旦荊江河段防洪大堤出現潰口情況，勢必威脅到人民財產安全，風險性較大；②水德寺在不同洪水情勢下，基本淹沒了荊江分洪區，說明洪水在水德寺發生潰口會造成區域受淹最嚴重，即對區域產生的影響最大，需要重點巡護；③由于區域內農業用地比重大，且農作物具有高災損的特點，農業損失最為嚴重；區域內工業、服務業大部處在安全高程，相應損失較農業少了很多，此外，區域內道路、鐵路數量不大，因此損失較小。綜上所述，通過對模型結果的分析與討論可知，模型模擬與洪水影響評價結果與實際情況相吻合，說明模型可靠、實用、合理。

圖4 荊江分洪區不同時刻水深分布Fig.4 Water depth distribution of FDAJJ in different times

洪水情勢(一遇)水德寺1002001000鄭河村1002001000二圣寺1002001000群義村1002001000受災人口/萬人50．4950．4950．4748．7949．2250．2850．2550．0250．2650．3050．3150．32淹沒總面積/km2893．77893．77893．77857．39866．20889．67889．06884．17889．42889．74889．81890．47淹沒耕地面積/萬hm25．915．915．915．605．675．875．865．825．875．875．875．88淹沒公路長度/km102．43102．43102．4398．01100．20102．43102．43102．43102．43102．43102．43102．43淹沒鐵路長度/km33．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．27居民財產損失/億元15．2015．3415．4313．8714．1314．7214．7014．6114．7014．7414．7414．73工業損失/億元48．4748．6148．7047．1447．4047．9947．9747．8847．9748．0148．0148．00農業損失/億元27．5127．6727．8125．4025．7826．7726．7416．6026．7426．7926．8026．81商貿業損失/億元75．9876．2876．5172．5473．1874．7674．7164．4874．7174．8074．8174．81道路損失/億元4．664．664．674．314．394．594．584．574．584．594．594．59

4 結 語

洪水自身具有的風險性與不確定性[20,21]，如實際的洪水過程中，100年或200年一遇的洪水可能會因為水量大但流量不大的現象并未造成大堤潰口，也會因為水量小但流量大的現象瞬時沖垮堤防混凝土，造成堤防設施漂浮等種種問題，往往會造成防洪減災工作中難以準確模擬洪水演進過程，從而無法客觀合理地評價洪水影響，嚴重威脅區域安全。通過區域洪水風險管理模型的構建及應用，準確推演出堤壩潰口條件下區域洪水變化過程，評價出洪水對區域內各要素的影響。所構建的模型可靠、實用且結果合理，能夠有效支持水利和防汛部門制定防汛應急預案、部署防洪行動、洪水災情評估、開展防洪工程規劃-建設-管理等工作，為區域防洪提供了一定的技術支撐。但是，隨著預報技術的發展，洪水風險管理會增加對預報信息的依賴，然而，預測洪水較小時，會引起防洪準備不足、大堤潰口、應急響應緩慢等問題的出現，從而在很大程度上威脅人民生命安全，造成巨大的經濟損失；相反，預測洪水較大時，制定的防洪預案無需實施，在一定程度上會造成人力財力資源的浪費。因此，如何在不確定性條件下進行區域洪水風險管理將是未來研究工作的重點。

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