洞庭湖爛泥湖水系洪澇災害風險評估與應對措施

朱 楓，廖小紅，王維俊，賀方舟，黎昔春

(1.中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410007；2.湖南省水利水電勘測設計研究總院，長沙 410007；3.洞庭湖水環境治理與生態修復湖南省重點實驗室，長沙 410007)

洞庭湖爛泥湖水系地處湘、資尾閭地區，區域洪水特性復雜，外河(湖)洪水特性受湘水、資水和南洞庭湖的共同影響，而南洞庭湖洪水又由受沅水、澧水和長江洪水的綜合影響；爛泥湖水系復雜，分布有爛泥湖、鹿角湖、明境河等主要內湖啞河和爛泥湖撇洪河，漬澇風險嚴重，洪澇災害頻繁，而且有呈逐年加劇的態勢。1995年7月，赫山區四新垸注湖港泵站處潰口，受災2.0萬多人，失收面積1 600 hm2，倒塌房屋2 600 多間。2016年爛泥湖超警戒水位時長21 d，內湖漬堤多處出現險情，沿湖泵站限排，造成湘資嶺北垸1 773.3 hm2農田失收，同時堤垸內的4.73 萬hm2耕地、61.0萬名群眾受災。2017年湘水尾閭出現超歷史最高水位，爛泥湖撇洪河出流受阻，撇洪河沿線出現超歷史最高水位，撇洪河堤出現滑坡、管涌等近100處，其中多處為潰口性險情，嚴重威脅爛泥湖垸人民生命財產安全。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

爛泥湖垸為洞庭湖11個重點垸之一，位于湘水尾閭與資水尾閭之間，東臨湘水及其支流湘水西支，南接湘江一級支流溈水，西靠雪峰山麓的丘陵地帶，北隔資水干流及其東支毛角口河與長春垸、民主垸、湘濱南湖垸隔江相望。全垸東西寬約42 km,南北長約48 km，地理坐標東經112°22′～112°48′、北緯28°17′～28°43′，總集雨面積1 584 km2，其中丘陵區面積734.6 km2，平原區面積849.4 km2。年平均降雨1 398 mm，40%降雨集中在6-8月份。爛泥湖垸外河有資水、湘水及溈水。本研究根據地形地貌特征、河流水系分布和防洪排澇工程及布局，將爛泥湖水系劃分為侍郎橋、朱良橋、泉交河、徐家壩、寧家鋪、梓山沖、橋西垸、新興垸、嚴家灘、和合垸、火田垸、四合紅洲垸、天成垸、千家洲垸、人民垸、沙田嶺北垸、湘資垸等17個片區，分區情況詳見圖1。

1.2 資料來源

爛泥湖水系附近設有湘陰、益陽和寧鄉雨量站，收集各站1981-2017年逐日降水數據。遙感資料采用Landsat 8 OLI_TIRS 衛星數字產品。地理信息數據來自湖南省國土廳全國第二次土地調查資料，收集了爛泥湖水系1∶10 000地形圖，包括DEM數據、河網水系數據等。結果檢驗資料為益陽市赫山區、湘陰縣歷年暴雨洪澇災情調查數據。

1.3 洪澇災害影響因素

爛泥湖水系洪澇災害主要影響因素包括：①汛期降雨。爛泥湖水系汛期為6月1日至8月31日，該時段內的降雨量可占全年降雨量的40%以上。徑流和降雨相應，導致汛期水多成災；②地形。爛泥湖水系境內地勢平坦開闊，集雨面積大，總的趨勢為西南高、東北低，北部地區地勢平坦，不利于排水；③調蓄能力不足。長期圍墾開發，占用湖面、河道，導致調蓄水面積減少，滯澇能力減弱，增加了區域內澇災風險；④汛期外河水位過高。洞庭湖的外江外湖水位明顯抬高，將減少堤垸自流擠排水量，增加外江向垸內滲漏量，導致汛期排水不暢；⑤內湖水位過高。爛泥湖水系汛期往往與農忙季節重疊在一起，垸內溝塘、河湖要保證一定的水位才能滿足人民生產生活需要，當暴雨突然來臨時若內湖水位過高，泵站無法及時排除垸內漬水，就會產生澇災。

1.4 研究方法

暴雨洪澇災害風險區劃工作是基于災害風險理論及氣象災害風險形成機制，通過對孕災環境敏感性、致災因子危險性、承災體易損性、防災減災能力等多因子綜合分析，構建暴雨洪澇災害風險評價的框架、指標體系、方法與模型，對暴雨洪澇災害風險程度進行評價和等級劃分，借助GIS繪制相應的風險區劃圖系，并加以評述，提出相應的對策措施[1，2]。

從災害學的角度出發，形成暴雨洪澇災害必須具有以下條件：①存在誘發暴雨洪澇災害的因素(致災因子)及其形成洪澇災害的環境(孕災環境)；②暴雨洪澇影響區易損性(承災體)；③人們在潛在的或現實的暴雨洪澇災害威脅面前，采取回避、適應或防御洪澇的對策措施(防災減災能力)。基于自然災害風險形成理論，暴雨洪澇災害風險是由致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性和防災減災能力四部分共同形成的，如圖2。暴雨洪澇災害風險函數可表示為：

暴雨洪澇災害風險=

f(危險性，敏感性，易損性，防災減災能力)

(1)

2 評價指標體系和模型

2.1 洪澇災害評價指標

暴雨洪澇災害風險評估涉及指標眾多，各指標對洪澇災害風險影響程度不同。針對爛泥湖水系洪澇災害發生的基本情況，選擇8個指標建立爛泥湖水系暴雨洪澇災害風險評估指標體系[3,4]，如圖3。

2.2 評價指標權重

本文采用該層次分析法確定各指標權重，研究過程咨詢了熟悉爛泥湖水系地形地貌特征、水文氣象特點、防洪排澇工程現狀及運行情況的10位水利專家對不同層次指標進行重要性評分，并構建判斷矩陣，為保證評分的客觀合理性，對各指標權重進行一致性檢驗，以獲得最終的權重值。經過統計分析，造成爛泥湖水系洪澇災害風險的各影響因素中，抗災能力所占權重為57.5%，是最主要的影響因素；致災因子所占權重為21.0%；孕災環境所占權重為14.8%；承載體脆弱性所占權重為6.7%。

2.3 評估模型的建立

暴雨洪澇災害是致災因子危險性、抗災能力、孕災環境敏感性、承載體易損性四個方面共同作用產生的結果。通過量化各指標的值及層次分析法確定的權重[8,9]，可構建暴雨洪澇災害風險評估模型，計算公式為：

FDRI=H+E+S+R

(2)

H=XH1YH1

(3)

E=(1-XE1)YE1+(1-XE2)YE2+(1-XE3)YE3

(4)

S=(1-XS1)YS1+(1-XS2)YS2+XS3YS3

(5)

R=(1-XR1)YR1

(6)

式中：FDRI為暴雨洪澇災害綜合風險度，用于表示風險程度，其值越大，則洪澇災害風險程度越大；H、E、S、R的值分別表示通過加權綜合評價法建立的致災因子危險性、孕災環境敏感性、承載體易損性和防災減災能力指數；Xn為第n個指標的標準化值，Yn為第n個指標對洪澇災害綜合風險度影響的權重。

暴雨強度綜合指數為2.5時，將新泉寺閘的內河校核水位29.4 m代入公式計算得到的澇災綜合風險度(0.596)為低風險下限。暴雨強度綜合指數為3.5時，將新泉寺閘的內河校核水位29.4 m代入公式計算得到的澇災綜合風險度(0.670)為高風險下限。

3 模擬成果與評估

3.1 模型結果

采用模型評估爛泥湖水系1990-2017年平均澇災風險度，歷年評估成果詳見圖4。從圖可以看出，風險度較大的年份為2016年、1995年、1996年、1990年、2017年，各年綜合風險度分別為0.799、0.754、0.727、0.734、0.723。風險度最小的年份為2011年，風險度為0.493。

3.2 模型檢驗

選擇1995年、2016年、2017年這3個澇災較為嚴重的年份對澇災風險進行檢驗。可以從澇災風險分布圖看出，1995年和2016年整個爛泥湖水系都處于高風險中，1995年和2016年區域平均澇災綜合風險度為0.754和0.799，遠高于澇災高風險下限值0.670，兩個年份皆為區域普遍性澇災。根據澇災資料，近幾十年來，爛泥湖水系產生澇災最嚴重的年份是2016年，其次是1995年，這和模擬的結果相吻合。2017年區域平均澇災綜合風險度為0.723，小于1995年的0.754和1996年的0.727，說明該年澇災嚴重程度不如1995年和1996年，這也和實際情況相匹配[10]。

3.3 現狀條件下的洪澇災害風險

3.3.1 暴雨強度、內水位與風險度的變化關系

2.3節中公式通過代入不同降雨強度和水位可以計算得出，模擬年份的暴雨強度綜合指數、新泉寺閘內水位、區域平均風險度的關系[11]。當枯水年，即λ<2.5時，如果新泉寺閘內水位低于28.8 m，則區域平均風險度低于低風險下限(0.596)；如果新泉寺閘內水位高于28.8 m，則區域平均風險度高于低風險下限(0.596)。當平水年，即2.5≤λ<3.5時，如果新泉寺閘內水位低于28.2 m，則區域平均風險度低于低風險下限(0.596)；如果新泉寺閘內水位高于28.2且低于29.5 m，則區域平均風險度高于低風險下限(0.596)，低于高風險下限(0.670)；如果新泉寺閘內水位高于29.5 m，則區域平均風險度高于高風險下限(0.670)。當豐水年，即λ>3.5時，如果新泉寺閘內水位低于29.5 m，則區域平均風險度低于高風險下限(0.670)；如果新泉寺閘內水位高于29.5 m，則區域平均風險度高于高風險下限(0.670)。詳見表1。

表1 暴雨強度、內水位與風險度的變化關系Tab.1 Changes in rainstorm intensity, internal water level, and risk

3.3.2 現狀條件下區域澇災風險分布

在3.3.1節中低風險和高風險條件下各選取臨界年份進行澇災風險評估，分別為1998年、2013年、2005年、2016年。由澇災風險分布圖可以看出，爛泥湖撇洪河以北地區比以南地區更容易發生洪澇災害，尤其是爛泥湖和鹿角湖周邊區域由于地勢較低，坡度相對較小，使得洪澇災害發生的危險性增大。而位于研究區域最東部和最西部區域的垸子，離排水出口相對較近，滯澇水面率相對大，不易發生洪澇災害。沙田嶺北垸最為突出，即使在撇洪河北部部分區域出現高風險狀態時，沙田嶺北垸仍處于無風險狀態。由表2可以看出，在現狀條件下，爛泥湖水系地區只能抵御暴雨洪澇災害綜合風險度在0.634以下的年份，此時區域開始出現高風險狀態地區。在遭遇綜合風險度在0.668以上的年份時，爛泥湖撇洪河北面大部分地區都會處在高風險狀態，出現澇災的可能性非常大。在遭遇綜合風險度在0.802以上的年份時，整個爛泥湖水系地區都呈現高風險狀態，澇災情況相當嚴重，受災程度可參考歷史災情中2016年的情況。

表2 現狀條件下各典型年風險程度表 %

4 不同應對措施情景下的風險評估

考慮各典型年在滯澇水面率、新泉寺閘內水位2項指標發生改變的情況下，對爛泥湖水系地區洪澇災害帶來的影響。本研究共設置3套方案，方案①提高水面率到15%；方案②汛期降低內湖水位；方案③提高水面率+汛期降低水位。

采用方案①進行模擬，遭遇1998年情況，整個區域總體上處于無風險狀態，并未出現高風險狀態，處于低風險狀態的面積占總面積的14.4%，比模擬前降低了39.3%；遭遇2015年情況，一半以上的區域處于無風險狀態，占總面積的62.8%，比模擬前增加了54.4%，模擬前處于高風險狀態的區域也轉為低風險狀態，處于低風險狀態的面積占37.3%，比模擬前降低了53.3%；遭遇2005年情況，高風險狀態消失，整個區域總體上處于低風險狀態，低風險狀態占總面積的89.6%，比模擬前增加11.7%；遭遇2016年情況，雖然整個區域依舊處在高風險狀態，但是平均風險度已由模擬之前的0.799降低至0.766。總體上看，通過提高水面率到15%，在大部分年份對降低風險有一定的效果，但在遭遇特別嚴重災害的時候，如2016年，整個研究區域依舊會出現嚴重的洪澇災害。

采用方案②進行模擬，即汛期降低內湖水位，假設降低至3個水位29.5、29.3、29.0 m分別為方案②-1、方案②-2、方案②-3。水位降低至29.5 m，對洪澇災害的風險度不是特別大。當水位降低至29.3 m時，對洪澇災害的風險度尤為顯著：當遭遇2005年情況下，無風險狀態面積占8.4%，低風險狀態面積占77.3%，低風險狀態及以下的面積較之前增加了7.8%，平均風險度由之前的0.665下降為0.645；遭遇2016年情況，高風險狀態面積減少了76.8%，平均風險度由之前的0.799下降為0.679。而繼續降低水位至29.0 m時，對降低洪澇災害風險度的影響較降低水位至29.3 m時差別不大，為保障居民生活用水和農業用水，推薦降低內湖水位至29.3 m。總體上看，汛期降低新泉寺閘內水位至29.3 m，對減少處于高風險狀態的面積有一定效果，尤其對澇災風險較為嚴重的年份。降低內水位，減輕泵站排澇壓力，能夠及時排除垸內漬水，對減輕洪澇災害起到積極的作用。

采用方案③進行模擬，澇災風險分布如圖5。與現狀條件相比，2005年高風險狀態面積減少了22.1%，低風險狀態面積減少了40.6%；2016年高風險狀態面積減少了94.9%，低風險狀態面積增加了94.9%。可以看出，同時提高滯澇水面率、降低內湖水位至29.3 m，基本可以消除一般年份處于高風險的范圍，對于減少低風險范圍、增加無風險范圍效果更為顯著。對于平均風險度為高風險的年份，能夠消除大部分高風險區域，如2016年作為有史以來澇災最嚴重的年份，其高風險狀態面積控制在5.1%，可見對于其他高風險年份，同時提高滯澇水面率、降低內湖水位能夠將高風險狀態面積控制在5.1%以下。

5 結 論

現狀條件下，新泉寺閘內水位和滯澇水面率的不同導致暴雨對爛泥湖水系的影響程度也不同。當爛泥湖水系地區暴雨強度在2.5以下時，若水位低于28.8 m，研究區域整體上處于無風險狀態，若水位高于28.8 m，研究區域整體上處于低風險狀態；當暴雨強度在2.5～3.5之間時，若水位低于28.2 m，研究區域整體上處于無風險狀態，若水位在28.2～29.5 m之間，研究區域整體上處于低風險狀態，若水位高于29.5 m，研究區域整體上處于高風險狀態；當暴雨強度在3.5以上時，若水位低于29.5 m，研究區域整體上處于低風險狀態，若水位高于29.5 m，研究區域整體上處于高風險狀態。

只采取一項措施的情況下，若提高滯澇水面率至15%，只能減輕低風險年份的洪澇災害問題，對高風險年份的效果不是特別顯著。若降低爛泥湖水系內湖水位，則推薦將水位降至29.3 m，此時對減少處于高風險狀態的面積有一定的效果，尤其對澇災風險較為嚴重的年份，能夠減少一半以上的高風險度面積。若同時采取提高滯澇水面率和降低內湖水位，基本可以消除一般年份處于高風險的范圍，對于減少低風險范圍、增加無風險范圍效果更為顯著；對于平均風險度為高風險的年份，能夠消除大部分高風險區域。

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