中小河流治理防洪控制標準評估方法研究

姚 遲，李守通

(1.水利部河湖保護中心，北京 100038;2.水利部建設管理與質量安全中心，北京 100038)

1 概述

目前，國內中小河流治理的防洪標準都基本按照國家《防洪標準》，即結合中小河流防洪保護區(qū)現(xiàn)狀和經濟社會發(fā)展需求，統(tǒng)籌考慮中小河流治理對大江大河的防洪影響，與流域區(qū)域防洪標準相協(xié)調。防洪標準的高低，與防洪保護對象的重要性、洪水災害的嚴重性及其影響直接有關，并與國民經濟的發(fā)展水平相關。總體來說，大多數(shù)經濟發(fā)達國家在確定河流的防洪標準時，考慮了其防洪保護對象的類型、級別和重要性。城市的防洪標準一般為50—200年一遇，一些國家規(guī)定特別重要城市可達到500—1000年一遇防洪標準。肖義等建議我國把基于風險分析的設計洪水標準作為防洪標準規(guī)范的使用參考[1]。目前，研究較多、理論體系相對健全的防洪標準確定方法主要有經濟分析方法、風險分析方法和綜合評價模型法[2]。

羅超提出了中小河流治理時需要注意的問題[3]，劉玉龍、王永則針對不同的中小河流治理[4]，分析了中小河流治理工程項目的特點[5]，羅紹興、李植俊對目前中小河流的現(xiàn)狀、管理人員的工作及其中存在的不合理問題、管理方式等進行了分析，并提出了相應的對策[6-7]。渠性燕、程光明等對中國和國外的防洪工程和防洪標準的比較敘述[8],調研國內外中小河流的治理模式，對治理理念和治理方法進行總結，提出防洪標準應隨經濟社會發(fā)展水平而定，不同國家發(fā)展程度不同采用的防洪標準也不同[9]。王才君、吳海亮等認為各國由于國情和水情不盡相同，經濟、文化以及洪災特性等方面的差異也較大，防洪標準的規(guī)定以及設計洪水的計算方法等存在一定差別[10-11]。與國外中小河流治理防洪標準相關的情況可以看出，我國現(xiàn)狀中小河流治理采用的防洪標準與國外相比偏低。即使是在經濟發(fā)達的地區(qū)也存在防洪標準與城市發(fā)展不協(xié)調的情況，彭金華就將深圳市的河道治理過程和建設理念進行了總結與劃分[12]。因此，本文在調研分析國外中小河流治理防洪標準的基礎上，對我國中小河流治理防洪標準的制定提出新的評估方法。

2 中小河流治理防洪控制標準指標研究

2.1 基于多指標的綜合判定法的評價指標選取和確定

基于洪水災害系統(tǒng)理論，從中小河流所在的整個流域出發(fā)，綜合考慮多項相關指標開展中小河流防洪治理控制標準研究。將描述中小河流的流域洪水致災因子、承災體、防災力和附加指標等四方面不同類型不同量綱的統(tǒng)計指標，轉化成為相對評價值，并綜合這些評價值以得出洪水災害風險的整體評價成果。圖1為基于多指標的綜合判定法對應的中小河流治理防洪標準指標體系，共16項指標，各指標的含義和確定方法如下。

圖1 基于多指標綜合判定法的中小河流治理防洪標準指標體系示意

1) 多年平均降雨量：指某中小河流的流域多年降雨量總和除以年數(shù)得到的均值。

2) 最大24 h降雨量：指某中小河流流域范圍內站點實測的最大24 h降雨量。

3) 流域面積：指某中小河流的流域總面積。

4) 河道比降：指某中小河流上河源至河口斷面河底的高程差與該兩斷面之間中心線的長度比值。

5) 流域人口密度：指某中小河流的流域內總人口與流域面積的比值。

6) 流域GDP密度：指某中小河流的流域內GDP與流域面積的比值。

7) 路網密度：指某中小河流的流域內路網總長與流域面積的比值。

8) 保護區(qū)占防洪區(qū)比例：指某中小河流現(xiàn)狀防洪保護區(qū)面積占流域防洪區(qū)總面積的比例。

9) 防洪治理長度比例：指某中小河流堤防治理達到相關規(guī)劃要求防洪標準的長度占現(xiàn)有及規(guī)劃堤防總長度的比例。

10) 上游水庫控制面積比例：指某中小河流上游水庫控制的流域面積占該河流流域總面積的比例。

11) 防洪工程調度覆蓋率：指某中小河流上已具有防洪調度方案或系統(tǒng)的水工程數(shù)量占根據(jù)規(guī)劃需開展防洪調度的水工程數(shù)量的比例。

12) 洪水風險圖編制覆蓋率：指已編制洪水風險圖的面積占需編制洪水風險圖的防洪區(qū)面積的比例。

13) 合格洪水預報水平：指某中小河流符合相關技術規(guī)范的汛期洪水預報次數(shù)占所有預報次數(shù)的比例。

14) 洪水預警發(fā)布覆蓋率：指某中小河流發(fā)布洪水預警的水文站點數(shù)量占其上所有水文站點總數(shù)的比例。

15) 河道行洪通暢率：指某中小河流行洪通暢的長度占該河流總長的比例。

16) 土地利用合規(guī)率：指某中小河流的河道管理范圍內土地利用符合防洪法等相關規(guī)定的面積占河道管理范圍土地總面積的比例。

2.2 基于洪水風險分析的定量評估法的評價指標選取和確定

自然災害的直接經濟損失占GDP比例是國際上用來衡量某個區(qū)域災害風險和防御水平高低的常用綜合指標，我國近10 a洪災直接經濟損失占當年GDP比例的平均值約為0.4%，而美國約為0.1%，日本約為0.3%，歐洲約為0.026%。本文選取中小河流的洪災期望損失(主要考慮直接經濟損失)占GDP比例作為基于洪水風險分析的定量評估法的評價指標，通過與我國平均水平和國際上處于不同發(fā)展階段國家比較，確定中小河流防洪治理應選取的與經濟社會發(fā)展水平相適應、與其所在大江大河流域干流防洪標準相協(xié)調的適宜控制標準。

3 中小河流治理防洪控制標準評估方法

3.1 基于多指標的綜合判定法的評估方法

在確定評價指標體系的基礎上，多指標綜合評價的通用流程包括以下基本步驟：

① 分析評價對象；

② 確定各指標的實際取值；

③ 將指標實際值轉化為指標評價指數(shù)值；

④ 確定每個指標在評價指標體系中的權重系數(shù)；

⑤ 將指標評價指數(shù)值合成，得到綜合評價值。

綜合指標計算方法采用下式：

(1)

式中：

Ri——各指標所對應的指數(shù)；

wi——指標的權重；

K——綜合風險指數(shù)。

各指標的具體取值按照中小河流的實際情況填寫，其所對應的指數(shù)閾值及權重根據(jù)專家經驗判斷確定，各指標的指數(shù)閾值劃分和權重分配見表1和表2所示。

表1 中小河流治理防洪標準指標體系中各指標的實際取值與評價指數(shù)值之間的對應關系

表2 中小河流治理防洪標準指標體系的權重系數(shù)

各指標的評價指數(shù)值根據(jù)實際值與指數(shù)閾值之間的對應關系線性插值獲得，在計算得到中小河流的綜合風險指數(shù)K后，結合其對所在大江大河防洪的影響和干支流關系，確定最終的防洪控制標準，防洪標準與綜合風險指數(shù)對應關系見表3。

表3 防洪控制標準與綜合風險指數(shù)K的對應關系

3.2 基于洪水風險分析的定量評估法

基于洪水風險分析的防洪標準定量評估法是利用水文、水力學和洪災損失評估技術，通過計算中小河流超標準洪水的期望經濟損失占流域GDP比例，考慮國際數(shù)據(jù)和我國經濟社會發(fā)展對風險的可接受程度和對美好生活安全保障的需求，選擇確定適宜的防洪標準。具體方法如圖2所示。

圖2 基于洪水風險分析的防洪標準定量評估技術路線示意

4 典型中小河流治理工程防洪控制標準研究

4.1 流域基本概況

金陵河流域地處陜西省千隴黃土低山丘陵區(qū)，最大海拔高度為1 500 m左右，最小海拔高度為河流出口高程590 m左右。由于地形落差較大，其暴雨洪水易于匯集，災害較頻，水土流失亦較嚴重。金陵河屬渭河左岸一級支流，發(fā)源于隴山山脈南部的陳倉區(qū)新街鎮(zhèn)趙家山，全長為55.0 km，河道平均比降為7.4‰，總流域面積為427.1 km2。金陵河流域上游3條較大的一級支流為司川河、龍渠溝和窯溝，均分布于金陵河右岸。

金陵河流域重點河段由縣功鎮(zhèn)—金陵河入渭河口，涉及的行政區(qū)域包括金臺區(qū)、陳倉區(qū)和渭濱區(qū)。本文采用2013—2015年全國重點地區(qū)洪水風險圖編制項目中的金陵河重點河段(縣功鎮(zhèn)—金陵河入渭口)洪水風險圖編制成果進行分析，金臺區(qū)、陳倉區(qū)和渭濱區(qū)的評價指標采用2013年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。根據(jù)2013年金臺區(qū)統(tǒng)計年報，2013年金臺區(qū)生產總值(GDP)為275.73億元。根據(jù)2013年陳倉區(qū)統(tǒng)計年報，2013年陳倉區(qū)全年地區(qū)生產總值(GDP)為162.91億元。根據(jù)2013年渭濱區(qū)統(tǒng)計年報，2013年全區(qū)實現(xiàn)生產總值為435.25億元。

4.2 基于多指標綜合判定法的防洪標準分析

根據(jù)收集的金陵河流域相關指標數(shù)據(jù)，按照本文所述方法對其治理防洪控制標準的各項指標進行了賦值，各指標的具體取值見表4，根據(jù)指標取值與指數(shù)對應關系進行線性插值及權重系數(shù)賦值得到的指數(shù)評價值見表5。

表4 金陵河流域防洪治理控制標準的多指標取值

表5 金陵河流域治理防洪控制標準的多指標評價指數(shù)

經分析，金陵河流域在致災因子、承災體和防災力3方面的綜合指數(shù)分別為47.8、70.1和68.4，綜合風險指數(shù)為61.3，風險等級為較高。所以，整個金陵河流域治理的防洪控制標準宜確定為20～50年一遇。

4.3 基于洪水風險定量評估法的防洪標準分析

根據(jù)2013—2015年全國重點地區(qū)洪水風險圖編制項目中的金陵河重點河段(縣功鎮(zhèn)—金陵河入渭口)洪水風險圖編制成果數(shù)據(jù)，分析確定了金陵河下游段發(fā)生各頻率設計洪水下的洪災損失(見表6)。表6中10年一遇防洪標準下的各重現(xiàn)期洪水經濟損失直接采用風險圖報告中的洪水漫溢損失評估結果，其他防洪標準下的損失根據(jù)洪量—淹沒面積—損失之間的關系推算。10年、20年和50年一遇防洪標準下的洪災期望損失分別為30.13萬元、11.79萬元和2.12萬元，占GDP比例分別為1.05%、0.41%和0.07%(見表7)。根據(jù)本文所述，建議我國中小河流防洪治理應實現(xiàn)洪災期望損失占GDP比例不高于0.4%的水平，針對本次分析的金陵河重點河段，建議將防洪標準提高為20～50年一遇，與采用多指標綜合判定法分析的結論也是一致的。圖3是金陵河重點河段不同頻率洪水淹沒范圍示意。

表6 金陵河各量級洪水的經濟損失和超標準洪水期望損失計算

圖3 金陵河重點河段不同頻率洪水淹沒范圍示意

表7 金陵河各防洪標準下洪災期望經濟損失占GDP的比例

5 結語

隨著我國經濟由高速增長轉向高質量發(fā)展階段，勢必會對洪水防御系統(tǒng)的防洪標準提出更高要求，所以有必要借鑒國外經驗研究適宜我國中小河流現(xiàn)狀和未來的防洪控制標準。研究中小河流治理防洪控制標準，需要考慮中小河流自身洪水及災害特點，利用中小河流河道洪水計算、保護區(qū)洪水演進和淹沒區(qū)損失評估等技術方法，從流域整體出發(fā)，協(xié)調干支流、上下游、左右岸關系，構建融合洪水風險分析、損失評估和方案優(yōu)選技術的中小河流防洪標準指標確定方法。遵循綜合客觀、簡明易定量、現(xiàn)實可行的原則，本文提出了兩種確定中小河流治理防洪控制標準的方法，即基于多指標的綜合判定法和基于洪水風險分析的定量評估法。前者適用于資料條件不能完全滿足洪水風險評估需求時的定性化判定，后者則是基于水文、水力學、經濟損失評估等技術方法可以給出定量化的防洪標準確定結果。在實際應用過程中，當條件具備時，兩種方法可以互為校驗補充。文中的方法彌補了我國中小河流的洪水風險圖編制成果有限、各地開展洪水風險分析和評估的資料條件和技術水平不一的不足，對于我國與防洪有關的規(guī)劃、設計、施工和運行管理工作具有一定的指導意義。