劉柏君，雷曉輝，權(quán) 錦，王 浩

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098； 2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

水資源作為重要的基礎(chǔ)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?xiàng)l件的限制，不同地區(qū)的水資源量相差很大，造成了我國(guó)出現(xiàn)南水多北水少、水資源時(shí)空分布不均的局面出現(xiàn)，給水資源的管理帶來(lái)了很大的困難。隨著人類活動(dòng)的頻繁和氣候變化的劇烈，在變化環(huán)境的大背景下，我國(guó)很多區(qū)域都出現(xiàn)了水資源變異的問(wèn)題，特別是洪澇災(zāi)害頻發(fā)的長(zhǎng)江流域，存在著不同類型和不同程度的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，且洪水發(fā)生的頻率高、范圍廣、災(zāi)害重、經(jīng)濟(jì)損失大，嚴(yán)重威脅著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和人民生活財(cái)產(chǎn)安全，給區(qū)域水資源保護(hù)、水資源配置等工作帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者利用多種方法與建模等手段，從區(qū)域洪水災(zāi)害評(píng)價(jià)、區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、洪水風(fēng)險(xiǎn)管理及洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制等多方面對(duì)洪水問(wèn)題進(jìn)行了大量研究[1-10]，還有學(xué)者專門對(duì)荊江-洞庭湖復(fù)雜河網(wǎng)洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了研究[11]，極大地豐富了洪水管理的研究成果。但是，針對(duì)包含分洪區(qū)在內(nèi)的區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)管理的研究卻不多。特別地，基于風(fēng)險(xiǎn)的洪水資源管理是變化環(huán)境下的必然選擇[12]。分洪區(qū)在區(qū)域洪水管理中具有至關(guān)重要的作用，而大量級(jí)或大流量洪水引起的堤壩潰口問(wèn)題在很大程度上增加了洪水的風(fēng)險(xiǎn)性，如何在此情勢(shì)下利用模型準(zhǔn)確模擬出洪水演進(jìn)過(guò)程并評(píng)價(jià)洪水影響，值得深入的研究。因此，本文通過(guò)構(gòu)建長(zhǎng)江中下游荊江河段區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)管理模型，模擬防洪大堤出現(xiàn)潰壩情況后區(qū)域內(nèi)不同洪水情勢(shì)下洪水流動(dòng)狀態(tài)，分析洪水演進(jìn)過(guò)程中所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)分布特征，評(píng)價(jià)區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)的影響，從而有效降低洪水風(fēng)險(xiǎn)，并針對(duì)新形勢(shì)下防洪減災(zāi)措施的制定起到?jīng)Q策輔助作用，以期為區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)管理提供有效的技術(shù)支持。

1 模型原理

針對(duì)區(qū)域構(gòu)建的洪水風(fēng)險(xiǎn)管理模型，包含洪水演進(jìn)子模型與洪水影響評(píng)價(jià)子模型。洪水演進(jìn)子模型由基于區(qū)域特性所構(gòu)建的MIKE11一維水動(dòng)力模型和MIKE21二維水動(dòng)力模型耦合而成；洪水影響評(píng)價(jià)子模型，即利用洪水演進(jìn)模型所計(jì)算的洪水淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深及淹沒(méi)時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)訪問(wèn)調(diào)查建立水深-損失曲線[13]，從而基于災(zāi)情評(píng)估(含受災(zāi)人口、受淹總面積、受淹耕地面積、受淹道路長(zhǎng)度)和經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估(含居民財(cái)產(chǎn)損失、工業(yè)損失、農(nóng)業(yè)損失、商貿(mào)業(yè)損失、道路損失)兩方面對(duì)洪水影響進(jìn)行評(píng)價(jià)(區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)管理模型框架見(jiàn)圖1)。其中，受災(zāi)人口采用如下公式進(jìn)行計(jì)算[14]：

(1)

式中：Pe為受災(zāi)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(qū)數(shù)；m為居民地塊數(shù)。

2 模型構(gòu)建及應(yīng)用

2.1 研究區(qū)域概況

位于湖北省的荊江河段地處長(zhǎng)江流域洪澇災(zāi)害分布的中心地帶，是長(zhǎng)江中下游洪水災(zāi)害最為嚴(yán)重區(qū)域。由北側(cè)長(zhǎng)江干流、東側(cè)長(zhǎng)江干流、南側(cè)藕池河、安鄉(xiāng)河與西側(cè)虎渡河所環(huán)繞的荊江分洪區(qū)(見(jiàn)圖2)地處湖北省公安縣，北緯29.50°～30.38°N，東經(jīng)111.23°～112.80°E，高程自北向南遞減。分洪區(qū)面積為921.34 km2，設(shè)計(jì)蓄洪水位42.00 m，有效蓄洪量為54億m3，主要用于調(diào)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(qū)的洪水威脅。區(qū)域地處濕潤(rùn)區(qū)，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(shí)數(shù)為1 798.3～1 845.7 h，年均風(fēng)速2.1～2.8 m/s，夏季多南風(fēng)，冬季多西北風(fēng)。地區(qū)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(qū)域內(nèi)的荊南長(zhǎng)江防洪干堤、虎東防洪干堤和南線防洪大堤(見(jiàn)圖2)在1884-1954年分別出現(xiàn)了15次、17次和4次的漫溢。氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響給區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)管理的增加了不少困難[15]。

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

2.2 洪水演進(jìn)子模型構(gòu)建

荊江河段水系眾多，入流和出流條件復(fù)雜，單一的水動(dòng)力模型無(wú)法準(zhǔn)確的模擬出洪水演進(jìn)特征。因此，本文利用MIKE11-MIKE21耦合模型[16,17]模擬區(qū)域洪水演進(jìn)過(guò)程。模型研究區(qū)域[概化圖可見(jiàn)圖3(a)]包含荊江分洪區(qū)、長(zhǎng)江干流(枝城-監(jiān)利水位站段)、沮漳河(作匯流點(diǎn))、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(qū)域處理圖Fig.3 The processed picture of study area

(1)網(wǎng)格劃分及斷面設(shè)置。采用三角形網(wǎng)格將荊江分洪區(qū)劃分出63 601個(gè)網(wǎng)格[見(jiàn)圖3(b)]，最小網(wǎng)格面積為550 m2，最大為42 659 m2，以便MIKE21模型計(jì)算。同時(shí)，將研究區(qū)域內(nèi)的河網(wǎng)進(jìn)行斷面設(shè)置，其中，長(zhǎng)江干流段利用2010年實(shí)測(cè)斷面資料設(shè)置143個(gè)斷面，虎渡河段、松滋河段、采穴河段和藕池河均利用2009年實(shí)測(cè)斷面資料分別設(shè)置57個(gè)、32個(gè)、27個(gè)和16個(gè)斷面[見(jiàn)圖3(c)]，以便MIKE11模型計(jì)算。

(2)模型初始條件與邊界條件。對(duì)于模型初始條件的設(shè)定，根據(jù)相關(guān)研究[18,11]，分洪區(qū)內(nèi)高程低于33.40 m的網(wǎng)格單元，初始水位就取33.40 m，初始流速取0；分洪區(qū)內(nèi)高程高于33.40 m的網(wǎng)格單元，初始水位取實(shí)際高程，初始流量同樣取0。

對(duì)于長(zhǎng)江干流，選擇枝城站流量過(guò)程和監(jiān)利站水位過(guò)程作為MIKE11模型的上、下外邊界條件；對(duì)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(duì)于松西河和松東河，分別選擇新江口站水位流量關(guān)系和沙道觀水位流量關(guān)系作為出流邊界條件；對(duì)于虎渡河，選擇南閘水位流量關(guān)系作為出流邊界條件；對(duì)于藕池河，選擇康家崗、管家鋪水位流量關(guān)系作為出流邊界條件；對(duì)于荊江分洪區(qū)，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(qū)域內(nèi)安全區(qū)可以去除，不作為內(nèi)邊界條件參與計(jì)算；區(qū)域內(nèi)江心洲，不考慮其阻水作用；區(qū)域內(nèi)道路、渠道和河道，需要分別對(duì)局部網(wǎng)格地形與局部糙率進(jìn)行修改。

(3)模型率定與驗(yàn)證。MIKE11模型分別采用長(zhǎng)江干流石首、新廠、郝穴、沙市、陳家灣、馬家店、枝城、監(jiān)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(shí)測(cè)流量、水位資料進(jìn)行糙率的率定和驗(yàn)證。有結(jié)果可知，各站點(diǎn)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(duì)值均在20 cm內(nèi)，最大流量相對(duì)誤差均在10%內(nèi)，說(shuō)明糙率取值合理，模型可用于河網(wǎng)的模擬計(jì)算。率定和驗(yàn)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(qū)只存有1954年7月22日至8月22日分洪運(yùn)行的資料，區(qū)域內(nèi)已發(fā)生較大變化，不能用于MIKE21模型的率定與驗(yàn)證。因此，可以通過(guò)糙率敏感度分析[19]，驗(yàn)證北閘流量相對(duì)誤差，并與1954年資料對(duì)比淹沒(méi)面積、淹沒(méi)深度的合理性，從而率定并驗(yàn)證模型糙率的可靠性。結(jié)果顯示，北閘流量相對(duì)誤差為2.35%，小于10%，且淹沒(méi)面積、淹沒(méi)深度在1954年資料的有效范圍內(nèi)，說(shuō)明糙率取值合理，模型模擬結(jié)果可靠。率定和驗(yàn)證后的糙率為，水田0.050，魚(yú)池0.040，旱地0.065，樹(shù)林0.070及房屋0.085。

2.3 洪水演進(jìn)-洪水影響評(píng)價(jià)模型耦合

將洪水演進(jìn)子模型模擬的洪水變化過(guò)程特征作為與洪水影響評(píng)價(jià)子模型的耦合點(diǎn)，即組成輸入-輸出模型格式，實(shí)現(xiàn)模型間的數(shù)據(jù)傳遞，從而完成區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)模型的構(gòu)建。

2.4 洪水情勢(shì)設(shè)定

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

3 模型結(jié)果與討論

3.1 洪水演進(jìn)過(guò)程分析

本文選取水德寺(見(jiàn)圖2)為例進(jìn)行洪水演進(jìn)分析，假設(shè)洪水預(yù)報(bào)長(zhǎng)江干堤水德寺外江在2015年8月3號(hào)將發(fā)生了100年一遇或200一遇洪水，且發(fā)生大堤潰決，洪水演變過(guò)程見(jiàn)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(qū)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(qū)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(shí)為231 h，蓄洪量為53.96億m3，洪水由水德寺潰口流入分洪區(qū)，逐時(shí)向南流動(dòng)，第10 h，洪水前緣到達(dá)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(xù)流向青華寺方向，后經(jīng)過(guò)馬家咀狹窄收縮段，往黃金口快速推進(jìn)；第21～50 h，洪水沿陸遜湖、崇湖邊線迅速推進(jìn)，此時(shí)崇湖最大水深為5.5 m；第51～110 h，洪水先向黃天湖推進(jìn)，隨后淹沒(méi)崇湖東北部近公安縣區(qū)域地市較高的沿江一代，此時(shí)黃天湖最大水深為6.5 m；大約115 h后，洪水完全淹沒(méi)荊江分洪區(qū)，如若水德寺潰口還未完全封堵，分洪區(qū)全區(qū)水位還會(huì)持續(xù)抬高。水德寺200年一遇洪水情況下，分洪總歷時(shí)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(méi)荊江分洪區(qū)的時(shí)間為115 h跟100一遇洪水不同外，其余洪水演進(jìn)過(guò)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(shì)低但地勢(shì)起伏不顯著的地區(qū)如新紅、青華寺、崇湖和黃天湖等，流速都比較平穩(wěn)，但水深均超過(guò)了6 m，這些地區(qū)的安全水深在4.5～5.0 m，必然會(huì)出現(xiàn)漫堤現(xiàn)象，洪水風(fēng)險(xiǎn)較大；而地勢(shì)高的地區(qū)如公安縣等，洪水到達(dá)時(shí)間晚，水深值小，基本不受洪水威脅。

3.2 洪水影響評(píng)價(jià)分析

由表1中的洪水影響評(píng)價(jià)結(jié)果可知：①各可能潰口點(diǎn)在不同洪水情勢(shì)下，區(qū)域內(nèi)受災(zāi)人口均在50萬(wàn)人上下，受災(zāi)人口較多。由于區(qū)域內(nèi)人口較密，一旦荊江河段防洪大堤出現(xiàn)潰口情況，勢(shì)必威脅到人民財(cái)產(chǎn)安全，風(fēng)險(xiǎn)性較大；②水德寺在不同洪水情勢(shì)下，基本淹沒(méi)了荊江分洪區(qū)，說(shuō)明洪水在水德寺發(fā)生潰口會(huì)造成區(qū)域受淹最嚴(yán)重，即對(duì)區(qū)域產(chǎn)生的影響最大，需要重點(diǎn)巡護(hù)；③由于區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)用地比重大，且農(nóng)作物具有高災(zāi)損的特點(diǎn)，農(nóng)業(yè)損失最為嚴(yán)重；區(qū)域內(nèi)工業(yè)、服務(wù)業(yè)大部處在安全高程，相應(yīng)損失較農(nóng)業(yè)少了很多，此外，區(qū)域內(nèi)道路、鐵路數(shù)量不大，因此損失較小。綜上所述，通過(guò)對(duì)模型結(jié)果的分析與討論可知，模型模擬與洪水影響評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相吻合，說(shuō)明模型可靠、實(shí)用、合理。

圖4 荊江分洪區(qū)不同時(shí)刻水深分布Fig.4 Water depth distribution of FDAJJ in different times

洪水情勢(shì)(一遇)水德寺1002001000鄭河村1002001000二圣寺1002001000群義村1002001000受災(zāi)人口/萬(wàn)人50．4950．4950．4748．7949．2250．2850．2550．0250．2650．3050．3150．32淹沒(méi)總面積/km2893．77893．77893．77857．39866．20889．67889．06884．17889．42889．74889．81890．47淹沒(méi)耕地面積/萬(wàn)hm25．915．915．915．605．675．875．865．825．875．875．875．88淹沒(méi)公路長(zhǎng)度/km102．43102．43102．4398．01100．20102．43102．43102．43102．43102．43102．43102．43淹沒(méi)鐵路長(zhǎng)度/km33．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．27居民財(cái)產(chǎn)損失/億元15．2015．3415．4313．8714．1314．7214．7014．6114．7014．7414．7414．73工業(yè)損失/億元48．4748．6148．7047．1447．4047．9947．9747．8847．9748．0148．0148．00農(nóng)業(yè)損失/億元27．5127．6727．8125．4025．7826．7726．7416．6026．7426．7926．8026．81商貿(mào)業(yè)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(jié) 語(yǔ)

洪水自身具有的風(fēng)險(xiǎn)性與不確定性[20,21]，如實(shí)際的洪水過(guò)程中，100年或200年一遇的洪水可能會(huì)因?yàn)樗看蟮髁坎淮蟮默F(xiàn)象并未造成大堤潰口，也會(huì)因?yàn)樗啃〉髁看蟮默F(xiàn)象瞬時(shí)沖垮堤防混凝土，造成堤防設(shè)施漂浮等種種問(wèn)題，往往會(huì)造成防洪減災(zāi)工作中難以準(zhǔn)確模擬洪水演進(jìn)過(guò)程，從而無(wú)法客觀合理地評(píng)價(jià)洪水影響，嚴(yán)重威脅區(qū)域安全。通過(guò)區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)管理模型的構(gòu)建及應(yīng)用，準(zhǔn)確推演出堤壩潰口條件下區(qū)域洪水變化過(guò)程，評(píng)價(jià)出洪水對(duì)區(qū)域內(nèi)各要素的影響。所構(gòu)建的模型可靠、實(shí)用且結(jié)果合理，能夠有效支持水利和防汛部門制定防汛應(yīng)急預(yù)案、部署防洪行動(dòng)、洪水災(zāi)情評(píng)估、開(kāi)展防洪工程規(guī)劃-建設(shè)-管理等工作，為區(qū)域防洪提供了一定的技術(shù)支撐。但是，隨著預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，洪水風(fēng)險(xiǎn)管理會(huì)增加對(duì)預(yù)報(bào)信息的依賴，然而，預(yù)測(cè)洪水較小時(shí)，會(huì)引起防洪準(zhǔn)備不足、大堤潰口、應(yīng)急響應(yīng)緩慢等問(wèn)題的出現(xiàn)，從而在很大程度上威脅人民生命安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；相反，預(yù)測(cè)洪水較大時(shí)，制定的防洪預(yù)案無(wú)需實(shí)施，在一定程度上會(huì)造成人力財(cái)力資源的浪費(fèi)。因此，如何在不確定性條件下進(jìn)行區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)管理將是未來(lái)研究工作的重點(diǎn)。

□

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