【摘要】我國是洪水災害嚴重的國家，近幾年隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，流域發(fā)生大洪水導致堤防決口情況下產(chǎn)生的洪災損失也越來越嚴重。依托全國重點地區(qū)洪水風險圖編制工作，以黃石地區(qū)為研究對象，對區(qū)域進行分析計算，采用MIKE FLOOD洪水演進一二維耦合數(shù)學模型模擬河道潰堤洪水在區(qū)域內(nèi)的演進情況，分析洪水風險，在洪水風險信息計算的基礎上，對各量級洪水導致的居民財產(chǎn)、農(nóng)林牧漁、工商企業(yè)、交通運輸、水利設施等方面的直接損失估算分析，為黃石地區(qū)洪水風險管理及防洪調(diào)度決策提供技術參考。

【關鍵詞】數(shù)學模型，洪水風險，損失評估

1、引言

防洪保護區(qū)洪水風險圖是標示區(qū)內(nèi)各處受洪水災害危險程度的一種防洪非工程措施，是抵御洪澇災害、保證防洪安全的重要參考。通過對可能發(fā)生洪水堤防潰決后，洪水演進路線、到達時間、淹沒水深、淹沒范圍、流速大小及避洪轉移范圍、路線、安置場所等要素進行展示，為各級防汛指揮部門的抗洪搶險救災提供決策依據(jù)，指導洪水威脅地區(qū)的建設，在發(fā)生洪水的緊急情況下選擇正確路線和地點疏散群眾，并為洪澇災情評估提供基礎依據(jù)。

隨著人們水患意識的加強，減災工作受到重視，不斷有新方法和新技術應用到評估分析中。基于GIS的洪災損失評估方法則是運用GIS技術研究洪水災害，該方法不僅能準確快速地提供研究所需要的數(shù)據(jù)，而且能對數(shù)據(jù)進行進一步的處理。

2、研究區(qū)域簡介

黃石市堤防洪保護區(qū)處于長江中游南岸湖北省黃石市境內(nèi)，屬亞熱帶大陸型氣候區(qū)。區(qū)域年降水量豐沛，歷年平均降雨量為1413mm，最大值為2258mm（1954年）。年降水時空分布不均，多集中在每年4至8月份（占全年平均雨量的65%），雨季時間長，且暴雨頻繁。保護區(qū)內(nèi)有黃石市及鄂州市，還有武九鐵路、山南鐵路和大廣高速、滬渝高速、G45等重要的交通設施，一旦發(fā)生洪澇災害，損失較大，歷來是湖北省防御洪澇災害的重點地區(qū)。

長江位于保護區(qū)東面，汛期長江黃石港水位一般為22.5～23.5m（1954年為24.54m），而黃石市區(qū)地面高程為16.5～18.1m，低于長江水位5～6m；因此，每年汛期，整個黃石無論是市區(qū)還是郊區(qū)均處于長江干流洪水威脅之下，因此有必要計算長江干流發(fā)生大洪水黃石市堤堤防潰決情況下，防洪保護區(qū)內(nèi)的洪水演進和潰堤后的經(jīng)濟損失情況，為黃石地區(qū)洪水風險管理及防洪調(diào)度決策提供技術參考。

3、洪水風險計算

3.1 洪水風險計算模型

洪水風險分析方法主要有水文學方法、實際水災法以及水力學法，水力學法是較為經(jīng)典的計算方法，在洪水演進模擬方面得到了廣泛的運用，是較為成熟的分析方法。長江干堤黃石段防洪保護區(qū)堤防決口洪水風險計算采用為水力學法，通過洪水分析獲得防洪保護區(qū)洪水淹沒過程。

洪水演進計算采用丹麥水動力學研究所開發(fā)的MIKE FLOOD軟件，建立整體一、二維嵌套的非恒定流洪水演進數(shù)學模型，在這個嵌套模型中，流域內(nèi)水流運動概化為河道、防洪保護區(qū)及其之間的聯(lián)系三部分。河道水流采用一維非恒定方法模擬，建立河網(wǎng)模型；防洪保護區(qū)概化為二維區(qū)域進行模擬；對于河系中控制水流運動的堰、閘、泵、潰口等概化為聯(lián)系，聯(lián)系的過流能力使用水力學上的相應計算公式。在耦合計算時，一維與二維模型同時計算，在連接處會出現(xiàn)水量交換，可以很好地模擬洪水匯入河道的匯流過程和潰堤洪水從河道泛濫到堤防外的淹沒過程，從而滿足洪水風險圖繪制過程中的功能需求。

（1）一維模型

MIKE 11是用于一維河道內(nèi)洪水演進過程的模擬，計算范圍為漢口至湖口（八里江）段長江干流，約264km江段，沿江有府澴河、灄水河、倒水河、舉水河、巴水河、浠水河、蘄水、富水、鄱陽湖等支流匯入，支流匯入均按點源方式加入一維模型中。

（2）二維模型

MIKE21是二維平面區(qū)域內(nèi)的水力學計算模型，模擬長江黃石段右堤決口后基于保護區(qū)下墊面條件的洪水演進過程，得出保護區(qū)的洪水淹沒過程及流場、流速、洪水到達時間、淹沒歷時、洪峰到達時間等數(shù)據(jù)。計算范圍涉及到黃石市、大冶市、陽新縣和鄂州市的鄂城區(qū)，總面積約1224.59m2。

（3）設計洪水

對于長江干流1954年實際洪水，采用長江中下游大湖演進模型，并采用長江中下游歷年來的實測資料進行率定和驗證。上邊界考慮三峽水庫采用優(yōu)化調(diào)度方案的調(diào)洪過程，陸水、府澴河、灄水、倒水、舉水、巴水、浠水、蘄水等支流來水采用相應年份的實測過程按照洪量縮放倍比進行縮放后匯入，沿程各河段按照《長江洪水調(diào)度方案》（國汛[2011]22號）的洪水調(diào)度安排進行調(diào)度，得到中下游各主要控制站不同計算工況的水位、流量過程。

（4）堤防潰決條件

綜合考慮河道、防洪保護區(qū)地形、地質(zhì)狀況、工程狀況、行政區(qū)劃、歷史出險、洪水風險情況等因素，確定長江干流黃石段堤防決口位于青山湖處，結合長江干流歷史堤防潰決情況，堤防決口寬度定為300m。

由于現(xiàn)狀長江干堤堤防建設標準較高，長江發(fā)生1954年實際洪水時，黃石市堤處長江水位沒有達到設計水位，與長江堤頂還有較大距離，約2.7m左右。因此堤防決口時機確定為為到達最高水位的時刻。

3.2 潰堤洪水風險計算

通過洪水演進計算，長江干流發(fā)生1954年實際洪水時，黃石段在青山湖處決口，決口寬度300m，決口時間為1954年7月31日3：00，最大進洪流量分別為4997m3/s，堤外保護區(qū)內(nèi)總進洪水量分別為10.7億m3。

堤防決口后，潰堤洪水進入黃石市區(qū)，瞬時峰量達4997m3/s，且流速較大，潰堤后6小時內(nèi)，洪水主要淹沒黃石市區(qū)，慈湖、花馬湖湖區(qū)均受淹，由于淹沒水深較大，達到4m左右，城區(qū)內(nèi)民房、建筑物、交通設施等財產(chǎn)受到嚴重威脅。之后，受黃石城區(qū)周邊地形及黃石市區(qū)建筑物及保護區(qū)內(nèi)洪水位的頂托影響，潰堤洪水主要向鄂州方向演進，潰堤后42個小時，洪水沿江邊地勢較低處進入鄂州城區(qū)。隨著潰堤洪水的持續(xù)演進，洪水大部分進入鄂州市，至青山附近受地形影響不再向北影響，潰堤48小時后，保護區(qū)內(nèi)（含鄂州）受淹面積增加緩慢，主要在鄂州城區(qū)以南方向及花馬湖周邊擴展。

4、堤防決口經(jīng)濟損失估算

4.1 洪災影響分析

耕地、公路、鐵路等基礎圖層、經(jīng)濟數(shù)據(jù)圖層以及洪水風險圖層等基于GIS平臺進行空間疊加分析，得到長江干流1954年實際洪水的黃石段決口堤防內(nèi)防洪保護區(qū)淹沒面積、淹沒農(nóng)田面積、受影響GDP、受影響人口、受影響公路和受影響鐵路等的統(tǒng)計結果。

堤外防洪保護區(qū)受淹主要行政區(qū)域為團城山街道、花湖街道、黃石港街道，受淹行政區(qū)11個，淹沒面積34.66km2，淹沒居民地面積263.85萬m2，淹沒耕地面積17hm2，受影響公路長度101.84km，受影響鐵路長度20.6km，受影響的重點單位及設施585個。

受淹行政區(qū)總人口29.44萬人，受影響人口15.16萬人。受影響人口最大的黃石港區(qū)勝陽港街道，其中1.0～2.0m淹沒水深下受影響人口為0，2.0～3.0m淹沒水深下受影響人口為0.08萬人，3m以上淹沒水深下受影響人口為4.11萬人。受淹行政區(qū)總GDP為285.01億元，受影響GDP為118.14億元。

4.2 財產(chǎn)損失率

洪災損失評估的關鍵是估算不同淹沒水深（歷時）條件下，各類財產(chǎn)洪災損失率，建立淹沒水深（歷時）與各類財產(chǎn)洪災損失率關系。洪災損失率估算利用前人調(diào)查研究的資料，并借鑒相似地區(qū)資料，及防洪保護區(qū)的歷史洪災損失資料予以確定。水深分級按0.05～1.0m、1.0～2.0m、2.0～3.0m、3.0m以上四級劃分，淹沒歷時按小時計。采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，如表1所示。

4.3 洪災損失計算結果

在確定了各類承災體受淹程度、災前價值之后，根據(jù)洪災損失率關系，即可進行分類洪災直接經(jīng)濟損失估算，本次洪災損失分別對城鄉(xiāng)居民住房財產(chǎn)損失、城鄉(xiāng)工礦及商業(yè)企業(yè)損失、農(nóng)林牧漁業(yè)損失、交通等進行估算。

青山湖潰口1954年實際洪水洪災損失為155.58億元，其中居民房屋損失為10.26億元，家庭財產(chǎn)損失為12.9億元，農(nóng)業(yè)損失為0.07億元，工業(yè)資產(chǎn)損失為30.57億元，工業(yè)產(chǎn)值損失為56.43億元，商貿(mào)業(yè)資產(chǎn)損失為25.71億元，商貿(mào)業(yè)主營收入損失為17.79億元，道路損失為1.47億元，鐵路損失為0.4億元。

洪災損失合計最大的行政區(qū)為下陸區(qū)團城山街道，共損失34.76億元。居民房屋損失最大的行政區(qū)為黃石港區(qū)黃石港街道，損失2.8億元；家庭財產(chǎn)損失最大的行政區(qū)為黃石港區(qū)黃石港街道，損失3.84億元；農(nóng)業(yè)損失最大的行政區(qū)為下陸區(qū)團城山街道，損失0.06億元；工業(yè)資產(chǎn)損失最大的行政區(qū)為黃石港區(qū)黃石港街道，損失8.4億元；工業(yè)產(chǎn)值損失最大的行政區(qū)為下陸區(qū)團城山街道，損失18.36億元；商貿(mào)業(yè)資產(chǎn)損失最大的行政區(qū)為下陸區(qū)團城山街道，損失8.29億元；商貿(mào)業(yè)主營收入損失最大的行政區(qū)為下陸區(qū)團城山街道，損失5.79億元；道路損失最大的行政區(qū)為黃石港區(qū)黃石港街道，損失0.44億元；鐵路損失最大的行政區(qū)為西塞山區(qū)澄月街道，損失0.19億元。

5、結語

地理信息系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應用于水利領域的各個角落，通過洪水的情景演進數(shù)學模擬推求各類洪水風險信息基礎數(shù)據(jù)圖層，利用地理信息系統(tǒng)的空間分析功能，可以迅速實現(xiàn)各種洪水災情一定程度上的監(jiān)測、災害面積的確定、災情的預估等，從而為防洪減災提供及時、準確的信息，為地方洪水風險管理及防洪調(diào)度決策提供可靠的技術參考。

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