黃啟有，吳艷紅，黃文衡

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[1]：城市防護(hù)區(qū)應(yīng)根據(jù)政治、經(jīng)濟(jì)地位的重要性、常住人口或當(dāng)量經(jīng)濟(jì)規(guī)模指標(biāo)，確定防護(hù)等級和防洪標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際工作中由于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的洪水淹沒范圍、影響人口、洪災(zāi)可能造成的損失等指標(biāo)往往較難得到，使得大多數(shù)城市仍以城市整體指標(biāo)作為確定防洪標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。城市洪水影響和損失，除與洪水大小有關(guān)外，城市地形地勢條件也是一個重要的因素，決定了洪水淹沒范圍及損失程度，以城市整體指標(biāo)確定城市防洪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的方法，存在較大程度的不確定性。本文以夫夷水新寧縣城區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?，基于洪水影響和洪?zāi)損失風(fēng)險(xiǎn)期望，對新寧縣城防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了初步研究。

新寧縣城位于湘西南邊陲[2]，夫夷水左岸，主要轄金石鎮(zhèn)，總?cè)丝诩s8.2萬人，按照國家標(biāo)準(zhǔn)，屬一般城市，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年至50年一遇?？h城東、西、南三面被夫夷水環(huán)繞(圖1)，呈“馬蹄形”[3]，主城區(qū)地勢北高南低，順河流走向解放路以南沿河一帶地勢低洼，現(xiàn)狀無堤防防護(hù)，部分河段甚至低于5年一遇標(biāo)準(zhǔn)，洪水風(fēng)險(xiǎn)突出。

圖1 新寧縣城區(qū)位

1 洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 暴雨洪水特性

夫夷水為資水一級支流，資水南源，資水廣西資源—新寧—邵陽洞口黃橋一帶，是流域的3個暴雨中心之一[4]。夫夷水新寧以上控制流域面積2 456 km2，流域內(nèi)暴雨頻發(fā)，雨量集中，縣城多年平均降雨1 403.5 mm，年內(nèi)分配不均，4—6月占全年的41.7%，暴雨多為鋒面雨，少數(shù)為臺風(fēng)雨；流域內(nèi)實(shí)測最大1 d雨量400.1 mm。受流域內(nèi)地形地勢影響，洪水陡漲陡落，峰高量小。最大洪水一般出現(xiàn)在5—7月，具有明顯的陡漲陡落特性，變幅較大，洪水過程以單峰為主，有時呈復(fù)峰，一次洪水一般在2～3 d。新寧站實(shí)測最大流量3 450 m3/s，出現(xiàn)在2017年7月1日。

1.2 設(shè)計(jì)洪水及水位

新寧水文站位于夫夷水新寧縣城河段觀瀑橋上游約180 m，有1958—2017年共60 a實(shí)測洪水資料，考慮1864、1898、1918、1924、1949年歷史調(diào)查洪水，并將2017年實(shí)測最大洪水按特大值處理，統(tǒng)一進(jìn)行排位，分別按連續(xù)系列和不連續(xù)系列經(jīng)驗(yàn)頻率公式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率。采用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線適線，矩法初估參數(shù)，計(jì)算機(jī)目估適線法適線，推求設(shè)計(jì)洪水成果。以“2017·07·01”洪水為典型，采用峰量同頻率放大方法，推求設(shè)計(jì)洪水過程線。新寧站設(shè)計(jì)洪水成果及過程分別見表1、圖2。

表1 新寧站設(shè)計(jì)洪水成果

圖2 新寧站各頻率設(shè)計(jì)洪水過程線

根據(jù)模型計(jì)算需要，采用新寧站設(shè)計(jì)流量過程及綜合水位流量關(guān)系，經(jīng)水面比降換算，推求下邊界斷面水位過程。

1.3 洪水風(fēng)險(xiǎn)模擬計(jì)算

1.3.1模型原理

夫夷水新寧縣城河段無堤防保護(hù)，洪水風(fēng)險(xiǎn)分析考慮建立河流一維和縣城區(qū)域二維模型，通過側(cè)向耦合連接方式[5]，根據(jù)上下邊界條件，模擬計(jì)算洪水淹沒發(fā)展過程。

a) 河流一維模型。 一維模型是求解河流一維非恒定流方程(圣維南方程組)。一維模型控制方程如下。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中A——河道過水面積；Q——流量；u——側(cè)向來流在河道方向的流速；t——時間；x——沿水流方向的水平坐標(biāo)；q——河道的側(cè)向來流量；α——動量修正系數(shù)；g——重力加速度；y——水位；Sf——摩阻坡降。

b) 城區(qū)二維模型。二維模型是求解二維淺水運(yùn)動方程。模型控制方程如下。

連續(xù)方程：

(3)

動量方程：

(4)

(5)

式中t——時間，s；U、V——x、y方向的單寬流量，m3/s；H、h——水位和水深，m；n——糙率系數(shù)；g——重力加速度；q——源匯項(xiàng)，方程沒有考慮柯氏力和紊動項(xiàng)的影響。

1.3.2模型構(gòu)建

基于IFMS軟件進(jìn)行一、二維耦合模型構(gòu)建(圖3)，一維模型根據(jù)實(shí)測的約8.5 km河段河流縱橫斷面構(gòu)建，總斷面數(shù)31個。二維模型采用不規(guī)則四邊形網(wǎng)格對城區(qū)范圍進(jìn)行概化，每個網(wǎng)格賦予相應(yīng)的屬性，包括高程、糙率、面積等。共概化研究區(qū)范圍6.19 km2，合計(jì)網(wǎng)格數(shù)62 884個，平均網(wǎng)格長度10 m。

圖3 研究區(qū)一二維耦合模型示意

1.3.3模型計(jì)算

模型構(gòu)建完成根據(jù) “2017·07·01”實(shí)測洪水資料，對模型參數(shù)進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，成果表明，模型參數(shù)選取基本合理，成果較為可靠。分別對10、20、50、100、200年一遇洪水進(jìn)行模擬計(jì)算，模型計(jì)算結(jié)果表明，不同頻率洪水的淹沒范圍不同，200年一遇洪水淹沒范圍最大，約為1.5 km2；20年一遇洪水，淹沒面積約0.15 km2。各方案淹沒面積統(tǒng)計(jì)情況見表2，各頻率洪水淹沒面積變化過程見圖4。

表2 各頻率洪水最大淹沒面積

圖4 各頻率洪水淹沒范圍變化過程

2 洪水影響與損失估算

2.1 洪水影響分析

洪水影響分析[6-7]主要基于GIS空間分析功能，根據(jù)模型計(jì)算得到的洪水風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合房屋、耕地、道路、重點(diǎn)設(shè)施、人口等空間地理分布，進(jìn)行空間疊加分析計(jì)算，各方案洪水淹沒影響情況見表3。

表3 各方案洪水淹沒影響成果

2.2 洪災(zāi)損失初估

洪災(zāi)損失估算[8-10]通過區(qū)分家庭財(cái)產(chǎn)、居民房屋、農(nóng)業(yè)、工業(yè)資產(chǎn)、商貿(mào)資產(chǎn)、道路等經(jīng)濟(jì)類型，根據(jù)不同財(cái)產(chǎn)不同淹沒歷時相應(yīng)損失率進(jìn)行估算，其中損失率的確定，主要根據(jù)湖南省內(nèi)其他同類地區(qū)洪水損失調(diào)查資料選用。各頻率洪水損失估計(jì)成果見表4。

表4 各頻率洪水淹沒損失初估成果

3 防洪標(biāo)準(zhǔn)分析

夫夷水新寧縣城河段左岸現(xiàn)狀無堤防防護(hù)，而根據(jù)國家防洪標(biāo)準(zhǔn)，新寧縣城段設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為20年至50年一遇，綜合洪水風(fēng)險(xiǎn)分析、洪水影響分析及洪災(zāi)損失估算成果，考慮各頻率洪水發(fā)生的概率，選擇洪水影響的社會指標(biāo)——淹沒人口風(fēng)險(xiǎn)期望[11-13](頻率P·淹沒區(qū)人口R)，選擇洪災(zāi)損失的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)——洪災(zāi)損失風(fēng)險(xiǎn)期望(頻率P·洪災(zāi)損失W)，分別計(jì)算各頻率洪水影響與損失風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，成果見圖5、6。

圖5 各頻率洪水影響風(fēng)險(xiǎn)期望

從圖5可以看出，新寧縣城20年一遇洪水對應(yīng)的洪水影響的社會指標(biāo)——淹沒人口風(fēng)險(xiǎn)期望值最高；從圖6可以看出，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中，洪災(zāi)損失風(fēng)險(xiǎn)期望在100年一遇左右具有明顯轉(zhuǎn)折，綜合新寧縣城社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及國家城市防洪標(biāo)準(zhǔn)，初步分析新寧縣城防洪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)20年一遇基本比較合理。

圖6 各頻率洪災(zāi)損失風(fēng)險(xiǎn)期望

4 結(jié)語

現(xiàn)行城市防洪標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定根據(jù)城市的重要程度、常住人口、當(dāng)量經(jīng)濟(jì)規(guī)模等擬定設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際工作中，由于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的洪水淹沒范圍、影響人口、洪災(zāi)可能造成的損失等指標(biāo)往往較難得到，使得大多數(shù)城市仍以城市整體指標(biāo)作為確定防洪標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，從經(jīng)濟(jì)性的角度，是非最優(yōu)的。本文基于洪水影響和損失風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，對夫夷水新寧縣城河段設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討，提出了基于洪水影響社會指標(biāo)和洪災(zāi)損失經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理選擇城市防洪標(biāo)準(zhǔn)的方法，為城市防洪設(shè)防定標(biāo)提供參考。