蔣水華， 黃中發(fā)， 黃勁松， 張 穎， 江先河

(1.南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 江西 南昌 330031； 2.江西水利職業(yè)學(xué)院， 江西 南昌 330013)

1 研究背景

蓄滯洪區(qū)災(zāi)害模擬、風(fēng)險分析、預(yù)警，以及洪水演進分析、評價、決策一直都是水文水資源領(lǐng)域和防災(zāi)減災(zāi)部門關(guān)注的重大課題[1]。蓄滯洪區(qū)在洪水來臨期間降低下游洪災(zāi)損失的同時，也要考慮降低蓄滯洪區(qū)內(nèi)進洪過程中的損失，而且隨著時間的推移，蓄滯洪區(qū)內(nèi)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟已得到發(fā)展，人口也有所增長，分洪時將造成較大損失，故有必要模擬蓄滯洪區(qū)洪水演進過程，估計對應(yīng)的生命、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境損失，從而指導(dǎo)防洪搶險。

洪水演進數(shù)值模擬是洪水風(fēng)險分析及其損失評估的關(guān)鍵步驟，是進行洪水風(fēng)險管理的中心環(huán)節(jié)[2]。童漢毅等[3]、Tucciarelli等[4]、李大鳴等[5]分別采用有限差分法、有限元法、有限體積法模擬蓄滯洪區(qū)洪水演進過程，取得了較好的數(shù)值結(jié)果，但是采用這些方法建立的模型推導(dǎo)和計算過程復(fù)雜，計算量較大。隨著計算機和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，采用一維或二維水力學(xué)方法模擬洪水演進過程發(fā)展迅速，水文學(xué)方法得到較為廣泛的應(yīng)用[6]。魏凱等[6]、穆聰[7]等、王崇浩等[8]、郭鳳清等[9]、朱世云等[10]、袁雄燕[11]等、Morales-Hernández等[12]和Bladé等[13]利用一維或二維水力學(xué)方法建立MIKE21 FM模型，分別模擬了蓄滯洪區(qū)、大壩潰壩、河湖和堤防潰決的洪水演進過程，結(jié)果表明二維水力學(xué)模擬方法可在短時間內(nèi)直觀地顯示洪水淹沒范圍的變化，提供較詳細的淹沒區(qū)信息，可較好地根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果制定相關(guān)決策指導(dǎo)防洪搶險工作。黃琳煜等[14]基于MIKE FLOOD建立MIKE URBAN與MIAKE 21耦合模型，并構(gòu)建了浦東川沙地區(qū)耦合模型來分析出現(xiàn)澇點和積水的原因，取得了較好的研究成果。王揚等[15]歸納總結(jié)了MIKE內(nèi)部各個模型的基本原理、特點及其適用范圍，并且指出了MIKE模型存在的局限性。

針對蓄滯洪區(qū)堤防的規(guī)模較大，而現(xiàn)有的防洪標準較低、堤身堤型不達標、區(qū)域內(nèi)人口密度大、水保工程措施不到位，且區(qū)內(nèi)產(chǎn)業(yè)嚴重失衡、種植業(yè)較多以及蓄洪排澇成本較大等因素引起的洪水演進過程中損失估算的難題。本文發(fā)展了堤防潰決洪水演進數(shù)值模擬方法，建立了基于蓄滯洪區(qū)洪水演進淹沒數(shù)據(jù)的損失評估方法。依托鄱陽湖康山蓄滯洪區(qū)，采用MIKE21建立蓄滯洪區(qū)洪水演進數(shù)值模型，進而根據(jù)洪水演進過程模擬結(jié)果(淹沒范圍、水深和流速)估計堤防潰決造成的生命、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境損失。

2 洪水演進數(shù)值模擬方法

丹麥MIKE21模型[8-10,16]是常用的洪水演進數(shù)值模擬軟件，分為海岸水文學(xué)和海洋學(xué)、環(huán)境水文學(xué)、泥沙傳輸過程和波浪4個模塊，其原理是采用二維水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型模擬水流運動，直觀得出水位、流量和流速等重要的水力指標隨時間的變化關(guān)系。相比于其他模型，MIKE21模型的功能較強大，不僅可以進行軟啟動，還可以設(shè)置多種控制性水工結(jié)構(gòu)，進行干、濕節(jié)點及單元設(shè)置等[11]，在我國乃至世界范圍內(nèi)得到了廣泛使用，比如在我國南水北調(diào)工程和長江綜合治理等工程中均得到了成功應(yīng)用。

2.1 控制方程

MIKE21模型將河道水流看成不可壓縮的牛頓液體，采用Navier-Stokes方程組來描述河道水流運動規(guī)律[17]。為了考慮河床底部摩阻作用和紊動影響，引進渦黏系數(shù)，建立平面二維水動力數(shù)值模型。模型控制方程包括平面二維流連續(xù)方程，計算表達式為:

(1)

式中：t為計算時間，s；x、y、z為右手Catesian坐標系；h為靜止水深,m；u、v為流速在x、y方向上的分量，m/s；S為源匯項。x方向上的二維水流動量方程為:

(2)

2.2 邊界條件

邊界條件主要包含上、下邊界條件、特殊邊界條件以及動邊界條件，具體如下：

(1)上邊界條件。蓄滯洪區(qū)上邊界條件一般選取邊界處的流量或水位過程，根據(jù)研究目的不同，可選取歷史最高水位或流量過程、設(shè)計水位或流量過程、實測時段水位或流量過程等作為對應(yīng)的上邊界條件。

(2)下邊界條件。通常滯洪區(qū)在運行時為封閉區(qū)域，所以模型不設(shè)置下邊界條件；若不是封閉區(qū)域，下邊界條件一般為邊界處的水位或流量過程。

(3)特殊邊界條件。對起到排水作用的構(gòu)筑物(涵管、涵洞等)和阻水作用的建筑物(道路、堤防等)進行概化，使得模擬更加符合客觀實際。

(4)動邊界條件。動邊界是指計算區(qū)域中隨水位變化的邊界，為了保證模型計算的連續(xù)性，采用MIKE21模型中的干、濕邊界來設(shè)置動邊界條件[9]。一般來說，干濕水深分別采用系統(tǒng)默認值0.005 m與0.1 m可以滿足計算精度，具體含義為當計算區(qū)域的水深小于0.005 m時，該邊界條件則為干邊界，不參與計算；當水深大于0.1 m時，該邊界條件則為濕邊界，重新參與計算。

2.3 參數(shù)選取

MIKE21模型參數(shù)包括數(shù)值參數(shù)和物理參數(shù)。數(shù)值參數(shù)一般取默認值，物理參數(shù)主要包括河床糙率系數(shù)、動邊界計算參數(shù)和渦黏系數(shù)等。MIKE21水動力數(shù)學(xué)模型的主要參數(shù)為糙率系數(shù)，該參數(shù)是一個反映水流阻力的綜合系數(shù)。研究區(qū)下墊面糙率系數(shù)可依據(jù)《洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則》[18]給出的糙率變化范圍取值或考慮研究區(qū)域河床現(xiàn)狀進行率定取值。

2.4 潰口設(shè)置

蓄滯洪區(qū)分洪口門包括自然分洪、閘門分洪和爆破分洪這3種分洪方式，都須預(yù)留分洪口，根據(jù)國家防汛抗旱總指揮部《關(guān)于長江洪水調(diào)度方案的批復(fù)》(國訊[2011]22號)[19]，當湖口水位達到分洪水位時，采取相關(guān)工程措施將堤防預(yù)留的分洪口扒開，蓄滯洪區(qū)開始進洪。參照分洪口門的設(shè)置參數(shù)，進口形態(tài)接近流線型，故可采用流線型寬頂堰公式計算潰口流量[20]：

(3)

式中：Qb為潰口處出流流量，m3/s；Z為潰口處河道水位,m；m和σ分別為流量系數(shù)和淹沒系數(shù)，根據(jù)文獻[20-21]計算確定，沒有考慮淹沒系數(shù)與流量系數(shù)存在的不確定性；Zb為潰口頂部高程，m；B為潰口寬度，m。

3 堤防潰決損失評估方法

當發(fā)生超標準洪水時，為防洪搶險，將預(yù)留的堤防分洪口扒開，進而通過堤防分洪口的洪水會對下游蓄滯洪區(qū)造成一定的經(jīng)濟、生命、環(huán)境損失。生命損失是指堤防下游地區(qū)受潰堤洪水影響造成的死亡或受災(zāi)人口數(shù)量。經(jīng)濟損失是指潰堤洪水帶來的直接經(jīng)濟損失和間接經(jīng)濟損失，可用貨幣量表示。生態(tài)環(huán)境損失指的是堤防潰決引起的資源破壞和環(huán)境污染對生態(tài)環(huán)境造成的影響。

關(guān)于生命損失，結(jié)合宋敬衖等[22]的研究成果，根據(jù)人口聚居特點結(jié)合行政區(qū)劃將淹沒區(qū)劃分為若干子區(qū)域，使用風(fēng)險人群積分算法得到實用的生命損失LOL計算公式如下：

(4)

式中：PARij為第i個區(qū)域中第j組風(fēng)險人口數(shù)量；a為風(fēng)險區(qū)域總數(shù)；c為風(fēng)險人口分組數(shù)；IRij為第i個區(qū)域中第j組風(fēng)險人群個體生命損失率，計算公式為:

(5)

式中：Pi為潰堤概率；fi為發(fā)生第i等級洪水個體死亡率，可根據(jù)洪水演進模擬的淹沒范圍、水深以及預(yù)警時間等因素查表得到；l為洪水等級數(shù)目[22]。此處fi為傳遞參量，需要根據(jù)淹沒區(qū)受災(zāi)程度以及預(yù)警時間來確定。

經(jīng)濟損失主要包括提防的破壞、下游淹沒區(qū)城鎮(zhèn)的損害、工程收益的損失等。根據(jù)損失特征采用損失率方法估算直接經(jīng)濟損失，該方法適用于估算各類流動資產(chǎn)與固定資產(chǎn)的損失[22]，間接經(jīng)濟損失一般取直接經(jīng)濟損失的0.63倍[23-24]。

(6)

式中：S為按損失率計算得直接經(jīng)濟損失；Si為第i類財產(chǎn)損失；βijk、Wijk分別為第i類第j種財產(chǎn)在第k種淹沒程度下的損失率和財產(chǎn)價值；e為財產(chǎn)分類總數(shù)；h為第i類財產(chǎn)分類總數(shù)；l為淹沒水深等級。此處βijk、Wijk為傳遞參量，Wijk需要根據(jù)受災(zāi)程度選擇相應(yīng)研究范圍，再到經(jīng)濟庫行政面積中去查找當?shù)亟?jīng)濟數(shù)據(jù)確定；βijk需要根據(jù)淹沒程度確定。

國際上對堤防潰決造成的環(huán)境損失研究較少，并且由于考慮的因素多且復(fù)雜，沒有統(tǒng)一的風(fēng)險標準，一般較難直接統(tǒng)計計算。為此，本文采取條件價值評估方法評估堤防潰決造成的環(huán)境損失。條件價值評估方法是評估環(huán)境非使用價值的主要方法[25]，利用該方法評價環(huán)境損失的本質(zhì)就是通過問卷調(diào)查方式來調(diào)查風(fēng)險區(qū)內(nèi)人口愿意為改善該環(huán)境功能的支付意愿，或者是放棄該環(huán)境功能的補償意愿，以此揭示環(huán)境對于被調(diào)查者的價值，即該區(qū)域環(huán)境資源的經(jīng)濟價值[25]，其中人均支付意愿E(元/a)和環(huán)境損失量F的計算公式為:

(7)

F=E·N·f

(8)

式中：Ai為每人愿意支付的金額；Di為個體選擇該金額的概率；u為金額的具體數(shù)量；N為年限；f為人口數(shù)。此處E和F為傳遞參量，需要根據(jù)淹沒歷時來計算環(huán)境損失隨時間的變化關(guān)系。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

康山大堤興建于1966年，屬于四級堤防，全長36.25 km。設(shè)計洪水標準：保證水位22.50 m(吳淞高程，湖口站水位)，堤頂高24.55 m，內(nèi)外邊坡1∶3，防汛警界水位19.50 m。穿堤建筑物有梅溪咀閘(中型水閘，設(shè)計排澇流量為103 m3/s)、鑼鼓山電排站(大(2)型泵站，設(shè)計排澇流量73.8 m3/s)、大湖口閘(中型水閘，設(shè)計排澇流量為160.5m3/s)、落腳湖電排站(中型泵站，設(shè)計排澇流量15.5 m3/s)、里溪閘(小型水閘，設(shè)計排澇流量為7.1 m3/s)[26]。

康山大堤內(nèi)垸1985年被國務(wù)院批準列為國家蓄滯洪區(qū)，有效蓄洪量16.58×108m3，是江西省最大的蓄滯洪區(qū)，也是國家重點蓄滯洪區(qū)，擔(dān)負著15×108m3分蓄洪任務(wù)?？偧昝娣e450.31 km2，蓄洪面積312.37 km2。區(qū)內(nèi)有石口鎮(zhèn)、三塘鄉(xiāng)、大塘鄉(xiāng)、瑞洪鎮(zhèn)、康墾總場、康山鄉(xiāng)等6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)場和1個現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)，常住人口2萬余戶、10余萬人，耕地面積117.21 km2，養(yǎng)殖水面面積139.01 km2。經(jīng)統(tǒng)計，康山大堤保護面積343.4 km2，保護耕地面積94.2 km2，保護人口103 437人、22 560戶，康山蓄滯洪區(qū)居民土地財產(chǎn)登記情況有：承包土地262.49 km2，包括農(nóng)作物117.21 km2，水產(chǎn)類139.01 km2，經(jīng)濟林6.27km2；專業(yè)養(yǎng)殖家畜類11 919頭，家禽類198 384只；住房19 432間，合計843 353 m2；農(nóng)業(yè)機械7 244臺，役畜類1 395頭，居民主要耐用消費品17 250臺[26]。

4.2 研究區(qū)地形概化及網(wǎng)格剖分

康山大堤潰堤洪水演進過程模擬的計算區(qū)域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)比例尺為1∶10000，行政區(qū)劃數(shù)據(jù)比例尺為1∶50000。所收集的電子地圖需按要求用國家大地2000坐標系(CGCS2000)，高程基準統(tǒng)一采用1985年國家高程基準。其中1∶10000的數(shù)字高程模型如圖1所示。為了分析潰堤洪水演進過程，獲得潰口流量變化過程和堤防保護區(qū)淹沒信息，采用公式(1)和(2)建立康山蓄滯洪區(qū)水流運動平面二維非恒定數(shù)學(xué)模型。

模型計算范圍為整個康山蓄滯洪區(qū)，以北面康山大堤的分洪口為進洪邊界與退洪邊界，以北面康山大堤及南面陸地為物理邊界。由于計算區(qū)域地形復(fù)雜，為了合理布置網(wǎng)格，采用MIKE21模型中的FM非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(不規(guī)則的三角形網(wǎng)格)類型，利用有限體積法進行數(shù)值模擬。最大網(wǎng)格面積不超過0.01 km2，對居民區(qū)、建筑物密集區(qū)和種植區(qū)的計算網(wǎng)格適當進行加密處理。研究區(qū)域共剖分了58 095個網(wǎng)格節(jié)點和63 880個計算單元，網(wǎng)格中心點之間的最大間距為300 m，最小間距為26 m，蓄滯洪區(qū)的網(wǎng)格剖分如圖2所示。所涉及的物理參數(shù)取值如表1和2所示，具體包括邊界條件、初始條件、渦黏系數(shù)和經(jīng)率定后的糙率等。需要說明的是，表1中采用1954年4月15日0時至1954年4月18日0時的洪水數(shù)據(jù)進行洪水過程模擬，這是因為1954年長江中下游發(fā)生了近100年最大洪水，洪水數(shù)據(jù)非常具有代表性。

表1 模型計算物理參數(shù)取值

表2 研究區(qū)域內(nèi)不同下墊面糙率取值

圖1 康山蓄滯洪區(qū)數(shù)字高程模型圖(1∶10000)

圖2 蓄滯洪區(qū)網(wǎng)格剖分圖

4.3 洪水潰決過程及流量分析

康山蓄滯洪區(qū)在康山大堤預(yù)留有分洪口門。分洪口位于大堤樁號20+070～20+450 m之間，分洪口門寬380 m，在分洪口門兩端布置深層水泥攪拌樁以防止口門無限制擴大。

根據(jù)國家防汛抗旱總指揮部《關(guān)于長江洪水調(diào)度方案的批復(fù)》(國訊[2011]22號)[19]，當鄱陽湖湖口水位達到20.59 m(吳淞高程22.50 m)時，對應(yīng)的康山站水位20.68 m(吳淞高程22.55 m)，采用人工爆破的方式將預(yù)留潰口扒開，口門底寬為12.5 m，堤防潰決，蓄滯洪區(qū)開始進洪?？陂T爆破并沖刷擴大的過程按2 h計，最終口門底寬取300 m。參考《江西省鄱陽湖蓄滯洪區(qū)安全建設(shè)工程可行性研究報告》[26]關(guān)于規(guī)劃口門底高程的選取，取口門底高程15.93 m(黃海高程)。潰決口門發(fā)展所需時間為口門初始形態(tài)發(fā)展到終止形態(tài)的時間，其中口門結(jié)構(gòu)參數(shù)和口門發(fā)展時間需要結(jié)合當?shù)鼗蝾愃频貐^(qū)已發(fā)生過的實際潰決調(diào)查資料合理確定。不考慮區(qū)間降雨計算口門的發(fā)展過程，得到潰口流量變化過程曲線見圖3。由圖3可見，當防洪堤潰決后，潰口流量在2 h內(nèi)很快達到最大值14 000 m3/s。24 h以后潰口流量開始下降，至48 h完成整個進洪過程，蓄滯洪區(qū)內(nèi)水位達到20.68 m(黃海高程)，與外湖水位一致，潰口不再進流，流量為0。

圖3 康山大堤潰口流量過程線

4.4 洪水演進過程模擬

為了便于分析，在蓄滯洪區(qū)的康山鄉(xiāng)、瑞洪鎮(zhèn)、大塘鄉(xiāng)、三塘鄉(xiāng)、石口鎮(zhèn)古竹片區(qū)、康山墾殖場6個行政區(qū)的23個行政村(自然村)內(nèi)布置了23個特征點，各特征點布置及潰口位置見圖4。堤防潰決后研究區(qū)各典型時段的淹沒深度見圖5。

圖4 康山蓄滯洪區(qū)特征點布置及潰口位置

通過模型計算得到堤防潰決后研究水域各典型時段的淹沒水深，見圖5。由圖5可知，堤防潰決1h后，水流到達康山墾殖場和大湖管理局，12 h后，洪水可以推進到瑞洪鎮(zhèn)片區(qū)的東源村，瑞洪鎮(zhèn)片區(qū)的東三村由于地勢較高，洪水需要在24 h左右才能達到淹沒深度。相比之下，地勢較高、遠離龍口的大塘安全區(qū)在36 h后洪水才到達。由于康山墾殖場落腳湖分場和康山鄉(xiāng)的臨湖區(qū)域在口門附近，這兩處的最大流速大于1.0 m/s，受洪水沖刷影響較大。瑞洪鎮(zhèn)江家村附近部分地形高程小于20 m，當蓄滯洪區(qū)分洪36 h后，西面安全區(qū)開始受影響。由圖5(c)可知，分洪結(jié)束時蓄滯洪區(qū)平均淹沒水深達6.95 m，康山墾殖場及石口鎮(zhèn)部分區(qū)域淹沒水深達到8 m。

圖5 堤防潰決后研究水域各典型時段的淹沒深度

4.5 潰堤洪水淹沒面積

康山大堤分洪口門潰決時，潰口寬380 m，口門底高程15.93 m。潰決前，康山蓄滯洪區(qū)內(nèi)蓄洪底部水位為15.10 m，約69 km2(去除水域面積)被漬水淹沒。整個潰堤洪水演進過程歷時48 h，進洪總量為16.58×108m3，總的淹沒面積為288 km2。

按照淹沒嚴重程度對淹沒區(qū)域進行分區(qū)，并統(tǒng)計各分區(qū)的淹沒面積如表3所示。定義危險區(qū)淹沒深度大于2.0 m，重災(zāi)區(qū)淹沒深度在1.0～2.0 m之間，中災(zāi)區(qū)淹沒深度在0.5～1.0 m之間，輕災(zāi)區(qū)淹沒深度小于0.5 m，安全區(qū)洪水未到達區(qū)域，該區(qū)域是人員轉(zhuǎn)移安置區(qū)。

由表3可知，輕災(zāi)區(qū)、中災(zāi)區(qū)、重災(zāi)區(qū)所占淹沒面積的百分比較小，分別為0.66%、0.82%、1.77%。相比之下，危險區(qū)淹沒面積為278.63 km2，占總淹沒面積的96.75%，說明在這種工況下，康山蓄滯洪區(qū)受災(zāi)程度大且涉及范圍廣。將MIKE計算結(jié)果文件導(dǎo)入ArcGIS，計算得到洪水未到達區(qū)域的面積為31.3 km2，該區(qū)域亦為安全區(qū)，可作為人員轉(zhuǎn)移安置區(qū)。

通過數(shù)值模擬可以得出不同淹沒程度的面積分布情況，從而可為康山蓄滯洪區(qū)洪水風(fēng)險分析、抗洪搶險以及人員轉(zhuǎn)移安置提供較為準確的參考依據(jù)。

表3 潰堤洪水淹沒面積統(tǒng)計表

4.6 特征點淹沒水深、流速

以康山鄉(xiāng)、瑞洪鎮(zhèn)、大塘鄉(xiāng)、三塘鄉(xiāng)、石口鎮(zhèn)古竹、康山墾殖場片區(qū)內(nèi)23個特征點為代表，分析蓄滯洪區(qū)淹沒水深及流速變化情況，如圖6所示，從圖6中可獲得洪水到達特征點需要的時間、特征點的最大淹沒水深、流速峰值和峰現(xiàn)時間等。

由圖5和6可知，康山鄉(xiāng)雖離潰口較近，但地勢較高，直至堤防潰決后9 h 40 min洪水才達到府前村，最大淹沒水深和流速峰值均出現(xiàn)在府前村，分別為2.65 m和0.0133 m/s，峰現(xiàn)時間為潰堤后30 h 20 min，大山、金山村未被洪水淹及。

在潰堤9 h 10 min后洪水達到瑞洪鎮(zhèn)西崗村，瑞洪鎮(zhèn)最大淹沒水深出現(xiàn)在西崗村為4.55 m，最大流速出現(xiàn)在羅家村為0.0536 m/s，峰現(xiàn)時間為潰堤后24 h 30 min。其中該片區(qū)的把下村因地勢較高，未被洪水淹及。

圖6 不同片區(qū)特征點淹沒水深及流速過程線

大塘鄉(xiāng)在潰堤50 min后開始淹沒，最大淹沒水深和最大流速均出現(xiàn)在大湖村，分別為7.65 m和0.0731 m/s，峰現(xiàn)時間為2 h 40 min。其中該片區(qū)陳家塘村、南垅村因地勢較高，未被洪水淹及。

石口鎮(zhèn)古竹片區(qū)在潰堤50 min后開始淹沒，最大淹沒水深出現(xiàn)在古竹村為6.24 m；最大流速出現(xiàn)在西村為0.027 m/s，峰現(xiàn)時間為潰堤后28 h 50min。劉埠村和湖濱村由于地勢較高，直至潰堤后48 h進洪完成，未被洪水淹及。

三塘鄉(xiāng)因地處康山蓄滯洪區(qū)南部山區(qū)，離潰口較遠，且地勢較高，潰堤后23 h 40 min，洪水才達到三塘鄉(xiāng)馬山村，最大淹沒水深3.67 m，最大流速為0.2635 m/s，峰現(xiàn)時間為潰堤后29 h。魏家、余家橋村未被洪水淹及，該未被洪水淹及的區(qū)域可作為避險轉(zhuǎn)移的重點區(qū)域。

以上6個區(qū)域中康山墾殖場片區(qū)最先被淹沒，其中插旗分場在潰堤后30 min開始淹沒，里溪分場、甘泉洲分場在潰堤后40 min開始淹沒?？瞪綁ㄖ硤銎瑓^(qū)最大淹沒水深和最大流速均出現(xiàn)在里溪分場，最大淹沒水深為8.32 m，最大流速為0.074 m/s，峰現(xiàn)時間為潰堤后2 h 30 min。

此外由圖6可知，康山墾殖場片區(qū)最先被淹沒，幾乎都被淹沒，且淹沒水深平均超過2 m，故該片區(qū)人口物資需要在預(yù)警時間內(nèi)迅速撤離至離該片區(qū)較近的石口鎮(zhèn)古竹片區(qū)安全樓或大塘鄉(xiāng)片區(qū)安全樓；古竹片區(qū)的安全樓可建立在劉埠村和湖濱村，這兩個村未被淹及；大塘鄉(xiāng)片區(qū)的安全樓可建立在陳家塘村和南垅村；瑞洪片區(qū)的把下村也未被淹沒，可將該區(qū)域的西崗村和羅家村的人口和物資遷至把下村避險；康山鄉(xiāng)片區(qū)的大山村和金山村從蓄洪開始到結(jié)束均未被淹沒，可在此處建立安全樓以便康山鄉(xiāng)片區(qū)人口物資避險；三塘片區(qū)最后被淹及，且僅有馬山村被淹沒，其余地區(qū)未遭到淹沒，故該片區(qū)人口物資相對安全。

4.7 淹沒區(qū)損失統(tǒng)計

基于上述獲得的淹沒范圍、深度、流速、預(yù)警時間等信息采用公式(4)和(5)估計淹沒區(qū)生命損失，步驟如下：(1)通過淹沒信息劃分災(zāi)區(qū)，統(tǒng)計計算各災(zāi)區(qū)的風(fēng)險人口。(2)通過洪水歷時、水深、淹沒范圍來查表確定死亡率，將死亡率與潰堤概率相乘得到損失率。(3)將步驟(1)和(2)計算結(jié)果相乘得到生命損失。獲得的淹沒區(qū)風(fēng)險人口累積曲線和不同預(yù)警時間內(nèi)的人口損失如圖7(a)～7(c)所示。

圖7 潰堤造成的研究區(qū)內(nèi)生命、經(jīng)濟和環(huán)境損失圖

經(jīng)濟損失估算步驟如下：(1)在經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫中查詢康山蓄滯洪區(qū)的行政面積，求出模擬單元格中的受災(zāi)單元格相對于行政面積的比例；各類財產(chǎn)貨幣化后的價值與比例的乘積即為該網(wǎng)格單元內(nèi)各類型的財產(chǎn)價值。(2)由洪水演進模擬得到的淹沒信息(水深、流速和淹沒歷時)確定單元內(nèi)各類財產(chǎn)的損失率。(3)將步驟(1)得到的財產(chǎn)價值與步驟(2)得到的損失率相乘，得到該單元格的財產(chǎn)損失，累積計算淹沒區(qū)域財產(chǎn)損失即為該蓄滯洪區(qū)的經(jīng)濟損失。根據(jù)統(tǒng)計蓄滯洪區(qū)淹沒范圍內(nèi)的直接經(jīng)濟組成成分，采用公式(6)計算得到區(qū)內(nèi)直接經(jīng)濟損失和農(nóng)林牧及家庭財產(chǎn)損失累積曲線如圖7(d)～7(e)所示。淹沒范圍內(nèi)所有單元的損失累加，得到直接經(jīng)濟損失為9.53×108元，間接損失取直接損失的63%，為6.00×108元，則康山大堤潰決總經(jīng)濟損失為15.53×108元。

環(huán)境損失通過問卷調(diào)查的方式評估，采用公式(7)和(8)計算得到湖區(qū)重點堤防整治工程居民的平均支付意愿為每人776.8～780元/a。目前康山蓄滯洪區(qū)共有居民29 895人，按人均776.8元/a，按20 a計算，堤防環(huán)境整治工程總價值評估為4.64×108元，即堤防潰決導(dǎo)致的社會環(huán)境損失為4.64×108元。進而按照洪水淹沒進程得到環(huán)境損失累積曲線，如圖7(f)所示。

基于蓄滯洪區(qū)洪水演進過程數(shù)值模擬得到的洪水淹沒信息，采用第3節(jié)生命、經(jīng)濟和環(huán)境損失評估方法可得到風(fēng)險人口、淹沒-損失人口、經(jīng)濟損失和環(huán)境損失，據(jù)此可根據(jù)不同預(yù)警時間下的淹沒損失制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案和具體的抗洪搶險措施。比如由圖7(a)可知，該蓄滯洪區(qū)內(nèi)的風(fēng)險人口隨著洪水歷時的一個變化過程，可結(jié)合淹沒范圍信息制定準確詳細的人口遷移方案，以減少淹沒損失和降低抗洪成本。圖7(b)～7(c)除了評估人口損失之外，還可根據(jù)不同預(yù)警時間編制搶險方案，制定預(yù)警級別和相應(yīng)的響應(yīng)措施。根據(jù)圖7(e)可判斷直接損失中損失比值最大的成分為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失，從而為提前采取相關(guān)止損措施提供參考依據(jù)。

5 結(jié) 論

本文發(fā)展了堤防潰決洪水演進數(shù)值模擬方法，依托鄱陽湖康山蓄滯洪區(qū)，采用MIKE21建立洪水演算數(shù)值模型模擬蓄滯洪區(qū)洪水演進過程，獲得了最高水位條件下的淹沒范圍、洪水淹沒深度及流速過程線，進而估算了堤防潰決造成的蓄滯洪區(qū)內(nèi)的生命、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境損失。主要結(jié)論如下：

(1)獲得了康山蓄滯洪區(qū)歷史最高水位條件下的潰堤淹沒信息(包括淹沒范圍、水深和流速等)，并根據(jù)洪水淹沒范圍、水深劃分了區(qū)內(nèi)災(zāi)害等級，最后根據(jù)潰決洪水到達特征點所需的時間、特征點最大淹沒水深、流速峰值和峰現(xiàn)時間確定了各片區(qū)安全樓的位置，以便制訂人口和物資遷移方案，這些研究結(jié)果可以有效指導(dǎo)蓄滯洪區(qū)的防洪搶險和人口轉(zhuǎn)移工作。

(2)建立了基于蓄滯洪區(qū)洪水演進淹沒數(shù)據(jù)的損失評估方法，基于潰堤淹沒數(shù)據(jù)得到了蓄滯洪區(qū)內(nèi)各片區(qū)的三大損失累積曲線。并根據(jù)獲得的風(fēng)險人口、淹沒區(qū)人口損失、經(jīng)濟損失和環(huán)境損失判斷了風(fēng)險嚴重程度，從而為堤防潰決風(fēng)險評估、康山及類似蓄滯洪區(qū)防汛搶險決策方案的制定提供了重要的參考依據(jù)。