孫煜航 程舒鵬 張祺 杜鵬舉 李振山 趙志杰,?

黃河下游花園口至艾山河段灘區(qū)洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)估研究

孫煜航1,2程舒鵬2張祺1,2杜鵬舉2李振山2趙志杰2,?

1.北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院, 深圳 518055; 2.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 國(guó)家環(huán)境保護(hù)河流全物質(zhì)通量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100871; ?通信作者, E-mail: zhaozhijie@pku.edu.cn

利用 Delft3D 模型, 模擬黃河下游灘區(qū)洪水漫灘過(guò)程, 獲取漫灘范圍和洪水淹沒(méi)水深等洪水致災(zāi)參數(shù)?；诘匦魏头篮闂l件, 劃分洪水漫灘淹沒(méi)單元, 參考聯(lián)合國(guó)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 結(jié)合對(duì)各淹沒(méi)單元的危險(xiǎn)度和易損度評(píng)估, 得到不同洪水量級(jí)下各淹沒(méi)單元的洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度空間分布。結(jié)果表明, 占灘區(qū)總面積近 50%的淹沒(méi)單元的洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隨洪水量級(jí)的增加而穩(wěn)步增加, 為“水險(xiǎn)同期”類(lèi)淹沒(méi)單元;39.7%的淹沒(méi)單元在十年一遇洪水情景下呈現(xiàn)極高風(fēng)險(xiǎn)度狀態(tài), 即“小水大險(xiǎn)”狀態(tài); 11.67%的淹沒(méi)單元穩(wěn)定地處于相對(duì)較低的風(fēng)險(xiǎn)度等級(jí), 漫灘風(fēng)險(xiǎn)不受洪水量級(jí)影響, 為“穩(wěn)定低險(xiǎn)”類(lèi)。因此, 對(duì)于黃河下游灘區(qū)洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn), 應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)防范主要集中分布在高村至艾山河段的“小水大險(xiǎn)”類(lèi)淹沒(méi)單元, 同時(shí)應(yīng)以十年一遇, 甚至五年一遇的洪水情景作為洪水防范工程措施布設(shè)的參考依據(jù)。

黃河下游; 灘區(qū); 洪水; 水動(dòng)力模擬; 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

黃河下游灘區(qū)是重要的蓄滯洪區(qū)。灘區(qū)有利于洪水快速疏導(dǎo)和洪水中泥沙的迅急沉積, 對(duì)維護(hù)黃河下游主河道健康, 避免更大的洪水災(zāi)害等具有重要意義。近年來(lái), 隨著黃河上游來(lái)水來(lái)沙條件的改變, 黃河下游河段“二級(jí)懸河”現(xiàn)象有所加劇, 存在較大的洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)。20 世紀(jì) 50 年代以來(lái)開(kāi)展了大量有關(guān)洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究, 形成較多的洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。Terêncio 等[1]、Straatsma 等[2]、劉章君等[3]和張超等[4]基于歷史數(shù)據(jù), 進(jìn)行相關(guān)回歸分析或構(gòu)建相關(guān)模型研究未來(lái)洪水風(fēng)險(xiǎn)情況。劉光旭等[5]和王復(fù)生等[6]利用指標(biāo)體系法, 對(duì)相關(guān)區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。潘汀超等[7]和賴成光等[8]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法或灰色聚類(lèi), 來(lái)減少指標(biāo)體系的主觀性。Sunar 等[9]和 Abdelkarim 等[10]利用遙感資料, 獲取洪水淹沒(méi)范圍和水深等數(shù)據(jù), 模擬評(píng)價(jià)洪水風(fēng)險(xiǎn)。黃河下游灘區(qū)因其懸河特征以及洪水發(fā)生時(shí)從堤壩向主流向反射、沿堤壩擴(kuò)散等現(xiàn)象, 很難精確預(yù)測(cè)模擬洪水淹沒(méi)過(guò)程, 加上黃河下游灘區(qū)為“漫溢式”洪水的特點(diǎn), 導(dǎo)致針對(duì)黃河下游灘區(qū)洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)的研究相對(duì)較少, 已有的研究多集中于洪水的危險(xiǎn)性層面, 缺乏對(duì)易損性的考慮[11]。

本文基于 Delft3D 模型, 模擬黃河下游寬灘區(qū)洪水漫灘過(guò)程的危險(xiǎn)度, 結(jié)合易損度分析, 評(píng)估黃河下游灘區(qū)洪水漫灘的風(fēng)險(xiǎn)度, 以期為黃河下游灘區(qū)良性綜合治理提供一定的科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

黃河下游河段指從河南省桃花峪以下至黃河匯入渤海的山東省墾利縣的河段, 該河段因具有“水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)”的自然特性, 造成黃河下游持續(xù)淤積抬高, 使河道高懸于兩岸黃海淮平原之上, 成為舉世聞名的“地上懸河”。黃河下游主河道全長(zhǎng) 800 余公里, 一般將陶城鋪以上的河段稱為寬河段, 陶城鋪以下的河段稱為窄河段。在寬河段內(nèi), 河道沿程主要設(shè)花園口、夾河灘、高村、孫口和艾山等斷面, 用于監(jiān)控防范洪水[12]?；▓@口斷面以上河段, 因大部分自然灘面積相對(duì)較小等原因, 不宜設(shè)置滯洪區(qū)[13], 艾山斷面以下河段則通過(guò)東平湖滯洪區(qū)等蓄滯洪水, 因此花園口至艾山河段灘區(qū)是黃河下游重要的滯洪區(qū), 該河段灘區(qū)的洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)可以大體上代表黃河下游灘區(qū)洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)?？紤]數(shù)據(jù)收集的完整性, 本研究選取花園口至艾山河段作為黃河下游灘區(qū)洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)估的代表河段。

黃河下游灘區(qū)是由黃河南北兩側(cè)大堤圍成的區(qū)域, 是黃河下游的重要組成部分, 具有行洪、滯洪和沉沙功能, 也是灘區(qū)居民的生產(chǎn)生活空間。黃河下游灘區(qū)涉及河南和山東兩省共計(jì) 190 余萬(wàn)人口, 人河爭(zhēng)地矛盾較為突出[14]。受限于灘區(qū)作為滯洪行洪空間的相關(guān)管理要求, 目前僅以農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)利用為主, 嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1.2 歷史洪災(zāi)事件概況

黃河下游地區(qū)歷史上洪水災(zāi)害頻發(fā), 自有文字記錄以來(lái), 黃河下游共決口 1500 余次, 給當(dāng)?shù)貛?lái)巨大損失。隨著小浪底等水利工程投入使用, 黃河上中游的水沙調(diào)節(jié)能力增強(qiáng), 減少了黃河下游發(fā)生特大洪水的可能性。盡管決口事件鮮有發(fā)生, 但仍存在一些洪水漫灘事件。如表 1 所示, 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 1949—2018 年的 70 年間, 黃河下游灘區(qū)共發(fā)生洪水漫灘 31 次, 累計(jì)受災(zāi)人數(shù)達(dá) 919.43 萬(wàn)人次, 174.97 萬(wàn) hm2耕地受到洪水漫灘的影響。1988 年以來(lái)發(fā)生過(guò)洪水漫灘 7 次。

表1 近40年典型年份黃河洪災(zāi)情況[15]及其影響[16]

近年來(lái)大型洪水發(fā)生較少, 灘區(qū)居民防備意識(shí)有所松懈, 在灘區(qū)內(nèi)修建大量房屋、農(nóng)田和魚(yú)塘等, 這些設(shè)施不斷擠壓黃河的行洪空間, 不利于洪水的快速疏導(dǎo)。灘區(qū)群眾為了保護(hù)財(cái)產(chǎn)安全, 自發(fā)修建大量生產(chǎn)堤, 將黃河限制在狹窄的河道內(nèi), 加劇“二級(jí)懸河”的不利態(tài)勢(shì), 小水大災(zāi)的情況更易發(fā)生, 洪水漫灘成為灘區(qū)的最大安全隱患。為減少黃河下游灘區(qū)洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn), 目前主要采用調(diào)控水庫(kù)、引洪淤灘和修建避水設(shè)施等工程措施調(diào)控洪水, 同時(shí)制定灘區(qū)漫灘洪水風(fēng)險(xiǎn)分布圖、洪災(zāi)應(yīng)急避難系統(tǒng)和居民外遷方案等非工程措施規(guī)避洪水。

2 資料與方法

2.1 模型簡(jiǎn)介

Delft3D 模型系統(tǒng)(https://oss.deltares.nl/web/delft 3d)由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和 Deltares 研究所共同開(kāi)發(fā), 可以模擬洪水、風(fēng)暴潮、颶風(fēng)和海嘯等情景, 計(jì)算流量、水位、泥沙和水質(zhì)等參數(shù), 并能夠處理不同類(lèi)型情景之間的相互作用。Delft3D 模型系統(tǒng)開(kāi)源免費(fèi), 具有網(wǎng)格功能強(qiáng)大、用戶界面友好以及求解速度快且穩(wěn)定等特點(diǎn)[17–18], 適用于地表水模擬計(jì)算, 在國(guó)內(nèi)外河流水文泥沙模擬和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)等方面已有較多成功的應(yīng)用[19–20]。

為模擬研究區(qū)不同位置受洪水事件影響的情況, 本研究利用 Delft3D 模型, 模擬不同水文條件下的洪水漫灘致災(zāi)參數(shù)?；谘芯繀^(qū)歷史洪水漫灘事件相關(guān)水文資料以及土地利用、水利工程設(shè)施布設(shè)情況等, 以 FLOW 水動(dòng)力模塊為核心, 構(gòu)建黃河下游洪水演進(jìn)水沙二維模型, 得到不同洪水情景演進(jìn)過(guò)程的模擬結(jié)果。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用的資料包括水文數(shù)據(jù)、灘區(qū)土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)、地形高程數(shù)據(jù)和灘區(qū)洪災(zāi)損失數(shù)據(jù)。

2.2.1 水文數(shù)據(jù)

主要對(duì)照“水庫(kù)運(yùn)用后黃河下游各級(jí)洪峰流量”花園口站流量數(shù)據(jù)[13], 綜合考慮與地形信息的匹配以及典型情景洪水的選取, 從《中華人民共和國(guó)水文年鑒–黃河流域水文資料》中“洪水水文要素摘錄表”獲取黃河下游各大斷面對(duì)應(yīng)年份的實(shí)測(cè)水位、流量和含沙量信息, 分別用于表示不同重現(xiàn)期和水沙條件的洪水情景。典型洪水情景對(duì)應(yīng)的水文條件如表 2 所示。

2.2.2 土地利用/覆蓋及地形高程數(shù)據(jù)

采用謝羽倩等[21]的黃河下游灘區(qū)土地利用/覆蓋數(shù)據(jù), 包括包括自然村、工礦倉(cāng)儲(chǔ)地、魚(yú)塘和耕地等在內(nèi)的 25 種土地類(lèi)型。灘地地形與主河槽水下地形數(shù)據(jù)主要來(lái)源于黃河下游花園口至艾山斷面2013 年汛前地形(http://www.yrec.cn), 此數(shù)據(jù)以高程點(diǎn)的形式存儲(chǔ)。研究區(qū)內(nèi)各處高程點(diǎn)的間距有所不同: 生產(chǎn)堤堤頂約為 200m, 河槽外灘地約為 500m, 河槽及嫩灘水流方向約為 200m, 垂直水流方向約為 100m。結(jié)合 2013 年及以后的黃河下游汛期水文資料, 由于黃河下游未發(fā)生大規(guī)模漫灘洪水, 灘區(qū)地形未發(fā)生較大的變化, 所以使用以上地形高程信息能夠較好地體現(xiàn)黃河下游灘區(qū)的地形現(xiàn)狀。

2.2.3 洪災(zāi)損失率數(shù)據(jù)

洪水災(zāi)害損失是較難獲取的參數(shù), 不同的致災(zāi)條件、受災(zāi)地區(qū)以及受災(zāi)區(qū)資產(chǎn)類(lèi)型等均會(huì)導(dǎo)致不同的損失。洪水災(zāi)害損失的影響因素主要有受災(zāi)資產(chǎn)類(lèi)型、洪水淹沒(méi)水深和洪水淹沒(méi)歷時(shí)等。研究區(qū)洪水漫灘事件大多持續(xù) 72 小時(shí)以上, 洪水淹沒(méi)時(shí)長(zhǎng)對(duì)洪水災(zāi)害損失的影響不作為本次研究的重點(diǎn)。本文主要梳理已有研究中關(guān)于研究區(qū)洪水淹沒(méi)水深與漫灘災(zāi)害事件損失間的相互關(guān)系, 基于模擬出的漫灘洪水淹沒(méi)水深, 間接地給出研究區(qū)洪水漫灘事件的災(zāi)害損失。

表2 洪水過(guò)程數(shù)據(jù)特征值

說(shuō)明: 二十年一遇重現(xiàn)期洪水情景根據(jù)1982年水文資料等進(jìn)行概化設(shè)計(jì)。

綜合“黃河洪水影響區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)洪災(zāi)損失率”、“黃河下游灘區(qū)農(nóng)作物淹沒(méi)等級(jí)與直接經(jīng)濟(jì)損失率關(guān)系”、“黃河下游農(nóng)林牧漁業(yè)洪水淹沒(méi)等級(jí)與損失率”等關(guān)系曲線[22–23], 結(jié)合黃河下游灘區(qū)實(shí)際用地類(lèi)型等情況, 確定不同淹沒(méi)水深下的財(cái)產(chǎn)損失率, 如表 3 所示。

2.3 洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系

2.3.1洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基本單元?jiǎng)澐?/p>

掌握黃河下游灘區(qū)洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)的空間分布規(guī)律, 是面向黃河下游灘區(qū)制定管理措施的基礎(chǔ)和前提。為便于分析研究區(qū)各處洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn), 本研究劃分出洪水淹沒(méi)單元。基于洪水淹沒(méi)頻率、地形和河道整治工程及生產(chǎn)堤空間分布等信息, 將花園口至艾山河段分為 55 個(gè)淹沒(méi)單元。每個(gè)淹沒(méi)單元可以理解為高程基本上一致, 其內(nèi)部洪水漫灘事件影響程度基本上相同的區(qū)域。為便于標(biāo)識(shí), 分南北兩岸, 按照從上游到下游的順序, 對(duì)位于灘地的各淹沒(méi)單元編號(hào), 南岸第一片淹沒(méi)單元為 S1, 北岸第一片淹沒(méi)單元為 N1, 以依類(lèi)推(圖 1)。

表3 不同淹沒(méi)水深情況下財(cái)產(chǎn)損失率

2.3.2洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)與方法

參考聯(lián)合國(guó)對(duì)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[24], 本研究采用危險(xiǎn)度和易損度來(lái)衡量風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)體系, 面向淹沒(méi)單元, 評(píng)價(jià)黃河下游寬灘區(qū)洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度。風(fēng)險(xiǎn)度的表達(dá)式為

其中,為風(fēng)險(xiǎn)度, 是衡量各淹沒(méi)單元風(fēng)險(xiǎn)程度的綜合指標(biāo), 為危險(xiǎn)度與易損度的乘積;為危險(xiǎn)度, 用于表征各淹沒(méi)單元發(fā)生洪水淹沒(méi)的危險(xiǎn)程度, 用各淹沒(méi)單元洪水漫灘面積占單元面積百分比來(lái)衡量;為易損度, 反映不同承災(zāi)體對(duì)自然災(zāi)害的承受能力(即脆弱度), 以各淹沒(méi)單元發(fā)生洪水漫灘事件后單元內(nèi)地物綜合損失率計(jì)。

1) 危險(xiǎn)度計(jì)算。為定量地區(qū)分不同淹沒(méi)單元發(fā)生洪水漫灘的風(fēng)險(xiǎn)程度, 以洪水漫灘淹沒(méi)面積占各淹沒(méi)單元總面積的百分比作為危險(xiǎn)程度的度量值:

圖1 研究區(qū)位置和淹沒(méi)單元分布

式中,H為第淹沒(méi)單元對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)度,s為模擬得到的第淹沒(méi)單元內(nèi)洪水漫灘淹沒(méi)的面積,S為第塊淹沒(méi)單元對(duì)應(yīng)的面積。

2)易損度計(jì)算?；谥苯咏?jīng)濟(jì)損失評(píng)估洪水災(zāi)害損失時(shí), 洪災(zāi)損失率是一個(gè)重要的指標(biāo), 指各種承災(zāi)體類(lèi)型在經(jīng)歷災(zāi)害后的價(jià)值與原有價(jià)值的比值。各淹沒(méi)單元的洪水漫灘易損度以各淹沒(méi)單元的綜合損失率表示, 即將該區(qū)域內(nèi)所有用地類(lèi)型對(duì)應(yīng)的漫灘損失率進(jìn)行面積加權(quán)平均:

其中,V為第個(gè)淹沒(méi)單元的綜合損失率,S為該淹沒(méi)單元內(nèi)第種用地類(lèi)型的面積,v為第種用地類(lèi)型對(duì)應(yīng)淹沒(méi)水深條件下的損失率,為第個(gè)淹沒(méi)單元內(nèi)所有用地類(lèi)型總數(shù)量。

2.3.3洪水演進(jìn)模型的建立

黃河下游花園口至艾山河段為模型模擬河段, 河道兩岸黃河大堤為模型外邊界。河段總長(zhǎng) 371km, 面積為 2860km2。結(jié)合研究區(qū)道路交通、控導(dǎo)工程等的實(shí)際規(guī)模, 本文將研究區(qū)域劃分為 226776 個(gè)平均寬度為 112 m 的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

糙度系數(shù)是模型中主要參數(shù)之一, 同時(shí)也是影響模型模擬結(jié)果的重要參數(shù)。糙度系數(shù)主要結(jié)合文獻(xiàn)[25–26]中“洪水水文要素摘錄表”提供的主槽實(shí)測(cè)糙度系數(shù), 再與土地利用/覆蓋分類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合, 得到研究區(qū)域的糙度系數(shù)。各土地利用類(lèi)型對(duì)應(yīng)的糙率系數(shù)分別為水體 0.01、嫩灘 0.025、耕地/農(nóng)業(yè)用地 0.03、險(xiǎn)工/控導(dǎo)工程0.045、林地/果園 0.05 以及建設(shè)用地 0.06。結(jié)合 Delft3D 模型中 QUICKIN 模塊提供的柯朗數(shù)可視工具及 FLOW 模塊, 率定得到模型相關(guān)參數(shù)。

選取與地形文件相匹配的 2013 年汛期水沙過(guò)程, 結(jié)合斷面水沙過(guò)程對(duì)比分析來(lái)驗(yàn)證模型精度。驗(yàn)證時(shí)段為 2013 年 6 月 19 日—7 月 9 日, 共 20 天。進(jìn)口邊界條件為花園口斷面實(shí)測(cè)流量過(guò)程和含沙量過(guò)程, 其中洪峰流量為 4200m3/s, 最高含沙量為32.2kg/m3, 出口邊界條件為艾山斷面實(shí)測(cè)水位過(guò)程。比對(duì)分析模擬序列和實(shí)測(cè)序列, 計(jì)算相應(yīng)的納什效率系數(shù)(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient, NSE)、平均絕對(duì)誤差(mean absolute error, MAE)和平均相對(duì)誤差(mean relative error, MRE)來(lái)定量反映模擬精度。驗(yàn)證結(jié)果如圖 2 和 3 以及表 4 所示。從各大斷面納什效率系數(shù)來(lái)看, 模擬序列與實(shí)測(cè)序列吻合較好。水位平均絕對(duì)誤差基本上控制在 0.2m以內(nèi), 流量平均相對(duì)誤差大多在 10%以內(nèi), 具有較高的模擬精度, 滿足本次研究的要求。

圖2 2013年各大斷面模擬水位與實(shí)測(cè)水位比較

圖3 2013年各大斷面模擬流量與實(shí)測(cè)流量比較

表4 基于水位和流量的模型精度評(píng)價(jià)

2.3.4致災(zāi)參數(shù)模擬結(jié)果

在 Delft3D FLOW 模塊中輸入常遇至千年一遇洪水情景(表 2)下的水文泥沙數(shù)據(jù), 得到不同洪峰流量情景下研究區(qū)洪水淹沒(méi)范圍和淹沒(méi)水深結(jié)果?；?ArcGIS 平臺(tái), 得到洪水災(zāi)害的空間分布。為精確地度量研究區(qū)不同區(qū)域的洪水漫灘水深, 參照水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》(SL/T 483–2017), 可分為 0, 0～0.5, 0.5～1.0, 1.0～2.0, 2.0～3.0和>3.0m 共 6 個(gè)等級(jí)來(lái)衡量不同洪水漫灘區(qū)域的覆水情況。不同區(qū)域淹沒(méi)水深空間分布情況如圖 4 所示。

3 結(jié)果與討論

將模擬得到的致災(zāi)參數(shù)代入危險(xiǎn)度、易損度和風(fēng)險(xiǎn)度的計(jì)算公式, 可得到黃河下游灘區(qū)各淹沒(méi)單元的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。為便于直觀地對(duì)比各淹沒(méi)單元的危險(xiǎn)度和易損度等, 本文利用 ArcGIS 平臺(tái)的分級(jí)制圖功能, 將漫灘危險(xiǎn)度分為極低危險(xiǎn)度、低危險(xiǎn)度、中危險(xiǎn)度、高危險(xiǎn)度和極高危險(xiǎn)度 5 個(gè)等級(jí)制圖輸出, 易損度也采用相同制圖模式。參考風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)矩陣[27](圖 5), 得到各淹沒(méi)單元在不同洪水情景下洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度的空間分布。

3.1 洪水漫灘危險(xiǎn)度分布

各洪水情景下各淹沒(méi)單元洪水漫灘危險(xiǎn)度的分布見(jiàn)圖6和表5。

圖4 各洪水情景下洪水漫灘淹沒(méi)水深

圖5 洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)矩陣[27]

在常遇洪水情景下, 絕大部分淹沒(méi)單元均為極低危險(xiǎn)度。由常遇洪水情景轉(zhuǎn)為五年一遇洪水情景時(shí), 高村至孫口河段大部分淹沒(méi)單元直接由極低危險(xiǎn)度轉(zhuǎn)為中高危險(xiǎn)度, 部分淹沒(méi)單元(N17～N19)甚至具有極高危險(xiǎn)度, 面積達(dá) 253 km2, 約占灘區(qū)總面積的 10%。與五年一遇洪水情景相比, 十年一遇洪水情景下高村至孫口段淹沒(méi)單元的危險(xiǎn)度加劇, 孫口至艾山段大部分淹沒(méi)單元由低危險(xiǎn)度轉(zhuǎn)為高危險(xiǎn)度, 夾河灘至高村段河段的部分淹沒(méi)單元也呈現(xiàn)中危險(xiǎn)度。盡管二十年一遇洪水情景的洪峰流量等比十年一遇高, 但在上游灘區(qū)的滯洪作用下, 孫口至艾山河段大部分淹沒(méi)單元由十年一遇洪水情景下的中高危險(xiǎn)度轉(zhuǎn)為中低危險(xiǎn)度。十年一遇洪水情景下, 1332km2的區(qū)域處于極低危險(xiǎn)度狀態(tài), 占灘區(qū)總面積53%; 二十年一遇洪水情景下, 花園口至高村河段各淹沒(méi)單元與十年一遇情景相比, 變化相對(duì)較小。二十年一遇洪水情景下, 超1/3的灘區(qū)(面積近779 km2)淹沒(méi)單元處于低風(fēng)險(xiǎn)度狀態(tài)。在百年和千年一遇洪水情景下, 夾河灘至艾山河段大部分淹沒(méi)單元呈現(xiàn)極高危險(xiǎn)度。即使在千年一遇洪水情景下, 仍有花園口至艾山河段的N3, S6和S9等淹沒(méi)單元為極低危險(xiǎn)度, 占灘區(qū)總面積的11%。

3.2 洪水漫灘易損度分布

各洪水情景下各淹沒(méi)單元洪水漫灘易損度分布見(jiàn)圖7和表6。

從各洪水情景下各淹沒(méi)單元洪水漫灘易損度空間分布結(jié)果來(lái)看, 具有較高危險(xiǎn)度的淹沒(méi)單元大都具有相對(duì)較高的易損度。但是, 與部分研究單元(N16～N18, S20～S23)相比, 五年一遇洪水漫灘事件情景下高村至孫口段淹沒(méi)單元同時(shí)具備相對(duì)較高的危險(xiǎn)度和相對(duì)較低的易損度。這是由于五年一遇重現(xiàn)期下的洪水雖然淹沒(méi)了較大的范圍, 但由于漫灘水深相對(duì)較小, 所以未對(duì)研究區(qū)地物造成較大損害。五年一遇與常遇洪水情景下的淹沒(méi)單元易損度分布基本上相同, 洪水漫灘危險(xiǎn)對(duì)研究區(qū)影響較小。由五年一遇洪水情景轉(zhuǎn)為十年一遇洪水情景時(shí), 高村至艾山河段大部分淹沒(méi)單元直接由極低易損度轉(zhuǎn)為高易損度, 部分淹沒(méi)單元(N17～N19, S22和 S23)甚至呈現(xiàn)極高易損度, 面積達(dá)到 340km2, 占灘區(qū)總面積的 13%。與危險(xiǎn)度類(lèi)似, 二十年一遇洪水情景下孫口至艾山河段大部分淹沒(méi)單元由十年一遇洪水情景下的高易損度轉(zhuǎn)為中低易損度。稀遇洪水情景下, 花園口至夾河灘大部分淹沒(méi)單元仍呈現(xiàn)中低易損度, 達(dá)到灘區(qū)總面積的 50%左右。

圖6 不同洪水情景下各淹沒(méi)單元洪水漫灘危險(xiǎn)度空間分布

圖7 不同洪水情景下各淹沒(méi)單元洪水漫灘易損度空間分布

表5 各洪水情景下不同洪水漫灘危險(xiǎn)度等級(jí)淹沒(méi)單元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表6 各洪水情景下不同洪水漫灘易損度等級(jí)淹沒(méi)單元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.3 洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度分布

基于各淹沒(méi)單元的危險(xiǎn)度與易損度統(tǒng)計(jì)結(jié)果, 利用式(1)得到不同洪水情景下各淹沒(méi)單元的風(fēng)險(xiǎn)度。參考風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)矩陣, 得到各淹沒(méi)單元在不同洪水情景下洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度的空間分布情況(表 7和圖 8)。

可以看出, 常遇洪水與五年一遇洪水情景下的淹沒(méi)單元風(fēng)險(xiǎn)度分布基本上相同, 絕大部分淹沒(méi)單元呈現(xiàn)極低風(fēng)險(xiǎn)度。由五年一遇洪水情景轉(zhuǎn)為十年一遇洪水情景時(shí), 高村至艾山河段大部分淹沒(méi)單元直接由極低風(fēng)險(xiǎn)度轉(zhuǎn)為極高風(fēng)險(xiǎn)度, 夾河灘至高村部分淹沒(méi)單元由極低風(fēng)險(xiǎn)度轉(zhuǎn)為中高風(fēng)險(xiǎn)度。該情下, 處于高和極高風(fēng)險(xiǎn)度的淹沒(méi)單元面積已超過(guò)855 km2, 占灘區(qū)總面積的 34%。二十年一遇洪水情景下, 孫口至艾山河段大部分淹沒(méi)單元由十年一遇洪水情景下的高風(fēng)險(xiǎn)度轉(zhuǎn)為中低風(fēng)險(xiǎn)度, 花園口至高村河段大部分淹沒(méi)單元呈現(xiàn)中低風(fēng)險(xiǎn)度。該種情景下, 仍有 60%面積的淹沒(méi)單元為極低和低風(fēng)險(xiǎn)度, 面積近 1525km2。稀遇洪水情景下, 花園口至夾河灘大部分淹沒(méi)單元仍呈現(xiàn)中低風(fēng)險(xiǎn)度, N3, S6 和 S9等淹沒(méi)單元甚至為極低風(fēng)險(xiǎn)度。百年一遇洪水情景下, 超過(guò) 1218 km2區(qū)域呈現(xiàn)高和極高風(fēng)險(xiǎn)度狀態(tài), 占灘區(qū)總面積的 48%。在千年一遇洪水情景下, 處于高和極高風(fēng)險(xiǎn)度狀態(tài)的淹沒(méi)單元總面積為超過(guò)1839 km2, 面積占比為 72%。

表7 各洪水情景下不同洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)淹沒(méi)單元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖8 不同洪水情景下各淹沒(méi)單元洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度空間分布

3.4 各淹沒(méi)單元漫灘風(fēng)險(xiǎn)度對(duì)比分析

為對(duì)比各淹沒(méi)單元的漫灘風(fēng)險(xiǎn)度情況, 將各淹沒(méi)單元在不同洪水情景下的洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并匯總, 結(jié)果如圖 9 所示。

根據(jù)圖 9 中統(tǒng)計(jì)結(jié)果, 可以依據(jù)在不同洪水情景下的洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度等級(jí), 將全部淹沒(méi)單元大體上分為 3 類(lèi): “水險(xiǎn)同期”、“小水大險(xiǎn)”和“穩(wěn)定低險(xiǎn)”。

圖9 各淹沒(méi)單元在不同洪水情景下洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度對(duì)比

“水險(xiǎn)同期”: 該類(lèi)淹沒(méi)單元的洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)一般隨洪水量級(jí)的增加而增加。在常遇和五年一遇洪水情景下, 一般呈現(xiàn)低風(fēng)險(xiǎn)度。隨著洪水量級(jí)的增加, 基本上保持低風(fēng)險(xiǎn)甚至極低風(fēng)險(xiǎn)度。洪水量級(jí)再增加, 部分淹沒(méi)單元過(guò)渡到中風(fēng)險(xiǎn)度。百年和千年一遇洪水情景下, 絕大部分淹沒(méi)單元呈現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)度狀態(tài)。該類(lèi)淹沒(méi)單元總面積達(dá) 1231km2, 占灘區(qū)總面積的 48.6%, 共 23 個(gè), 主要分布在花園口至夾河灘河段以及夾河灘斷面和高村斷面附近, 單元編號(hào)為 N1, N4, N5, N7, N12, N14, N15, S1～S5, S7, S8, S10～S15 和S19～S21。

“小水大險(xiǎn)”: 該類(lèi)淹沒(méi)單元處于十年一遇洪水情景時(shí), 就呈現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)甚至極高風(fēng)險(xiǎn)度(五年一遇洪水情景下就呈現(xiàn)較高漫灘危險(xiǎn)度)。常遇和五年一遇洪水情景下大都呈現(xiàn)極低風(fēng)險(xiǎn)度, 但處于十年一遇洪水情景時(shí), 絕大部分淹沒(méi)單元便呈現(xiàn)極高風(fēng)險(xiǎn)度。當(dāng)洪水情景轉(zhuǎn)為二十年一遇以及稀遇情景時(shí), 除孫口至艾山河段淹沒(méi)單元因上游滯洪作用導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)度略有降低外, 其余淹沒(méi)單元均保持極高風(fēng)險(xiǎn)度。該類(lèi)淹沒(méi)單元總面積達(dá) 1006km2, 占灘區(qū)總面積的 39.7%, 共 26 個(gè), 主要分布在夾河灘斷面和高村斷面附近以及高村至艾山河段, 單元編號(hào)為N2, N9～N11, N13, N16～N26, S16～S18, S22～S26, S28 和 S29。

“穩(wěn)定低險(xiǎn)”: 淹沒(méi)單元的風(fēng)險(xiǎn)度不隨洪水量級(jí)增大而增大, 且基本上呈現(xiàn)極低風(fēng)險(xiǎn)度。即使在百年一遇和千年一遇洪水情景下, 大部分淹沒(méi)單元仍然呈現(xiàn)極低風(fēng)險(xiǎn)度。該類(lèi)單元數(shù)量較少, 僅 6 個(gè), 總面積為 296km2, 占灘區(qū)總面積的 11.67%, 主要分布在花園口至夾河灘河段, 單元編號(hào)為 N3, N6, N8, S6, S9 和 S27。

4 結(jié)論

本文利用 Delft3D 模型, 模擬不同洪水情景下研究區(qū)洪水漫灘災(zāi)害致災(zāi)參數(shù), 得到各洪水漫灘淹沒(méi)單元內(nèi)部洪水漫灘事件的影響程度。通過(guò)構(gòu)建洪水漫灘危險(xiǎn)度和易損度計(jì)算方法, 參考聯(lián)合國(guó)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 得到研究區(qū)各淹沒(méi)單元的洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度。本文利用模型來(lái)模擬洪水漫灘致災(zāi)參數(shù), 可以避免常規(guī)指標(biāo)評(píng)價(jià)方法的主觀性和局限性。根據(jù)研究區(qū)地形、河道整治工程和生產(chǎn)堤等因素劃分的淹沒(méi)單元, 更能體現(xiàn)洪水漫灘時(shí)灘區(qū)各處的自然屬性, 可以避免常規(guī)的以地理行政區(qū)劃來(lái)研判研究區(qū)各處風(fēng)險(xiǎn)的不足。此外, 綜合危險(xiǎn)度和易損度兩個(gè)維度, 給出研究區(qū)洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度, 使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加全面和客觀。

研究區(qū)各淹沒(méi)單元的洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度與洪水情景響應(yīng)關(guān)系可分為 3 類(lèi)?！八U(xiǎn)同期”類(lèi)淹沒(méi)單元對(duì)應(yīng)的洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度隨洪水量級(jí)的增加而增加, 逐步從常遇洪水情景下的極低風(fēng)險(xiǎn)度過(guò)渡到稀遇洪水情景下的極高風(fēng)險(xiǎn)度, 呈現(xiàn)“水險(xiǎn)同期”特點(diǎn), 該類(lèi)淹沒(méi)單元的總面積達(dá)到灘區(qū)總面積的近 50%。灘區(qū) 39.7%面積對(duì)應(yīng)的淹沒(méi)單元的洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)度不隨洪水情景量級(jí)的增大而緩步增加, 這類(lèi)淹沒(méi)單元在十年一遇洪水情景下就呈現(xiàn)極高風(fēng)險(xiǎn)度, 具有“小水大險(xiǎn)”的特征。灘區(qū) 11.67%面積對(duì)應(yīng)的淹沒(méi)單元處于極低風(fēng)險(xiǎn)度狀態(tài), 不受洪水情景的影響, 長(zhǎng)期處于“穩(wěn)定低險(xiǎn)”狀態(tài)。

黃河下游灘區(qū)洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)集中分布于高村至艾山河段的“小水大險(xiǎn)”類(lèi)淹沒(méi)單元, 應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)防范, 同時(shí)應(yīng)以十年一遇, 甚至五年一遇洪水情景作為洪水防范工程措施布設(shè)的參考依據(jù)?！八U(xiǎn)同期”類(lèi)淹沒(méi)單元因在百年一遇等稀遇洪水情景下才呈現(xiàn)較高風(fēng)險(xiǎn)度, 因此可以考慮以將二十年一遇洪水情景作為洪水防范工程設(shè)施布設(shè)依據(jù)。對(duì)于花園口至夾河灘寬灘區(qū)內(nèi)穩(wěn)定地處于“極低風(fēng)險(xiǎn)”狀態(tài)的淹沒(méi)單元, 可優(yōu)先考慮開(kāi)發(fā)利用。

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Research on Flood Risk Assessment of Floodplains from Huayuankou to Aishan Section in the Lower Yellow River

SUN Yuhang1,2, CHENG Shupeng2, ZHANG Qi1,2, DU Pengju2, LI Zhenshan2, ZHAO Zhijie2,?

1. School of Environment and Energy, Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055; 2. State Environmental Protection Key Laboratory of All Material Fluxes in River Ecosystems, College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871; ? Corresponding author, E-mail: zhaozhijie@pku.edu.cn

The Delft3D model was used to simulate the flooding process on floodplains of the Lower Yellow River, and the flood disaster parameters such as flooding range and flooding depth were statistically calculated from the model. The process of giving the flood risk’s spatial distribution of the plains includes dividing the hazard-vulnerability units and calculating the hazard and vulnerability of each unit according to the topography and flood-control measures. The United Nations risk assessment index system is used to give out the spatial distribution of the flood risk for each inundation unit. The results show that the relationship between flood risk and flood scenarios response across the study area can be divided into three categories. About 50% of the plain are under “simultaneous flooding and risks”, which means the flood risk level generally varies with the flood scenario. 39.7% of the plains own the trait of “l(fā)ow flooding frequency leads to giant risks”, and for the unit of this category basically has the extreme risk even for the 10-year frequency floods. 11.67% of the plain are stable at a relatively low risk situation, and the flood risk is not affected by the magnitude of the flood, which is classified as “stable low risks”. In order to prevent the flood risk of the Lower Yellow River, the flooding unit of “l(fā)ow flooding frequency leads to giant risks” mainly distributed in Gaocun to Aishan section should give a priority to take the action, and the flood situation of once every ten years or even once every five years should be taken as the reference basis for building flood prevention measures.

the Lower Yellow River; plains; flood; hydrodynamics simulation; risk assessment

10.13209/j.0479-8023.2021.027

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0402505)資助

2020–03–30;

2020–04–20