汪國(guó)斌，王海菁，李德龍，2，黃萍

（1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029；2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098）

1 研究背景

江西暴雨區(qū)屬長(zhǎng)江流域五大暴雨區(qū)之首，全省多年平均降水量1638mm，但時(shí)空分布差異較大，洪水概由暴雨產(chǎn)生。尋烏縣位于江西省東南端，城區(qū)沿馬蹄河兩岸帶狀分布，受馬蹄河洪水威脅的范圍較大，縣城洪澇災(zāi)害頻繁。經(jīng)過多年水利工程建設(shè)，總體能應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水，但如果遇到超過城市設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的洪水，具體會(huì)淹沒多大范圍、影響多少人口和應(yīng)對(duì)措施并無具體分析。為做好針對(duì)洪水災(zāi)害的“黑天鵝”“灰犀?！笔录姆烙ぷ鳎行Ы档退禐?zāi)害重大風(fēng)險(xiǎn)和災(zāi)害損失，2020年水利部下達(dá)《關(guān)于印發(fā)2020年度超標(biāo)洪水防御工作方案的通知》，要求所有大江大河、重要支流和有防洪任務(wù)的縣級(jí)以上城市要編制超標(biāo)洪水防御預(yù)案。

文章按照“一個(gè)中心、三個(gè)重點(diǎn)、五個(gè)確?！钡姆姥纯傮w目標(biāo)要求，結(jié)合縣城區(qū)洪水防御工作實(shí)際，以尋烏縣為例，開展了基于反距離權(quán)重法的縣城區(qū)超標(biāo)洪水淹沒分析，分析結(jié)果有力支撐了尋烏縣城區(qū)超標(biāo)洪水預(yù)案編制工作。

2 洪澇防御體系及超標(biāo)洪水量級(jí)確定

2.1 洪澇防御體系

城區(qū)范圍洪澇防御體系主要由文峰鄉(xiāng)防洪工程（城北防洪工程）、城南防洪工程、城東防洪工程等堤防組成，堤防總體設(shè)計(jì)20年一遇。城區(qū)河段先后已建成了七座梯級(jí)攔河壩工程，從上游至下游建設(shè)的攔河壩梯級(jí)分別為：體育館—新中學(xué)—黃崗山—城北一級(jí)—城北二級(jí)—龍灣—益壽橋。七座梯級(jí)攔河壩工程以抬高尋烏縣城區(qū)河道水深、改善城市水環(huán)境、增加旅游景觀為主要任務(wù)，無調(diào)洪功能。

馬蹄河尋烏縣城上游已建有九曲灣水庫(kù)，該水庫(kù)集雨面積71km2，壩址以上河長(zhǎng)15.84 km，河道平均坡降20.20 ‰。水庫(kù)總庫(kù)容415萬m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容234萬m3，調(diào)洪庫(kù)容177萬m3，屬不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)，于2005年投產(chǎn)建成，是一座以供水為主，兼有防洪、灌溉等綜合利用效益的?。?）型水庫(kù)。

2.2 城區(qū)抬水工程

尋烏縣城區(qū)馬蹄河段已建成了七座梯級(jí)攔河壩工程，從上游至下游梯級(jí)開發(fā)方案分別為：“體育館（289.50m）—新中學(xué)（287.50m）—黃崗（285.00m）—城北一級(jí)（282.50m）—城北二級(jí)（280.00m）—龍灣（277.00m）—益壽橋（271.75m）”。七座梯級(jí)攔河壩聯(lián)合洪水調(diào)度的任務(wù)是：在保證城區(qū)防洪安全的前提下，充分利用水文、氣象預(yù)報(bào)，協(xié)調(diào)防洪與興利的矛盾，在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水情況下，保障攔河壩工程有效安全運(yùn)行，充分發(fā)揮攔河壩的景觀效益，在遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水情況下，要采取一切措施保護(hù)城區(qū)防洪安全與大壩安全，盡可能減輕洪水災(zāi)害。

2.3 城市防洪主要問題

2.3.1 防洪體系還不完善，防洪標(biāo)準(zhǔn)較低

隨著臨河房屋建設(shè)和近年來河岸的大力整治修建，縣城區(qū)形成了沿河右岸為漿砌石岸堤，左岸為臨河房屋基礎(chǔ)擋水的防洪設(shè)施，對(duì)防止洪水淹襲、鞏固河岸具有一定的作用。城區(qū)排水干道出口未設(shè)閘防止河水倒灌，致使城區(qū)防洪堤線留有缺口，防洪體系不夠完善，部分達(dá)到抗御20年一遇洪水的城鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 沿河建筑對(duì)城鎮(zhèn)防洪不利

主要表現(xiàn)在東門陂至南郊陂左岸和南郊陂至石圳橋左岸均建有臨河房屋，岸堤即是屋基，甚至部分房屋底層走廊或開窗距河床高差不足2m。一旦發(fā)生超過堤岸防洪能力的洪水，洪水將從房屋間缺口、縫隙、窗口等通道直貫而入，于防洪搶險(xiǎn)排險(xiǎn)十分不利。而且，岸堤作為民房屋基，對(duì)河岸的統(tǒng)一管理、維修、加高加固也十分不便，不利于縣城防洪體系的總體建設(shè)。特別是長(zhǎng)寧大橋下游左岸占河灘房屋，減小了河道行洪寬度，南郊陂下游該河道形成一阻水瓶頸。

2.3.3 非工程措施方面

尋烏縣防汛指揮部人少力量弱，堤防及河岸的維護(hù)管理缺乏專門的機(jī)構(gòu)、人員和穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)來源，直接或間接地影響了防洪工程的總體建設(shè)和管理。

2.4 超標(biāo)洪水量級(jí)確定

縣城區(qū)超標(biāo)洪水分為超過縣城區(qū)現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)和二級(jí)的洪水，即尋烏縣城區(qū)遭遇馬蹄河50年一遇、100年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，假定縣城區(qū)堤防全部潰決的條件下，分析尋烏縣城區(qū)超標(biāo)洪水淹沒范圍及影響。

3 淹沒范圍分析

3.1 分析工具

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一門綜合性學(xué)科，當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于資源、環(huán)境、交通、水利等各個(gè)領(lǐng)域，在針對(duì)水旱災(zāi)害防治方面發(fā)揮了洪水演進(jìn)建模分析、洪水淹沒范圍實(shí)時(shí)模擬及預(yù)測(cè)等作用，ArcGIS軟件工具具備強(qiáng)大的地理空間統(tǒng)計(jì)、水文分析等功能，結(jié)合相關(guān)模型和DEM數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)洪水水面模擬和洪水淹沒范圍的分析。數(shù)字高程模型（DEM）是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面地形的數(shù)字化模擬，用一組有序數(shù)值陣列形式表達(dá)地面形態(tài)的零階單項(xiàng)數(shù)字地貌模型，文章采用尋烏縣城區(qū)1：1萬DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.2 超標(biāo)設(shè)計(jì)洪水位推求

因?qū)蹩h城已建立體育館攔河壩、新中學(xué)攔河壩等七級(jí)攔河壩，充分利用攔河壩設(shè)計(jì)資料及城區(qū)梯級(jí)攔河壩聯(lián)合防洪調(diào)度分析資料。此次對(duì)已有資料進(jìn)行復(fù)核，尋烏縣城上游約9km處建有九曲灣水庫(kù)，對(duì)城區(qū)洪水的蓄洪削峰，滯洪錯(cuò)峰具有一定的作用，城區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算應(yīng)考慮九曲灣水庫(kù)的調(diào)蓄作用。根據(jù)1∶10000地形圖對(duì)九曲灣壩址～縣城區(qū)間流域面積、河長(zhǎng)、河道加權(quán)平均坡降進(jìn)行了量算，區(qū)間控制集雨面積136.40 km2，主河長(zhǎng)24km，河道加權(quán)平均為8.41‰，區(qū)間設(shè)計(jì)洪水采用設(shè)計(jì)暴雨間接推求，24h暴雨均值為110mm，復(fù)核后主城區(qū)50年一遇洪峰流量960m3/s，100年一遇洪峰流量1100m3/s，與各攔河壩設(shè)計(jì)資料采用的流量相吻合。復(fù)核后七級(jí)攔河壩對(duì)應(yīng)斷面在遭遇20年一遇、50年一遇、100年一遇洪水時(shí)對(duì)應(yīng)的水位值如表1。

表1 城區(qū)7個(gè)主要斷面不同設(shè)計(jì)頻率對(duì)應(yīng)水位值表

3.3 反距離權(quán)重法分析淹沒范圍

反距離權(quán)重法（Inverse Distance Weighted，簡(jiǎn)稱IDW）是基于“地理第一定律”的基本假設(shè)提出的一種簡(jiǎn)單實(shí)用的插值方法，實(shí)質(zhì)上是一種加權(quán)移動(dòng)平均方法，該方法的主要特點(diǎn)是以未知點(diǎn)與已知樣點(diǎn)之間的距離作為插值分析的權(quán)重參數(shù)，離插值點(diǎn)越近的樣本賦予的權(quán)重越大，屬于確定性的內(nèi)插方法。通用公式為：

式（1）中，f（x，y）是未知點(diǎn)的水面高程值；zj是已知橫斷面上采樣點(diǎn)j的高程z值；dj是已知橫斷面上采樣點(diǎn)j與未知點(diǎn)的距離；n是在插值計(jì)算分析中參與計(jì)算的已知采樣點(diǎn)數(shù)量；p是一個(gè)大于0的常數(shù)，稱為加權(quán)冪指數(shù)，它可以調(diào)節(jié)插值函數(shù)曲面的形狀，p值越大，在已知采樣點(diǎn)節(jié)點(diǎn)處函數(shù)曲面越平坦，相反p越小，則節(jié)點(diǎn)處曲面越尖銳，在實(shí)際計(jì)算過程中一般p值默認(rèn)為2，此時(shí)與實(shí)際變化規(guī)律更為吻合，又稱反距離平方加權(quán)法。

反距離權(quán)重法的優(yōu)點(diǎn)是公式比較簡(jiǎn)單，特別適用于結(jié)點(diǎn)散亂；缺點(diǎn)是它是一種全局性的插值計(jì)算方法，一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化直接影響整個(gè)插值曲面，若參與插值的采樣點(diǎn)數(shù)很多，計(jì)算一個(gè)節(jié)點(diǎn)就要進(jìn)行大量計(jì)算。所以在實(shí)際操作過程中，一般會(huì)先明確參與插值的采樣點(diǎn)的搜索半徑R，僅在以插值點(diǎn)為圓心的圓形鄰域半徑范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)參與插值計(jì)算。初始搜索半徑R一般按照公式（2）（經(jīng)驗(yàn)公式）計(jì)算。

式（2）中，A代表包含所有采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的區(qū)域面積，n代表采樣點(diǎn)數(shù)量，k代表數(shù)據(jù)量的平均值，通常設(shè)為7。統(tǒng)計(jì)圓形領(lǐng)域半徑R范圍內(nèi)采樣數(shù)量，若小于經(jīng)驗(yàn)值，則需增大圓形領(lǐng)域半徑R，反之則減小。

根據(jù)表1中尋烏縣城區(qū)7個(gè)主要斷面不同設(shè)計(jì)頻率對(duì)應(yīng)水位值信息，在ARCgis軟件平臺(tái)中建立垂直于河道的斷面線，給各主要斷面添加其對(duì)應(yīng)的不同頻率設(shè)計(jì)洪水位屬性，然后利用“Feature Vertices To Points”功能，將帶水位值屬性的線文件轉(zhuǎn)點(diǎn)文件，再根據(jù)上述反距離權(quán)重法對(duì)這些點(diǎn)要素進(jìn)行插值，形成城區(qū)范圍內(nèi)不同洪水頻率的水位空間曲面，利用縣城區(qū)水位空間曲面柵格圖形減去縣城區(qū)1∶10000數(shù)字高程模型，即得到縣城區(qū)淹沒范圍及淹沒水深。

3.4 成果分析

當(dāng)馬蹄河遭遇50年一遇洪水時(shí)，城區(qū)淹沒面積達(dá)2.21 km2（城區(qū)面積約5.58 km2），涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)2個(gè)、行政村9個(gè)、自然村41個(gè)，平均水深約3m，最大水深約10.50m（有低洼區(qū)，在城北行政村竹元下自然村），淹沒區(qū)受影響人口約為30997人，淹沒較為嚴(yán)重的有城西居委會(huì)、城北村、三二五村、石圳村等，城區(qū)50年一遇超標(biāo)洪水淹沒范圍如圖1所示。

圖1 尋烏縣城區(qū)50年一遇超標(biāo)洪水淹沒范圍圖

當(dāng)馬蹄河遭遇100年一遇洪水時(shí)，城區(qū)淹沒面積達(dá)2.46 km2（城區(qū)面積約5.58 km2），涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)2個(gè)、行政村10個(gè)、自然村57個(gè)，平均水深約3.70m，最大水深約11.40m（有低洼區(qū)，在城北行政村竹元下自然村），淹沒區(qū)受影響人口約為40940人，淹沒較為嚴(yán)重的有城西居委會(huì)、城北村、三二五村、石圳村、小布村等，城區(qū)100年一遇超標(biāo)洪水淹沒范圍圖如圖2所示。

圖2 尋烏縣城區(qū)100年一遇超標(biāo)洪水淹沒范圍圖

4 結(jié)語(yǔ)

文章以尋烏縣為例，利用反距離權(quán)重法分析了馬蹄河遭遇50年、100年超標(biāo)洪水時(shí)對(duì)縣城的影響，結(jié)果表明，在遭遇100年一遇洪水時(shí)，城區(qū)范圍內(nèi)受淹面積約2.46 km2，特別是城西居委會(huì)、城北村、三二五村、石圳村、小布村等行政村，是防御的重點(diǎn)。經(jīng)實(shí)踐探索了針對(duì)縣城區(qū)的超標(biāo)洪水最大可能淹沒范圍、淹沒水深、影響人口的分析方法，該方法實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便，分析過程中考慮最不利因素可滿足超標(biāo)洪水預(yù)案編制要求，可為快速編制城市或中小河流超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)案提供借鑒。