李德龍，許小華，丁志雄，李亞琳，謝信東，李 偉

（1.江西省水利科學(xué)院智慧水利研究所，江西南昌 330029；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210098；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；4.南昌大學(xué)，江西南昌 330031）

0 研究背景

江西省大余縣城區(qū)處于大余盆地的低洼地帶，地勢周邊高中間低，章江油羅口水庫以下為大余縣核心區(qū)域，人口密集，該區(qū)域總?cè)丝跀?shù)占大余縣總?cè)丝诘?0%以上，極易受江河洪水的侵襲，容易造成較大的洪澇災(zāi)害損失。因此，開展大余縣城下游重點防洪區(qū)洪水風(fēng)險區(qū)劃對于指導(dǎo)該區(qū)域防洪減災(zāi)非工程措施建設(shè)，最大限度降低人員傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)損失，保障社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的實際意義。

近年來，洪水風(fēng)險區(qū)劃的理論和方法逐漸完善，大量學(xué)者如梁寶榮［1］、那日蘇等［2］、楊麗萍等［3］、朱靜儒［4］、陳湛峰［5］、王秀杰［6］等分別針對中小河流、蓄滯洪區(qū)、縣（市）區(qū)、入?？诘葏^(qū)域開展了洪水風(fēng)險區(qū)劃研究，而苑希民等［7］、王建中等［8］、孫瑀［9］、劉江俠等［10］分別基于模糊層次分析法、模糊綜合評價法、洪水風(fēng)險因子法、綜合風(fēng)險度法等對防洪保護區(qū)進行了洪水風(fēng)險區(qū)劃研究。隨著水利現(xiàn)代化的快速發(fā)展，綜合風(fēng)險度法已成為目前洪水風(fēng)險區(qū)劃研究的熱點方法。

基于此，本文以大余縣油羅口下游重點防洪區(qū)域為研究對象，在構(gòu)建區(qū)域二維水動力模型基礎(chǔ)上，提取最大淹沒水深、最大流速、最大淹沒歷時為洪水風(fēng)險要素指標(biāo)，利用綜合風(fēng)險度方法，探討研究大余縣重點防洪區(qū)洪水風(fēng)險區(qū)劃。

1 區(qū)域概況

大余縣位于章江上游，庾嶺北麓，地理位置為東徑114°22′～114°44′，北緯25°15′～25°37′。東北與南康區(qū)相連，東南與信豐縣接壤，西北與崇義縣毗鄰，南與廣東省南雄縣襟連，西界廣東省仁化縣。全境東西長127.5 km，南北寬25 km，總面積1 367.63 km2。縣城距贛州市100 km。

大余縣縣城（南安鎮(zhèn)）周圍大部分地區(qū)為第四系沖洪積物覆蓋，下伏基巖為變質(zhì)砂巖和花崗巖。由于河面緩慢上升，河流下切，形成多級河流階地，大余縣城區(qū)地面標(biāo)高一般在175～185 m 之間?？h城區(qū)位于章江與浮江的匯合口以下約5 km，章江自西向東穿城而過，城區(qū)河道長約4.0 km，主要支流北有蕩坪河，南有五里山河，蕩坪河、五里山河兩支流分別在中大橋、牡丹亭公園處匯入章水。城區(qū)處于大余盆地的低洼地帶，地勢周邊高中間低，章江油羅口水庫以下為大余縣核心區(qū)域，人口密集。

選取章江油羅口水庫以下及浮江鄉(xiāng)駐地以下，至大余縣界約60 km 長的狹長地帶，面積約215.54 km2的區(qū)域（大余縣境內(nèi)）作為大余縣重點防洪區(qū)域的洪水風(fēng)險圖編制范圍：起始范圍為油羅口水庫壩址下游區(qū)域，以該區(qū)域歷史發(fā)生的最大洪水淹沒范圍為依據(jù)，結(jié)合章江河河流流向，以河流為中心，向兩岸居民區(qū)域輻射至高山區(qū)域止，設(shè)定為兩邊邊界，終止范圍為下游窯下壩水文站。涉及浮江鄉(xiāng)、南安鎮(zhèn)、黃龍鎮(zhèn)、青龍鎮(zhèn)、池江鎮(zhèn)、新城鎮(zhèn)等6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。具體范圍見圖1所示。

圖1 大余縣重點防洪區(qū)域Fig.1 Location of key flood control area in Dayu County

2 洪水風(fēng)險分析原理與區(qū)劃方法

2.1 洪水風(fēng)險分析原理

目前，進行洪水風(fēng)險分析常采用的方法有：水文學(xué)法、水力學(xué)法和實際水災(zāi)法。本文采用的是水力學(xué)法，是通過數(shù)學(xué)模型，求解連續(xù)方程和運動方程，利用差分的方法計算出各運動時刻的流速、流向和水深。采用的是中國水利水電科學(xué)研究院自主研發(fā)的洪水分析軟件，基于上述二維水動力學(xué)模型并在GIS 平臺開發(fā)，具有基礎(chǔ)工程和地圖處理、數(shù)據(jù)前處理、洪水分析和計算結(jié)果后處理等功能，能綜合考慮不同類型區(qū)域的地形地貌空間分布及各種防洪排澇工程措施的影響，對潰漫堤洪水泛濫演進和淹沒分布情況進行模擬分析。

模型對平面水流按二維非恒定流進行模擬，模型將有限體積法與有限差分法的優(yōu)點相結(jié)合，采用六邊形網(wǎng)格不規(guī)則網(wǎng)格對研究區(qū)域進行離散，在網(wǎng)格形心處計算水深，在網(wǎng)格周邊通道上計算流量。

（1）二維水力學(xué)模型的基本方程如下：

連續(xù)方程：

動量方程：

式中：H為水深；Z為水位；M、N分別為x、y方向的單寬流量；u、v分別為水深平均流速在x、y方向的分量；n為糙率系數(shù)；g為重力加速度；t為時刻；q為源匯項。

（2）方程的離散。水深由連續(xù)方程對任一網(wǎng)格的顯式離散化形式求得：

式中：Qik為通道的單寬流量；Lik為通道的寬度；Ai為網(wǎng)格面積；AXY為網(wǎng)格的面積修正率；DT為時間步長的1∕2。

通道的單寬流量由動量方程的顯示式離散化格式計算，根據(jù)不同的通道類型，分別采取不同離散格式。

一般型通道：是指河道內(nèi)的通道和普通陸面通道，其動量方程中保留局地加速度項、重力項和阻力項，離散形式為：

式中：Zj1、Zj2分別為通道兩側(cè)網(wǎng)格的水位；DCj1、DCj2分別為通道兩側(cè)網(wǎng)格形心到通道中點的距離；DLj為空間步長，等于DCj1、DCj2之和；Hj為通道上的平均水深，由下式計算：

阻水型通道：對于有阻水作用的堤防、道路等，在模型中作為阻水通道，采用堰流公式計算過流量，公式如下：

式中：Hi為通道上的水深；Qi為通道的單寬流量；b為寬頂堰的淹沒出流系數(shù)；μ1為流量系數(shù)。

2.2 綜合風(fēng)險度法

計算單元的“綜合風(fēng)險度（R）”值，按以下公式計算：

式中：pi為某一洪水淹沒頻率（如：10年一遇時，pi取0.1）；Hi為該計算單元對應(yīng)pi的“當(dāng)量水深H”值。計算時，H的單位選取分米，dm。

由于利用上述公式計算期望值時，計算單元的洪水淹沒指標(biāo)值Hi在起淹洪水頻率處存在跳躍，故假定在計算時p0始終為起淹洪水頻率的下一級洪水頻率（如：計算單元a的起淹洪水頻率為10年一遇，則p0=0.2，即對應(yīng)5年一遇洪水頻率），且對應(yīng)的H0=0；而p1，pn則分別為該計算單元的起淹洪水頻率和最高洪水計算頻率。

其中洪水風(fēng)險指標(biāo)（H）表征計算單元在某一量級洪水頻率下的風(fēng)險程度大小，指標(biāo)選取應(yīng)以能全面反映洪水淹沒特征為要素，因此指標(biāo)計算以“最大淹沒水深”為主要因子，綜合考慮“最大流速”、“最大淹沒歷時”風(fēng)險要素的影響，公式如下：

式中：h為“最大水深”；ω1為“最大流速”修正系數(shù)；ω2為“最大淹沒歷時”修正系數(shù)［11］。其中，ω1、ω2為的取值范圍均在1.0～1.5。

3 洪水風(fēng)險因素分布

為研究大余縣縣城下游重點防洪區(qū)洪水風(fēng)險因素分布特征，需對油羅口水庫下游和浮江鄉(xiāng)駐地以下且流經(jīng)縣城的低洼區(qū)域構(gòu)建二維模型。

（1）建模范圍。模型范圍為章江上游從油羅口水庫以下，浮江河從浮江鄉(xiāng)駐地以下，兩側(cè)以自然丘陵高地為界，下游至章江的窯家壩水文站，總面積249.47 km2（如圖2），內(nèi)部溝渠采用加密二維網(wǎng)格的方式進行處理。采用的是1∶10 000 的DLG（Digital Line Graphic）和DEM（Digital Elevation Model）基礎(chǔ)地理信息資料，共計41幅圖幅。

圖2 建模范圍Fig.2 The range of the model

（2）網(wǎng)格剖分。以道路、堤防、河流等作為內(nèi)部約束，針對灘地較大的河流，將主河槽和灘地分開剖分網(wǎng)格（如圖4），網(wǎng)格最大面積控制在0.02 km2以內(nèi)，共剖分了17 997 個六邊形規(guī)則網(wǎng)格，其中，將較寬的河道作為河道型網(wǎng)格處理，共計3 789 個。網(wǎng)格的邊（通道）可以沿著阻水建筑物（堤防、道路）、導(dǎo)水建筑（河渠）走，地形概化接近實際。本次網(wǎng)格共有通道96 105 條，其中，重要的堤防和道路設(shè)置為阻水型通道，共有7 192 條。

（3）洪水來源。大余縣重點防洪區(qū)域除受油羅口水庫出流影響外，章江另一條主要支流浮江也是主要的洪水來源，浮江上游匯水區(qū)面積約228 km2。章江左右兩岸其他小的支流匯水包括左岸的蕩坪河、大龍山河、瓏澗河、楊梅河、下壟河、窯下河、灌湖河、分水坳河等；右岸的五里山河、荊南河、壕塘河、留地河、西坑河、小汾河、柳坑河、合江河等。這些小的支流也構(gòu)成了大余縣重點防洪區(qū)域的區(qū)間洪水來源，洪水來源概化圖如圖4所示。

圖3 模型網(wǎng)格分布Fig.3 Grid distribution of the Model

圖4 主要洪水來源概化Fig.4 Generalization of main flood sources

（4）糙率分區(qū)。計算區(qū)內(nèi)糙率利用收集的土地利用類型圖層與網(wǎng)格圖層疊加，按照河流、居民地、樹叢、旱田、水田、空地等不同類型，賦予網(wǎng)格相應(yīng)的糙率初值。各土地利用類型賦如表1 所示的糙率值（參考江西省五河治理大余縣縣城防洪工程實施方案）。

表1 糙率取值表Tab.1 Table of roughness values

（5）模型率定驗證。用2002年的實測洪水進行模型的參數(shù)率定、用2009 年的實測洪水進行模型驗證，并對比洪痕點的水位，模型率定驗證的結(jié)果見表2 所示。由表可見模型率定驗證的水位誤差絕對值均不超過0.1 m，率定驗證結(jié)果符合洪水風(fēng)險分析的《洪水風(fēng)險圖編制技術(shù)細則》精度要求。

表2 率定驗證計算洪峰水位誤差分析表Tab.2 Rate validation calculation of flood water level error analysis table

（6）邊界條件。模型上游入流邊界為油羅口水庫出流及章江其他支流的入流，模型出流邊界為窯下壩的水位—流量關(guān)系，模型的邊界條件示意圖如圖5 所示。油羅口水庫各設(shè)計頻率洪水的入流過程（見圖6，以1966 年為典型年，各頻率設(shè)計洪水過程數(shù)據(jù)源于《油羅口水庫除險加固工程初步設(shè)計報告》）。

圖5 模型邊界條件Fig.5 Boundary condition of the Model

油羅口水庫的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，大余縣重點防洪區(qū)域縣城堤防設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是20 年一遇，其他區(qū)域為10 年一遇，因此考慮洪水計算的量級20年一遇、50年一遇、100年一遇3個洪水量級。根據(jù)歷史洪水降雨分布情況，在考慮洪水來源組合遭遇時，按《洪水風(fēng)險圖編制技術(shù)細則》，其他支流的洪水頻率組合可按主要洪水來源低一個等級的洪水量級考慮，如油羅口水庫考慮50 年一遇洪水時，其他支流的洪水按20 年一遇考慮。根據(jù)油羅口水庫各頻率設(shè)計洪水過程（圖6），按匯流面積比的2∕3 次方確定的其他支流各頻率設(shè)計洪水過程如圖7～9 所示。模型下游出流邊界為窯下壩水文站水位流量關(guān)系曲線。詳見圖10。

圖6 油羅口壩址設(shè)計洪水過程Fig.6 Design flood process of Youluokou dam site

圖7 其他相關(guān)各支流10年一遇洪水過程Fig.7 Other related tributaries in a 10-year flood process

圖8 其他相關(guān)各支流20年一遇洪水過程Fig.8 Other related tributaries in a 20-year flood process

圖9 其他相關(guān)各支流50年一遇洪水過程Fig.9 Other related tributaries in a 50-year flood process

圖10 窯下壩水文站水位流量關(guān)系曲線圖Fig.10 Water level and flow relationship curve of the hydrological station of Yaoxiaba

（7）風(fēng)險分析結(jié)果。通過計算分析，提取研究區(qū)內(nèi)各計算單元的風(fēng)險要素指標(biāo)（見圖11），包括最大淹沒水深、最大淹沒歷時、最大洪水流速。并統(tǒng)計分析了最大淹沒面積、最大淹沒水深見表3。

表3 洪水計算方案分析統(tǒng)計指標(biāo)Tab.3 Statistical indexes of flood calculation scheme analysis

圖11 洪水風(fēng)險要素指標(biāo)Fig.11 Index of flood risk factors

統(tǒng)計各方案潰口進洪量、出流量以及區(qū)內(nèi)淹沒水量，判斷分析入流量減去出流量，與區(qū)內(nèi)淹沒總水量的差值是否在10-5億m3之內(nèi)（洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則SL 483-2017），差值在10-5億m3之內(nèi)則水量平衡達到要求。從表4 中可以看出，各方案均滿足水量平衡要求。

表4 洪水計算方案水量平衡分析Tab.4 Water balance analysis of flood calculation scheme

綜合分析可知，本次構(gòu)建的模型獲得洪水風(fēng)險要素結(jié)果較為合理，能準(zhǔn)確地反映重點防洪區(qū)的淹沒特征及不同設(shè)計頻率下洪水風(fēng)險程度的差異性，模型精度和可靠性較高，可為風(fēng)險區(qū)劃提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

4 風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果分析

本研究構(gòu)建了河道和保護區(qū)整體二維水動力模型，模擬可能的淹沒范圍、水深等特征要素。通過模擬計算，統(tǒng)計分析了上述3 種方案的“最大淹沒水深”、“最大行進流速”、“最大淹沒歷時”等風(fēng)險要素。

以“最大淹沒水深”為主要影響因子，綜合考慮“最大洪水流速”、“最大淹沒歷時”風(fēng)險要素的影響，根據(jù)綜合風(fēng)險度法區(qū)劃等級劃定大余縣重點防洪保護區(qū)洪水風(fēng)險等級（見圖11）。風(fēng)險等級劃分參考《洪水風(fēng)險區(qū)劃技術(shù)導(dǎo)則（試行）》（SL 483-2019）［11］，共分為低風(fēng)險、中風(fēng)險、高風(fēng)險、極高風(fēng)險4 個級別。R<0.15 為“低風(fēng)險”，0.15≤R<0.5 為“中風(fēng)險”，0.5≤R<1 為“高風(fēng)險”，R≥1 為“極高風(fēng)險”?；撅L(fēng)險度矩陣表見表5 所示，其中綠色區(qū)域數(shù)值表示“低風(fēng)險”，黃色區(qū)域數(shù)值代表“中風(fēng)險”，深黃色區(qū)域數(shù)值代表“高風(fēng)險”，紅色區(qū)域數(shù)值代表“極高風(fēng)險”。

表5 基本風(fēng)險度矩陣表Tab.5 Basic risk degree matrix table

圖12 洪水風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果Fig.12 Flood risk zoning results

經(jīng)計算分析可知，大余縣主城區(qū)有較大范圍淹沒，淹沒面積達68.91 km2，大部分在章江右岸，小部分在章江左岸，而浮江鄉(xiāng)、黃龍鎮(zhèn)、青龍鎮(zhèn)、池江鎮(zhèn)、新城鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)有較大淹沒范圍，其中低風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)、高風(fēng)險區(qū)、極高風(fēng)險區(qū)分別占比17%、12%、18%、53%。

5 結(jié)論

以江西省大余縣油羅口下游重點防洪區(qū) 為例，針對該區(qū)域極易受洪水災(zāi)害影響的問題，利用綜合風(fēng)險度法進行了洪水風(fēng)險區(qū)劃分析。結(jié)論如下：①大余縣重點防洪區(qū)的浮江鄉(xiāng)、黃龍鎮(zhèn)、青龍鎮(zhèn)、池江鎮(zhèn)、新城鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)受洪水影響較為嚴(yán)重，淹沒面積達68.91 km2，極高風(fēng)險區(qū)劃區(qū)域占超過總范圍一半以上；②構(gòu)建的模型獲得淹沒水深、淹沒流速、淹沒歷時等洪水風(fēng)險要素結(jié)果較為合理，能準(zhǔn)確地反映重點防洪區(qū)的淹沒特征及不同設(shè)計頻率下洪水風(fēng)險程度的差異性；③基于綜合風(fēng)險度方法的大余縣重點防洪區(qū)洪水風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果合理，能為大余縣防災(zāi)減災(zāi)提供決策依據(jù)，對推動大余縣的防災(zāi)減災(zāi)非工程措施建設(shè)和國土空間規(guī)劃具有重要實際意義。