李 娜，王 靜，王艷艷

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心，北京 100038)

1 研究背景

流域超標準洪水是指超過其時防洪工程體系(包括水庫、堤防、蓄滯洪區(qū)等在內)現(xiàn)狀防洪標準的洪水。獨特的地理環(huán)境和季風性氣候決定了我國自古以來就是洪澇災害頻發(fā)的國家。我國七大流域不同歷史時期的超標準洪水給人們留下了深刻印象，如長江流域1860年、1870年洪水，20世紀的1931年、1954年和1998年洪水；海河流域的1917年、1939年、1956年、1963年和1996年洪水，遼河流域的1888年、1951年、1985年、1995年洪水等[1-2]。

分析這些歷史超標準洪水的發(fā)生發(fā)展過程，可以總結出以下三方面主要特征：一是超標準洪水多數(shù)由特大暴雨引發(fā)，包括兩種類型，一類是流域性暴雨，即短時段內的暴雨強度不一定很大，但持續(xù)時間長、雨區(qū)范圍廣、總雨量很大，易造成全流域大洪水。如1954年江淮大水[3]，從4月份鄱陽湖水系出現(xiàn)暴雨開始，5、6月份暴雨集中在長江以南丘陵地區(qū)，到7月份雨區(qū)北移到長江干流以北和淮河流域，5—7月300 mm以上雨區(qū)范圍約為74萬、71萬和91萬 km2，相應總降水量分別達3000億、3200億和4280億 m3。另一類是區(qū)域性暴雨，這類暴雨范圍相對較小，歷時也相對較短，但暴雨強度很大，易引發(fā)局部災害，如1870年長江上游大水，7月13至19日，暴雨主要集中在嘉陵江中下游、川東南和長江干流重慶至宜昌區(qū)間。據(jù)洪水調查和推算，宜昌站洪峰流量達105000 m3/s，干流寸灘—宜昌站，1870年洪水位比1954年高出3.8米到10多米[4]。二是超標準洪水往往是各種不利條件遭遇而成。如1915年珠江流域大洪水[5]，西江、北江和東江均同時發(fā)生大洪水或特大洪水，東江博羅站7月9日出現(xiàn)最高洪水位，西、北江洪水接踵而至，西江梧州和北江橫石均在7月10日出現(xiàn)最大洪峰，三江洪水在三角洲遭遇，又適逢六月初一大潮，幾種不利因素組合在一起，使得三角洲受到嚴重影響，廣州市被淹7天之久。三是工程出險或失事也會引起超標準洪水。受防洪工程設計標準低、工程老化、年久失修甚至人為扒口等影響，河道、庫區(qū)高水位會引發(fā)堤防潰決、水庫垮塌等破壞性事件發(fā)生，造成下游大面積和長時間淹沒，如淮河流域“75.8”大水[6]，受“7503號”臺風暴雨影響，設計標準較低的板橋和石漫灘兩座大型水庫和其他60座中小型水庫相繼垮壩，潰壩洪水以6～8 m/s的速度沖出河道沖向下游，下游7座縣城遭到毀滅性災害。1133萬 hm2耕地受淹，1100萬人受災，京廣線被沖毀102 km，中斷行車18天，影響運輸48天，是世界最為嚴重的潰壩事件之一。

在全球氣候變化和人類活動共同影響背景下，極端降水事件頻率和強度增加，洪水本身的重現(xiàn)期降低，相應地防洪工程體系的防御能力可能會被動下降[7]。同時，未來我國城鎮(zhèn)化進程將持續(xù)推進，據(jù)預測，到2050年我國城鎮(zhèn)化率將達到78.3%[8]，人口和資產(chǎn)將有可能快速向高風險區(qū)集中，一旦超標準洪水發(fā)生，損失和影響將更為嚴重。因此，研究未來洪水風險如何變化，對清楚認識現(xiàn)狀防御體系的問題與短板，明確未來超標準洪水防御重點，提出具有針對性、可持續(xù)性的防御措施具有重要支撐作用。

長江流域中下游是我國經(jīng)濟社會發(fā)展最迅速、最具活力的重要防洪區(qū)之一。依靠流域防洪體系，長江中下游干流荊江河段防洪標準達到100 年一遇，配合荊江地區(qū)蓄滯洪區(qū)的運用，可防御歷史上發(fā)生的1860年、1870年特大洪水；城陵磯及以下干流河段通過干支流水庫調蓄，考慮蓄滯洪區(qū)的運用，可防御新中國成立以來發(fā)生的最大洪水(1954年洪水，最大30天洪量約200年一遇)[9]。本文以長江中下游干流防洪區(qū)為研究區(qū)域，綜合采用情景分析[10]、水文分析和洪水風險分析等方法，分析多種情景下流域超標準洪水可能造成的影響損失及變化趨勢，為流域制定長期可持續(xù)的應對未來變化條件下的防洪減災策略提供參考。

2 流域未來超標準洪水情景設定

我國研究學者應用全球氣候模式的預估結果數(shù)據(jù)，針對長江流域進一步耦合不同的區(qū)域氣候模式，并驅動水文模型，研究結果顯示，RCP 4.5情景下，極端降雨量(指每年日降雨量大于1961—1990年第90個百分位值的總降雨量)和降雨強度(雨天平均降雨量，即總降雨量/降雨天數(shù))在長江中下游北部地區(qū)呈顯著下降趨勢；而在長江中下游南部地區(qū)則呈顯著上升趨勢，極端降雨量變化幅度為4.40 mm/10 a，降雨強度變化幅度為13.63 mm/10 a；連續(xù)一天和五天最大降雨量在長江中西北部和長江中下游南部地區(qū)均表現(xiàn)出減少趨勢，其余地區(qū)則以增加趨勢為主。RCP 8.5情景下，各極端降水指標在2020—2099年均表現(xiàn)出微弱增加趨勢，而以長江中下游地區(qū)的增加趨勢最明顯[12]。在空間上，降水量增加較大的區(qū)域主要位于長江上游和東北部[13]。

IPCC第六次評估報告[7]繼續(xù)預測，在全球變暖4℃條件下(相對于1850—1900年)，長江流域河流流量總體呈增加趨勢，增加比例的中位數(shù)為16%。部分區(qū)域最大1日降雨量較1995—2014年增加20%～40%。到2071—2100年，低(SSP1-2.6，Shared Socioeconomic Pathways1-2.6)、中(SSP2-4.5)和高(SSP5-8.5)三種排放情景下我國長江中下游地區(qū)的河流洪水頻率相對于1970—2000年基本呈現(xiàn)增加趨勢，在中排放情景下，近一半?yún)^(qū)域的河流洪水重現(xiàn)期減小幅度達到5～25年(即洪水頻率增加0.2～0.04)。這意味著在不采取任何干預或提升措施的情況下，現(xiàn)狀100年一遇的設防標準在未來50年后可能降低為約5～20年一遇，超標準洪水更加易發(fā)頻發(fā)。

2.2 未來經(jīng)濟社會發(fā)展預測

2.2.1 未來經(jīng)濟預測 我國在2010年進入上中等收入國家之后，經(jīng)濟增速開始出現(xiàn)放緩，增速已經(jīng)從前三十年年均10%以上放緩至近三年平均4.5%。據(jù)預測，未來經(jīng)濟增速繼續(xù)放緩是必然，但增速放緩的幅度和程度取決于通過深化改革開放和鼓勵創(chuàng)新等措施提升全要素生產(chǎn)率帶來的經(jīng)濟潛力釋放的情況。并按基準、積極及消極三種情景來模擬未來2020—2050年的中國經(jīng)濟發(fā)展趨勢[14]。本文引用被認為是出現(xiàn)概率較高(50%以上)的社會經(jīng)濟基準趨勢預測成果開展超標準洪水的未來情景分析。在基準情況下，預計2021—2035年均經(jīng)濟增速為5%，2035—2050年均經(jīng)濟增速為3.8%。對于2100年的經(jīng)濟預測引用聯(lián)合國預測數(shù)據(jù)[15]，并考慮物價的變動情況，折算2050—2100年的年均經(jīng)濟增速為1.2%左右。

2.2.2 未來人口發(fā)展預測 對于我國未來人口預測的成果相對較多，本文引用中國宏觀經(jīng)濟研究院社會發(fā)展研究所趙玉峰的中長期人口發(fā)展趨勢研究成果[16]。其對于人口預測數(shù)據(jù)主要來源于三方面，一是中國人口與發(fā)展研究中心研發(fā)的人口預測軟件PADIS-INT對我國中長期人口發(fā)展變動情況的預測結果；二是聯(lián)合國人口司每隔兩年發(fā)布的《世界人口展望》，該報告對2019—2100年的全球及國家、地區(qū)層面的人口變化趨勢進行了預測；三是國內知名專家學者進行的人口預測。綜合三類人口預測數(shù)據(jù)并通過比對得出具有較好代表性的預測結果。中方案的人口預測顯示，現(xiàn)有人口政策下，未來我國人口(不包括香港、澳門特別行政區(qū)和臺灣省，下同)將持續(xù)增長一段時期，2035年將達到14.3億人，2050年降至13.7億人，2100年為9.8億人。

2.3 未來超標準洪水情景設定

2.3.1 氣候變化影響下的未來超標準洪水情景 根據(jù)氣候變化預估結果中到21世紀末各階段降雨和徑流的變化情況，針對長江中下游干流防洪區(qū)的1000年一遇超標準洪水，在現(xiàn)有洪水風險評估的邊界條件下，擬定三種不同程度的徑流量增加結果，即30天洪量分別增加5%、10%和15%，分別對應未來氣候變化條件下到2035年、2050年和2100年的三個典型情景。長江中下游不同河段現(xiàn)狀300年一遇和1000年一遇設計洪量[17]及未來情景下擬定增加的洪量見表1和表2。四個控制站在現(xiàn)狀條件下的1000年一遇洪量較300年一遇增加的比例介于7.53%～10.34%之間。這也從量級上反映出本文基于IPCC5的預測結果擬定的30天洪量增加5%、10%和15%的情景屬于較為極端且影響較大的未來情景。

表2 未來氣候變化條件下長江中下游干流防洪區(qū)1000年一遇超標準洪水新增淹沒洪量計算結果(單位：億m3)

2.3.2 基于社會經(jīng)濟發(fā)展的超標準洪水情景 有關長江流域經(jīng)濟和人口發(fā)展的預測研究成果較少。本研究中采用2.2節(jié)所述全國的經(jīng)濟平均增長率和人口平均變化幅度來表示長江中下游干流防洪區(qū)的未來經(jīng)濟人口發(fā)展狀況。與氣候變化情景相對應，社會經(jīng)濟發(fā)展也選擇2035年、2050年和2100年三個時間點擬定未來經(jīng)濟發(fā)展情景，具體方案為評估在現(xiàn)狀氣象水文和工況條件下的1000年一遇超標準洪水的淹沒，若經(jīng)濟狀況為2035年、2050年和2100年時其造成的洪災損失及人口影響，也即評估未來僅考慮經(jīng)濟社會的發(fā)展變化下超標準洪水的影響趨勢。

在臨床，癲癇患者合并抑郁的情況非常普遍，相關統(tǒng)計調查顯示［7］，25%～50%的癲癇患者伴有抑郁癥，但由于抑郁癥狀缺乏特異性表現(xiàn)，容易被漏診、漏治。目前癲癇伴發(fā)抑郁的確切發(fā)病機制尚不明了，但已有研究表明［8］，焦慮抑郁情緒可能是癲癇發(fā)作的誘因，兩者之間存在共同的生物學基礎，即與神經(jīng)遞質分泌減少有關。這種抑郁心境若未得到及時有效的干預治療，將對患者病情、日常生活，甚至是生命造成難以控制的影響，因此對癲癇伴發(fā)抑郁更要給予積極的治療［9-10］。然而由于病情特殊，加上老年患者機體各功能逐漸衰弱，對此類患者的治療一直是棘手的臨床問題［11］。

2.3.3 氣候變化和社會經(jīng)濟發(fā)展組合影響下的超標準洪水情景 組合未來氣候變化和經(jīng)濟社會發(fā)展的預測進行超標準洪水情景的設定。同樣選擇2035年、2050年和2100年三個時間點擬定未來超標準洪水情景。具體方案為評估在各時間點氣象水文及經(jīng)濟發(fā)展條件下，發(fā)生1000年一遇洪水的淹沒造成的洪災損失及人口影響。綜上，共設定了9個未來超標準洪水情景(見表3)進行洪水風險評估。方案一為現(xiàn)狀基準情景方案。

3 未來超標準洪水風險分析

3.1 情景方案淹沒分析針對長江中下游干流防洪區(qū)，分四個河段分別估計未來氣候變化情景下增加的超額洪量對防洪保護區(qū)淹沒程度和范圍的影響，即荊江河段、城陵磯河段、武漢河段和湖口河段、湖口以下河段。采用定性和半定量化的概化分析方法，假定增加的洪量中超過河道泄洪能力和蓄滯洪區(qū)分蓄洪能力的超額洪量，將會加劇防洪保護區(qū)的淹沒范圍。每個河段的超額洪量只淹沒于該河段外的防洪保護區(qū)內，且假定最終狀態(tài)下的平均淹沒水深較現(xiàn)狀防洪體系下的超標準洪水(超一個量級)基本不變，淹沒面積相應增大。以荊江河段為例，由于目前遇1000年一遇或1870年同大洪水，通過三峽水庫的調節(jié)，可控制枝城泄量不超過80000 m3/s，配合荊江地區(qū)蓄滯洪區(qū)的運用，可控制沙市水位不超過 45.0 m，保證荊江河段行洪安全。未來氣候變化條件下，隨著長江上游降雨和徑流的增加，按1000年一遇的30日洪量將增加10%估計，為159.9億 m3，已遠遠超過該河段4個分蓄洪區(qū)[18](即荊江分洪區(qū)、涴市擴大分洪區(qū)、虎西預備區(qū)和人民大院)的設計蓄洪容積(約72億 m3)，所以增加后的洪量中超過1000年一遇設計洪量的部分將可能淹沒荊江河段外5個防洪保護區(qū)(即荊江大堤保護區(qū)、松滋江堤保護區(qū)、荊南長江干堤保護區(qū)、下百里洲江堤保護區(qū)和南線大堤保護區(qū))的部分區(qū)域，水深按洪水風險圖編制成果中該區(qū)域潰堤后平均淹沒水深約5 m估計。其淹沒分析主要采用一、二維水力學模型方法，模擬保護區(qū)在長江干流發(fā)生超規(guī)劃防洪標準對應量級的洪水條件下，潰堤洪水的演進過程、淹沒范圍、最大淹沒水深、淹沒歷時等水力要素。

不同河段對應的防洪保護區(qū)及整個中下游防洪區(qū)在現(xiàn)狀條件下的淹沒總面積和未來情景下的淹沒情況見表4和表5?，F(xiàn)狀和未來不同情景下，洪泛區(qū)和蓄滯洪區(qū)的總淹沒面積均為11567.8 km2。經(jīng)分析得出：

表5 長江中下游干流防洪區(qū)現(xiàn)狀和未來情景下的1000年一遇超標準洪水淹沒情況表

(1)未來洪量增加5%的情景下(到2035年)，1000年一遇洪水防洪保護區(qū)淹沒面積由現(xiàn)狀的22344.8 km2增加到29607.2 km2，增加了32.5%。針對整個中下游防洪區(qū)(含洪泛區(qū)、蓄滯洪區(qū)和防洪保護區(qū)，下同)，1000年一遇洪水淹沒面積由33912.7 km2增加到41174.9 km2，增加比例為21.4%，占防洪區(qū)面積的比例為29.3%。

(2)未來洪量增加10%的情景下(到2050年)，1000年一遇洪水防洪保護區(qū)淹沒面積由現(xiàn)狀的22344.8 km2增加到39757.6 km2，增加了77.9%。針對整個中下游防洪區(qū)，1000年一遇洪水淹沒面積的增加比例超過了50%，達51325.3 km2，占防洪區(qū)面積比例為36.6%。

(3)未來洪量增加15%的情景下(到2100年)，1000年一遇洪水防洪保護區(qū)淹沒面積由現(xiàn)狀的22344.8 km2增加到49908.1 km2，增加了123.4%。針對整個中下游防洪區(qū)，1000年一遇洪水淹沒面積的增加比例超過了80%，達61475.8 km2，占防洪區(qū)面積的比例達43.8%。

未來隨著長江中下游河道進一步?jīng)_刷，到2032年，干流宜昌至大通河段累積總沖刷量為20.91億m3，從而引起河道槽蓄容積增加，河道安全泄量增大，長江中下游地區(qū)總超額洪量將會減小[19-20]。同時，隨著長江上游烏東德、白鶴灘，雅礱江兩河口、大渡河雙江口、資水金塘沖、澧水宜沖橋等長江干支流規(guī)劃水庫的建設，調蓄能力也會顯著增加，超標準的洪量有可能被水庫攔蓄或調節(jié)，在一定程度上可以減輕防洪區(qū)的淹沒和影響程度。本文按最不利的情景進行計算和分析。

3.2 情景方案影響損失分析結合現(xiàn)狀社會經(jīng)濟情況，參考洪水風險圖編制成果[21-22]，分別確定長江流域防洪保護區(qū)、洪泛區(qū)及蓄滯洪區(qū)單位面積上的洪災損失值和受影響人口，根據(jù)未來洪水情景的淹沒分析結果(方案二、方案三和方案四，表4和表5)，采用大尺度的洪水影響及損失評估方法[23]，評估長江中下游干流防洪區(qū)在未來不同情景下洪水造成的影響及損失情況見圖1和表6。經(jīng)分析得出：

表6 長江中下游干流防洪區(qū)各方案的洪水影響損失分析結果

(1)未來到2035年，防洪保護區(qū)1000年一遇洪水淹沒區(qū)人口將由現(xiàn)狀的1767.56萬增加到2177.37萬，增加了23.2%；洪災損失則由現(xiàn)狀的11207.54億元增加到15277.56億元，增加了36.3%。針對整個中下游防洪區(qū)，1000年一遇淹沒區(qū)人口由2326.38萬增加到2736.19萬，增加了17.6%；經(jīng)濟損失由12669.23億元增加到16739.25億元，增加了32.1%。

(2)未來到2050年，防洪保護區(qū)1000年一遇洪水淹沒區(qū)人口將增加到2937.79萬，較現(xiàn)狀增加了66.2%；經(jīng)濟損失增加到20281.92億元，較現(xiàn)狀增加了81.0%。針對整個中下游防洪區(qū)，1000年一遇淹沒區(qū)人口增加比例達50.3%，洪災經(jīng)濟損失的增加比例達到71.6%。

(3)未來到2100年，防洪保護區(qū)1000年一遇洪水淹沒區(qū)人口將增加到3698.22 萬，較現(xiàn)狀增加了109.2%；經(jīng)濟損失增加到25286.33億元，較現(xiàn)狀增加了125.6%。針對整個中下游防洪區(qū)，1000年一遇淹沒區(qū)人口增加比例達到83.0%，洪災經(jīng)濟損失增加了111.1%。

根據(jù)未來社會經(jīng)濟預測成果，對防洪區(qū)現(xiàn)狀單位面積淹沒區(qū)人口和單位面積損失值進行調整得到未來不同年份相應指標值，同時考慮未來洪水情景的分析結果，評估在未來氣候變化和社會經(jīng)濟發(fā)展組合情景下(方案八、方案九和方案十)，長江中下游干流防洪區(qū)1000年一遇超標準洪水造成的影響損失情況如下：

(1)在2035年氣候變化與經(jīng)濟社會發(fā)展組合情景下，防洪區(qū)內的淹沒區(qū)人口將由2326.38萬增加到2887.75萬，增加了24.1%；經(jīng)濟損失由12669.23億元增加到30532.84億元，增加了141%。

(2)在2050年氣候變化與經(jīng)濟社會發(fā)展組合情景下，防洪區(qū)內的淹沒區(qū)人口將增加到3535.64萬，較現(xiàn)狀增加52.0%；洪災經(jīng)濟損失將增加到52598.78億元，增加了315.2%。

(3)未來到2100年氣候變化與經(jīng)濟發(fā)展組合情景下，防洪區(qū)內的淹沒區(qū)人口為3064.93萬，較現(xiàn)狀增加31.8%；洪災經(jīng)濟損失將增加到87263.95億元，增加比例達588.8%。

各情景下長江中下游干流防洪區(qū)受災人口和經(jīng)濟損失主要發(fā)生在荊州、岳陽、仙桃、武漢、黃岡、黃石、九江、池州、安慶、蕪湖、銅陵、馬鞍山等地區(qū)。

4 結論

本研究基于IPCC氣候變化預估結果和國內外機構或學者對我國人口和經(jīng)濟的預測數(shù)據(jù)，綜合采用情景分析、水文分析、洪水淹沒和影響分析等方法，對長江中下游干流防洪區(qū)到未來2035年、2050年和2100年遭遇1000年一遇超標準洪水情景進行了風險分析，得到以下結論：

(1)僅考慮氣候變化影響時，長江中下游干流防洪區(qū)的淹沒區(qū)面積有可能由現(xiàn)狀的33912.7 km2增加到61475.8 km2，占防洪區(qū)面積的43.8%。對應受影響人口將可能達4257.04萬，較現(xiàn)狀增加83%，洪災經(jīng)濟損失較現(xiàn)狀增加1.1倍，達26748.03億。

(2)當綜合考慮氣候變化和社會經(jīng)濟發(fā)展的共同影響時，防洪區(qū)受影響人口最多是現(xiàn)狀的1.52倍，直接經(jīng)濟損失最高是現(xiàn)狀的6.89倍，超過8.7萬億。由此可見，現(xiàn)狀防御體系在面對未來極端的超標準洪水情景時更加脆弱。

(3)考慮到未來長江中下游河湖水系的蓄泄關系變化，總超額洪量將會有所減小。另外，隨著長江干支流規(guī)劃水庫建設，調蓄能力顯著增加，超標準的洪量有可能通過水庫攔蓄或調節(jié)，進而減輕對中下游的淹沒和影響。