区域洪水风险管理模型构建及应用

刘柏君，雷晓辉，权 锦，王 浩

(1.河海大学水文水资源学院，南京 210098； 2. 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

水资源作为重要的基础自然资源之一，其在自然界中的总量是有限的，且由于气候和地理条件的限制，不同地区的水资源量相差很大，造成了我国出现南水多北水少、水资源时空分布不均的局面出现，给水资源的管理带来了很大的困难。随着人类活动的频繁和气候变化的剧烈，在变化环境的大背景下，我国很多区域都出现了水资源变异的问题，特别是洪涝灾害频发的长江流域，存在着不同类型和不同程度的洪灾风险，且洪水发生的频率高、范围广、灾害重、经济损失大，严重威胁着社会经济的可持续发展和人民生活财产安全，给区域水资源保护、水资源配置等工作带来了巨大挑战。近年来，国内外的专家学者利用多种方法与建模等手段，从区域洪水灾害评价、区域洪水风险评价、洪水风险管理及洪水风险图编制等多方面对洪水问题进行了大量研究[1-10]，还有学者专门对荆江-洞庭湖复杂河网洪水演进过程进行了研究[11]，极大地丰富了洪水管理的研究成果。但是，针对包含分洪区在内的区域洪水风险管理的研究却不多。特别地，基于风险的洪水资源管理是变化环境下的必然选择[12]。分洪区在区域洪水管理中具有至关重要的作用，而大量级或大流量洪水引起的堤坝溃口问题在很大程度上增加了洪水的风险性，如何在此情势下利用模型准确模拟出洪水演进过程并评价洪水影响，值得深入的研究。因此，本文通过构建长江中下游荆江河段区域洪水风险管理模型，模拟防洪大堤出现溃坝情况后区域内不同洪水情势下洪水流动状态，分析洪水演进过程中所带来的风险及风险分布特征，评价区域洪水风险的影响，从而有效降低洪水风险，并针对新形势下防洪减灾措施的制定起到决策辅助作用，以期为区域洪水风险管理提供有效的技术支持。

1 模型原理

针对区域构建的洪水风险管理模型，包含洪水演进子模型与洪水影响评价子模型。洪水演进子模型由基于区域特性所构建的MIKE11一维水动力模型和MIKE21二维水动力模型耦合而成；洪水影响评价子模型，即利用洪水演进模型所计算的洪水淹没范围、淹没水深及淹没时长，通过访问调查建立水深-损失曲线[13]，从而基于灾情评估(含受灾人口、受淹总面积、受淹耕地面积、受淹道路长度)和经济损失评估(含居民财产损失、工业损失、农业损失、商贸业损失、道路损失)两方面对洪水影响进行评价(区域洪水风险管理模型框架见图1)。其中，受灾人口采用如下公式进行计算[14]：

(1)

式中：Pe为受灾人口；Ai,j为第i行政单元第j块居民地受淹面积；di,j为第i行政单元第j块居民地的人口密度；n为行政分区数；m为居民地块数。

2 模型构建及应用

2.1 研究区域概况

位于湖北省的荆江河段地处长江流域洪涝灾害分布的中心地带，是长江中下游洪水灾害最为严重区域。由北侧长江干流、东侧长江干流、南侧藕池河、安乡河与西侧虎渡河所环绕的荆江分洪区(见图2)地处湖北省公安县，北纬29.50°～30.38°N，东经111.23°～112.80°E，高程自北向南递减。分洪区面积为921.34 km2，设计蓄洪水位42.00 m，有效蓄洪量为54亿m3，主要用于调蓄荆江河段的超限洪水，从而确保荆江大堤安全，降低武汉市和洞庭湖区的洪水威胁。区域地处湿润区，属于中北亚热带气候，多雨水且降雨集中，年均降水量为1 125～1 190 mm，汛期在5-10月，7、8月为主汛期，期间降水量站全年降水量的30%～55%。年均气温为16.2～16.6 ℃，多年平均日照时数为1 798.3～1 845.7 h，年均风速2.1～2.8 m/s，夏季多南风，冬季多西北风。地区汛期在5-10月，7、8月为主汛期，期间降水量站全年降水量的30%～55%。区域内的荆南长江防洪干堤、虎东防洪干堤和南线防洪大堤(见图2)在1884-1954年分别出现了15次、17次和4次的漫溢。气候变化和人类活动的双重影响给区域洪水风险管理的增加了不少困难[15]。

图2 荆江分洪区Fig.2 Flood-Diversion Area of Jingjiang (FDAJJ)

2.2 洪水演进子模型构建

荆江河段水系众多，入流和出流条件复杂，单一的水动力模型无法准确的模拟出洪水演进特征。因此，本文利用MIKE11-MIKE21耦合模型[16,17]模拟区域洪水演进过程。模型研究区域[概化图可见图3(a)]包含荆江分洪区、长江干流(枝城-监利水位站段)、沮漳河(作汇流点)、松滋河(松滋口-新江口水文站段及松滋口-沙道观水文站段)、采穴河、虎渡河(藕池口-康家岗水文站段及藕池口-管家铺水文站段)和藕池河(太平口-南闸段)。

图3 研究区域处理图Fig.3 The processed picture of study area

(1)网格划分及断面设置。采用三角形网格将荆江分洪区划分出63 601个网格[见图3(b)]，最小网格面积为550 m2，最大为42 659 m2，以便MIKE21模型计算。同时，将研究区域内的河网进行断面设置，其中，长江干流段利用2010年实测断面资料设置143个断面，虎渡河段、松滋河段、采穴河段和藕池河均利用2009年实测断面资料分别设置57个、32个、27个和16个断面[见图3(c)]，以便MIKE11模型计算。

(2)模型初始条件与边界条件。对于模型初始条件的设定，根据相关研究[18,11]，分洪区内高程低于33.40 m的网格单元，初始水位就取33.40 m，初始流速取0；分洪区内高程高于33.40 m的网格单元，初始水位取实际高程，初始流量同样取0。

对于长江干流，选择枝城站流量过程和监利站水位过程作为MIKE11模型的上、下外边界条件；对于沮漳河，选择1 818、1 300、1 300 m3/s分别作为100、200、1 000年一遇洪水的入流边界条件；对于松西河和松东河，分别选择新江口站水位流量关系和沙道观水位流量关系作为出流边界条件；对于虎渡河，选择南闸水位流量关系作为出流边界条件；对于藕池河，选择康家岗、管家铺水位流量关系作为出流边界条件；对于荆江分洪区，选择44.5、45.0、45.22 m分别作为100、200、1 000年一遇洪水的外边界条件。特别地，区域内安全区可以去除，不作为内边界条件参与计算；区域内江心洲，不考虑其阻水作用；区域内道路、渠道和河道，需要分别对局部网格地形与局部糙率进行修改。

(3)模型率定与验证。MIKE11模型分别采用长江干流石首、新厂、郝穴、沙市、陈家湾、马家店、枝城、监利站2010年7月18日-8月2日和2012年7月17日-8月7日的洪水实测流量、水位资料进行糙率的率定和验证。有结果可知，各站点2010年最大水位差为13.4 cm、流量最大变差为2.38%，2012年最大水位差为20.0 cm、流量最大变差为1.20%。水位误差绝对值均在20 cm内，最大流量相对误差均在10%内，说明糙率取值合理，模型可用于河网的模拟计算。率定和验证后的糙率为，荆江干流枝城-城陵矶主槽糙率为0.020，边滩为0.025；虎渡河、松滋河、藕池河主槽糙率为0.024，边滩为0.033。

荆江分洪区只存有1954年7月22日至8月22日分洪运行的资料，区域内已发生较大变化，不能用于MIKE21模型的率定与验证。因此，可以通过糙率敏感度分析[19]，验证北闸流量相对误差，并与1954年资料对比淹没面积、淹没深度的合理性，从而率定并验证模型糙率的可靠性。结果显示，北闸流量相对误差为2.35%，小于10%，且淹没面积、淹没深度在1954年资料的有效范围内，说明糙率取值合理，模型模拟结果可靠。率定和验证后的糙率为，水田0.050，鱼池0.040，旱地0.065，树林0.070及房屋0.085。

2.3 洪水演进-洪水影响评价模型耦合

将洪水演进子模型模拟的洪水变化过程特征作为与洪水影响评价子模型的耦合点，即组成输入-输出模型格式，实现模型间的数据传递，从而完成区域洪水风险模型的构建。

2.4 洪水情势设定

根据荆江河段堤防地质条件、河势变化和历史情况，选择荆南长江干堤上的麻豪口镇郑河村、二圣寺电灌站、埠河镇水德寺村和虎东干堤上的埠河镇群义村共四处为可能溃口点。由于三峡工程在2010-2014年年均正常蓄水位达到175.0 m，在很大程度上改变了荆江地区防洪形式，因此，设定三峡调蓄后100年一遇、200年一遇和1 000年一遇作为各可能溃口点的洪水情势。

3 模型结果与讨论

3.1 洪水演进过程分析

本文选取水德寺(见图2)为例进行洪水演进分析，假设洪水预报长江干堤水德寺外江在2015年8月3号将发生了100年一遇或200一遇洪水，且发生大堤溃决，洪水演变过程见图4，颜色越浅水越深，其中，图4(a)～图4(d)分别为荆江分洪区在100年一遇洪水情况下分洪后10、20、50、110 h的水深分布情况，图4(e)～图4(h)分别为荆江分洪区在200年一遇洪水情况下分洪后10、20、50、90 h的水深分布情况。水德寺100年一遇洪水情况下，分洪总历时为231 h，蓄洪量为53.96亿m3，洪水由水德寺溃口流入分洪区，逐时向南流动，第10 h，洪水前缘到达新红；第11～20 h，新红积聚部分洪水，最大水深为6.0 m，且部分洪水继续流向青华寺方向，后经过马家咀狭窄收缩段，往黄金口快速推进；第21～50 h，洪水沿陆逊湖、崇湖边线迅速推进，此时崇湖最大水深为5.5 m；第51～110 h，洪水先向黄天湖推进，随后淹没崇湖东北部近公安县区域地市较高的沿江一代，此时黄天湖最大水深为6.5 m；大约115 h后，洪水完全淹没荆江分洪区，如若水德寺溃口还未完全封堵，分洪区全区水位还会持续抬高。水德寺200年一遇洪水情况下，分洪总历时为184 h，蓄洪量同为53.96亿m3，除第11～20 h间新红由于洪水积聚的最大水深为6.5 m及洪水完全淹没荆江分洪区的时间为115 h跟100一遇洪水不同外，其余洪水演进过程均相同。从图4还可以看出，不论100一遇还是200年一遇洪水，距离入口近的地方水深大，流速大，且在地势低但地势起伏不显著的地区如新红、青华寺、崇湖和黄天湖等，流速都比较平稳，但水深均超过了6 m，这些地区的安全水深在4.5～5.0 m，必然会出现漫堤现象，洪水风险较大；而地势高的地区如公安县等，洪水到达时间晚，水深值小，基本不受洪水威胁。

3.2 洪水影响评价分析

由表1中的洪水影响评价结果可知：①各可能溃口点在不同洪水情势下，区域内受灾人口均在50万人上下，受灾人口较多。由于区域内人口较密，一旦荆江河段防洪大堤出现溃口情况，势必威胁到人民财产安全，风险性较大；②水德寺在不同洪水情势下，基本淹没了荆江分洪区，说明洪水在水德寺发生溃口会造成区域受淹最严重，即对区域产生的影响最大，需要重点巡护；③由于区域内农业用地比重大，且农作物具有高灾损的特点，农业损失最为严重；区域内工业、服务业大部处在安全高程，相应损失较农业少了很多，此外，区域内道路、铁路数量不大，因此损失较小。综上所述，通过对模型结果的分析与讨论可知，模型模拟与洪水影响评价结果与实际情况相吻合，说明模型可靠、实用、合理。

图4 荆江分洪区不同时刻水深分布Fig.4 Water depth distribution of FDAJJ in different times

洪水情势(一遇)水德寺1002001000郑河村1002001000二圣寺1002001000群义村1002001000受灾人口/万人50．4950．4950．4748．7949．2250．2850．2550．0250．2650．3050．3150．32淹没总面积/km2893．77893．77893．77857．39866．20889．67889．06884．17889．42889．74889．81890．47淹没耕地面积/万hm25．915．915．915．605．675．875．865．825．875．875．875．88淹没公路长度/km102．43102．43102．4398．01100．20102．43102．43102．43102．43102．43102．43102．43淹没铁路长度/km33．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．2733．27居民财产损失/亿元15．2015．3415．4313．8714．1314．7214．7014．6114．7014．7414．7414．73工业损失/亿元48．4748．6148．7047．1447．4047．9947．9747．8847．9748．0148．0148．00农业损失/亿元27．5127．6727．8125．4025．7826．7726．7416．6026．7426．7926．8026．81商贸业损失/亿元75．9876．2876．5172．5473．1874．7674．7164．4874．7174．8074．8174．81道路损失/亿元4．664．664．674．314．394．594．584．574．584．594．594．59

4 结 语

洪水自身具有的风险性与不确定性[20,21]，如实际的洪水过程中，100年或200年一遇的洪水可能会因为水量大但流量不大的现象并未造成大堤溃口，也会因为水量小但流量大的现象瞬时冲垮堤防混凝土，造成堤防设施漂浮等种种问题，往往会造成防洪减灾工作中难以准确模拟洪水演进过程，从而无法客观合理地评价洪水影响，严重威胁区域安全。通过区域洪水风险管理模型的构建及应用，准确推演出堤坝溃口条件下区域洪水变化过程，评价出洪水对区域内各要素的影响。所构建的模型可靠、实用且结果合理，能够有效支持水利和防汛部门制定防汛应急预案、部署防洪行动、洪水灾情评估、开展防洪工程规划-建设-管理等工作，为区域防洪提供了一定的技术支撑。但是，随着预报技术的发展，洪水风险管理会增加对预报信息的依赖，然而，预测洪水较小时，会引起防洪准备不足、大堤溃口、应急响应缓慢等问题的出现，从而在很大程度上威胁人民生命安全，造成巨大的经济损失；相反，预测洪水较大时，制定的防洪预案无需实施，在一定程度上会造成人力财力资源的浪费。因此，如何在不确定性条件下进行区域洪水风险管理将是未来研究工作的重点。

□

[1] 张继国,王慧敏.基于信息扩散原理的区域洪水灾害风险评价模型[J].水资源与水工程学报,2010,21(5)：37-39.

[2] 李帅杰,谢映霞,程晓陶.城市洪水风险图编制研究----以福州为例[J].灾害学,2015,30(1)：108-114.

[3] 尚锦山,郑晓齐.洪灾决策方法研究[J].水电能源科学,2008,26(1)：60-62.

[4] 付 湘,谈广鸣,纪昌明.洪灾直接损失评估的不确定性研究[J]. 水电能源科学,2008,26(3)：35-38.

[5] Qiong Li, Jianzhong Zhou, Donghan Liu, el al. Research on flood risk analysis and evaluation method based on variable fuzzy sets and information diffusion [J]. Safety Science, 2012,50(5):1 275-1 283.

[6] 付意成,魏传江,王启猛，等.区域洪灾风险评价体系研究[J]. 灾害学,2009,24(3)：27-32.

[7] 史光前,陈 敏.试论长江流域洪水灾害风险管理[J]. 人民长江,2006,37(9)：10-12.

[8] 蒋卫国,李 京,武建军，等.区域洪水灾害风险评估体系-模型与应用[J].自然灾害学报,2008,17(6)：105-109.

[9] 程先富,戴梦琴,郝丹丹.区域洪涝灾害风险评价研究进展[J].安徽师范大学学报(自然科学版),2015,38(1)：74-78.

[10] 邹 强,周建中,周 超，等.基于最大熵原理和属性区间识别理论的洪水灾害风险分析[J].水科学进展,2012,23(3)：323-332.

[11] 谢作涛,方红卫,仲志余.荆江-洞庭湖复杂河网洪水演进数学模型研究[J].泥沙研究,2010,(6)：38-43.

[12] Borgomeo E, Hall J W, Fung F, et al. Risk-based water resources planning: incorporating probabilistic nonstationary climate uncertainties[J]. Water Resources Research, 2014,50(8):6 850-6 873.

[13] Baro Suarez J E, Diza Delgado C, Esteller Alberich M V, et al. Economic flood loss estimation curves for Mexican rural and residential areas, part 1: methodology proposal [J]. Ingenieria Hidraulica en Mexico, 2007,22(1):91-102.

[14] Todorovic P, Rousselle J. Some problems of flood analysis [J]. Water Resource Research, 1971,7(5):1 144-1 150.

[15] 李原园,文 康.防洪若干重大问题研究[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

[16] Danish Hydraulic Institute(DHI).MIKE11: a modeling system for rivers and channels，reference manual[R].Copenhagen:DHI,2007.

[17] Danish Hydraulic Institute(DHI).MIKE21: environmental hydraulics user guide[R]. Copenhagen:DHI,2005.

[18] 宋利祥.溃坝洪水数学模型及水动力学特性研究[D].武汉:华中科技大学, 2012.

[19] Rodi W. Turbulence models and their application in hydraulics----a state of the art review[M]. Special IAHR Publication, 1980.

[20] Ashkar D R. Seasonality of flooding and the assessment of flood risk[J]. Proc.Inst.Civ.Eng., 1981,70:1 023-1 035.

[21] Futter M R, Mawdsley A V. Short-term flood risk prediction: a comparison of the cox regression model and a distribution model [J]. Water Resource Research, 1991,27(7):1 649-1 656.