抚河尾闾抚东堤防洪保护区洪水风险分析

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(1.长江科学院 水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉　430010; 2.江西省水利厅，南昌　330009)

1　研究背景

洪涝灾害是江西省发生最频繁、分布最广泛的自然灾害，历来是社会经济发展的心腹之患。面对严峻的防洪形势和工程防洪能力难以进一步显著提高的现实情况，分析洪水风险并将其应用到洪水风险管理实践中[1-6]，对于提高江西防洪减灾能力、减轻或避免生命财产损失是非常必要和迫切的。

抚河是鄱阳湖水系的主要河流之一，位于115°30′E—117°10′E，26°30′N—28°37′N之间，主河源出于赣、闽边界武夷山西的广昌县梨木庄，主河道长348 km。流域面积16 493 km2，约占鄱阳湖流域总面积的10%，水资源十分丰富。抚河干流以南城和抚州为界，分为上、中、下3段。从河源至南城长度158 km，河宽200～400 m，为上游段；南城至抚州长77.4 km，河宽400～600 m，为中游段；过抚州汇入临水支流后进入下游平原区，河宽增大，为400～1 000 m。抚河干流在李家渡以下55 km注入鄱阳湖的西南湖汉青岚湖。

鄱阳湖区保护耕地面积在1万亩(1亩≈666.67 m2)以上的圩堤共计86座，堤线长度2 241 km，保护耕地561.51万亩，保护人口667.81万人；保护耕地面积在3 000～10 000亩的圩堤69座，堤线长度219.51 km，保护耕地24.54万亩，保护人口26.14万人。抚东大堤是鄱阳湖保护耕地10万亩以上重点圩堤之一，虽然经2004年竣工的鄱阳湖区二期防洪工程第1个单项工程——抚东大堤除险加固工程实施之后，圩堤已达到鄱阳湖区重点圩堤的防洪标准(20 a一遇标准)。

然而，抚河下游分汊道段多，与清丰山溪水流相串通，水流紊乱，且焦石水利枢纽工程的修建改变了下游水沙条件和引起河床再调整。水文情势的变迁，必然引起抚河尾闾河道水力特性的变化，进而对河床演变和河势稳定带来影响，同时圩堤尚存在较多的险工险段，增大了洪水灾害发生的可能性，而一旦发生洪水灾害，后果严重。因此，以抚东堤防洪保护区为例，通过数学模型计算研究了抚河尾闾在标准内(20 a一遇)和标准外(50 a一遇)洪水条件下的风险情况。

2　研究区域概况

2.1　地理位置

抚东堤防洪保护区位于抚河下游东岸，进贤县西南部，该防洪保护区西面以抚东大堤为边界，其他方向以自然高地为边界，保护面积约134.2 km2。其中，抚东大堤南起柴埠口，经焦石、李家渡、温家圳、梁家渡，北止架桥乡谭家村北，堤线全长52.21 km，圩堤目前防洪标准为20 a一遇，圩内保护着李家渡、文港、温圳、泉岭、架桥及省红壤站等乡镇场，如图1所示。

图1　抚东堤防洪保护区地理位置示意图

2.2　社会经济情况

抚东堤防洪保护区主要涉及进贤县李家渡、文港、温圳、泉岭、架桥、张公等乡镇场，保护面积134.2 km2，保护耕地12.53万亩，保护人口32.5万人，圩区2014年GDP为100.65亿元。

2.3　历史灾害情况

抚东防洪保护区分别于1961年、1962年、1968年、1982年、1986年、1988年、1995年、2010年发生洪水灾害事件，给保护区人民生命财产造成了严重的威胁，并制约了保护区经济的发展。其中，1962年5月28日，李家渡水位32.09 m，梅村、判穴、桂家、曾湾和枫树5处堤决口。最严重的一次发生在1998年6月中旬—7月上旬，连降暴雨511 mm；1998年6月12—13日，日降雨强度>200 mm，是历史降雨强度最高记录，江河湖库水位猛涨，抚河李家渡洪峰水位高达33.08 m，超过警戒线2.58 m，比历史最高水位高0.37 m。全县27个乡镇，267个村委会，1 894个自然村39 812户，191 100人受灾。受灾总面积316 798亩，房屋被淹2 137幢，损坏公路49 030 m，直接经济损失1.95亿元。

3　分析方法

3.1　计算方法

本项目需要计算抚东堤防洪保护区溃堤洪水演进，涉及抚河河道与保护区之间的复杂水力关系，对洪水的到达时间、洪水流速、淹没水深、淹没历时等风险要素进行计算。

由于水力学法能准确模拟溃堤洪水的动态演进过程，并能提供较为详细的水位、流量、流速及其随时间的变化过程，非常适合本项目工作需求。同时，由于抚河(李家渡—青岚湖)河段的实测河道地形资料、水文资料、防洪保护区地形资料等基础资料较为翔实，具备水力学建模条件，因此，本项目选择水力学法进行洪水风险分析，对抚河河道洪水演进采用一维水动力学模型，对于防洪保护区洪水演进采用平面二维水动力学模型进行洪水分析。

3.2　计算模型

洪水分析模型软件的选择主要根据研究目标需求，以及模型软件的通用性、建模的便捷性、计算的稳定性和高效性、模块的可扩展性等方面来进行综合衡量选择，综合考虑选用具有计算稳定、精度高、可靠性强等特点的MIKE软件进行计算。对于一维河道的溃堤设置，MIKE11提供了专门的溃坝模块，针对防洪保护区内的道路、桥梁、堤防等构筑物，MIKE21不仅提供了堤防、桥墩等专门的构筑物模块，而且提供了MIKE FLOOD作为河道一维MIKE11和保护区平面二维MIKE21的耦合模拟平台，可以非常方便地实现一维、二维模型的动态耦合模拟。将一维模型和二维模型耦合。

3.2.1模型计算范围与网格划分

3.2.1.1模型计算范围

抚东堤防洪保护区洪水分析计算采用一维、二维耦合模型进行计算分析。抚河采用一维河网模型进行计算分析，计算范围为：李家渡水文站上游至青岚湖入口上游长约50 km的河段；保护区采用二维模型进行计算分析，计算范围为整个抚东堤保护区约134.2 km2的区域[7]。

3.2.1.2网格划分

对于一维河道计算网格剖分，根据抚河干流河道走向和控制节点的分布情况，确定河道横断面位置，河道洪水的计算断面间距与河宽相匹配，本次一维河道共布置74个断面，断面间距为200～1 130 m。

对于二维模型中网格剖分，以抚河干流左岸堤防和右岸抚东堤防洪保护区的计算范围作为网格剖分的边界约束条件，将高速公路、内河堤防、铁路等阻水建筑物作为网格剖分的内部约束条件，进行网格剖分。网格按照沿河道方向网格长20～100 m，沿河宽方向网格长10～20 m进行划分。共划分54 474个单元格，27 902个网格节点。对于河道形态变化显著的河段和有工程的位置，网格再进行适当加密。

3.2.2设计洪水

由于抚东防洪保护区受抚河来水和鄱阳湖水体顶托双重影响，洪水来源考虑鄱阳湖洪水和抚河洪水。此次计算洪水量级根据防洪工程现状，外河抚河考虑标准内(20 a一遇)和标准外(50 a一遇)洪水。鄱阳湖考虑历史大洪水的水位为1954年型设计洪水水位[8]。同时为了最大限度地考虑不利因素，本文考虑湖洪与河洪遭遇的情况，即2010年型抚河来水与下游长江发生1954年型洪水的情况，具体为：

(1)抚河洪水量级为20 a一遇(2010年型)，同时鄱阳湖遭遇1954年型设计洪水；

(2)抚河洪水量级为50 a一遇(2010年型)，同时鄱阳湖遭遇1954年型设计洪水。

3.2.3溃口设置方案

溃口一般选择历史溃口处、堤防防渗结构薄弱环节处以及溃口后造成重大影响处。根据历史溃口、险工险段和防洪保护区内地形条件，沿抚东堤自上而下设置3个溃口，分别为李家渡水文站下侧(桩号7+800—8+100)、白沙综合场(桩号28+600—900)、彭中闸上侧(桩号42+700—43+000)，地理位置如图1所示。

溃口发展过程拟定为：初始时刻溃口宽度及深度分别为最大溃口宽度和深度的1/5，之后随时间线性扩展至最终溃口尺寸，堤防溃口坡度均设定为1∶2。

结合历史资料和相关研究报告计算结果确定溃口宽度。依据江西鄱阳湖流域堤垸历史大洪水溃决溃口情况的统计数据，其中，1998年洪水江西省5万亩以上堤垸三角圩溃口400 m、江新洲圩溃口300 m、中潢圩溃口60～300 m，其他堤垸溃口宽度2～400 m;并结合2013年赣抚大堤洪水风险图编制项目成果(300～400 m)，考虑不利情况，初步拟定抚东堤防洪保护区各溃口宽度为300 m。

溃口发展时间则结合2013年赣抚大堤洪水风险图编制项目审查成果确定为7 h。

3.2.4计算方案和边界条件

3.2.4.1计算方案

根据数学模型验证的需要及前述的设计洪水和溃口方案，共设置7个计算方案，详见表1。

3.2.4.2边界条件

当抚河洪水量为设计(20 a一遇、50 a一遇)洪水(2010年型)，鄱阳湖遭遇1954年型设计洪水时，一维模型上边界取李家渡水文站设计洪水流量过程，下边界水位过程由温家圳和三阳水位站水位插值得到，如图2所示。

表1抚东堤防洪保护区洪水分析计算方案

Table1ComputationscenariosoffloodanalysisforFudongdikefloodcontrolarea

方案编号方案名称洪水条件溃口名称溃口宽度/m溃口历时/h1FH20LD2FH20BS3FH20PZZ抚河发生2010年型20 a一遇洪水,同时鄱阳湖遭遇1954年型设计洪水李家渡水文站下侧3007白沙综合场3007彭中闸上侧30074FH50LD5FH50BS6FH50PZZ抚河发生2010年型50 a一遇洪水,同时鄱阳湖遭遇1954年型设计洪水李家渡水文站上、下侧3007白沙综合场3007彭中闸上侧30077YZ2012年5月1日至9月30日的实测洪水过程

图2　一维模型上、下边界条件

抚东堤防洪保护区内采用二维水动力学模型进行计算。其中在河道洪水分析计算中，二维水动力学模型在完成相关参数设置后，与一维河道水动力学模型通过溃口(或闸、泵站)处流量过程进行耦合连接，连接方式采用侧向连接方式，溃口处流量过程作为一维分流过程和二维入流过程边界。

图3　李家渡站2012年洪水水位实测值与计算值对比

4　洪水风险要素综合分析

4.1　模型验证

4.1.1水位验证

选取2012年实测洪水资料验证。模型验证流量取李家渡水文站2012年5月1日至9月30日的实测洪水过程；下边界水位根据同时间段温家圳和三阳水位站水位插值得到。李家渡水文站的计算结果与实测数据对比见图3。根据计算结果可知，2012年洪水期间模型验证水位计算值与实测值之差在-0.13～0.11 m之间，计算结果表明模型验证计算精度较高，满足模型计算要求。

4.1.2水量平衡

对各方案的一维和二维水量平衡进行了统计分析，结果见表2、表3。由表2和表3可知，各方案一维和二维计算水量误差否均在1%之内，由此可知，洪水模拟结果基本合理。

表2　一维计算水量平衡分析

表3　二维计算水量平衡分析

4.2　洪水演进过程

由于抚东堤防洪保护区内地形起伏较大，不同溃口发生溃决后，淹没过程有很大的不同。上段李家渡水文站溃口发生溃决后，首先淹没溃口附近区域，而后洪水向地势较低的上游移动，上游淹没后逐渐扩展至下游，最终淹没李家渡镇、温圳镇、文港镇、张公镇、架桥镇、长山晏、泉岭乡；中段白沙综合场溃口发生溃决后，洪水主要向地势较低的下游，最终淹没温圳镇、文港镇、泉岭乡；下段彭中闸溃口发生溃决后，受地形起伏的影响，至洪水过程结束，洪水淹没架桥镇、泉岭乡2乡。

受限于文章篇幅，仅以李家渡水文站下侧溃口在20 a一遇水文条件下发生溃决为例，简要介绍其洪水演进过程，最初溃口3 h内洪水只淹没到溃口附近的排楼村部分区域范围；溃口后12 h，洪水到达上朱村；溃口后24 h，洪水到达杨溪村；溃口后48 h，洪水到达泉岭乡梁东村；至溃口后72 h，洪水淹没范围未进一步扩大，如图4所示。

图4　20 a一遇洪水李家渡水文站上、下侧溃口洪水 到达时间

4.3　淹没面积和淹没水深

对抚河洪水各溃堤方案成果不同洪水量级之间进行对比分析，各方案的洪水淹没面积见表4。从表4中可以看出，6种溃口方案中，抚东堤防洪保护区的最大淹没水深介于4.81～7.73 m之间，淹没面积介于6.78～106.72 km2之间，变化较大，其中李家渡水文站下侧溃口发生溃决时淹没面积和最大淹没水深均最大，主要原因是抚东堤保护区属于山区地带，地势高低起伏，有冲沟及高山存在，从而造成不同位置的溃口所产生的淹没面积变化较大。

表4　抚东堤保护区计算方案淹没面积统计

4.4　洪水影响分析

根据6组方案洪水分析计算结果及区域社会经济情况，并结合保护区地物分布和洪水特点，首先，将淹没水深等级划分为5级：[0.05,0.5)m，[0.5,1.0)m，[1.0,2.0)m，[2.0,3.0)m，≥3.0 m；然后，按水深、按行政区域分别统计各方案的淹没区人口、淹没农田面积、淹没房屋面积、受影响公路长度、受影响铁路长度、受影响人口总数、受影响GDP等社会经济指标，统计结果见表5。

表5　抚东堤防洪保护区洪水影响统计结果

根据表中的计算结果可知，抚东堤防洪保护区遭遇50 a一遇外河洪水叠加鄱阳湖遭遇1954年型设计洪水条件下，李家渡水文站下侧溃口发生溃决时，抚东防洪保护区受影响最大，受影响耕地、人口、GDP分别为68.8%，17.2%和39%。

5　结论与建议

5.1　结　论

当抚东防洪保护区的堤防发生溃决后，不同位置的溃口其洪水淹没范围、淹没水深和受影响程度是不一样的，影响最大的是李家渡水文站下侧溃口在50 a一遇洪水叠加鄱阳湖遭遇1954年型设计洪水条件下发生溃决，受影响耕地、人口、GDP分别为68.8%，17.2%和39%。

5.2　建　议

一旦抚东防洪保护区堤防发生溃决，会造成较大影响，建议在可能受灾较严重的李家渡镇、温圳镇、文港镇和泉岭乡及时建设安全台、安全区等安全设施，同时做好这些乡镇的防洪预警、及避险演练工作，以便在堤防突然破溃时，能够实现人口的迅速安全有序转移。同时考虑到抚东堤防洪保护区内高速公路较多，且路基高程高，受洪水影响较为滞后，但由于高速公路的封闭性及入口较少，避险转移时难以发挥作用。建议进一步探讨高速公路如何作为避险转移道路使用的问题。