基于洪水影响和损失风险期望的新宁县城防洪标准初步研究

黄启有，吴艳红，黄文衡

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

GB 50201—2014《防洪标准》规定[1]：城市防护区应根据政治、经济地位的重要性、常住人口或当量经济规模指标，确定防护等级和防洪标准。实际工作中由于相应标准的洪水淹没范围、影响人口、洪灾可能造成的损失等指标往往较难得到，使得大多数城市仍以城市整体指标作为确定防洪标准的依据。城市洪水影响和损失，除与洪水大小有关外，城市地形地势条件也是一个重要的因素，决定了洪水淹没范围及损失程度，以城市整体指标确定城市防洪设防标准的方法，存在较大程度的不确定性。本文以夫夷水新宁县城区域为研究对象，基于洪水影响和洪灾损失风险期望，对新宁县城防洪标准进行了初步研究。

新宁县城位于湘西南边陲[2]，夫夷水左岸，主要辖金石镇，总人口约8.2万人，按照国家标准，属一般城市，防洪标准为20年至50年一遇。县城东、西、南三面被夫夷水环绕(图1)，呈“马蹄形”[3]，主城区地势北高南低，顺河流走向解放路以南沿河一带地势低洼，现状无堤防防护，部分河段甚至低于5年一遇标准，洪水风险突出。

图1 新宁县城区位

1 洪水风险分析

1.1 暴雨洪水特性

夫夷水为资水一级支流，资水南源，资水广西资源—新宁—邵阳洞口黄桥一带，是流域的3个暴雨中心之一[4]。夫夷水新宁以上控制流域面积2 456 km2，流域内暴雨频发，雨量集中，县城多年平均降雨1 403.5 mm，年内分配不均，4—6月占全年的41.7%，暴雨多为锋面雨，少数为台风雨；流域内实测最大1 d雨量400.1 mm。受流域内地形地势影响，洪水陡涨陡落，峰高量小。最大洪水一般出现在5—7月，具有明显的陡涨陡落特性，变幅较大，洪水过程以单峰为主，有时呈复峰，一次洪水一般在2～3 d。新宁站实测最大流量3 450 m3/s，出现在2017年7月1日。

1.2 设计洪水及水位

新宁水文站位于夫夷水新宁县城河段观瀑桥上游约180 m，有1958—2017年共60 a实测洪水资料，考虑1864、1898、1918、1924、1949年历史调查洪水，并将2017年实测最大洪水按特大值处理，统一进行排位，分别按连续系列和不连续系列经验频率公式计算经验频率。采用皮尔逊Ⅲ型频率曲线适线，矩法初估参数，计算机目估适线法适线，推求设计洪水成果。以“2017·07·01”洪水为典型，采用峰量同频率放大方法，推求设计洪水过程线。新宁站设计洪水成果及过程分别见表1、图2。

表1 新宁站设计洪水成果

图2 新宁站各频率设计洪水过程线

根据模型计算需要，采用新宁站设计流量过程及综合水位流量关系，经水面比降换算，推求下边界断面水位过程。

1.3 洪水风险模拟计算

1.3.1模型原理

夫夷水新宁县城河段无堤防保护，洪水风险分析考虑建立河流一维和县城区域二维模型，通过侧向耦合连接方式[5]，根据上下边界条件，模拟计算洪水淹没发展过程。

a) 河流一维模型。 一维模型是求解河流一维非恒定流方程(圣维南方程组)。一维模型控制方程如下。

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中A——河道过水面积；Q——流量；u——侧向来流在河道方向的流速；t——时间；x——沿水流方向的水平坐标；q——河道的侧向来流量；α——动量修正系数；g——重力加速度；y——水位；Sf——摩阻坡降。

b) 城区二维模型。二维模型是求解二维浅水运动方程。模型控制方程如下。

连续方程：

(3)

动量方程：

(4)

(5)

式中t——时间，s；U、V——x、y方向的单宽流量，m3/s；H、h——水位和水深，m；n——糙率系数；g——重力加速度；q——源汇项，方程没有考虑柯氏力和紊动项的影响。

1.3.2模型构建

基于IFMS软件进行一、二维耦合模型构建(图3)，一维模型根据实测的约8.5 km河段河流纵横断面构建，总断面数31个。二维模型采用不规则四边形网格对城区范围进行概化，每个网格赋予相应的属性，包括高程、糙率、面积等。共概化研究区范围6.19 km2，合计网格数62 884个，平均网格长度10 m。

图3 研究区一二维耦合模型示意

1.3.3模型计算

模型构建完成根据 “2017·07·01”实测洪水资料，对模型参数进行了率定和验证，成果表明，模型参数选取基本合理，成果较为可靠。分别对10、20、50、100、200年一遇洪水进行模拟计算，模型计算结果表明，不同频率洪水的淹没范围不同，200年一遇洪水淹没范围最大，约为1.5 km2；20年一遇洪水，淹没面积约0.15 km2。各方案淹没面积统计情况见表2，各频率洪水淹没面积变化过程见图4。

表2 各频率洪水最大淹没面积

图4 各频率洪水淹没范围变化过程

2 洪水影响与损失估算

2.1 洪水影响分析

洪水影响分析[6-7]主要基于GIS空间分析功能，根据模型计算得到的洪水风险数据，结合房屋、耕地、道路、重点设施、人口等空间地理分布，进行空间叠加分析计算，各方案洪水淹没影响情况见表3。

表3 各方案洪水淹没影响成果

2.2 洪灾损失初估

洪灾损失估算[8-10]通过区分家庭财产、居民房屋、农业、工业资产、商贸资产、道路等经济类型，根据不同财产不同淹没历时相应损失率进行估算，其中损失率的确定，主要根据湖南省内其他同类地区洪水损失调查资料选用。各频率洪水损失估计成果见表4。

表4 各频率洪水淹没损失初估成果

3 防洪标准分析

夫夷水新宁县城河段左岸现状无堤防防护，而根据国家防洪标准，新宁县城段设防标准应为20年至50年一遇，综合洪水风险分析、洪水影响分析及洪灾损失估算成果，考虑各频率洪水发生的概率，选择洪水影响的社会指标——淹没人口风险期望[11-13](频率P·淹没区人口R)，选择洪灾损失的经济指标——洪灾损失风险期望(频率P·洪灾损失W)，分别计算各频率洪水影响与损失风险指标，成果见图5、6。

图5 各频率洪水影响风险期望

从图5可以看出，新宁县城20年一遇洪水对应的洪水影响的社会指标——淹没人口风险期望值最高；从图6可以看出，经济指标中，洪灾损失风险期望在100年一遇左右具有明显转折，综合新宁县城社会经济发展水平及国家城市防洪标准，初步分析新宁县城防洪设防标准20年一遇基本比较合理。

图6 各频率洪灾损失风险期望

4 结语

现行城市防洪标准规定根据城市的重要程度、常住人口、当量经济规模等拟定设防标准，实际工作中，由于相应标准的洪水淹没范围、影响人口、洪灾可能造成的损失等指标往往较难得到，使得大多数城市仍以城市整体指标作为确定防洪标准的依据，从经济性的角度，是非最优的。本文基于洪水影响和损失风险指标，对夫夷水新宁县城河段设防标准进行了探讨，提出了基于洪水影响社会指标和洪灾损失经济指标合理选择城市防洪标准的方法，为城市防洪设防定标提供参考。