基于罗塘河溃堤洪水风险的避洪转移方案研究

刘卫林，万一帆，刘丽娜，黄一鹏，吴 滨，朱圣男

(南昌工程学院，江西省水文水资源与水环境重点实验室，江西 南昌 330099)

在全球变暖的整体趋势下，极端气候造成的洪水灾害急剧上升[1]。而洪水对于岸堤、水库、大坝等水工建筑物的安全性也存在极大的威胁，一旦发生溃决，会造成大量的人口和经济财产损失[2- 3]。当溃堤洪水发生在城镇、乡村等人口密集处时，除了采取必要的工程措施外，提前做好避险转移同样是当务之急。当下对于避洪转移的研究，国内外有众多学者致力其中。徐志远[4]采用层次分析法建立指标模型，综合考虑了因地制宜性、安置可行性、可持续发展性等因素对安庆市望江县高士镇进行了避难场所选址，并得到了最优避难方案。殷丹[5]基于GIS网络分析技术，以浑河右岸某段堤防溃堤为例，实现了避洪转移最短路径的搜索，并绘制了路线图。李德龙[6]以江西省重点防洪保护区蒋巷联圩防洪保护区为例，基于ArcGIS空间分析法确定区内避洪转移路线，绘制相应避洪转移图由于现有避洪转移研究多数考虑最短路径而忽略了不同等级的路径的避难行进速度，因此本文在罗塘河溃堤洪水风险[7]的基础上进行避洪转移的深入研究，考虑不同等级道路的避难行进速度，以就近原则对罗塘河溃堤避洪转移进行路线规划，研究成果可为流域洪水灾害的避险提供参考依据。

1 研究区概况

罗塘河位于江西省贵溪市信江中下游段，为信江的一条1级支流，出口与信江左岸交汇[8]，为信江河的迎冲面，河势较猛，水流较复杂。圩堤石垅段至河道出口段右岸的下游地区，包括下游重文、雷溪、富港、张家桥等行政区域是信江流域的重点防护保护区。研究区内现有6个行政村14个村庄，面积8.70km2，居住人口6278人，房屋1609间，耕地9357亩，高程为32.5～40m。见表1。

2 研究数据与方法

2.1 数据来源

文中所用的最大淹没水深、最大淹没流速及洪峰前锋到达时间来自基于溃堤洪水淹没模拟结果[7]；人口密度、居住户数密度、耕地面积密度数据来自经济统计年鉴与走访调查；交通线密度数据来自基础地形数据。研究数据来源见表2。

2.2 基于GIS的避洪转移最优路径确定

避洪转移方案研究的基本工作包括：危险区与转移单元确定、资料收集和现场调查、避洪转移方案制定、检验核实、避洪转移图绘制等内容。本文以罗塘河溃堤洪水风险分析的相关成果[7]为基础，开展避洪转移分析，其工作重点即为转移路线的确定。转移路线考虑时间最短，路径最短等方面进行规划，并采用GIS软件中的网络分析[9]功能，进行避险转移路径的分析，具体流程如下：

表1 罗塘河研究区人口、经济概况

注：数据来源于江西省2010年人口普查资料和鹰潭市2015年统计年鉴以及走访调查与测量数据。

表2 研究数据来源

(1)基础数据处理。通过Google地图在GIS操作界面对研究区域道路数字化。通过拓扑工具进行道路连通性检查，对道路交叉路口等相交线进行打断处理。对道路进行属性编辑，赋予其道路名称、道路等级、行驶速度等相关属性以便最优路径分析的后续工作。

(2)构建网络分析数据集。基于道路要素数据，在ArcCatalog数据图层构建网络数据集，并对道路连通性、高程、属性(距离、行驶速度、道路等级、行驶时间)、方向等进行设置。

(3)最优路径[10]分析。基于已经构建的网络数据集，通过添加停靠点来确定出发位置和终点位置，即为避洪转移方案中的避险单元与安置点的位置。可通过设置路障来模洪水导致的道路中断、桥梁以及道路危险段落。

3 结果分析

3.1 危险区及转移单元的确定

对于防洪保护区，危险区原则上可分为现状防洪标准危险区和最大量级洪水危险区，分别按照所有计算方案的淹没外包范围确定。对于蓄滞洪区和洪泛区，危险区一般根据洪水分析中的最大量级洪水淹没范围确定[11]。本次研究根据罗塘河防洪保护区10年一遇、20年一遇洪水模拟淹没计算结果(主要包括：淹没范围、淹没水深、洪水流速、洪水抵达时间、洪水淹没历时等)确定。根据已有结果，罗塘河研究区内洪水10年一遇危险区面积为0.19km2，占研究区总面积的2.18%，20年一遇危险区面积为0.221km2，占研究区总面积的2.54%，主要分布在地势低洼的富港地区，如图1所示，蓝色部分为可能的最大淹没范围。

罗塘河溃堤10年一遇淹没面积为1.44km2、20年一遇淹没面积为1.94km2，根据《避险转移图编制技术要求(试行)》(全国重点区洪水风险编制技术规范)规定：“蓄滞洪区、洪泛区等区域的避险转移单元不大于自然村；防洪保护区转移单元不大于乡镇，如危险区面积小于1000km2，转移单元不大于行政村”，故本文选择行政村为避险区域内的避险单元，根据统计得到区内转移人口涉及3个行政村，分别为雷溪村、重文村和富港村。研究区风险区划及具体居民点、道路分布及洪水风险区划如图1所示。

3.2 转移方式选择及人口分析

避洪方式分为就地安置和转移安置两类：当满足水深<1.0m、流速<0.5m/s，且具有可容纳该区域人口的安全场所和设施的，采取就地安置方式；此外，不符合上述条件的可采取转移安置方式，若研究区域洪水淹没面积较大、洪水前锋演进时间大于24h，则将洪水前锋到达时间划分为小于12h，12～24h和大于24h的三个时间区段进行转移分区。因本次计算为小流域范围洪水演进，溃堤后洪水演进速度较快，故结合实际流域及模拟成果按洪水前锋到达时间小于0.5h，0.5～2h和大于2h进行转移批次划分，划分依据图2—3所示。

由图2(a)可知，当遭遇10年一遇洪水时，研究区内最大淹没水深大于1m的区域集中位于富港村，但此处相对人口较少，无集中建筑物，因此可能造成的额损失相对较小，其他区域最大淹没水深大多小于1m，因此就最大水深而言，淹没范围均符合就地安置条件。而对于最大淹没流速来说(如图2(b))，最大流速大于0.5m的地区主要分布在华林(自然村)及蒋元乐家(自然村)至富港(自然村)之间的小部分区域，具有转移安置的条件，其他地区满足就地安置条件。图2(c)为洪水前锋到达时间分布图，由图可知重文以上至溃口附近的洪水前锋到达时间小于2h，其区域内居民可作为第一批转移对象；重文至下游富港村的洪水前锋抵达时间在2～12h之间，其居民可作为第二批转移对象；富港村附近至其下游淹没范围内的洪水前锋抵达时间大于12h，相对危险程度较低，其区域内居民可作为第三批转移对象。

图1 罗塘河溃堤淹没行政村范围图

图2 10年一遇避洪转移方式划分标准图

图3 20年一遇避洪转移方式划分标准图

由图3(a)可知，当遭遇20年一遇洪水时，研究区内最大淹没水深大于1m的区域集中位于富港村及其下游区域，但此处相对人口较少，无集中建筑物，因此可能造成的额损失相对较小，其他区域最大淹没水深大多小于1m，因此就最大水深而言，淹没范围均符合就地安置条件。对于最大淹没流速来说(如图3(b))，最大流速大于0.5m的地区主要分布在华林(自然村)、重文(自然村)、蒋元乐家(自然村)至富港(自然村)之间及富港小部分区域，具有转移安置的条件，其他地区满足就地安置条件。图3(c)为洪水前锋到达时间分布图，由图可知重文以上至溃口附近的洪水前锋到达时间小于2h，其区域内居民可作为第一批转移对象；重文至汪家庄附近的洪水前锋抵达时间在2～12h之间，其居民可作为第二批转移对象；汪家庄附近至其下游淹没范围内的洪水前锋抵达时间大于12h，相对危险程度较低，其区域内居民可作为第三批转移对象。

结合以上分析，对于异地转移避险单元，需要确定待转移人数，从而保证灾民转移的高效性。借助Arcgis软件中的空间叠加分析，将所确定的避险单元、居民人口数据以及洪水淹没风险要素进行叠加，再此基础上计算研究区域内收淹没范围面积占总面积的比重，结合罗塘河区域人均住房面积及不同淹没程度，即可推算获得避险区域各避险单元带转移人数及避洪转移安置方批次。罗塘河10年一遇、20年一遇溃堤避洪转移人口及批次统计分析见表3—4。

3.3 安置区划定

安置区的选择原则上应结合区域预案设置进行划定，同时应保证处于免受洪水威胁且道路通畅。由于研究区域内尚未制定区域洪水预案，同时考虑避险期灾民的基本生活保障，优选公共建筑物或露天公共场所作为安置区。安置区可容纳人数一般按照建筑物内人均面积3m2，露天区域人均面积8m2进行估算。为快速转移灾区灾民，按照就近原则确定转移单元与安置区的对应关系，罗塘河溃堤洪水避难安置场所见表5，安置区可容纳人口满足避险转移人口总数。

表3 罗塘河10年一遇溃堤避洪转移人口及批次统计分析表

表4 罗塘河20年一遇溃堤避洪转移人口及批次统计分析表

表5 罗塘河岸堤溃口洪水避难安置区划定

3.4 转移路线确定

避险单元与安置区的对应关系确定后可根据道路网络数据情况来确定转移路线。当道路网络数据完备且具备道路通量信息时，按照时间最短原则确定转移路线；当道路网络数据完备但不具备道路通量信息时，通常按照最短路径原则确定转移路线。

本次研究区域涉及道路为双向通行的县道及乡道，根据道路交通法规并结合当地道路通行状况对区域道路进行分级处理：县道为1级、乡道为2级、较窄的入户道路为3级，并分别制定50、40、30km/h的行车时速。通过ArcGis网络分析功能进行最短路径寻优提取，得到表6—7所示转移路径。

由表6可知，10年一遇溃堤避险确定转移路线共4条，转移批次3批，第一批转移对象包括华林村受灾群众达66人以及重文村199人，以就近原则确定转移地点为青坭岗小学和南山村空地。第二批转移转对象包括重文村受灾群众200人、蒋元乐家577人以及富港村458人，转移地点分别为南山村空地及宋家小学。第三批转移对象为富港村459人，转移地点为南山村空地及宋家小学。4条转移路线分别需行驶2.4、3.8、8.8、1.2km，耗时分别为4、6、13、2min。由此可见本次转移时间相对较短，均小于最小洪水前锋到达时间2h，因此可认为是较为有效的转移路线。

由表7可知，20年一遇溃堤避险确定转移路线共4条，转移批次3批，第一批转移对象包括华林村受灾群众达66人以及重文村399人，以就近原则确定转移地点为青坭岗小学和南山村空地。第二批转移转对象包括蒋元乐家577人以及富港村458人，转移地点分别为南山村空地及宋家小学。第三批转移对象为富港村459人，转移地点为南山村空地及宋家小学。4条转移路线分别需行驶2.4、3.8、8.8、1.2km，耗时分别为4、6、13、2min。由此可见本次转移时间相对较短，均小于最小洪水前锋到达时间2h，因此可认为是较为有效的转移路线。

图4(a、b)为10年一遇、20年一遇所确定的避洪路线转移图，其中共包括四条避险转移路线，玫红色表示富港到宋家小学的最优路径，蓝色表示由蒋元乐家到宋家小学的最优路径，紫色表示由重文村到南山空地的最优路径，黄色表示由华林到青坭岗小学的最优路径。其中10年一遇三次分别转移人口265、1235、459人，20年一遇三次分别转移人口465、1035、459人，相比10年一遇有来自重文村的200人需要提前转移。

表6 10年一遇溃堤转移路线信息表

表7 20年一遇溃堤转移路线信息表

图4 罗塘河溃堤避险路线转移图

4 结论

本文基于罗塘河溃堤风险区划研究，收集研究区人口、住房、道路等资料，对研究区溃堤风险进行分析，并利用GIS网络分析功能创建研究区避洪转移网络数据集，制定溃堤转移路线方案，得到以下结论：

(1)罗塘河溃堤淹10年一遇淹没面积为1.44km2、20年一遇淹没面积为1.94km2，其中危险区淹没面积分别为0.19、0.221km2，危险区面积小于1000km2，主要分布在地势低洼的富港地区，分别占研究区总面积的2.18%、2.54%，同时以行政村作为避险区域内的避险单元。

(2)区域避洪转移方式分为就地安置和转移安置两类，其中淹没水深淹没水深<1.0m、流速<0.5m/s采取就地安置，其中就地安置人口1604人，转移安置人口1959人。根据洪水前锋到达时间将避险单元内转移人口分为三批次，其中10年一遇转三批转移人数分别为265、1235、459人，20年一遇三批转移人数分别为465、1035、459人，涉及行政村包括雷溪村、重文村以及富港村。

(3)对研究区内可供安置的建筑物及露天场所进行划分，得到3个安置区为宋家小学、南山村空地、青坭岗小学，面积分别为5955、5580、24278m2，可安置人数分别为1786、697、565人。安置区可容纳人口满足避险转移人口总数。

(4)通过道路网络分析得到4条可供转移的路线，第一条将华林村需要转移人口转移至青坭岗小学，第二条将重文村需要转移人口转移至南山村空地，第三条将蒋元乐家需要转移人口转移至宋家小学，第四条将富港村需要转移人口转移至宋家小学。其转移行驶里程分别为2.4、3.8、8.8、1.2km，单次转移用时4、6、13、2min。