洞庭湖烂泥湖水系洪涝灾害风险评估与应对措施

朱 枫，廖小红，王维俊，贺方舟，黎昔春

(1.中国水利水电第八工程局有限公司，长沙 410007；2.湖南省水利水电勘测设计研究总院，长沙 410007；3.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室，长沙 410007)

洞庭湖烂泥湖水系地处湘、资尾闾地区，区域洪水特性复杂，外河(湖)洪水特性受湘水、资水和南洞庭湖的共同影响，而南洞庭湖洪水又由受沅水、澧水和长江洪水的综合影响；烂泥湖水系复杂，分布有烂泥湖、鹿角湖、明境河等主要内湖哑河和烂泥湖撇洪河，渍涝风险严重，洪涝灾害频繁，而且有呈逐年加剧的态势。1995年7月，赫山区四新垸注湖港泵站处溃口，受灾2.0万多人，失收面积1 600 hm2，倒塌房屋2 600 多间。2016年烂泥湖超警戒水位时长21 d，内湖渍堤多处出现险情，沿湖泵站限排，造成湘资岭北垸1 773.3 hm2农田失收，同时堤垸内的4.73 万hm2耕地、61.0万名群众受灾。2017年湘水尾闾出现超历史最高水位，烂泥湖撇洪河出流受阻，撇洪河沿线出现超历史最高水位，撇洪河堤出现滑坡、管涌等近100处，其中多处为溃口性险情，严重威胁烂泥湖垸人民生命财产安全。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

烂泥湖垸为洞庭湖11个重点垸之一，位于湘水尾闾与资水尾闾之间，东临湘水及其支流湘水西支，南接湘江一级支流沩水，西靠雪峰山麓的丘陵地带，北隔资水干流及其东支毛角口河与长春垸、民主垸、湘滨南湖垸隔江相望。全垸东西宽约42 km,南北长约48 km，地理坐标东经112°22′～112°48′、北纬28°17′～28°43′，总集雨面积1 584 km2，其中丘陵区面积734.6 km2，平原区面积849.4 km2。年平均降雨1 398 mm，40%降雨集中在6-8月份。烂泥湖垸外河有资水、湘水及沩水。本研究根据地形地貌特征、河流水系分布和防洪排涝工程及布局，将烂泥湖水系划分为侍郎桥、朱良桥、泉交河、徐家坝、宁家铺、梓山冲、桥西垸、新兴垸、严家滩、和合垸、火田垸、四合红洲垸、天成垸、千家洲垸、人民垸、沙田岭北垸、湘资垸等17个片区，分区情况详见图1。

1.2 资料来源

烂泥湖水系附近设有湘阴、益阳和宁乡雨量站，收集各站1981-2017年逐日降水数据。遥感资料采用Landsat 8 OLI_TIRS 卫星数字产品。地理信息数据来自湖南省国土厅全国第二次土地调查资料，收集了烂泥湖水系1∶10 000地形图，包括DEM数据、河网水系数据等。结果检验资料为益阳市赫山区、湘阴县历年暴雨洪涝灾情调查数据。

1.3 洪涝灾害影响因素

烂泥湖水系洪涝灾害主要影响因素包括：①汛期降雨。烂泥湖水系汛期为6月1日至8月31日，该时段内的降雨量可占全年降雨量的40%以上。径流和降雨相应，导致汛期水多成灾；②地形。烂泥湖水系境内地势平坦开阔，集雨面积大，总的趋势为西南高、东北低，北部地区地势平坦，不利于排水；③调蓄能力不足。长期围垦开发，占用湖面、河道，导致调蓄水面积减少，滞涝能力减弱，增加了区域内涝灾风险；④汛期外河水位过高。洞庭湖的外江外湖水位明显抬高，将减少堤垸自流挤排水量，增加外江向垸内渗漏量，导致汛期排水不畅；⑤内湖水位过高。烂泥湖水系汛期往往与农忙季节重叠在一起，垸内沟塘、河湖要保证一定的水位才能满足人民生产生活需要，当暴雨突然来临时若内湖水位过高，泵站无法及时排除垸内渍水，就会产生涝灾。

1.4 研究方法

暴雨洪涝灾害风险区划工作是基于灾害风险理论及气象灾害风险形成机制，通过对孕灾环境敏感性、致灾因子危险性、承灾体易损性、防灾减灾能力等多因子综合分析，构建暴雨洪涝灾害风险评价的框架、指标体系、方法与模型，对暴雨洪涝灾害风险程度进行评价和等级划分，借助GIS绘制相应的风险区划图系，并加以评述，提出相应的对策措施[1，2]。

从灾害学的角度出发，形成暴雨洪涝灾害必须具有以下条件：①存在诱发暴雨洪涝灾害的因素(致灾因子)及其形成洪涝灾害的环境(孕灾环境)；②暴雨洪涝影响区易损性(承灾体)；③人们在潜在的或现实的暴雨洪涝灾害威胁面前，采取回避、适应或防御洪涝的对策措施(防灾减灾能力)。基于自然灾害风险形成理论，暴雨洪涝灾害风险是由致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性和防灾减灾能力四部分共同形成的，如图2。暴雨洪涝灾害风险函数可表示为：

暴雨洪涝灾害风险=

f(危险性，敏感性，易损性，防灾减灾能力)

(1)

2 评价指标体系和模型

2.1 洪涝灾害评价指标

暴雨洪涝灾害风险评估涉及指标众多，各指标对洪涝灾害风险影响程度不同。针对烂泥湖水系洪涝灾害发生的基本情况，选择8个指标建立烂泥湖水系暴雨洪涝灾害风险评估指标体系[3,4]，如图3。

2.2 评价指标权重

本文采用该层次分析法确定各指标权重，研究过程咨询了熟悉烂泥湖水系地形地貌特征、水文气象特点、防洪排涝工程现状及运行情况的10位水利专家对不同层次指标进行重要性评分，并构建判断矩阵，为保证评分的客观合理性，对各指标权重进行一致性检验，以获得最终的权重值。经过统计分析，造成烂泥湖水系洪涝灾害风险的各影响因素中，抗灾能力所占权重为57.5%，是最主要的影响因素；致灾因子所占权重为21.0%；孕灾环境所占权重为14.8%；承载体脆弱性所占权重为6.7%。

2.3 评估模型的建立

暴雨洪涝灾害是致灾因子危险性、抗灾能力、孕灾环境敏感性、承载体易损性四个方面共同作用产生的结果。通过量化各指标的值及层次分析法确定的权重[8,9]，可构建暴雨洪涝灾害风险评估模型，计算公式为：

FDRI=H+E+S+R

(2)

H=XH1YH1

(3)

E=(1-XE1)YE1+(1-XE2)YE2+(1-XE3)YE3

(4)

S=(1-XS1)YS1+(1-XS2)YS2+XS3YS3

(5)

R=(1-XR1)YR1

(6)

式中：FDRI为暴雨洪涝灾害综合风险度，用于表示风险程度，其值越大，则洪涝灾害风险程度越大；H、E、S、R的值分别表示通过加权综合评价法建立的致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承载体易损性和防灾减灾能力指数；Xn为第n个指标的标准化值，Yn为第n个指标对洪涝灾害综合风险度影响的权重。

暴雨强度综合指数为2.5时，将新泉寺闸的内河校核水位29.4 m代入公式计算得到的涝灾综合风险度(0.596)为低风险下限。暴雨强度综合指数为3.5时，将新泉寺闸的内河校核水位29.4 m代入公式计算得到的涝灾综合风险度(0.670)为高风险下限。

3 模拟成果与评估

3.1 模型结果

采用模型评估烂泥湖水系1990-2017年平均涝灾风险度，历年评估成果详见图4。从图可以看出，风险度较大的年份为2016年、1995年、1996年、1990年、2017年，各年综合风险度分别为0.799、0.754、0.727、0.734、0.723。风险度最小的年份为2011年，风险度为0.493。

3.2 模型检验

选择1995年、2016年、2017年这3个涝灾较为严重的年份对涝灾风险进行检验。可以从涝灾风险分布图看出，1995年和2016年整个烂泥湖水系都处于高风险中，1995年和2016年区域平均涝灾综合风险度为0.754和0.799，远高于涝灾高风险下限值0.670，两个年份皆为区域普遍性涝灾。根据涝灾资料，近几十年来，烂泥湖水系产生涝灾最严重的年份是2016年，其次是1995年，这和模拟的结果相吻合。2017年区域平均涝灾综合风险度为0.723，小于1995年的0.754和1996年的0.727，说明该年涝灾严重程度不如1995年和1996年，这也和实际情况相匹配[10]。

3.3 现状条件下的洪涝灾害风险

3.3.1 暴雨强度、内水位与风险度的变化关系

2.3节中公式通过代入不同降雨强度和水位可以计算得出，模拟年份的暴雨强度综合指数、新泉寺闸内水位、区域平均风险度的关系[11]。当枯水年，即λ<2.5时，如果新泉寺闸内水位低于28.8 m，则区域平均风险度低于低风险下限(0.596)；如果新泉寺闸内水位高于28.8 m，则区域平均风险度高于低风险下限(0.596)。当平水年，即2.5≤λ<3.5时，如果新泉寺闸内水位低于28.2 m，则区域平均风险度低于低风险下限(0.596)；如果新泉寺闸内水位高于28.2且低于29.5 m，则区域平均风险度高于低风险下限(0.596)，低于高风险下限(0.670)；如果新泉寺闸内水位高于29.5 m，则区域平均风险度高于高风险下限(0.670)。当丰水年，即λ>3.5时，如果新泉寺闸内水位低于29.5 m，则区域平均风险度低于高风险下限(0.670)；如果新泉寺闸内水位高于29.5 m，则区域平均风险度高于高风险下限(0.670)。详见表1。

表1 暴雨强度、内水位与风险度的变化关系Tab.1 Changes in rainstorm intensity, internal water level, and risk

3.3.2 现状条件下区域涝灾风险分布

在3.3.1节中低风险和高风险条件下各选取临界年份进行涝灾风险评估，分别为1998年、2013年、2005年、2016年。由涝灾风险分布图可以看出，烂泥湖撇洪河以北地区比以南地区更容易发生洪涝灾害，尤其是烂泥湖和鹿角湖周边区域由于地势较低，坡度相对较小，使得洪涝灾害发生的危险性增大。而位于研究区域最东部和最西部区域的垸子，离排水出口相对较近，滞涝水面率相对大，不易发生洪涝灾害。沙田岭北垸最为突出，即使在撇洪河北部部分区域出现高风险状态时，沙田岭北垸仍处于无风险状态。由表2可以看出，在现状条件下，烂泥湖水系地区只能抵御暴雨洪涝灾害综合风险度在0.634以下的年份，此时区域开始出现高风险状态地区。在遭遇综合风险度在0.668以上的年份时，烂泥湖撇洪河北面大部分地区都会处在高风险状态，出现涝灾的可能性非常大。在遭遇综合风险度在0.802以上的年份时，整个烂泥湖水系地区都呈现高风险状态，涝灾情况相当严重，受灾程度可参考历史灾情中2016年的情况。

表2 现状条件下各典型年风险程度表 %

4 不同应对措施情景下的风险评估

考虑各典型年在滞涝水面率、新泉寺闸内水位2项指标发生改变的情况下，对烂泥湖水系地区洪涝灾害带来的影响。本研究共设置3套方案，方案①提高水面率到15%；方案②汛期降低内湖水位；方案③提高水面率+汛期降低水位。

采用方案①进行模拟，遭遇1998年情况，整个区域总体上处于无风险状态，并未出现高风险状态，处于低风险状态的面积占总面积的14.4%，比模拟前降低了39.3%；遭遇2015年情况，一半以上的区域处于无风险状态，占总面积的62.8%，比模拟前增加了54.4%，模拟前处于高风险状态的区域也转为低风险状态，处于低风险状态的面积占37.3%，比模拟前降低了53.3%；遭遇2005年情况，高风险状态消失，整个区域总体上处于低风险状态，低风险状态占总面积的89.6%，比模拟前增加11.7%；遭遇2016年情况，虽然整个区域依旧处在高风险状态，但是平均风险度已由模拟之前的0.799降低至0.766。总体上看，通过提高水面率到15%，在大部分年份对降低风险有一定的效果，但在遭遇特别严重灾害的时候，如2016年，整个研究区域依旧会出现严重的洪涝灾害。

采用方案②进行模拟，即汛期降低内湖水位，假设降低至3个水位29.5、29.3、29.0 m分别为方案②-1、方案②-2、方案②-3。水位降低至29.5 m，对洪涝灾害的风险度不是特别大。当水位降低至29.3 m时，对洪涝灾害的风险度尤为显著：当遭遇2005年情况下，无风险状态面积占8.4%，低风险状态面积占77.3%，低风险状态及以下的面积较之前增加了7.8%，平均风险度由之前的0.665下降为0.645；遭遇2016年情况，高风险状态面积减少了76.8%，平均风险度由之前的0.799下降为0.679。而继续降低水位至29.0 m时，对降低洪涝灾害风险度的影响较降低水位至29.3 m时差别不大，为保障居民生活用水和农业用水，推荐降低内湖水位至29.3 m。总体上看，汛期降低新泉寺闸内水位至29.3 m，对减少处于高风险状态的面积有一定效果，尤其对涝灾风险较为严重的年份。降低内水位，减轻泵站排涝压力，能够及时排除垸内渍水，对减轻洪涝灾害起到积极的作用。

采用方案③进行模拟，涝灾风险分布如图5。与现状条件相比，2005年高风险状态面积减少了22.1%，低风险状态面积减少了40.6%；2016年高风险状态面积减少了94.9%，低风险状态面积增加了94.9%。可以看出，同时提高滞涝水面率、降低内湖水位至29.3 m，基本可以消除一般年份处于高风险的范围，对于减少低风险范围、增加无风险范围效果更为显著。对于平均风险度为高风险的年份，能够消除大部分高风险区域，如2016年作为有史以来涝灾最严重的年份，其高风险状态面积控制在5.1%，可见对于其他高风险年份，同时提高滞涝水面率、降低内湖水位能够将高风险状态面积控制在5.1%以下。

5 结 论

现状条件下，新泉寺闸内水位和滞涝水面率的不同导致暴雨对烂泥湖水系的影响程度也不同。当烂泥湖水系地区暴雨强度在2.5以下时，若水位低于28.8 m，研究区域整体上处于无风险状态，若水位高于28.8 m，研究区域整体上处于低风险状态；当暴雨强度在2.5～3.5之间时，若水位低于28.2 m，研究区域整体上处于无风险状态，若水位在28.2～29.5 m之间，研究区域整体上处于低风险状态，若水位高于29.5 m，研究区域整体上处于高风险状态；当暴雨强度在3.5以上时，若水位低于29.5 m，研究区域整体上处于低风险状态，若水位高于29.5 m，研究区域整体上处于高风险状态。

只采取一项措施的情况下，若提高滞涝水面率至15%，只能减轻低风险年份的洪涝灾害问题，对高风险年份的效果不是特别显著。若降低烂泥湖水系内湖水位，则推荐将水位降至29.3 m，此时对减少处于高风险状态的面积有一定的效果，尤其对涝灾风险较为严重的年份，能够减少一半以上的高风险度面积。若同时采取提高滞涝水面率和降低内湖水位，基本可以消除一般年份处于高风险的范围，对于减少低风险范围、增加无风险范围效果更为显著；对于平均风险度为高风险的年份，能够消除大部分高风险区域。

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