松滋江堤防洪保护区洪水风险研究(Ⅱ)——风险分布特征

刘 亚，姚仕明，朱勇辉，尹大聪

(长江科学院 水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

我国是世界上洪水灾害最为严重的国家之一[1]，随着经济社会的发展，全球气候变化加剧，极端天气事件日益增多且强度不断增加，人口与社会财富向洪水风险区不断集中[2]，这些都对洪水风险管理提出了更高的要求[3]。了解洪水风险的基本特性，研究分析其内在规律[4]，通过洪水风险分析确定区域风险度，是做好防洪减灾工作的基础[5]。洪水灾害风险研究发展至今已有近百年历史，目前国内外关于洪水风险分析的模型，根据数据源的不同大致可分为基于历史数据[6-8]、基于系统指标[9-10]以及基于遥感数据的分析模型[11-12]。地理信息技术的发展，为洪水灾害定量分析提供了基础，并取得了如荆江分洪区、北江大堤、成都平原等一些项目的研究成果[13-15]。这些成果不仅能够发展和完善我国洪灾风险研究的理论基础，而且可以为我国防灾减灾和洪水风险管理提供理论和技术支持[16-17]。本文运用《松滋江堤防洪保护区洪水风险研究(Ι)——模型建立与验证》[18]建立的数学模型，对1870年型1 000 a一遇洪水(后简称“设计洪水”)条件下堤防溃决后松滋江堤防洪保护区内洪水演进过程及洪水风险分布特征进行了分析，以期对松滋江堤防洪保护区洪水预警及防汛抢险提供参考，并对区域建设及城市发展提供指导。

图1 设计洪水条件下松滋江堤溃口流量示意图Fig.1 Discharge at Songzi River breach in design flood condition

2 溃口分流过程

在设计洪水条件下，当枝城入流量超过67 705 m3/s后，松滋江堤沿线水位开始达到设计洪水位，设定溃口开始溃决。涴市横堤、新华垴、灵钟寺3个溃口流量变化如图1所示。溃决发生后，随着溃口的发展，溃口流量迅速增加，约至2 h达到最大值。随后流量趋于平稳，流量大小与外江水位变化一致。总体来说，涴市横堤溃口流量较大、变化较为剧烈；灵钟寺溃口流量较小，且变化较为平稳。新华垴溃口在溃决约14 d开始倒灌，最大吐洪入江流量为485 m3/s；涴市横堤溃口在溃决15 d后开始倒灌，最大吐洪入江流量为1 288 m3/s。在整个洪水过程中，涴市横堤、新华垴、灵钟寺溃口最大流量分别为7 912、6 081、1 984 m3/s，溃口进洪总量分别为62.65亿、33.26亿、22.5亿m3。当保护区内水位高出外江水位时，区内积水开始倒灌吐洪，在整个洪水过程中，3个溃口吐洪量分别为0.88亿、1.37亿、0亿m3。

3 保护区内洪水演进过程

3.1 涴市横堤溃口方案

松滋江堤涴市横堤处发生溃决后，洪水向南推进。10 h后洪水前锋到达松东河左岸堤防，在堤防的阻挡下水流向东推进。17 h后洪水前锋到达玉湖围堤，并绕过堤防演进至弥市镇。25 h后，玉湖围堤发生漫溢，洪水灌入玉湖。随着外江水位的升高，洪水继续向保护区内推进，区内水位逐渐抬升。溃决发生6 d后，松东河孟溪垸堤防发生溃决，洪水迅速向东北方演进，孟溪垸堤防溃决1.5 d后洪水到达湖南省安乡县黄山头镇。15 d后，外江水位开始低于保护区内水位，水流从涴市溃口开始倒灌入江。整个溃决过程中，该方案下防洪保护区内最大淹没水深为11.61 m。

从淹没区各特征点处(位置如图2所示)的淹没水深变化(如图3)来看，涴市镇在溃决3 h后遭受洪水，随后是弥市镇，洪水达到时间约为溃决后5 h；43 h后洪水演进至松滋市四中。在整个洪水过程中，弥市镇淹没水深最大，最高达8 m，其次为毛家港镇，松滋市四中淹没水深最低。

图2 保护区内特征点位置示意图Fig.2 Location of featured points

图3 涴市横堤溃口方案特征点处淹没水深变化Fig.3 Variation of water depth at featured points of Yuanshi breach scheme

3.2 新华垴溃口方案

松滋江堤新华垴处发生溃决后，洪水向东南推进，水流在松西河右堤与庙河堤防围成的区间积聚。溃决发生10 h后，水流到达庙河堤防。西岸高地、松西河右堤与庙河堤防围成封闭圈，圈内水位逐渐抬高。13 h后，圈内水位抬升至45.71 m，随着洪水的继续灌入，庙河堤防下游段发生漫溢，水流向东南流入松西河，随河道水流一起向下游演进。随着松西河内水位的抬升，附近堤防发生漫溢，八宝镇及新江口镇、南海镇、纸厂河镇、斑竹垱镇相继受淹。溃决发生12 d后，随着外江水位逐渐降低，溃口分洪量逐渐减少。14 d后，外江水位开始低于保护区内水位，水流开始倒灌入江。整个溃决过程中，该方案下防洪保护区内最大淹没水深为9.15 m。

从淹没区各特征点处的淹没水深变化(如图4所示)来看，老城镇在江堤溃决2 h后遭受洪水，随后是新江口镇白云社区，洪水达到时间约为溃决1 d后；10 d后洪水演进至八宝镇。在整个洪水过程中，老城镇淹没水深最大，最高约4.5 m，其次为白云社区，八宝镇淹没水深最低。

图4 新华垴溃口方案特征点处淹没水深变化Fig.4 Variation of water depth at featured points of Xinhuanao breach scheme

3.3 灵钟寺溃口方案

松滋江堤灵钟寺处发生溃决后，洪水最先开始向东北推进。5 h后洪水前锋抵达杨家垴，此后洪水开始向东南推进。10 h后洪水前锋抵达松东河左岸堤防。60 h左右抵达玉湖围堤，绕过堤防演进至弥市镇。90 h后，玉湖围堤发生漫溢，洪水灌入玉湖。随外江水位的继续抬升，洪水继续向保护区内推进，区内水位逐渐抬升；涴市镇西北部灵钟寺附近开始受淹。溃决发生12 d后，随外江水位逐渐降低，溃口分洪量逐渐减少。20 d后，外江水位开始低于设置的溃决起始水位(堤防设计水位)，分洪结束。整个溃决过程中，该方案下防洪保护区内最大淹没水深为8.32 m。

从淹没区各特征点处的淹没水深变化(如图5所示)来看，弥市镇在溃决1 d后遭受洪水，随后是毛家港镇，洪水达到时间约为溃决后55 h；11 d后洪水演进至涴市镇。在整个洪水过程中，弥市镇淹没水深最大，最高约4 m，其次为毛家港镇，松滋市四中在本方案中没有被淹没。

图5 灵钟寺溃口方案特征点处淹没水深变化Fig.5 Variation of water depth at featured points of Lingzhongsi breach scheme

从保护区内洪水演进过程可以看出，洪水演进规律符合自高地向低洼推进的基本规律，且堤防阻水效果明显，当区内水位超过堤顶高程时，堤防发生漫溢，洪水接着向下游演进。保护区内水深分布也符合“低洼处深、高地处浅”的基本规律，各特征点处的洪水到达时间也符合“由近及远、由低及高”的基本规律。因此，总体看来，本次洪水计算成果较为合理，可信度较高，可以用来进行下一步洪水风险分析。

4 保护区内洪水风险情况

基于社会经济统计、人口分布、土地利用等基本资料，统计各方案下松滋江堤防洪保护区内总体风险要素，如表1所示。总体来说，涴市横堤溃口方案下洪水风险较大：淹没面积为819.49 km2，保护区内洪水损失达120.4亿元。

表1 防洪保护区内风险要素Table 1 Risk factors in protected area against flood

对比各方案不同水深段淹没面积(图6)可知，松滋江堤防洪保护区内淹没区水深大都在2.5 m以上。就高水深(>5 m)淹没区所占比例来说，涴市横堤溃口方案>灵钟寺溃口方案>新华垴溃口方案，各方案5 m水深以上淹没区分别占62.8%、21%、11.9%。

图6 各方案不同水深段淹没面积对比Fig.6 Submerged areas of different water depth segments

表2 不同方案各特征点洪水特征对比Table 2 Flood characteristics at featured points in different schemes

针对不同洪水分析计算方案，选取防洪保护区内各特征点处(地理位置见图2)，对比分析不同计算方案下风险要素，如表2所示。对于涴市及灵钟寺溃口方案，洪水淹没范围主要集中在松东河以北的乡镇。各地洪水前锋到达时间是当地地势高程及与溃口距离的一个综合反映：对于同一地势高程，距溃口近的地方洪水较先到达；对于距溃口同一距离的地点，地势较低的地方洪水较先到达。在统计的特征点中，松滋市四中及涴市镇地势较高，因此洪水前锋到达时间最长；毛家港镇虽然距离溃口最远，但其地理位置低洼，对洪水有着加强的导向作用，因此洪水到达时间早于松滋市四中；同理，弥市镇虽然距离溃口远于涴市镇，但其地势高程较低，因此洪水到达时间也相对较早。即弥市镇是距离溃口较近且地势高程较低的地方，因此洪水最先到达。综合来说，对于涴市横堤溃口及灵钟寺溃口，洪水最先到达的是弥市镇，随后为毛家港镇、松滋市四中、涴市镇。对于新华垴溃口，洪水最先到达的是老城镇，随后为白云社区，最后为八宝镇。

各地淹没水深主要受制于当地地面高程。在涴市横堤及灵钟寺溃口方案下，淹没水深从大到小分别为弥市镇、毛家港镇、涴市镇、松滋市四中，最大水深分别为8.19、8.01、4.68、3.85 m；在新华垴溃口方案下，淹没水深从大到小分别为老城镇、白云社区、八宝镇，最大水深分别为4.32、3.57、1.53 m。

最大洪水流速分布规律则相对复杂：一方面由于洪水在传播过程中受沿程阻力影响，流速不断减小；另一方面当地流速受附近比降及糙率影响，呈现较强的地域特征。在本次洪水演进过程中，对于涴市横堤溃口及灵钟寺溃口，流速自大到小分别为毛家港镇、弥市镇、涴市镇、松滋市四中，最大流速分别为0.43、0.16、0.02、0.01 m/s；在新华垴溃口方案下，流速自大到小分别为白云社区、老城镇、八宝镇，最大流速分别为0.09、0.02、0.02 m/s。

5 结 论

本文对1870年型1 000 a一遇洪水条件下堤防溃决后松滋江堤防洪保护区内洪水演进过程及洪水风险分布特征进行了分析，主要结论如下：

(1)涴市横堤发生溃决后，松滋市涴市镇首当其冲遭受淹没。松东河左岸堤防、松滋江堤采穴河段及长江段在保护区北部形成了一个相对完整的封闭圈，松东河左岸堤防限制了洪水的继续南下，松滋江堤采穴河段阻挡了洪水的西进。设计洪水下，溃口进洪总量较大，区内水位漫过松东河堤防进入松东河，八宝镇、斑竹垱镇受淹。区内最大淹没水深为11.61 m。

(2)新华垴溃堤发生后，松滋市老城镇最先遭受淹没。松西河右岸堤防、松滋江堤松滋河段、西边陈店镇高地和南边庙河堤防形成了一个相对完整的封闭圈。设计洪水下大量江堤溃决洪水进入松西河，导致松西河新江口镇段水位急剧抬升，洪水越过松西河右岸堤防，进入沿岸的南海镇、纸厂河镇以及狮子口镇；左岸堤防也发生漫溢，八宝镇受淹。同时，松西河新江口镇段水位的壅高使得松西河泄洪能力减弱，导致松西河分松滋河流量减小，从而松东河分流量增加、沿岸部分堤段也发生漫溢，斑竹垱镇、毛家港镇局部受淹。区内最大淹没水深为9.15 m。

(3)灵钟寺溃堤发生后，淹没区限于位于松东河左岸的松滋市涴市镇、沙道观镇、荆州区弥市镇、公安县毛家港镇四个乡镇。但采穴河外江水位相对保护区内地面高程较高，且溃口底部高程较高，使得保护区内积水无法通过溃口排入外江。区内最大淹没水深为8.32 m。

(4)涴市横堤发生溃决后造成的洪水损失最为严重。溃堤洪水在5 h后便会演进至弥市镇，淹没水深超过8 m，在实际防汛工作中需要重点关注。