基于综合风险度方法的大余县重点防洪区洪水风险区划研究

李德龙，许小华，丁志雄，李亚琳，谢信东，李 伟

（1.江西省水利科学院智慧水利研究所，江西南昌 330029；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038；4.南昌大学，江西南昌 330031）

0 研究背景

江西省大余县城区处于大余盆地的低洼地带，地势周边高中间低，章江油罗口水库以下为大余县核心区域，人口密集，该区域总人口数占大余县总人口的80%以上，极易受江河洪水的侵袭，容易造成较大的洪涝灾害损失。因此，开展大余县城下游重点防洪区洪水风险区划对于指导该区域防洪减灾非工程措施建设，最大限度降低人员伤亡和经济财产损失，保障社会经济可持续发展具有重要的实际意义。

近年来，洪水风险区划的理论和方法逐渐完善，大量学者如梁宝荣［1］、那日苏等［2］、杨丽萍等［3］、朱静儒［4］、陈湛峰［5］、王秀杰［6］等分别针对中小河流、蓄滞洪区、县（市）区、入海口等区域开展了洪水风险区划研究，而苑希民等［7］、王建中等［8］、孙瑀［9］、刘江侠等［10］分别基于模糊层次分析法、模糊综合评价法、洪水风险因子法、综合风险度法等对防洪保护区进行了洪水风险区划研究。随着水利现代化的快速发展，综合风险度法已成为目前洪水风险区划研究的热点方法。

基于此，本文以大余县油罗口下游重点防洪区域为研究对象，在构建区域二维水动力模型基础上，提取最大淹没水深、最大流速、最大淹没历时为洪水风险要素指标，利用综合风险度方法，探讨研究大余县重点防洪区洪水风险区划。

1 区域概况

大余县位于章江上游，庾岭北麓，地理位置为东径114°22′～114°44′，北纬25°15′～25°37′。东北与南康区相连，东南与信丰县接壤，西北与崇义县毗邻，南与广东省南雄县襟连，西界广东省仁化县。全境东西长127.5 km，南北宽25 km，总面积1 367.63 km2。县城距赣州市100 km。

大余县县城（南安镇）周围大部分地区为第四系冲洪积物覆盖，下伏基岩为变质砂岩和花岗岩。由于河面缓慢上升，河流下切，形成多级河流阶地，大余县城区地面标高一般在175～185 m 之间。县城区位于章江与浮江的汇合口以下约5 km，章江自西向东穿城而过，城区河道长约4.0 km，主要支流北有荡坪河，南有五里山河，荡坪河、五里山河两支流分别在中大桥、牡丹亭公园处汇入章水。城区处于大余盆地的低洼地带，地势周边高中间低，章江油罗口水库以下为大余县核心区域，人口密集。

选取章江油罗口水库以下及浮江乡驻地以下，至大余县界约60 km 长的狭长地带，面积约215.54 km2的区域（大余县境内）作为大余县重点防洪区域的洪水风险图编制范围：起始范围为油罗口水库坝址下游区域，以该区域历史发生的最大洪水淹没范围为依据，结合章江河河流流向，以河流为中心，向两岸居民区域辐射至高山区域止，设定为两边边界，终止范围为下游窑下坝水文站。涉及浮江乡、南安镇、黄龙镇、青龙镇、池江镇、新城镇等6个乡镇。具体范围见图1所示。

图1 大余县重点防洪区域Fig.1 Location of key flood control area in Dayu County

2 洪水风险分析原理与区划方法

2.1 洪水风险分析原理

目前，进行洪水风险分析常采用的方法有：水文学法、水力学法和实际水灾法。本文采用的是水力学法，是通过数学模型，求解连续方程和运动方程，利用差分的方法计算出各运动时刻的流速、流向和水深。采用的是中国水利水电科学研究院自主研发的洪水分析软件，基于上述二维水动力学模型并在GIS 平台开发，具有基础工程和地图处理、数据前处理、洪水分析和计算结果后处理等功能，能综合考虑不同类型区域的地形地貌空间分布及各种防洪排涝工程措施的影响，对溃漫堤洪水泛滥演进和淹没分布情况进行模拟分析。

模型对平面水流按二维非恒定流进行模拟，模型将有限体积法与有限差分法的优点相结合，采用六边形网格不规则网格对研究区域进行离散，在网格形心处计算水深，在网格周边通道上计算流量。

（1）二维水力学模型的基本方程如下：

连续方程：

动量方程：

式中：H为水深；Z为水位；M、N分别为x、y方向的单宽流量；u、v分别为水深平均流速在x、y方向的分量；n为糙率系数；g为重力加速度；t为时刻；q为源汇项。

（2）方程的离散。水深由连续方程对任一网格的显式离散化形式求得：

式中：Qik为通道的单宽流量；Lik为通道的宽度；Ai为网格面积；AXY为网格的面积修正率；DT为时间步长的1∕2。

通道的单宽流量由动量方程的显示式离散化格式计算，根据不同的通道类型，分别采取不同离散格式。

一般型通道：是指河道内的通道和普通陆面通道，其动量方程中保留局地加速度项、重力项和阻力项，离散形式为：

式中：Zj1、Zj2分别为通道两侧网格的水位；DCj1、DCj2分别为通道两侧网格形心到通道中点的距离；DLj为空间步长，等于DCj1、DCj2之和；Hj为通道上的平均水深，由下式计算：

阻水型通道：对于有阻水作用的堤防、道路等，在模型中作为阻水通道，采用堰流公式计算过流量，公式如下：

式中：Hi为通道上的水深；Qi为通道的单宽流量；b为宽顶堰的淹没出流系数；μ1为流量系数。

2.2 综合风险度法

计算单元的“综合风险度（R）”值，按以下公式计算：

式中：pi为某一洪水淹没频率（如：10年一遇时，pi取0.1）；Hi为该计算单元对应pi的“当量水深H”值。计算时，H的单位选取分米，dm。

由于利用上述公式计算期望值时，计算单元的洪水淹没指标值Hi在起淹洪水频率处存在跳跃，故假定在计算时p0始终为起淹洪水频率的下一级洪水频率（如：计算单元a的起淹洪水频率为10年一遇，则p0=0.2，即对应5年一遇洪水频率），且对应的H0=0；而p1，pn则分别为该计算单元的起淹洪水频率和最高洪水计算频率。

其中洪水风险指标（H）表征计算单元在某一量级洪水频率下的风险程度大小，指标选取应以能全面反映洪水淹没特征为要素，因此指标计算以“最大淹没水深”为主要因子，综合考虑“最大流速”、“最大淹没历时”风险要素的影响，公式如下：

式中：h为“最大水深”；ω1为“最大流速”修正系数；ω2为“最大淹没历时”修正系数［11］。其中，ω1、ω2为的取值范围均在1.0～1.5。

3 洪水风险因素分布

为研究大余县县城下游重点防洪区洪水风险因素分布特征，需对油罗口水库下游和浮江乡驻地以下且流经县城的低洼区域构建二维模型。

（1）建模范围。模型范围为章江上游从油罗口水库以下，浮江河从浮江乡驻地以下，两侧以自然丘陵高地为界，下游至章江的窑家坝水文站，总面积249.47 km2（如图2），内部沟渠采用加密二维网格的方式进行处理。采用的是1∶10 000 的DLG（Digital Line Graphic）和DEM（Digital Elevation Model）基础地理信息资料，共计41幅图幅。

图2 建模范围Fig.2 The range of the model

（2）网格剖分。以道路、堤防、河流等作为内部约束，针对滩地较大的河流，将主河槽和滩地分开剖分网格（如图4），网格最大面积控制在0.02 km2以内，共剖分了17 997 个六边形规则网格，其中，将较宽的河道作为河道型网格处理，共计3 789 个。网格的边（通道）可以沿着阻水建筑物（堤防、道路）、导水建筑（河渠）走，地形概化接近实际。本次网格共有通道96 105 条，其中，重要的堤防和道路设置为阻水型通道，共有7 192 条。

（3）洪水来源。大余县重点防洪区域除受油罗口水库出流影响外，章江另一条主要支流浮江也是主要的洪水来源，浮江上游汇水区面积约228 km2。章江左右两岸其他小的支流汇水包括左岸的荡坪河、大龙山河、珑涧河、杨梅河、下垄河、窑下河、灌湖河、分水坳河等；右岸的五里山河、荆南河、壕塘河、留地河、西坑河、小汾河、柳坑河、合江河等。这些小的支流也构成了大余县重点防洪区域的区间洪水来源，洪水来源概化图如图4所示。

图3 模型网格分布Fig.3 Grid distribution of the Model

图4 主要洪水来源概化Fig.4 Generalization of main flood sources

（4）糙率分区。计算区内糙率利用收集的土地利用类型图层与网格图层叠加，按照河流、居民地、树丛、旱田、水田、空地等不同类型，赋予网格相应的糙率初值。各土地利用类型赋如表1 所示的糙率值（参考江西省五河治理大余县县城防洪工程实施方案）。

表1 糙率取值表Tab.1 Table of roughness values

（5）模型率定验证。用2002年的实测洪水进行模型的参数率定、用2009 年的实测洪水进行模型验证，并对比洪痕点的水位，模型率定验证的结果见表2 所示。由表可见模型率定验证的水位误差绝对值均不超过0.1 m，率定验证结果符合洪水风险分析的《洪水风险图编制技术细则》精度要求。

表2 率定验证计算洪峰水位误差分析表Tab.2 Rate validation calculation of flood water level error analysis table

（6）边界条件。模型上游入流边界为油罗口水库出流及章江其他支流的入流，模型出流边界为窑下坝的水位—流量关系，模型的边界条件示意图如图5 所示。油罗口水库各设计频率洪水的入流过程（见图6，以1966 年为典型年，各频率设计洪水过程数据源于《油罗口水库除险加固工程初步设计报告》）。

图5 模型边界条件Fig.5 Boundary condition of the Model

油罗口水库的设计洪水标准为100 年一遇，大余县重点防洪区域县城堤防设计标准是20 年一遇，其他区域为10 年一遇，因此考虑洪水计算的量级20年一遇、50年一遇、100年一遇3个洪水量级。根据历史洪水降雨分布情况，在考虑洪水来源组合遭遇时，按《洪水风险图编制技术细则》，其他支流的洪水频率组合可按主要洪水来源低一个等级的洪水量级考虑，如油罗口水库考虑50 年一遇洪水时，其他支流的洪水按20 年一遇考虑。根据油罗口水库各频率设计洪水过程（图6），按汇流面积比的2∕3 次方确定的其他支流各频率设计洪水过程如图7～9 所示。模型下游出流边界为窑下坝水文站水位流量关系曲线。详见图10。

图6 油罗口坝址设计洪水过程Fig.6 Design flood process of Youluokou dam site

图7 其他相关各支流10年一遇洪水过程Fig.7 Other related tributaries in a 10-year flood process

图8 其他相关各支流20年一遇洪水过程Fig.8 Other related tributaries in a 20-year flood process

图9 其他相关各支流50年一遇洪水过程Fig.9 Other related tributaries in a 50-year flood process

图10 窑下坝水文站水位流量关系曲线图Fig.10 Water level and flow relationship curve of the hydrological station of Yaoxiaba

（7）风险分析结果。通过计算分析，提取研究区内各计算单元的风险要素指标（见图11），包括最大淹没水深、最大淹没历时、最大洪水流速。并统计分析了最大淹没面积、最大淹没水深见表3。

表3 洪水计算方案分析统计指标Tab.3 Statistical indexes of flood calculation scheme analysis

图11 洪水风险要素指标Fig.11 Index of flood risk factors

统计各方案溃口进洪量、出流量以及区内淹没水量，判断分析入流量减去出流量，与区内淹没总水量的差值是否在10-5亿m3之内（洪水风险图编制导则SL 483-2017），差值在10-5亿m3之内则水量平衡达到要求。从表4 中可以看出，各方案均满足水量平衡要求。

表4 洪水计算方案水量平衡分析Tab.4 Water balance analysis of flood calculation scheme

综合分析可知，本次构建的模型获得洪水风险要素结果较为合理，能准确地反映重点防洪区的淹没特征及不同设计频率下洪水风险程度的差异性，模型精度和可靠性较高，可为风险区划提供可靠的数据支持。

4 风险区划结果分析

本研究构建了河道和保护区整体二维水动力模型，模拟可能的淹没范围、水深等特征要素。通过模拟计算，统计分析了上述3 种方案的“最大淹没水深”、“最大行进流速”、“最大淹没历时”等风险要素。

以“最大淹没水深”为主要影响因子，综合考虑“最大洪水流速”、“最大淹没历时”风险要素的影响，根据综合风险度法区划等级划定大余县重点防洪保护区洪水风险等级（见图11）。风险等级划分参考《洪水风险区划技术导则（试行）》（SL 483-2019）［11］，共分为低风险、中风险、高风险、极高风险4 个级别。R<0.15 为“低风险”，0.15≤R<0.5 为“中风险”，0.5≤R<1 为“高风险”，R≥1 为“极高风险”。基本风险度矩阵表见表5 所示，其中绿色区域数值表示“低风险”，黄色区域数值代表“中风险”，深黄色区域数值代表“高风险”，红色区域数值代表“极高风险”。

表5 基本风险度矩阵表Tab.5 Basic risk degree matrix table

图12 洪水风险区划结果Fig.12 Flood risk zoning results

经计算分析可知，大余县主城区有较大范围淹没，淹没面积达68.91 km2，大部分在章江右岸，小部分在章江左岸，而浮江乡、黄龙镇、青龙镇、池江镇、新城镇等乡镇有较大淹没范围，其中低风险区、中风险区、高风险区、极高风险区分别占比17%、12%、18%、53%。

5 结论

以江西省大余县油罗口下游重点防洪区 为例，针对该区域极易受洪水灾害影响的问题，利用综合风险度法进行了洪水风险区划分析。结论如下：①大余县重点防洪区的浮江乡、黄龙镇、青龙镇、池江镇、新城镇等乡镇受洪水影响较为严重，淹没面积达68.91 km2，极高风险区划区域占超过总范围一半以上；②构建的模型获得淹没水深、淹没流速、淹没历时等洪水风险要素结果较为合理，能准确地反映重点防洪区的淹没特征及不同设计频率下洪水风险程度的差异性；③基于综合风险度方法的大余县重点防洪区洪水风险区划结果合理，能为大余县防灾减灾提供决策依据，对推动大余县的防灾减灾非工程措施建设和国土空间规划具有重要实际意义。