基于洪灾风险管理的蓄滞洪区分区运用研究

吴 博，李 航，方书义

（松辽水利委员会流域规划与政策研究中心，吉林 长春 130021）

0 引言

频繁的洪水灾害对于经济社会发展一直是一个重要课题，目前，我国基本形成以堤防、防洪控制性工程等为主的防洪体系[1]。然而，中小河流和蓄滞洪区仍然是防洪体系中的薄弱环节，特别是近年来极端天气时间增多，常发生局部地区集中暴雨，对我国城乡尤其是重要城镇和农业主产区防洪安全构成了严重威胁[2]。为减少洪灾带来的损失，采取一系列的防洪减灾措施是十分必要的[3]。国内外许多防洪机构都认为，采取工程防洪措施与非工程防洪措施相结合的方法是防御洪水的最佳方法，而蓄滞洪区作为一种工程与非工程措施相结合的手段越来越受到防洪人士的重视[4]。本文基于洪灾风险管理条件下，研究制定出科学、合理、可行的蓄滞洪区分区运用方案，最大限度地削减洪水并尽量减少由开启蓄滞洪区带来的洪灾损失，使防洪效果最大化[5]。

1 研究区概况

胖头泡蓄滞洪区位于嫩江、松花江干流的左岸，肇源县的西北部，东西长约46 km，南北长约58 km，区内总面积1 994 km2，主要由嫩江、松花江一级阶地及漫滩构成。地形总趋势为西北部较高，东南部较低，地势较为平坦，局部地段起伏较大，地面高程一般为125.0～165.0 m。区内岗地总面积约269 km2，泡沼总面积约342 km2，分别占蓄滞洪区总面积的13%和17%。区内有10 个乡镇、70 个村、210 个自然屯，总人口为17.0 万人。区内国内生产总值88.68 亿元，其中，第一产业27.60 亿元，第二产业41.50 亿元，第三产业19.58 亿元。老龙口分洪闸是蓄滞洪区的进洪闸，位于嫩江左堤；老砍子退水闸是蓄滞洪区的退水闸，位于松花江干流左侧。

2 模型构建与参数率定

当前采用水动力学模型分析洪水在某一地区的传播是比较普遍的方法，本文采用DHI MIKE FLOOD 模型进行洪水演进模拟，对河道采用MIKE 11 进行一维模型模拟，对蓄滞洪区采用MIKE 21 进行平面二维模拟，通过对嫩江老龙口分洪闸处设置虚拟河道，采用标准连接方式实现一、二维的耦合。

2.1 基本方程

1）圣维南方程组：

式中：B为不同高程下的过水宽度，m；Q为流量，m3/s；x，t为位置和时间坐标；H为断面水位，m；qL为旁侧入流流量，m3/s；u为平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；C为谢才系数；R为水力半径，m。

2）平面二维浅水方程：

式中：h为水深，m；u，v为x，y方向沿垂线平均的水平流速分量，m/s；q为源汇项，m/s；Z为水位，m；n为糙率。

2.2 模型模拟范围

模型计算范围为整个胖头泡蓄滞洪区，东面以安肇新河右堤、马营子堤段、格吉堤防、大兴堤防为界；西面以嫩江左岸分水岭为界；南边以松花江左岸分水岭为界；北边以南引水库33 号围堤，主要以144.0 m等高线为边界，计算面积约为1 994 km2。

2.3 边界条件

根据相关资料显示，1998 年8 月15 日胖头泡开始决口，决口处位于蓄滞洪区国营农场附近的嫩江干流左岸堤防处、大安市上游；8 月18 日口门达到最大，口门宽530.0 m；9 月21 日口门最后堵死，进水时间达37 d。8 月28 日在老坎子处扒堤排水，口门总长2 000.0 m。

相应的MIKE 模型中将入流及出流边界设置在其对应位置，宽度最大程度上与1998 年历史情况保持一致。

2.4 参数率定

2.4.1 一维河道参数率定

MIKE 11 一维河道模型的参数文件主要是定义模型模拟的河床糙率。此次河床糙率M采用嫩干可研成果：主槽为0.014，滩地为0.058。

2.4.2 MIKE21 模型参数

1）网格剖分

网格剖分的质量直接影响到各方案计算结果的质量，胖头泡蓄滞洪区区域面积较大，其边界可视为光滑曲线，模拟时采用SMS 进行三角网格剖分。在进行网格剖分前，针对研究重点区域进行局部加密。局部加密处网格设置为边长200.0 m，其他区域设置成边长400.0 m。最大网格面积控制在0.16 km2以内，胖头泡蓄滞洪区剖分后网格数为53 447 个。

2）糙率参数

计算区域的糙率与水深、床面形态、植被条件等因素有关[6-8]。此次模型中糙率参数按照地形地貌特点进行选取，根据计算区域内不同植被类型赋予不同曼宁值，制作成糙率场文件[9]。

3）时间步长

考虑模型模拟的计算精度和模型稳定，设置的模拟时间步长为30 s，模拟时间段为1998 年8 月15日8时至10月7日8时，共历时53 d，总计1 272 h，总时间步数为152 640 步。

4）干湿边界

由于模拟过程中，干湿边界变化频繁，为避免模型计算的不稳定，需设置Floodand Dry 选项。此次计算中，模型中干水深、淹没深度、湿水深分别设定为0.005，0.010，0.050 m。

3 模型合理性分析

3.1 洪痕点水位分析

模型率定的主要方法通过调整模型曼宁值，使MIKE 21 的模拟最高水位与实测洪痕水位尽可能相一致。实测洪痕水位和MIKE 21 模型计算水位比较结果见表1。由表1 可知，大约86%的率定点的误差都在0.2 m 之内，模拟结果良好。

表1 1998 年洪水洪痕率定成果表 m

3.2 水量平衡分析

采用MIKE 21 对蓄滞洪区进行洪水演进模拟，在模拟过程中，蓄滞洪区分洪水量62.9 亿m3、回归水量42.0 亿m3、蓄水量20.9 亿m3，水量基本平衡，与1998 年决口跑水量64.3 亿m3、回归水量44.3亿m3、蓄水量20.0 亿m3的实际情况基本相符合。

3.3 淹没范围分析

胖头泡蓄滞洪区1998 年分洪淹没实况如图1（a）所示，此次模拟计算淹没图如图1（b）所示，综合对比淹没范围，与实际基本相符合。

图1 胖头泡蓄滞洪区淹没图

4 洪灾风险分析

4.1 洪灾风险损失计算方法

根据影响区内各类经济类型和洪灾损失率关系，按下式评估计算洪灾经济损失D：

式中：wij为评估单元在第j级水深的第i类财产的价值；η(i·j)为第i类财产在第j级水深条件下的损失率。在确定了各类承灾体受淹程度、灾前价值之后，根据洪灾损失率关系，即可进行分类洪灾直接经济损失估算，表2 为“十三五”时期黑龙江省关于洪灾损失评估成果。

表2 黑龙江省洪灾损失率 %

4.2 洪灾损失要素分析

洪水影响统计分析主要以不同计算方案下，不同行政区域内不同水深级别的淹没面积、淹没耕地面积、受影响人口、受影响GDP、淹没道路长度等来反映研究区域受灾情况。此次选取200 年设计洪水进行蓄滞洪区分区运用洪灾损失分析，其中，不建设隔堤情况下、建设1 号围堤（沿Y022号公路东侧自新合村至民意乡建设隔堤）后、建设2 号围堤（沿S213 号公路东侧自羊营子至永和村建设隔堤）后，蓄滞洪区淹没范围如图2 所示。

图2 蓄滞洪区淹没范围

统计不同分区运用时房屋、家庭财产、农业、工业、商业等损失指标，计算得出不同行政区划的洪灾损失情况，根据计算得出洪水对各水深等级的洪灾损失情况，统计分析见表3。

表3 无隔堤条件下洪灾损失统计表

5 结语

蓄滞洪区普遍存在着防洪保安与自身经济发展的矛盾问题，上文以蓄滞洪区分区运用的科学规划作为切入点，利用水动力学模型求解胖头泡蓄滞洪区洪水演进中的各项水力特征值，分析了不同规划隔堤布设方案的洪灾损失情况，分析确定在蓄滞洪区建设2 号围堤条件下，洪水造成的经济损失最小。因此，从洪水风险的管理角度认为该隔堤建设方案为最佳方案。蓄滞洪区分区时要从蓄滞洪区全局考虑，分析规划不同隔堤方案的洪灾风险，力求在保障蓄滞洪区防洪功能的前提下，寻求最佳方案，为规划部门提供科学的规划方法，也为防洪管理单位提供管理依据。