長江黃石段堤防決口經(jīng)濟(jì)損失估算

【摘要】我國是洪水災(zāi)害嚴(yán)重的國家，近幾年隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，流域發(fā)生大洪水導(dǎo)致堤防決口情況下產(chǎn)生的洪災(zāi)損失也越來越嚴(yán)重。依托全國重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制工作，以黃石地區(qū)為研究對象，對區(qū)域進(jìn)行分析計(jì)算，采用MIKE FLOOD洪水演進(jìn)一二維耦合數(shù)學(xué)模型模擬河道潰堤洪水在區(qū)域內(nèi)的演進(jìn)情況，分析洪水風(fēng)險(xiǎn)，在洪水風(fēng)險(xiǎn)信息計(jì)算的基礎(chǔ)上，對各量級洪水導(dǎo)致的居民財(cái)產(chǎn)、農(nóng)林牧漁、工商企業(yè)、交通運(yùn)輸、水利設(shè)施等方面的直接損失估算分析，為黃石地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)管理及防洪調(diào)度決策提供技術(shù)參考。

【關(guān)鍵詞】數(shù)學(xué)模型，洪水風(fēng)險(xiǎn)，損失評估

1、引言

防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是標(biāo)示區(qū)內(nèi)各處受洪水災(zāi)害危險(xiǎn)程度的一種防洪非工程措施，是抵御洪澇災(zāi)害、保證防洪安全的重要參考。通過對可能發(fā)生洪水堤防潰決后，洪水演進(jìn)路線、到達(dá)時間、淹沒水深、淹沒范圍、流速大小及避洪轉(zhuǎn)移范圍、路線、安置場所等要素進(jìn)行展示，為各級防汛指揮部門的抗洪搶險(xiǎn)救災(zāi)提供決策依據(jù)，指導(dǎo)洪水威脅地區(qū)的建設(shè)，在發(fā)生洪水的緊急情況下選擇正確路線和地點(diǎn)疏散群眾，并為洪澇災(zāi)情評估提供基礎(chǔ)依據(jù)。

隨著人們水患意識的加強(qiáng)，減災(zāi)工作受到重視，不斷有新方法和新技術(shù)應(yīng)用到評估分析中?；贕IS的洪災(zāi)損失評估方法則是運(yùn)用GIS技術(shù)研究洪水災(zāi)害，該方法不僅能準(zhǔn)確快速地提供研究所需要的數(shù)據(jù)，而且能對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

2、研究區(qū)域簡介

黃石市堤防洪保護(hù)區(qū)處于長江中游南岸湖北省黃石市境內(nèi)，屬亞熱帶大陸型氣候區(qū)。區(qū)域年降水量豐沛，歷年平均降雨量為1413mm，最大值為2258mm（1954年）。年降水時空分布不均，多集中在每年4至8月份（占全年平均雨量的65%），雨季時間長，且暴雨頻繁。保護(hù)區(qū)內(nèi)有黃石市及鄂州市，還有武九鐵路、山南鐵路和大廣高速、滬渝高速、G45等重要的交通設(shè)施，一旦發(fā)生洪澇災(zāi)害，損失較大，歷來是湖北省防御洪澇災(zāi)害的重點(diǎn)地區(qū)。

長江位于保護(hù)區(qū)東面，汛期長江黃石港水位一般為22.5～23.5m（1954年為24.54m），而黃石市區(qū)地面高程為16.5～18.1m，低于長江水位5～6m；因此，每年汛期，整個黃石無論是市區(qū)還是郊區(qū)均處于長江干流洪水威脅之下，因此有必要計(jì)算長江干流發(fā)生大洪水黃石市堤堤防潰決情況下，防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)的洪水演進(jìn)和潰堤后的經(jīng)濟(jì)損失情況，為黃石地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)管理及防洪調(diào)度決策提供技術(shù)參考。

3、洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

3.1 洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型

洪水風(fēng)險(xiǎn)分析方法主要有水文學(xué)方法、實(shí)際水災(zāi)法以及水力學(xué)法，水力學(xué)法是較為經(jīng)典的計(jì)算方法，在洪水演進(jìn)模擬方面得到了廣泛的運(yùn)用，是較為成熟的分析方法。長江干堤黃石段防洪保護(hù)區(qū)堤防決口洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算采用為水力學(xué)法，通過洪水分析獲得防洪保護(hù)區(qū)洪水淹沒過程。

洪水演進(jìn)計(jì)算采用丹麥水動力學(xué)研究所開發(fā)的MIKE FLOOD軟件，建立整體一、二維嵌套的非恒定流洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型，在這個嵌套模型中，流域內(nèi)水流運(yùn)動概化為河道、防洪保護(hù)區(qū)及其之間的聯(lián)系三部分。河道水流采用一維非恒定方法模擬，建立河網(wǎng)模型；防洪保護(hù)區(qū)概化為二維區(qū)域進(jìn)行模擬；對于河系中控制水流運(yùn)動的堰、閘、泵、潰口等概化為聯(lián)系，聯(lián)系的過流能力使用水力學(xué)上的相應(yīng)計(jì)算公式。在耦合計(jì)算時，一維與二維模型同時計(jì)算，在連接處會出現(xiàn)水量交換，可以很好地模擬洪水匯入河道的匯流過程和潰堤洪水從河道泛濫到堤防外的淹沒過程，從而滿足洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制過程中的功能需求。

（1）一維模型

MIKE 11是用于一維河道內(nèi)洪水演進(jìn)過程的模擬，計(jì)算范圍為漢口至湖口（八里江）段長江干流，約264km江段，沿江有府澴河、灄水河、倒水河、舉水河、巴水河、浠水河、蘄水、富水、鄱陽湖等支流匯入，支流匯入均按點(diǎn)源方式加入一維模型中。

（2）二維模型

MIKE21是二維平面區(qū)域內(nèi)的水力學(xué)計(jì)算模型，模擬長江黃石段右堤決口后基于保護(hù)區(qū)下墊面條件的洪水演進(jìn)過程，得出保護(hù)區(qū)的洪水淹沒過程及流場、流速、洪水到達(dá)時間、淹沒歷時、洪峰到達(dá)時間等數(shù)據(jù)。計(jì)算范圍涉及到黃石市、大冶市、陽新縣和鄂州市的鄂城區(qū)，總面積約1224.59m2。

（3）設(shè)計(jì)洪水

對于長江干流1954年實(shí)際洪水，采用長江中下游大湖演進(jìn)模型，并采用長江中下游歷年來的實(shí)測資料進(jìn)行率定和驗(yàn)證。上邊界考慮三峽水庫采用優(yōu)化調(diào)度方案的調(diào)洪過程，陸水、府澴河、灄水、倒水、舉水、巴水、浠水、蘄水等支流來水采用相應(yīng)年份的實(shí)測過程按照洪量縮放倍比進(jìn)行縮放后匯入，沿程各河段按照《長江洪水調(diào)度方案》（國汛[2011]22號）的洪水調(diào)度安排進(jìn)行調(diào)度，得到中下游各主要控制站不同計(jì)算工況的水位、流量過程。

（4）堤防潰決條件

綜合考慮河道、防洪保護(hù)區(qū)地形、地質(zhì)狀況、工程狀況、行政區(qū)劃、歷史出險(xiǎn)、洪水風(fēng)險(xiǎn)情況等因素，確定長江干流黃石段堤防決口位于青山湖處，結(jié)合長江干流歷史堤防潰決情況，堤防決口寬度定為300m。

由于現(xiàn)狀長江干堤堤防建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較高，長江發(fā)生1954年實(shí)際洪水時，黃石市堤處長江水位沒有達(dá)到設(shè)計(jì)水位，與長江堤頂還有較大距離，約2.7m左右。因此堤防決口時機(jī)確定為為到達(dá)最高水位的時刻。

3.2 潰堤洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

通過洪水演進(jìn)計(jì)算，長江干流發(fā)生1954年實(shí)際洪水時，黃石段在青山湖處決口，決口寬度300m，決口時間為1954年7月31日3：00，最大進(jìn)洪流量分別為4997m3/s，堤外保護(hù)區(qū)內(nèi)總進(jìn)洪水量分別為10.7億m3。

堤防決口后，潰堤洪水進(jìn)入黃石市區(qū)，瞬時峰量達(dá)4997m3/s，且流速較大，潰堤后6小時內(nèi)，洪水主要淹沒黃石市區(qū)，慈湖、花馬湖湖區(qū)均受淹，由于淹沒水深較大，達(dá)到4m左右，城區(qū)內(nèi)民房、建筑物、交通設(shè)施等財(cái)產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅。之后，受黃石城區(qū)周邊地形及黃石市區(qū)建筑物及保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水位的頂托影響，潰堤洪水主要向鄂州方向演進(jìn)，潰堤后42個小時，洪水沿江邊地勢較低處進(jìn)入鄂州城區(qū)。隨著潰堤洪水的持續(xù)演進(jìn)，洪水大部分進(jìn)入鄂州市，至青山附近受地形影響不再向北影響，潰堤48小時后，保護(hù)區(qū)內(nèi)（含鄂州）受淹面積增加緩慢，主要在鄂州城區(qū)以南方向及花馬湖周邊擴(kuò)展。

4、堤防決口經(jīng)濟(jì)損失估算

4.1 洪災(zāi)影響分析

耕地、公路、鐵路等基礎(chǔ)圖層、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)圖層以及洪水風(fēng)險(xiǎn)圖層等基于GIS平臺進(jìn)行空間疊加分析，得到長江干流1954年實(shí)際洪水的黃石段決口堤防內(nèi)防洪保護(hù)區(qū)淹沒面積、淹沒農(nóng)田面積、受影響GDP、受影響人口、受影響公路和受影響鐵路等的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

堤外防洪保護(hù)區(qū)受淹主要行政區(qū)域?yàn)閳F(tuán)城山街道、花湖街道、黃石港街道，受淹行政區(qū)11個，淹沒面積34.66km2，淹沒居民地面積263.85萬m2，淹沒耕地面積17hm2，受影響公路長度101.84km，受影響鐵路長度20.6km，受影響的重點(diǎn)單位及設(shè)施585個。

受淹行政區(qū)總?cè)丝?9.44萬人，受影響人口15.16萬人。受影響人口最大的黃石港區(qū)勝陽港街道，其中1.0～2.0m淹沒水深下受影響人口為0，2.0～3.0m淹沒水深下受影響人口為0.08萬人，3m以上淹沒水深下受影響人口為4.11萬人。受淹行政區(qū)總GDP為285.01億元，受影響GDP為118.14億元。

4.2 財(cái)產(chǎn)損失率

洪災(zāi)損失評估的關(guān)鍵是估算不同淹沒水深（歷時）條件下，各類財(cái)產(chǎn)洪災(zāi)損失率，建立淹沒水深（歷時）與各類財(cái)產(chǎn)洪災(zāi)損失率關(guān)系。洪災(zāi)損失率估算利用前人調(diào)查研究的資料，并借鑒相似地區(qū)資料，及防洪保護(hù)區(qū)的歷史洪災(zāi)損失資料予以確定。水深分級按0.05～1.0m、1.0～2.0m、2.0～3.0m、3.0m以上四級劃分，淹沒歷時按小時計(jì)。采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

4.3 洪災(zāi)損失計(jì)算結(jié)果

在確定了各類承災(zāi)體受淹程度、災(zāi)前價(jià)值之后，根據(jù)洪災(zāi)損失率關(guān)系，即可進(jìn)行分類洪災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失估算，本次洪災(zāi)損失分別對城鄉(xiāng)居民住房財(cái)產(chǎn)損失、城鄉(xiāng)工礦及商業(yè)企業(yè)損失、農(nóng)林牧漁業(yè)損失、交通等進(jìn)行估算。

青山湖潰口1954年實(shí)際洪水洪災(zāi)損失為155.58億元，其中居民房屋損失為10.26億元，家庭財(cái)產(chǎn)損失為12.9億元，農(nóng)業(yè)損失為0.07億元，工業(yè)資產(chǎn)損失為30.57億元，工業(yè)產(chǎn)值損失為56.43億元，商貿(mào)業(yè)資產(chǎn)損失為25.71億元，商貿(mào)業(yè)主營收入損失為17.79億元，道路損失為1.47億元，鐵路損失為0.4億元。

洪災(zāi)損失合計(jì)最大的行政區(qū)為下陸區(qū)團(tuán)城山街道，共損失34.76億元。居民房屋損失最大的行政區(qū)為黃石港區(qū)黃石港街道，損失2.8億元；家庭財(cái)產(chǎn)損失最大的行政區(qū)為黃石港區(qū)黃石港街道，損失3.84億元；農(nóng)業(yè)損失最大的行政區(qū)為下陸區(qū)團(tuán)城山街道，損失0.06億元；工業(yè)資產(chǎn)損失最大的行政區(qū)為黃石港區(qū)黃石港街道，損失8.4億元；工業(yè)產(chǎn)值損失最大的行政區(qū)為下陸區(qū)團(tuán)城山街道，損失18.36億元；商貿(mào)業(yè)資產(chǎn)損失最大的行政區(qū)為下陸區(qū)團(tuán)城山街道，損失8.29億元；商貿(mào)業(yè)主營收入損失最大的行政區(qū)為下陸區(qū)團(tuán)城山街道，損失5.79億元；道路損失最大的行政區(qū)為黃石港區(qū)黃石港街道，損失0.44億元；鐵路損失最大的行政區(qū)為西塞山區(qū)澄月街道，損失0.19億元。

5、結(jié)語

地理信息系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于水利領(lǐng)域的各個角落，通過洪水的情景演進(jìn)數(shù)學(xué)模擬推求各類洪水風(fēng)險(xiǎn)信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖層，利用地理信息系統(tǒng)的空間分析功能，可以迅速實(shí)現(xiàn)各種洪水災(zāi)情一定程度上的監(jiān)測、災(zāi)害面積的確定、災(zāi)情的預(yù)估等，從而為防洪減災(zāi)提供及時、準(zhǔn)確的信息，為地方洪水風(fēng)險(xiǎn)管理及防洪調(diào)度決策提供可靠的技術(shù)參考。

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