基于洪水影響和損失風險期望的新寧縣城防洪標準初步研究

黃啟有，吳艷紅，黃文衡

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

GB 50201—2014《防洪標準》規(guī)定[1]：城市防護區(qū)應根據(jù)政治、經(jīng)濟地位的重要性、常住人口或當量經(jīng)濟規(guī)模指標，確定防護等級和防洪標準。實際工作中由于相應標準的洪水淹沒范圍、影響人口、洪災可能造成的損失等指標往往較難得到，使得大多數(shù)城市仍以城市整體指標作為確定防洪標準的依據(jù)。城市洪水影響和損失，除與洪水大小有關外，城市地形地勢條件也是一個重要的因素，決定了洪水淹沒范圍及損失程度，以城市整體指標確定城市防洪設防標準的方法，存在較大程度的不確定性。本文以夫夷水新寧縣城區(qū)域為研究對象，基于洪水影響和洪災損失風險期望，對新寧縣城防洪標準進行了初步研究。

新寧縣城位于湘西南邊陲[2]，夫夷水左岸，主要轄金石鎮(zhèn)，總人口約8.2萬人，按照國家標準，屬一般城市，防洪標準為20年至50年一遇。縣城東、西、南三面被夫夷水環(huán)繞(圖1)，呈“馬蹄形”[3]，主城區(qū)地勢北高南低，順河流走向解放路以南沿河一帶地勢低洼，現(xiàn)狀無堤防防護，部分河段甚至低于5年一遇標準，洪水風險突出。

圖1 新寧縣城區(qū)位

1 洪水風險分析

1.1 暴雨洪水特性

夫夷水為資水一級支流，資水南源，資水廣西資源—新寧—邵陽洞口黃橋一帶，是流域的3個暴雨中心之一[4]。夫夷水新寧以上控制流域面積2 456 km2，流域內暴雨頻發(fā)，雨量集中，縣城多年平均降雨1 403.5 mm，年內分配不均，4—6月占全年的41.7%，暴雨多為鋒面雨，少數(shù)為臺風雨；流域內實測最大1 d雨量400.1 mm。受流域內地形地勢影響，洪水陡漲陡落，峰高量小。最大洪水一般出現(xiàn)在5—7月，具有明顯的陡漲陡落特性，變幅較大，洪水過程以單峰為主，有時呈復峰，一次洪水一般在2～3 d。新寧站實測最大流量3 450 m3/s，出現(xiàn)在2017年7月1日。

1.2 設計洪水及水位

新寧水文站位于夫夷水新寧縣城河段觀瀑橋上游約180 m，有1958—2017年共60 a實測洪水資料，考慮1864、1898、1918、1924、1949年歷史調查洪水，并將2017年實測最大洪水按特大值處理，統(tǒng)一進行排位，分別按連續(xù)系列和不連續(xù)系列經(jīng)驗頻率公式計算經(jīng)驗頻率。采用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線適線，矩法初估參數(shù)，計算機目估適線法適線，推求設計洪水成果。以“2017·07·01”洪水為典型，采用峰量同頻率放大方法，推求設計洪水過程線。新寧站設計洪水成果及過程分別見表1、圖2。

表1 新寧站設計洪水成果

圖2 新寧站各頻率設計洪水過程線

根據(jù)模型計算需要，采用新寧站設計流量過程及綜合水位流量關系，經(jīng)水面比降換算，推求下邊界斷面水位過程。

1.3 洪水風險模擬計算

1.3.1模型原理

夫夷水新寧縣城河段無堤防保護，洪水風險分析考慮建立河流一維和縣城區(qū)域二維模型，通過側向耦合連接方式[5]，根據(jù)上下邊界條件，模擬計算洪水淹沒發(fā)展過程。

a) 河流一維模型。 一維模型是求解河流一維非恒定流方程(圣維南方程組)。一維模型控制方程如下。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中A——河道過水面積；Q——流量；u——側向來流在河道方向的流速；t——時間；x——沿水流方向的水平坐標；q——河道的側向來流量；α——動量修正系數(shù)；g——重力加速度；y——水位；Sf——摩阻坡降。

b) 城區(qū)二維模型。二維模型是求解二維淺水運動方程。模型控制方程如下。

連續(xù)方程：

(3)

動量方程：

(4)

(5)

式中t——時間，s；U、V——x、y方向的單寬流量，m3/s；H、h——水位和水深，m；n——糙率系數(shù)；g——重力加速度；q——源匯項，方程沒有考慮柯氏力和紊動項的影響。

1.3.2模型構建

基于IFMS軟件進行一、二維耦合模型構建(圖3)，一維模型根據(jù)實測的約8.5 km河段河流縱橫斷面構建，總斷面數(shù)31個。二維模型采用不規(guī)則四邊形網(wǎng)格對城區(qū)范圍進行概化，每個網(wǎng)格賦予相應的屬性，包括高程、糙率、面積等。共概化研究區(qū)范圍6.19 km2，合計網(wǎng)格數(shù)62 884個，平均網(wǎng)格長度10 m。

圖3 研究區(qū)一二維耦合模型示意

1.3.3模型計算

模型構建完成根據(jù) “2017·07·01”實測洪水資料，對模型參數(shù)進行了率定和驗證，成果表明，模型參數(shù)選取基本合理，成果較為可靠。分別對10、20、50、100、200年一遇洪水進行模擬計算，模型計算結果表明，不同頻率洪水的淹沒范圍不同，200年一遇洪水淹沒范圍最大，約為1.5 km2；20年一遇洪水，淹沒面積約0.15 km2。各方案淹沒面積統(tǒng)計情況見表2，各頻率洪水淹沒面積變化過程見圖4。

表2 各頻率洪水最大淹沒面積

圖4 各頻率洪水淹沒范圍變化過程

2 洪水影響與損失估算

2.1 洪水影響分析

洪水影響分析[6-7]主要基于GIS空間分析功能，根據(jù)模型計算得到的洪水風險數(shù)據(jù)，結合房屋、耕地、道路、重點設施、人口等空間地理分布，進行空間疊加分析計算，各方案洪水淹沒影響情況見表3。

表3 各方案洪水淹沒影響成果

2.2 洪災損失初估

洪災損失估算[8-10]通過區(qū)分家庭財產(chǎn)、居民房屋、農業(yè)、工業(yè)資產(chǎn)、商貿資產(chǎn)、道路等經(jīng)濟類型，根據(jù)不同財產(chǎn)不同淹沒歷時相應損失率進行估算，其中損失率的確定，主要根據(jù)湖南省內其他同類地區(qū)洪水損失調查資料選用。各頻率洪水損失估計成果見表4。

表4 各頻率洪水淹沒損失初估成果

3 防洪標準分析

夫夷水新寧縣城河段左岸現(xiàn)狀無堤防防護，而根據(jù)國家防洪標準，新寧縣城段設防標準應為20年至50年一遇，綜合洪水風險分析、洪水影響分析及洪災損失估算成果，考慮各頻率洪水發(fā)生的概率，選擇洪水影響的社會指標——淹沒人口風險期望[11-13](頻率P·淹沒區(qū)人口R)，選擇洪災損失的經(jīng)濟指標——洪災損失風險期望(頻率P·洪災損失W)，分別計算各頻率洪水影響與損失風險指標，成果見圖5、6。

圖5 各頻率洪水影響風險期望

從圖5可以看出，新寧縣城20年一遇洪水對應的洪水影響的社會指標——淹沒人口風險期望值最高；從圖6可以看出，經(jīng)濟指標中，洪災損失風險期望在100年一遇左右具有明顯轉折，綜合新寧縣城社會經(jīng)濟發(fā)展水平及國家城市防洪標準，初步分析新寧縣城防洪設防標準20年一遇基本比較合理。

圖6 各頻率洪災損失風險期望

4 結語

現(xiàn)行城市防洪標準規(guī)定根據(jù)城市的重要程度、常住人口、當量經(jīng)濟規(guī)模等擬定設防標準，實際工作中，由于相應標準的洪水淹沒范圍、影響人口、洪災可能造成的損失等指標往往較難得到，使得大多數(shù)城市仍以城市整體指標作為確定防洪標準的依據(jù)，從經(jīng)濟性的角度，是非最優(yōu)的。本文基于洪水影響和損失風險指標，對夫夷水新寧縣城河段設防標準進行了探討，提出了基于洪水影響社會指標和洪災損失經(jīng)濟指標合理選擇城市防洪標準的方法，為城市防洪設防定標提供參考。