蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)模擬及堤防潰決損失評(píng)估方法

蔣水華， 黃中發(fā)， 黃勁松， 張 穎， 江先河

(1.南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 江西 南昌 330031； 2.江西水利職業(yè)學(xué)院， 江西 南昌 330013)

1 研究背景

蓄滯洪區(qū)災(zāi)害模擬、風(fēng)險(xiǎn)分析、預(yù)警，以及洪水演進(jìn)分析、評(píng)價(jià)、決策一直都是水文水資源領(lǐng)域和防災(zāi)減災(zāi)部門關(guān)注的重大課題[1]。蓄滯洪區(qū)在洪水來臨期間降低下游洪災(zāi)損失的同時(shí)，也要考慮降低蓄滯洪區(qū)內(nèi)進(jìn)洪過程中的損失，而且隨著時(shí)間的推移，蓄滯洪區(qū)內(nèi)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)已得到發(fā)展，人口也有所增長(zhǎng)，分洪時(shí)將造成較大損失，故有必要模擬蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)過程，估計(jì)對(duì)應(yīng)的生命、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境損失，從而指導(dǎo)防洪搶險(xiǎn)。

洪水演進(jìn)數(shù)值模擬是洪水風(fēng)險(xiǎn)分析及其損失評(píng)估的關(guān)鍵步驟，是進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)管理的中心環(huán)節(jié)[2]。童漢毅等[3]、Tucciarelli等[4]、李大鳴等[5]分別采用有限差分法、有限元法、有限體積法模擬蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)過程，取得了較好的數(shù)值結(jié)果，但是采用這些方法建立的模型推導(dǎo)和計(jì)算過程復(fù)雜，計(jì)算量較大。隨著計(jì)算機(jī)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，采用一維或二維水力學(xué)方法模擬洪水演進(jìn)過程發(fā)展迅速，水文學(xué)方法得到較為廣泛的應(yīng)用[6]。魏凱等[6]、穆聰[7]等、王崇浩等[8]、郭鳳清等[9]、朱世云等[10]、袁雄燕[11]等、Morales-Hernández等[12]和Bladé等[13]利用一維或二維水力學(xué)方法建立MIKE21 FM模型，分別模擬了蓄滯洪區(qū)、大壩潰壩、河湖和堤防潰決的洪水演進(jìn)過程，結(jié)果表明二維水力學(xué)模擬方法可在短時(shí)間內(nèi)直觀地顯示洪水淹沒范圍的變化，提供較詳細(xì)的淹沒區(qū)信息，可較好地根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果制定相關(guān)決策指導(dǎo)防洪搶險(xiǎn)工作。黃琳煜等[14]基于MIKE FLOOD建立MIKE URBAN與MIAKE 21耦合模型，并構(gòu)建了浦東川沙地區(qū)耦合模型來分析出現(xiàn)澇點(diǎn)和積水的原因，取得了較好的研究成果。王揚(yáng)等[15]歸納總結(jié)了MIKE內(nèi)部各個(gè)模型的基本原理、特點(diǎn)及其適用范圍，并且指出了MIKE模型存在的局限性。

針對(duì)蓄滯洪區(qū)堤防的規(guī)模較大，而現(xiàn)有的防洪標(biāo)準(zhǔn)較低、堤身堤型不達(dá)標(biāo)、區(qū)域內(nèi)人口密度大、水保工程措施不到位，且區(qū)內(nèi)產(chǎn)業(yè)嚴(yán)重失衡、種植業(yè)較多以及蓄洪排澇成本較大等因素引起的洪水演進(jìn)過程中損失估算的難題。本文發(fā)展了堤防潰決洪水演進(jìn)數(shù)值模擬方法，建立了基于蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)淹沒數(shù)據(jù)的損失評(píng)估方法。依托鄱陽(yáng)湖康山蓄滯洪區(qū)，采用MIKE21建立蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)數(shù)值模型，進(jìn)而根據(jù)洪水演進(jìn)過程模擬結(jié)果(淹沒范圍、水深和流速)估計(jì)堤防潰決造成的生命、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境損失。

2 洪水演進(jìn)數(shù)值模擬方法

丹麥MIKE21模型[8-10,16]是常用的洪水演進(jìn)數(shù)值模擬軟件，分為海岸水文學(xué)和海洋學(xué)、環(huán)境水文學(xué)、泥沙傳輸過程和波浪4個(gè)模塊，其原理是采用二維水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型模擬水流運(yùn)動(dòng)，直觀得出水位、流量和流速等重要的水力指標(biāo)隨時(shí)間的變化關(guān)系。相比于其他模型，MIKE21模型的功能較強(qiáng)大，不僅可以進(jìn)行軟啟動(dòng)，還可以設(shè)置多種控制性水工結(jié)構(gòu)，進(jìn)行干、濕節(jié)點(diǎn)及單元設(shè)置等[11]，在我國(guó)乃至世界范圍內(nèi)得到了廣泛使用，比如在我國(guó)南水北調(diào)工程和長(zhǎng)江綜合治理等工程中均得到了成功應(yīng)用。

2.1 控制方程

MIKE21模型將河道水流看成不可壓縮的牛頓液體，采用Navier-Stokes方程組來描述河道水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律[17]。為了考慮河床底部摩阻作用和紊動(dòng)影響，引進(jìn)渦黏系數(shù)，建立平面二維水動(dòng)力數(shù)值模型。模型控制方程包括平面二維流連續(xù)方程，計(jì)算表達(dá)式為:

(1)

式中：t為計(jì)算時(shí)間，s；x、y、z為右手Catesian坐標(biāo)系；h為靜止水深,m；u、v為流速在x、y方向上的分量，m/s；S為源匯項(xiàng)。x方向上的二維水流動(dòng)量方程為:

(2)

2.2 邊界條件

邊界條件主要包含上、下邊界條件、特殊邊界條件以及動(dòng)邊界條件，具體如下：

(1)上邊界條件。蓄滯洪區(qū)上邊界條件一般選取邊界處的流量或水位過程，根據(jù)研究目的不同，可選取歷史最高水位或流量過程、設(shè)計(jì)水位或流量過程、實(shí)測(cè)時(shí)段水位或流量過程等作為對(duì)應(yīng)的上邊界條件。

(2)下邊界條件。通常滯洪區(qū)在運(yùn)行時(shí)為封閉區(qū)域，所以模型不設(shè)置下邊界條件；若不是封閉區(qū)域，下邊界條件一般為邊界處的水位或流量過程。

(3)特殊邊界條件。對(duì)起到排水作用的構(gòu)筑物(涵管、涵洞等)和阻水作用的建筑物(道路、堤防等)進(jìn)行概化，使得模擬更加符合客觀實(shí)際。

(4)動(dòng)邊界條件。動(dòng)邊界是指計(jì)算區(qū)域中隨水位變化的邊界，為了保證模型計(jì)算的連續(xù)性，采用MIKE21模型中的干、濕邊界來設(shè)置動(dòng)邊界條件[9]。一般來說，干濕水深分別采用系統(tǒng)默認(rèn)值0.005 m與0.1 m可以滿足計(jì)算精度，具體含義為當(dāng)計(jì)算區(qū)域的水深小于0.005 m時(shí)，該邊界條件則為干邊界，不參與計(jì)算；當(dāng)水深大于0.1 m時(shí)，該邊界條件則為濕邊界，重新參與計(jì)算。

2.3 參數(shù)選取

MIKE21模型參數(shù)包括數(shù)值參數(shù)和物理參數(shù)。數(shù)值參數(shù)一般取默認(rèn)值，物理參數(shù)主要包括河床糙率系數(shù)、動(dòng)邊界計(jì)算參數(shù)和渦黏系數(shù)等。MIKE21水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的主要參數(shù)為糙率系數(shù)，該參數(shù)是一個(gè)反映水流阻力的綜合系數(shù)。研究區(qū)下墊面糙率系數(shù)可依據(jù)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》[18]給出的糙率變化范圍取值或考慮研究區(qū)域河床現(xiàn)狀進(jìn)行率定取值。

2.4 潰口設(shè)置

蓄滯洪區(qū)分洪口門包括自然分洪、閘門分洪和爆破分洪這3種分洪方式，都須預(yù)留分洪口，根據(jù)國(guó)家防汛抗旱總指揮部《關(guān)于長(zhǎng)江洪水調(diào)度方案的批復(fù)》(國(guó)訊[2011]22號(hào))[19]，當(dāng)湖口水位達(dá)到分洪水位時(shí)，采取相關(guān)工程措施將堤防預(yù)留的分洪口扒開，蓄滯洪區(qū)開始進(jìn)洪。參照分洪口門的設(shè)置參數(shù)，進(jìn)口形態(tài)接近流線型，故可采用流線型寬頂堰公式計(jì)算潰口流量[20]：

(3)

式中：Qb為潰口處出流流量，m3/s；Z為潰口處河道水位,m；m和σ分別為流量系數(shù)和淹沒系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[20-21]計(jì)算確定，沒有考慮淹沒系數(shù)與流量系數(shù)存在的不確定性；Zb為潰口頂部高程，m；B為潰口寬度，m。

3 堤防潰決損失評(píng)估方法

當(dāng)發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，為防洪搶險(xiǎn)，將預(yù)留的堤防分洪口扒開，進(jìn)而通過堤防分洪口的洪水會(huì)對(duì)下游蓄滯洪區(qū)造成一定的經(jīng)濟(jì)、生命、環(huán)境損失。生命損失是指堤防下游地區(qū)受潰堤洪水影響造成的死亡或受災(zāi)人口數(shù)量。經(jīng)濟(jì)損失是指潰堤洪水帶來的直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失，可用貨幣量表示。生態(tài)環(huán)境損失指的是堤防潰決引起的資源破壞和環(huán)境污染對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響。

關(guān)于生命損失，結(jié)合宋敬衖等[22]的研究成果，根據(jù)人口聚居特點(diǎn)結(jié)合行政區(qū)劃將淹沒區(qū)劃分為若干子區(qū)域，使用風(fēng)險(xiǎn)人群積分算法得到實(shí)用的生命損失LOL計(jì)算公式如下：

(4)

式中：PARij為第i個(gè)區(qū)域中第j組風(fēng)險(xiǎn)人口數(shù)量；a為風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域總數(shù)；c為風(fēng)險(xiǎn)人口分組數(shù)；IRij為第i個(gè)區(qū)域中第j組風(fēng)險(xiǎn)人群個(gè)體生命損失率，計(jì)算公式為:

(5)

式中：Pi為潰堤概率；fi為發(fā)生第i等級(jí)洪水個(gè)體死亡率，可根據(jù)洪水演進(jìn)模擬的淹沒范圍、水深以及預(yù)警時(shí)間等因素查表得到；l為洪水等級(jí)數(shù)目[22]。此處fi為傳遞參量，需要根據(jù)淹沒區(qū)受災(zāi)程度以及預(yù)警時(shí)間來確定。

經(jīng)濟(jì)損失主要包括提防的破壞、下游淹沒區(qū)城鎮(zhèn)的損害、工程收益的損失等。根據(jù)損失特征采用損失率方法估算直接經(jīng)濟(jì)損失，該方法適用于估算各類流動(dòng)資產(chǎn)與固定資產(chǎn)的損失[22]，間接經(jīng)濟(jì)損失一般取直接經(jīng)濟(jì)損失的0.63倍[23-24]。

(6)

式中：S為按損失率計(jì)算得直接經(jīng)濟(jì)損失；Si為第i類財(cái)產(chǎn)損失；βijk、Wijk分別為第i類第j種財(cái)產(chǎn)在第k種淹沒程度下的損失率和財(cái)產(chǎn)價(jià)值；e為財(cái)產(chǎn)分類總數(shù)；h為第i類財(cái)產(chǎn)分類總數(shù)；l為淹沒水深等級(jí)。此處βijk、Wijk為傳遞參量，Wijk需要根據(jù)受災(zāi)程度選擇相應(yīng)研究范圍，再到經(jīng)濟(jì)庫(kù)行政面積中去查找當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)確定；βijk需要根據(jù)淹沒程度確定。

國(guó)際上對(duì)堤防潰決造成的環(huán)境損失研究較少，并且由于考慮的因素多且復(fù)雜，沒有統(tǒng)一的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，一般較難直接統(tǒng)計(jì)計(jì)算。為此，本文采取條件價(jià)值評(píng)估方法評(píng)估堤防潰決造成的環(huán)境損失。條件價(jià)值評(píng)估方法是評(píng)估環(huán)境非使用價(jià)值的主要方法[25]，利用該方法評(píng)價(jià)環(huán)境損失的本質(zhì)就是通過問卷調(diào)查方式來調(diào)查風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)人口愿意為改善該環(huán)境功能的支付意愿，或者是放棄該環(huán)境功能的補(bǔ)償意愿，以此揭示環(huán)境對(duì)于被調(diào)查者的價(jià)值，即該區(qū)域環(huán)境資源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[25]，其中人均支付意愿E(元/a)和環(huán)境損失量F的計(jì)算公式為:

(7)

F=E·N·f

(8)

式中：Ai為每人愿意支付的金額；Di為個(gè)體選擇該金額的概率；u為金額的具體數(shù)量；N為年限；f為人口數(shù)。此處E和F為傳遞參量，需要根據(jù)淹沒歷時(shí)來計(jì)算環(huán)境損失隨時(shí)間的變化關(guān)系。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

康山大堤興建于1966年，屬于四級(jí)堤防，全長(zhǎng)36.25 km。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)：保證水位22.50 m(吳淞高程，湖口站水位)，堤頂高24.55 m，內(nèi)外邊坡1∶3，防汛警界水位19.50 m。穿堤建筑物有梅溪咀閘(中型水閘，設(shè)計(jì)排澇流量為103 m3/s)、鑼鼓山電排站(大(2)型泵站，設(shè)計(jì)排澇流量73.8 m3/s)、大湖口閘(中型水閘，設(shè)計(jì)排澇流量為160.5m3/s)、落腳湖電排站(中型泵站，設(shè)計(jì)排澇流量15.5 m3/s)、里溪閘(小型水閘，設(shè)計(jì)排澇流量為7.1 m3/s)[26]。

康山大堤內(nèi)垸1985年被國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)列為國(guó)家蓄滯洪區(qū)，有效蓄洪量16.58×108m3，是江西省最大的蓄滯洪區(qū)，也是國(guó)家重點(diǎn)蓄滯洪區(qū)，擔(dān)負(fù)著15×108m3分蓄洪任務(wù)?？偧昝娣e450.31 km2，蓄洪面積312.37 km2。區(qū)內(nèi)有石口鎮(zhèn)、三塘鄉(xiāng)、大塘鄉(xiāng)、瑞洪鎮(zhèn)、康墾總場(chǎng)、康山鄉(xiāng)等6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)場(chǎng)和1個(gè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)，常住人口2萬余戶、10余萬人，耕地面積117.21 km2，養(yǎng)殖水面面積139.01 km2。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，康山大堤保護(hù)面積343.4 km2，保護(hù)耕地面積94.2 km2，保護(hù)人口103 437人、22 560戶，康山蓄滯洪區(qū)居民土地財(cái)產(chǎn)登記情況有：承包土地262.49 km2，包括農(nóng)作物117.21 km2，水產(chǎn)類139.01 km2，經(jīng)濟(jì)林6.27km2；專業(yè)養(yǎng)殖家畜類11 919頭，家禽類198 384只；住房19 432間，合計(jì)843 353 m2；農(nóng)業(yè)機(jī)械7 244臺(tái)，役畜類1 395頭，居民主要耐用消費(fèi)品17 250臺(tái)[26]。

4.2 研究區(qū)地形概化及網(wǎng)格剖分

康山大堤潰堤洪水演進(jìn)過程模擬的計(jì)算區(qū)域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)比例尺為1∶10000，行政區(qū)劃數(shù)據(jù)比例尺為1∶50000。所收集的電子地圖需按要求用國(guó)家大地2000坐標(biāo)系(CGCS2000)，高程基準(zhǔn)統(tǒng)一采用1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)。其中1∶10000的數(shù)字高程模型如圖1所示。為了分析潰堤洪水演進(jìn)過程，獲得潰口流量變化過程和堤防保護(hù)區(qū)淹沒信息，采用公式(1)和(2)建立康山蓄滯洪區(qū)水流運(yùn)動(dòng)平面二維非恒定數(shù)學(xué)模型。

模型計(jì)算范圍為整個(gè)康山蓄滯洪區(qū)，以北面康山大堤的分洪口為進(jìn)洪邊界與退洪邊界，以北面康山大堤及南面陸地為物理邊界。由于計(jì)算區(qū)域地形復(fù)雜，為了合理布置網(wǎng)格，采用MIKE21模型中的FM非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(不規(guī)則的三角形網(wǎng)格)類型，利用有限體積法進(jìn)行數(shù)值模擬。最大網(wǎng)格面積不超過0.01 km2，對(duì)居民區(qū)、建筑物密集區(qū)和種植區(qū)的計(jì)算網(wǎng)格適當(dāng)進(jìn)行加密處理。研究區(qū)域共剖分了58 095個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和63 880個(gè)計(jì)算單元，網(wǎng)格中心點(diǎn)之間的最大間距為300 m，最小間距為26 m，蓄滯洪區(qū)的網(wǎng)格剖分如圖2所示。所涉及的物理參數(shù)取值如表1和2所示，具體包括邊界條件、初始條件、渦黏系數(shù)和經(jīng)率定后的糙率等。需要說明的是，表1中采用1954年4月15日0時(shí)至1954年4月18日0時(shí)的洪水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行洪水過程模擬，這是因?yàn)?954年長(zhǎng)江中下游發(fā)生了近100年最大洪水，洪水?dāng)?shù)據(jù)非常具有代表性。

表1 模型計(jì)算物理參數(shù)取值

表2 研究區(qū)域內(nèi)不同下墊面糙率取值

圖1 康山蓄滯洪區(qū)數(shù)字高程模型圖(1∶10000)

圖2 蓄滯洪區(qū)網(wǎng)格剖分圖

4.3 洪水潰決過程及流量分析

康山蓄滯洪區(qū)在康山大堤預(yù)留有分洪口門。分洪口位于大堤樁號(hào)20+070～20+450 m之間，分洪口門寬380 m，在分洪口門兩端布置深層水泥攪拌樁以防止口門無限制擴(kuò)大。

根據(jù)國(guó)家防汛抗旱總指揮部《關(guān)于長(zhǎng)江洪水調(diào)度方案的批復(fù)》(國(guó)訊[2011]22號(hào))[19]，當(dāng)鄱陽(yáng)湖湖口水位達(dá)到20.59 m(吳淞高程22.50 m)時(shí)，對(duì)應(yīng)的康山站水位20.68 m(吳淞高程22.55 m)，采用人工爆破的方式將預(yù)留潰口扒開，口門底寬為12.5 m，堤防潰決，蓄滯洪區(qū)開始進(jìn)洪。口門爆破并沖刷擴(kuò)大的過程按2 h計(jì)，最終口門底寬取300 m。參考《江西省鄱陽(yáng)湖蓄滯洪區(qū)安全建設(shè)工程可行性研究報(bào)告》[26]關(guān)于規(guī)劃口門底高程的選取，取口門底高程15.93 m(黃海高程)。潰決口門發(fā)展所需時(shí)間為口門初始形態(tài)發(fā)展到終止形態(tài)的時(shí)間，其中口門結(jié)構(gòu)參數(shù)和口門發(fā)展時(shí)間需要結(jié)合當(dāng)?shù)鼗蝾愃频貐^(qū)已發(fā)生過的實(shí)際潰決調(diào)查資料合理確定。不考慮區(qū)間降雨計(jì)算口門的發(fā)展過程，得到潰口流量變化過程曲線見圖3。由圖3可見，當(dāng)防洪堤潰決后，潰口流量在2 h內(nèi)很快達(dá)到最大值14 000 m3/s。24 h以后潰口流量開始下降，至48 h完成整個(gè)進(jìn)洪過程，蓄滯洪區(qū)內(nèi)水位達(dá)到20.68 m(黃海高程)，與外湖水位一致，潰口不再進(jìn)流，流量為0。

圖3 康山大堤潰口流量過程線

4.4 洪水演進(jìn)過程模擬

為了便于分析，在蓄滯洪區(qū)的康山鄉(xiāng)、瑞洪鎮(zhèn)、大塘鄉(xiāng)、三塘鄉(xiāng)、石口鎮(zhèn)古竹片區(qū)、康山墾殖場(chǎng)6個(gè)行政區(qū)的23個(gè)行政村(自然村)內(nèi)布置了23個(gè)特征點(diǎn)，各特征點(diǎn)布置及潰口位置見圖4。堤防潰決后研究區(qū)各典型時(shí)段的淹沒深度見圖5。

圖4 康山蓄滯洪區(qū)特征點(diǎn)布置及潰口位置

通過模型計(jì)算得到堤防潰決后研究水域各典型時(shí)段的淹沒水深，見圖5。由圖5可知，堤防潰決1h后，水流到達(dá)康山墾殖場(chǎng)和大湖管理局，12 h后，洪水可以推進(jìn)到瑞洪鎮(zhèn)片區(qū)的東源村，瑞洪鎮(zhèn)片區(qū)的東三村由于地勢(shì)較高，洪水需要在24 h左右才能達(dá)到淹沒深度。相比之下，地勢(shì)較高、遠(yuǎn)離龍口的大塘安全區(qū)在36 h后洪水才到達(dá)。由于康山墾殖場(chǎng)落腳湖分場(chǎng)和康山鄉(xiāng)的臨湖區(qū)域在口門附近，這兩處的最大流速大于1.0 m/s，受洪水沖刷影響較大。瑞洪鎮(zhèn)江家村附近部分地形高程小于20 m，當(dāng)蓄滯洪區(qū)分洪36 h后，西面安全區(qū)開始受影響。由圖5(c)可知，分洪結(jié)束時(shí)蓄滯洪區(qū)平均淹沒水深達(dá)6.95 m，康山墾殖場(chǎng)及石口鎮(zhèn)部分區(qū)域淹沒水深達(dá)到8 m。

圖5 堤防潰決后研究水域各典型時(shí)段的淹沒深度

4.5 潰堤洪水淹沒面積

康山大堤分洪口門潰決時(shí)，潰口寬380 m，口門底高程15.93 m。潰決前，康山蓄滯洪區(qū)內(nèi)蓄洪底部水位為15.10 m，約69 km2(去除水域面積)被漬水淹沒。整個(gè)潰堤洪水演進(jìn)過程歷時(shí)48 h，進(jìn)洪總量為16.58×108m3，總的淹沒面積為288 km2。

按照淹沒嚴(yán)重程度對(duì)淹沒區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，并統(tǒng)計(jì)各分區(qū)的淹沒面積如表3所示。定義危險(xiǎn)區(qū)淹沒深度大于2.0 m，重災(zāi)區(qū)淹沒深度在1.0～2.0 m之間，中災(zāi)區(qū)淹沒深度在0.5～1.0 m之間，輕災(zāi)區(qū)淹沒深度小于0.5 m，安全區(qū)洪水未到達(dá)區(qū)域，該區(qū)域是人員轉(zhuǎn)移安置區(qū)。

由表3可知，輕災(zāi)區(qū)、中災(zāi)區(qū)、重災(zāi)區(qū)所占淹沒面積的百分比較小，分別為0.66%、0.82%、1.77%。相比之下，危險(xiǎn)區(qū)淹沒面積為278.63 km2，占總淹沒面積的96.75%，說明在這種工況下，康山蓄滯洪區(qū)受災(zāi)程度大且涉及范圍廣。將MIKE計(jì)算結(jié)果文件導(dǎo)入ArcGIS，計(jì)算得到洪水未到達(dá)區(qū)域的面積為31.3 km2，該區(qū)域亦為安全區(qū)，可作為人員轉(zhuǎn)移安置區(qū)。

通過數(shù)值模擬可以得出不同淹沒程度的面積分布情況，從而可為康山蓄滯洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析、抗洪搶險(xiǎn)以及人員轉(zhuǎn)移安置提供較為準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

表3 潰堤洪水淹沒面積統(tǒng)計(jì)表

4.6 特征點(diǎn)淹沒水深、流速

以康山鄉(xiāng)、瑞洪鎮(zhèn)、大塘鄉(xiāng)、三塘鄉(xiāng)、石口鎮(zhèn)古竹、康山墾殖場(chǎng)片區(qū)內(nèi)23個(gè)特征點(diǎn)為代表，分析蓄滯洪區(qū)淹沒水深及流速變化情況，如圖6所示，從圖6中可獲得洪水到達(dá)特征點(diǎn)需要的時(shí)間、特征點(diǎn)的最大淹沒水深、流速峰值和峰現(xiàn)時(shí)間等。

由圖5和6可知，康山鄉(xiāng)雖離潰口較近，但地勢(shì)較高，直至堤防潰決后9 h 40 min洪水才達(dá)到府前村，最大淹沒水深和流速峰值均出現(xiàn)在府前村，分別為2.65 m和0.0133 m/s，峰現(xiàn)時(shí)間為潰堤后30 h 20 min，大山、金山村未被洪水淹及。

在潰堤9 h 10 min后洪水達(dá)到瑞洪鎮(zhèn)西崗村，瑞洪鎮(zhèn)最大淹沒水深出現(xiàn)在西崗村為4.55 m，最大流速出現(xiàn)在羅家村為0.0536 m/s，峰現(xiàn)時(shí)間為潰堤后24 h 30 min。其中該片區(qū)的把下村因地勢(shì)較高，未被洪水淹及。

圖6 不同片區(qū)特征點(diǎn)淹沒水深及流速過程線

大塘鄉(xiāng)在潰堤50 min后開始淹沒，最大淹沒水深和最大流速均出現(xiàn)在大湖村，分別為7.65 m和0.0731 m/s，峰現(xiàn)時(shí)間為2 h 40 min。其中該片區(qū)陳家塘村、南垅村因地勢(shì)較高，未被洪水淹及。

石口鎮(zhèn)古竹片區(qū)在潰堤50 min后開始淹沒，最大淹沒水深出現(xiàn)在古竹村為6.24 m；最大流速出現(xiàn)在西村為0.027 m/s，峰現(xiàn)時(shí)間為潰堤后28 h 50min。劉埠村和湖濱村由于地勢(shì)較高，直至潰堤后48 h進(jìn)洪完成，未被洪水淹及。

三塘鄉(xiāng)因地處康山蓄滯洪區(qū)南部山區(qū)，離潰口較遠(yuǎn)，且地勢(shì)較高，潰堤后23 h 40 min，洪水才達(dá)到三塘鄉(xiāng)馬山村，最大淹沒水深3.67 m，最大流速為0.2635 m/s，峰現(xiàn)時(shí)間為潰堤后29 h。魏家、余家橋村未被洪水淹及，該未被洪水淹及的區(qū)域可作為避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移的重點(diǎn)區(qū)域。

以上6個(gè)區(qū)域中康山墾殖場(chǎng)片區(qū)最先被淹沒，其中插旗分場(chǎng)在潰堤后30 min開始淹沒，里溪分場(chǎng)、甘泉洲分場(chǎng)在潰堤后40 min開始淹沒。康山墾殖場(chǎng)片區(qū)最大淹沒水深和最大流速均出現(xiàn)在里溪分場(chǎng)，最大淹沒水深為8.32 m，最大流速為0.074 m/s，峰現(xiàn)時(shí)間為潰堤后2 h 30 min。

此外由圖6可知，康山墾殖場(chǎng)片區(qū)最先被淹沒，幾乎都被淹沒，且淹沒水深平均超過2 m，故該片區(qū)人口物資需要在預(yù)警時(shí)間內(nèi)迅速撤離至離該片區(qū)較近的石口鎮(zhèn)古竹片區(qū)安全樓或大塘鄉(xiāng)片區(qū)安全樓；古竹片區(qū)的安全樓可建立在劉埠村和湖濱村，這兩個(gè)村未被淹及；大塘鄉(xiāng)片區(qū)的安全樓可建立在陳家塘村和南垅村；瑞洪片區(qū)的把下村也未被淹沒，可將該區(qū)域的西崗村和羅家村的人口和物資遷至把下村避險(xiǎn)；康山鄉(xiāng)片區(qū)的大山村和金山村從蓄洪開始到結(jié)束均未被淹沒，可在此處建立安全樓以便康山鄉(xiāng)片區(qū)人口物資避險(xiǎn)；三塘片區(qū)最后被淹及，且僅有馬山村被淹沒，其余地區(qū)未遭到淹沒，故該片區(qū)人口物資相對(duì)安全。

4.7 淹沒區(qū)損失統(tǒng)計(jì)

基于上述獲得的淹沒范圍、深度、流速、預(yù)警時(shí)間等信息采用公式(4)和(5)估計(jì)淹沒區(qū)生命損失，步驟如下：(1)通過淹沒信息劃分災(zāi)區(qū)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算各災(zāi)區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)人口。(2)通過洪水歷時(shí)、水深、淹沒范圍來查表確定死亡率，將死亡率與潰堤概率相乘得到損失率。(3)將步驟(1)和(2)計(jì)算結(jié)果相乘得到生命損失。獲得的淹沒區(qū)風(fēng)險(xiǎn)人口累積曲線和不同預(yù)警時(shí)間內(nèi)的人口損失如圖7(a)～7(c)所示。

圖7 潰堤造成的研究區(qū)內(nèi)生命、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境損失圖

經(jīng)濟(jì)損失估算步驟如下：(1)在經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢康山蓄滯洪區(qū)的行政面積，求出模擬單元格中的受災(zāi)單元格相對(duì)于行政面積的比例；各類財(cái)產(chǎn)貨幣化后的價(jià)值與比例的乘積即為該網(wǎng)格單元內(nèi)各類型的財(cái)產(chǎn)價(jià)值。(2)由洪水演進(jìn)模擬得到的淹沒信息(水深、流速和淹沒歷時(shí))確定單元內(nèi)各類財(cái)產(chǎn)的損失率。(3)將步驟(1)得到的財(cái)產(chǎn)價(jià)值與步驟(2)得到的損失率相乘，得到該單元格的財(cái)產(chǎn)損失，累積計(jì)算淹沒區(qū)域財(cái)產(chǎn)損失即為該蓄滯洪區(qū)的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)統(tǒng)計(jì)蓄滯洪區(qū)淹沒范圍內(nèi)的直接經(jīng)濟(jì)組成成分，采用公式(6)計(jì)算得到區(qū)內(nèi)直接經(jīng)濟(jì)損失和農(nóng)林牧及家庭財(cái)產(chǎn)損失累積曲線如圖7(d)～7(e)所示。淹沒范圍內(nèi)所有單元的損失累加，得到直接經(jīng)濟(jì)損失為9.53×108元，間接損失取直接損失的63%，為6.00×108元，則康山大堤潰決總經(jīng)濟(jì)損失為15.53×108元。

環(huán)境損失通過問卷調(diào)查的方式評(píng)估，采用公式(7)和(8)計(jì)算得到湖區(qū)重點(diǎn)堤防整治工程居民的平均支付意愿為每人776.8～780元/a。目前康山蓄滯洪區(qū)共有居民29 895人，按人均776.8元/a，按20 a計(jì)算，堤防環(huán)境整治工程總價(jià)值評(píng)估為4.64×108元，即堤防潰決導(dǎo)致的社會(huì)環(huán)境損失為4.64×108元。進(jìn)而按照洪水淹沒進(jìn)程得到環(huán)境損失累積曲線，如圖7(f)所示。

基于蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)過程數(shù)值模擬得到的洪水淹沒信息，采用第3節(jié)生命、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境損失評(píng)估方法可得到風(fēng)險(xiǎn)人口、淹沒-損失人口、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境損失，據(jù)此可根據(jù)不同預(yù)警時(shí)間下的淹沒損失制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案和具體的抗洪搶險(xiǎn)措施。比如由圖7(a)可知，該蓄滯洪區(qū)內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)人口隨著洪水歷時(shí)的一個(gè)變化過程，可結(jié)合淹沒范圍信息制定準(zhǔn)確詳細(xì)的人口遷移方案，以減少淹沒損失和降低抗洪成本。圖7(b)～7(c)除了評(píng)估人口損失之外，還可根據(jù)不同預(yù)警時(shí)間編制搶險(xiǎn)方案，制定預(yù)警級(jí)別和相應(yīng)的響應(yīng)措施。根據(jù)圖7(e)可判斷直接損失中損失比值最大的成分為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失，從而為提前采取相關(guān)止損措施提供參考依據(jù)。

5 結(jié) 論

本文發(fā)展了堤防潰決洪水演進(jìn)數(shù)值模擬方法，依托鄱陽(yáng)湖康山蓄滯洪區(qū)，采用MIKE21建立洪水演算數(shù)值模型模擬蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)過程，獲得了最高水位條件下的淹沒范圍、洪水淹沒深度及流速過程線，進(jìn)而估算了堤防潰決造成的蓄滯洪區(qū)內(nèi)的生命、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境損失。主要結(jié)論如下：

(1)獲得了康山蓄滯洪區(qū)歷史最高水位條件下的潰堤淹沒信息(包括淹沒范圍、水深和流速等)，并根據(jù)洪水淹沒范圍、水深劃分了區(qū)內(nèi)災(zāi)害等級(jí)，最后根據(jù)潰決洪水到達(dá)特征點(diǎn)所需的時(shí)間、特征點(diǎn)最大淹沒水深、流速峰值和峰現(xiàn)時(shí)間確定了各片區(qū)安全樓的位置，以便制訂人口和物資遷移方案，這些研究結(jié)果可以有效指導(dǎo)蓄滯洪區(qū)的防洪搶險(xiǎn)和人口轉(zhuǎn)移工作。

(2)建立了基于蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)淹沒數(shù)據(jù)的損失評(píng)估方法，基于潰堤淹沒數(shù)據(jù)得到了蓄滯洪區(qū)內(nèi)各片區(qū)的三大損失累積曲線。并根據(jù)獲得的風(fēng)險(xiǎn)人口、淹沒區(qū)人口損失、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境損失判斷了風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度，從而為堤防潰決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、康山及類似蓄滯洪區(qū)防汛搶險(xiǎn)決策方案的制定提供了重要的參考依據(jù)。