基于羅塘河潰堤洪水風(fēng)險的避洪轉(zhuǎn)移方案研究

劉衛(wèi)林，萬一帆，劉麗娜，黃一鵬，吳 濱，朱圣男

(南昌工程學(xué)院，江西省水文水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099)

在全球變暖的整體趨勢下，極端氣候造成的洪水災(zāi)害急劇上升[1]。而洪水對于岸堤、水庫、大壩等水工建筑物的安全性也存在極大的威脅，一旦發(fā)生潰決，會造成大量的人口和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失[2- 3]。當(dāng)潰堤洪水發(fā)生在城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村等人口密集處時，除了采取必要的工程措施外，提前做好避險轉(zhuǎn)移同樣是當(dāng)務(wù)之急。當(dāng)下對于避洪轉(zhuǎn)移的研究，國內(nèi)外有眾多學(xué)者致力其中。徐志遠(yuǎn)[4]采用層次分析法建立指標(biāo)模型，綜合考慮了因地制宜性、安置可行性、可持續(xù)發(fā)展性等因素對安慶市望江縣高士鎮(zhèn)進(jìn)行了避難場所選址，并得到了最優(yōu)避難方案。殷丹[5]基于GIS網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，以渾河右岸某段堤防潰堤為例，實(shí)現(xiàn)了避洪轉(zhuǎn)移最短路徑的搜索，并繪制了路線圖。李德龍[6]以江西省重點(diǎn)防洪保護(hù)區(qū)蔣巷聯(lián)圩防洪保護(hù)區(qū)為例，基于ArcGIS空間分析法確定區(qū)內(nèi)避洪轉(zhuǎn)移路線，繪制相應(yīng)避洪轉(zhuǎn)移圖由于現(xiàn)有避洪轉(zhuǎn)移研究多數(shù)考慮最短路徑而忽略了不同等級的路徑的避難行進(jìn)速度，因此本文在羅塘河潰堤洪水風(fēng)險[7]的基礎(chǔ)上進(jìn)行避洪轉(zhuǎn)移的深入研究，考慮不同等級道路的避難行進(jìn)速度，以就近原則對羅塘河潰堤避洪轉(zhuǎn)移進(jìn)行路線規(guī)劃，研究成果可為流域洪水災(zāi)害的避險提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

羅塘河位于江西省貴溪市信江中下游段，為信江的一條1級支流，出口與信江左岸交匯[8]，為信江河的迎沖面，河勢較猛，水流較復(fù)雜。圩堤石垅段至河道出口段右岸的下游地區(qū)，包括下游重文、雷溪、富港、張家橋等行政區(qū)域是信江流域的重點(diǎn)防護(hù)保護(hù)區(qū)。研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有6個行政村14個村莊，面積8.70km2，居住人口6278人，房屋1609間，耕地9357畝，高程為32.5～40m。見表1。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文中所用的最大淹沒水深、最大淹沒流速及洪峰前鋒到達(dá)時間來自基于潰堤洪水淹沒模擬結(jié)果[7]；人口密度、居住戶數(shù)密度、耕地面積密度數(shù)據(jù)來自經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒與走訪調(diào)查；交通線密度數(shù)據(jù)來自基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)。研究數(shù)據(jù)來源見表2。

2.2 基于GIS的避洪轉(zhuǎn)移最優(yōu)路徑確定

避洪轉(zhuǎn)移方案研究的基本工作包括：危險區(qū)與轉(zhuǎn)移單元確定、資料收集和現(xiàn)場調(diào)查、避洪轉(zhuǎn)移方案制定、檢驗(yàn)核實(shí)、避洪轉(zhuǎn)移圖繪制等內(nèi)容。本文以羅塘河潰堤洪水風(fēng)險分析的相關(guān)成果[7]為基礎(chǔ)，開展避洪轉(zhuǎn)移分析，其工作重點(diǎn)即為轉(zhuǎn)移路線的確定。轉(zhuǎn)移路線考慮時間最短，路徑最短等方面進(jìn)行規(guī)劃，并采用GIS軟件中的網(wǎng)絡(luò)分析[9]功能，進(jìn)行避險轉(zhuǎn)移路徑的分析，具體流程如下：

表1 羅塘河研究區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)概況

注：數(shù)據(jù)來源于江西省2010年人口普查資料和鷹潭市2015年統(tǒng)計(jì)年鑒以及走訪調(diào)查與測量數(shù)據(jù)。

表2 研究數(shù)據(jù)來源

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理。通過Google地圖在GIS操作界面對研究區(qū)域道路數(shù)字化。通過拓?fù)涔ぞ哌M(jìn)行道路連通性檢查，對道路交叉路口等相交線進(jìn)行打斷處理。對道路進(jìn)行屬性編輯，賦予其道路名稱、道路等級、行駛速度等相關(guān)屬性以便最優(yōu)路徑分析的后續(xù)工作。

(2)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)分析數(shù)據(jù)集?；诘缆芬?cái)?shù)據(jù)，在ArcCatalog數(shù)據(jù)圖層構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，并對道路連通性、高程、屬性(距離、行駛速度、道路等級、行駛時間)、方向等進(jìn)行設(shè)置。

(3)最優(yōu)路徑[10]分析?；谝呀?jīng)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，通過添加?？奎c(diǎn)來確定出發(fā)位置和終點(diǎn)位置，即為避洪轉(zhuǎn)移方案中的避險單元與安置點(diǎn)的位置?？赏ㄟ^設(shè)置路障來模洪水導(dǎo)致的道路中斷、橋梁以及道路危險段落。

3 結(jié)果分析

3.1 危險區(qū)及轉(zhuǎn)移單元的確定

對于防洪保護(hù)區(qū)，危險區(qū)原則上可分為現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)危險區(qū)和最大量級洪水危險區(qū)，分別按照所有計(jì)算方案的淹沒外包范圍確定。對于蓄滯洪區(qū)和洪泛區(qū)，危險區(qū)一般根據(jù)洪水分析中的最大量級洪水淹沒范圍確定[11]。本次研究根據(jù)羅塘河防洪保護(hù)區(qū)10年一遇、20年一遇洪水模擬淹沒計(jì)算結(jié)果(主要包括：淹沒范圍、淹沒水深、洪水流速、洪水抵達(dá)時間、洪水淹沒歷時等)確定。根據(jù)已有結(jié)果，羅塘河研究區(qū)內(nèi)洪水10年一遇危險區(qū)面積為0.19km2，占研究區(qū)總面積的2.18%，20年一遇危險區(qū)面積為0.221km2，占研究區(qū)總面積的2.54%，主要分布在地勢低洼的富港地區(qū)，如圖1所示，藍(lán)色部分為可能的最大淹沒范圍。

羅塘河潰堤10年一遇淹沒面積為1.44km2、20年一遇淹沒面積為1.94km2，根據(jù)《避險轉(zhuǎn)移圖編制技術(shù)要求(試行)》(全國重點(diǎn)區(qū)洪水風(fēng)險編制技術(shù)規(guī)范)規(guī)定：“蓄滯洪區(qū)、洪泛區(qū)等區(qū)域的避險轉(zhuǎn)移單元不大于自然村；防洪保護(hù)區(qū)轉(zhuǎn)移單元不大于鄉(xiāng)鎮(zhèn)，如危險區(qū)面積小于1000km2，轉(zhuǎn)移單元不大于行政村”，故本文選擇行政村為避險區(qū)域內(nèi)的避險單元，根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)移人口涉及3個行政村，分別為雷溪村、重文村和富港村。研究區(qū)風(fēng)險區(qū)劃及具體居民點(diǎn)、道路分布及洪水風(fēng)險區(qū)劃如圖1所示。

3.2 轉(zhuǎn)移方式選擇及人口分析

避洪方式分為就地安置和轉(zhuǎn)移安置兩類：當(dāng)滿足水深<1.0m、流速<0.5m/s，且具有可容納該區(qū)域人口的安全場所和設(shè)施的，采取就地安置方式；此外，不符合上述條件的可采取轉(zhuǎn)移安置方式，若研究區(qū)域洪水淹沒面積較大、洪水前鋒演進(jìn)時間大于24h，則將洪水前鋒到達(dá)時間劃分為小于12h，12～24h和大于24h的三個時間區(qū)段進(jìn)行轉(zhuǎn)移分區(qū)。因本次計(jì)算為小流域范圍洪水演進(jìn)，潰堤后洪水演進(jìn)速度較快，故結(jié)合實(shí)際流域及模擬成果按洪水前鋒到達(dá)時間小于0.5h，0.5～2h和大于2h進(jìn)行轉(zhuǎn)移批次劃分，劃分依據(jù)圖2—3所示。

由圖2(a)可知，當(dāng)遭遇10年一遇洪水時，研究區(qū)內(nèi)最大淹沒水深大于1m的區(qū)域集中位于富港村，但此處相對人口較少，無集中建筑物，因此可能造成的額損失相對較小，其他區(qū)域最大淹沒水深大多小于1m，因此就最大水深而言，淹沒范圍均符合就地安置條件。而對于最大淹沒流速來說(如圖2(b))，最大流速大于0.5m的地區(qū)主要分布在華林(自然村)及蔣元樂家(自然村)至富港(自然村)之間的小部分區(qū)域，具有轉(zhuǎn)移安置的條件，其他地區(qū)滿足就地安置條件。圖2(c)為洪水前鋒到達(dá)時間分布圖，由圖可知重文以上至潰口附近的洪水前鋒到達(dá)時間小于2h，其區(qū)域內(nèi)居民可作為第一批轉(zhuǎn)移對象；重文至下游富港村的洪水前鋒抵達(dá)時間在2～12h之間，其居民可作為第二批轉(zhuǎn)移對象；富港村附近至其下游淹沒范圍內(nèi)的洪水前鋒抵達(dá)時間大于12h，相對危險程度較低，其區(qū)域內(nèi)居民可作為第三批轉(zhuǎn)移對象。

圖1 羅塘河潰堤淹沒行政村范圍圖

圖2 10年一遇避洪轉(zhuǎn)移方式劃分標(biāo)準(zhǔn)圖

圖3 20年一遇避洪轉(zhuǎn)移方式劃分標(biāo)準(zhǔn)圖

由圖3(a)可知，當(dāng)遭遇20年一遇洪水時，研究區(qū)內(nèi)最大淹沒水深大于1m的區(qū)域集中位于富港村及其下游區(qū)域，但此處相對人口較少，無集中建筑物，因此可能造成的額損失相對較小，其他區(qū)域最大淹沒水深大多小于1m，因此就最大水深而言，淹沒范圍均符合就地安置條件。對于最大淹沒流速來說(如圖3(b))，最大流速大于0.5m的地區(qū)主要分布在華林(自然村)、重文(自然村)、蔣元樂家(自然村)至富港(自然村)之間及富港小部分區(qū)域，具有轉(zhuǎn)移安置的條件，其他地區(qū)滿足就地安置條件。圖3(c)為洪水前鋒到達(dá)時間分布圖，由圖可知重文以上至潰口附近的洪水前鋒到達(dá)時間小于2h，其區(qū)域內(nèi)居民可作為第一批轉(zhuǎn)移對象；重文至汪家莊附近的洪水前鋒抵達(dá)時間在2～12h之間，其居民可作為第二批轉(zhuǎn)移對象；汪家莊附近至其下游淹沒范圍內(nèi)的洪水前鋒抵達(dá)時間大于12h，相對危險程度較低，其區(qū)域內(nèi)居民可作為第三批轉(zhuǎn)移對象。

結(jié)合以上分析，對于異地轉(zhuǎn)移避險單元，需要確定待轉(zhuǎn)移人數(shù)，從而保證災(zāi)民轉(zhuǎn)移的高效性。借助Arcgis軟件中的空間疊加分析，將所確定的避險單元、居民人口數(shù)據(jù)以及洪水淹沒風(fēng)險要素進(jìn)行疊加，再此基礎(chǔ)上計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)收淹沒范圍面積占總面積的比重，結(jié)合羅塘河區(qū)域人均住房面積及不同淹沒程度，即可推算獲得避險區(qū)域各避險單元帶轉(zhuǎn)移人數(shù)及避洪轉(zhuǎn)移安置方批次。羅塘河10年一遇、20年一遇潰堤避洪轉(zhuǎn)移人口及批次統(tǒng)計(jì)分析見表3—4。

3.3 安置區(qū)劃定

安置區(qū)的選擇原則上應(yīng)結(jié)合區(qū)域預(yù)案設(shè)置進(jìn)行劃定，同時應(yīng)保證處于免受洪水威脅且道路通暢。由于研究區(qū)域內(nèi)尚未制定區(qū)域洪水預(yù)案，同時考慮避險期災(zāi)民的基本生活保障，優(yōu)選公共建筑物或露天公共場所作為安置區(qū)。安置區(qū)可容納人數(shù)一般按照建筑物內(nèi)人均面積3m2，露天區(qū)域人均面積8m2進(jìn)行估算。為快速轉(zhuǎn)移災(zāi)區(qū)災(zāi)民，按照就近原則確定轉(zhuǎn)移單元與安置區(qū)的對應(yīng)關(guān)系，羅塘河潰堤洪水避難安置場所見表5，安置區(qū)可容納人口滿足避險轉(zhuǎn)移人口總數(shù)。

表3 羅塘河10年一遇潰堤避洪轉(zhuǎn)移人口及批次統(tǒng)計(jì)分析表

表4 羅塘河20年一遇潰堤避洪轉(zhuǎn)移人口及批次統(tǒng)計(jì)分析表

表5 羅塘河岸堤潰口洪水避難安置區(qū)劃定

3.4 轉(zhuǎn)移路線確定

避險單元與安置區(qū)的對應(yīng)關(guān)系確定后可根據(jù)道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)情況來確定轉(zhuǎn)移路線。當(dāng)?shù)缆肪W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)完備且具備道路通量信息時，按照時間最短原則確定轉(zhuǎn)移路線；當(dāng)?shù)缆肪W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)完備但不具備道路通量信息時，通常按照最短路徑原則確定轉(zhuǎn)移路線。

本次研究區(qū)域涉及道路為雙向通行的縣道及鄉(xiāng)道，根據(jù)道路交通法規(guī)并結(jié)合當(dāng)?shù)氐缆吠ㄐ袪顩r對區(qū)域道路進(jìn)行分級處理：縣道為1級、鄉(xiāng)道為2級、較窄的入戶道路為3級，并分別制定50、40、30km/h的行車時速。通過ArcGis網(wǎng)絡(luò)分析功能進(jìn)行最短路徑尋優(yōu)提取，得到表6—7所示轉(zhuǎn)移路徑。

由表6可知，10年一遇潰堤避險確定轉(zhuǎn)移路線共4條，轉(zhuǎn)移批次3批，第一批轉(zhuǎn)移對象包括華林村受災(zāi)群眾達(dá)66人以及重文村199人，以就近原則確定轉(zhuǎn)移地點(diǎn)為青坭崗小學(xué)和南山村空地。第二批轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)對象包括重文村受災(zāi)群眾200人、蔣元樂家577人以及富港村458人，轉(zhuǎn)移地點(diǎn)分別為南山村空地及宋家小學(xué)。第三批轉(zhuǎn)移對象為富港村459人，轉(zhuǎn)移地點(diǎn)為南山村空地及宋家小學(xué)。4條轉(zhuǎn)移路線分別需行駛2.4、3.8、8.8、1.2km，耗時分別為4、6、13、2min。由此可見本次轉(zhuǎn)移時間相對較短，均小于最小洪水前鋒到達(dá)時間2h，因此可認(rèn)為是較為有效的轉(zhuǎn)移路線。

由表7可知，20年一遇潰堤避險確定轉(zhuǎn)移路線共4條，轉(zhuǎn)移批次3批，第一批轉(zhuǎn)移對象包括華林村受災(zāi)群眾達(dá)66人以及重文村399人，以就近原則確定轉(zhuǎn)移地點(diǎn)為青坭崗小學(xué)和南山村空地。第二批轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)對象包括蔣元樂家577人以及富港村458人，轉(zhuǎn)移地點(diǎn)分別為南山村空地及宋家小學(xué)。第三批轉(zhuǎn)移對象為富港村459人，轉(zhuǎn)移地點(diǎn)為南山村空地及宋家小學(xué)。4條轉(zhuǎn)移路線分別需行駛2.4、3.8、8.8、1.2km，耗時分別為4、6、13、2min。由此可見本次轉(zhuǎn)移時間相對較短，均小于最小洪水前鋒到達(dá)時間2h，因此可認(rèn)為是較為有效的轉(zhuǎn)移路線。

圖4(a、b)為10年一遇、20年一遇所確定的避洪路線轉(zhuǎn)移圖，其中共包括四條避險轉(zhuǎn)移路線，玫紅色表示富港到宋家小學(xué)的最優(yōu)路徑，藍(lán)色表示由蔣元樂家到宋家小學(xué)的最優(yōu)路徑，紫色表示由重文村到南山空地的最優(yōu)路徑，黃色表示由華林到青坭崗小學(xué)的最優(yōu)路徑。其中10年一遇三次分別轉(zhuǎn)移人口265、1235、459人，20年一遇三次分別轉(zhuǎn)移人口465、1035、459人，相比10年一遇有來自重文村的200人需要提前轉(zhuǎn)移。

表6 10年一遇潰堤轉(zhuǎn)移路線信息表

表7 20年一遇潰堤轉(zhuǎn)移路線信息表

圖4 羅塘河潰堤避險路線轉(zhuǎn)移圖

4 結(jié)論

本文基于羅塘河潰堤風(fēng)險區(qū)劃研究，收集研究區(qū)人口、住房、道路等資料，對研究區(qū)潰堤風(fēng)險進(jìn)行分析，并利用GIS網(wǎng)絡(luò)分析功能創(chuàng)建研究區(qū)避洪轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，制定潰堤轉(zhuǎn)移路線方案，得到以下結(jié)論：

(1)羅塘河潰堤淹10年一遇淹沒面積為1.44km2、20年一遇淹沒面積為1.94km2，其中危險區(qū)淹沒面積分別為0.19、0.221km2，危險區(qū)面積小于1000km2，主要分布在地勢低洼的富港地區(qū)，分別占研究區(qū)總面積的2.18%、2.54%，同時以行政村作為避險區(qū)域內(nèi)的避險單元。

(2)區(qū)域避洪轉(zhuǎn)移方式分為就地安置和轉(zhuǎn)移安置兩類，其中淹沒水深淹沒水深<1.0m、流速<0.5m/s采取就地安置，其中就地安置人口1604人，轉(zhuǎn)移安置人口1959人。根據(jù)洪水前鋒到達(dá)時間將避險單元內(nèi)轉(zhuǎn)移人口分為三批次，其中10年一遇轉(zhuǎn)三批轉(zhuǎn)移人數(shù)分別為265、1235、459人，20年一遇三批轉(zhuǎn)移人數(shù)分別為465、1035、459人，涉及行政村包括雷溪村、重文村以及富港村。

(3)對研究區(qū)內(nèi)可供安置的建筑物及露天場所進(jìn)行劃分，得到3個安置區(qū)為宋家小學(xué)、南山村空地、青坭崗小學(xué)，面積分別為5955、5580、24278m2，可安置人數(shù)分別為1786、697、565人。安置區(qū)可容納人口滿足避險轉(zhuǎn)移人口總數(shù)。

(4)通過道路網(wǎng)絡(luò)分析得到4條可供轉(zhuǎn)移的路線，第一條將華林村需要轉(zhuǎn)移人口轉(zhuǎn)移至青坭崗小學(xué)，第二條將重文村需要轉(zhuǎn)移人口轉(zhuǎn)移至南山村空地，第三條將蔣元樂家需要轉(zhuǎn)移人口轉(zhuǎn)移至宋家小學(xué)，第四條將富港村需要轉(zhuǎn)移人口轉(zhuǎn)移至宋家小學(xué)。其轉(zhuǎn)移行駛里程分別為2.4、3.8、8.8、1.2km，單次轉(zhuǎn)移用時4、6、13、2min。