洞庭湖爛泥湖水系洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估與應(yīng)對措施

朱 楓，廖小紅，王維俊，賀方舟，黎昔春

(1.中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410007；2.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，長沙 410007；3.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點實驗室，長沙 410007)

洞庭湖爛泥湖水系地處湘、資尾閭地區(qū)，區(qū)域洪水特性復(fù)雜，外河(湖)洪水特性受湘水、資水和南洞庭湖的共同影響，而南洞庭湖洪水又由受沅水、澧水和長江洪水的綜合影響；爛泥湖水系復(fù)雜，分布有爛泥湖、鹿角湖、明境河等主要內(nèi)湖啞河和爛泥湖撇洪河，漬澇風(fēng)險嚴重，洪澇災(zāi)害頻繁，而且有呈逐年加劇的態(tài)勢。1995年7月，赫山區(qū)四新垸注湖港泵站處潰口，受災(zāi)2.0萬多人，失收面積1 600 hm2，倒塌房屋2 600 多間。2016年爛泥湖超警戒水位時長21 d，內(nèi)湖漬堤多處出現(xiàn)險情，沿湖泵站限排，造成湘資嶺北垸1 773.3 hm2農(nóng)田失收，同時堤垸內(nèi)的4.73 萬hm2耕地、61.0萬名群眾受災(zāi)。2017年湘水尾閭出現(xiàn)超歷史最高水位，爛泥湖撇洪河出流受阻，撇洪河沿線出現(xiàn)超歷史最高水位，撇洪河堤出現(xiàn)滑坡、管涌等近100處，其中多處為潰口性險情，嚴重威脅爛泥湖垸人民生命財產(chǎn)安全。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

爛泥湖垸為洞庭湖11個重點垸之一，位于湘水尾閭與資水尾閭之間，東臨湘水及其支流湘水西支，南接湘江一級支流溈水，西靠雪峰山麓的丘陵地帶，北隔資水干流及其東支毛角口河與長春垸、民主垸、湘濱南湖垸隔江相望。全垸東西寬約42 km,南北長約48 km，地理坐標東經(jīng)112°22′～112°48′、北緯28°17′～28°43′，總集雨面積1 584 km2，其中丘陵區(qū)面積734.6 km2，平原區(qū)面積849.4 km2。年平均降雨1 398 mm，40%降雨集中在6-8月份。爛泥湖垸外河有資水、湘水及溈水。本研究根據(jù)地形地貌特征、河流水系分布和防洪排澇工程及布局，將爛泥湖水系劃分為侍郎橋、朱良橋、泉交河、徐家壩、寧家鋪、梓山?jīng)_、橋西垸、新興垸、嚴家灘、和合垸、火田垸、四合紅洲垸、天成垸、千家洲垸、人民垸、沙田嶺北垸、湘資垸等17個片區(qū)，分區(qū)情況詳見圖1。

1.2 資料來源

爛泥湖水系附近設(shè)有湘陰、益陽和寧鄉(xiāng)雨量站，收集各站1981-2017年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。遙感資料采用Landsat 8 OLI_TIRS 衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品。地理信息數(shù)據(jù)來自湖南省國土廳全國第二次土地調(diào)查資料，收集了爛泥湖水系1∶10 000地形圖，包括DEM數(shù)據(jù)、河網(wǎng)水系數(shù)據(jù)等。結(jié)果檢驗資料為益陽市赫山區(qū)、湘陰縣歷年暴雨洪澇災(zāi)情調(diào)查數(shù)據(jù)。

1.3 洪澇災(zāi)害影響因素

爛泥湖水系洪澇災(zāi)害主要影響因素包括：①汛期降雨。爛泥湖水系汛期為6月1日至8月31日，該時段內(nèi)的降雨量可占全年降雨量的40%以上。徑流和降雨相應(yīng)，導(dǎo)致汛期水多成災(zāi)；②地形。爛泥湖水系境內(nèi)地勢平坦開闊，集雨面積大，總的趨勢為西南高、東北低，北部地區(qū)地勢平坦，不利于排水；③調(diào)蓄能力不足。長期圍墾開發(fā)，占用湖面、河道，導(dǎo)致調(diào)蓄水面積減少，滯澇能力減弱，增加了區(qū)域內(nèi)澇災(zāi)風(fēng)險；④汛期外河水位過高。洞庭湖的外江外湖水位明顯抬高，將減少堤垸自流擠排水量，增加外江向垸內(nèi)滲漏量，導(dǎo)致汛期排水不暢；⑤內(nèi)湖水位過高。爛泥湖水系汛期往往與農(nóng)忙季節(jié)重疊在一起，垸內(nèi)溝塘、河湖要保證一定的水位才能滿足人民生產(chǎn)生活需要，當(dāng)暴雨突然來臨時若內(nèi)湖水位過高，泵站無法及時排除垸內(nèi)漬水，就會產(chǎn)生澇災(zāi)。

1.4 研究方法

暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃工作是基于災(zāi)害風(fēng)險理論及氣象災(zāi)害風(fēng)險形成機制，通過對孕災(zāi)環(huán)境敏感性、致災(zāi)因子危險性、承災(zāi)體易損性、防災(zāi)減災(zāi)能力等多因子綜合分析，構(gòu)建暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險評價的框架、指標體系、方法與模型，對暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險程度進行評價和等級劃分，借助GIS繪制相應(yīng)的風(fēng)險區(qū)劃圖系，并加以評述，提出相應(yīng)的對策措施[1，2]。

從災(zāi)害學(xué)的角度出發(fā)，形成暴雨洪澇災(zāi)害必須具有以下條件：①存在誘發(fā)暴雨洪澇災(zāi)害的因素(致災(zāi)因子)及其形成洪澇災(zāi)害的環(huán)境(孕災(zāi)環(huán)境)；②暴雨洪澇影響區(qū)易損性(承災(zāi)體)；③人們在潛在的或現(xiàn)實的暴雨洪澇災(zāi)害威脅面前，采取回避、適應(yīng)或防御洪澇的對策措施(防災(zāi)減災(zāi)能力)?；谧匀粸?zāi)害風(fēng)險形成理論，暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險是由致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性和防災(zāi)減災(zāi)能力四部分共同形成的，如圖2。暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險函數(shù)可表示為：

暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險=

f(危險性，敏感性，易損性，防災(zāi)減災(zāi)能力)

(1)

2 評價指標體系和模型

2.1 洪澇災(zāi)害評價指標

暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估涉及指標眾多，各指標對洪澇災(zāi)害風(fēng)險影響程度不同。針對爛泥湖水系洪澇災(zāi)害發(fā)生的基本情況，選擇8個指標建立爛泥湖水系暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估指標體系[3,4]，如圖3。

2.2 評價指標權(quán)重

本文采用該層次分析法確定各指標權(quán)重，研究過程咨詢了熟悉爛泥湖水系地形地貌特征、水文氣象特點、防洪排澇工程現(xiàn)狀及運行情況的10位水利專家對不同層次指標進行重要性評分，并構(gòu)建判斷矩陣，為保證評分的客觀合理性，對各指標權(quán)重進行一致性檢驗，以獲得最終的權(quán)重值。經(jīng)過統(tǒng)計分析，造成爛泥湖水系洪澇災(zāi)害風(fēng)險的各影響因素中，抗災(zāi)能力所占權(quán)重為57.5%，是最主要的影響因素；致災(zāi)因子所占權(quán)重為21.0%；孕災(zāi)環(huán)境所占權(quán)重為14.8%；承載體脆弱性所占權(quán)重為6.7%。

2.3 評估模型的建立

暴雨洪澇災(zāi)害是致災(zāi)因子危險性、抗災(zāi)能力、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承載體易損性四個方面共同作用產(chǎn)生的結(jié)果。通過量化各指標的值及層次分析法確定的權(quán)重[8,9]，可構(gòu)建暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估模型，計算公式為：

FDRI=H+E+S+R

(2)

H=XH1YH1

(3)

E=(1-XE1)YE1+(1-XE2)YE2+(1-XE3)YE3

(4)

S=(1-XS1)YS1+(1-XS2)YS2+XS3YS3

(5)

R=(1-XR1)YR1

(6)

式中：FDRI為暴雨洪澇災(zāi)害綜合風(fēng)險度，用于表示風(fēng)險程度，其值越大，則洪澇災(zāi)害風(fēng)險程度越大；H、E、S、R的值分別表示通過加權(quán)綜合評價法建立的致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承載體易損性和防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)；Xn為第n個指標的標準化值，Yn為第n個指標對洪澇災(zāi)害綜合風(fēng)險度影響的權(quán)重。

暴雨強度綜合指數(shù)為2.5時，將新泉寺閘的內(nèi)河校核水位29.4 m代入公式計算得到的澇災(zāi)綜合風(fēng)險度(0.596)為低風(fēng)險下限。暴雨強度綜合指數(shù)為3.5時，將新泉寺閘的內(nèi)河校核水位29.4 m代入公式計算得到的澇災(zāi)綜合風(fēng)險度(0.670)為高風(fēng)險下限。

3 模擬成果與評估

3.1 模型結(jié)果

采用模型評估爛泥湖水系1990-2017年平均澇災(zāi)風(fēng)險度，歷年評估成果詳見圖4。從圖可以看出，風(fēng)險度較大的年份為2016年、1995年、1996年、1990年、2017年，各年綜合風(fēng)險度分別為0.799、0.754、0.727、0.734、0.723。風(fēng)險度最小的年份為2011年，風(fēng)險度為0.493。

3.2 模型檢驗

選擇1995年、2016年、2017年這3個澇災(zāi)較為嚴重的年份對澇災(zāi)風(fēng)險進行檢驗?？梢詮臐碁?zāi)風(fēng)險分布圖看出，1995年和2016年整個爛泥湖水系都處于高風(fēng)險中，1995年和2016年區(qū)域平均澇災(zāi)綜合風(fēng)險度為0.754和0.799，遠高于澇災(zāi)高風(fēng)險下限值0.670，兩個年份皆為區(qū)域普遍性澇災(zāi)。根據(jù)澇災(zāi)資料，近幾十年來，爛泥湖水系產(chǎn)生澇災(zāi)最嚴重的年份是2016年，其次是1995年，這和模擬的結(jié)果相吻合。2017年區(qū)域平均澇災(zāi)綜合風(fēng)險度為0.723，小于1995年的0.754和1996年的0.727，說明該年澇災(zāi)嚴重程度不如1995年和1996年，這也和實際情況相匹配[10]。

3.3 現(xiàn)狀條件下的洪澇災(zāi)害風(fēng)險

3.3.1 暴雨強度、內(nèi)水位與風(fēng)險度的變化關(guān)系

2.3節(jié)中公式通過代入不同降雨強度和水位可以計算得出，模擬年份的暴雨強度綜合指數(shù)、新泉寺閘內(nèi)水位、區(qū)域平均風(fēng)險度的關(guān)系[11]。當(dāng)枯水年，即λ<2.5時，如果新泉寺閘內(nèi)水位低于28.8 m，則區(qū)域平均風(fēng)險度低于低風(fēng)險下限(0.596)；如果新泉寺閘內(nèi)水位高于28.8 m，則區(qū)域平均風(fēng)險度高于低風(fēng)險下限(0.596)。當(dāng)平水年，即2.5≤λ<3.5時，如果新泉寺閘內(nèi)水位低于28.2 m，則區(qū)域平均風(fēng)險度低于低風(fēng)險下限(0.596)；如果新泉寺閘內(nèi)水位高于28.2且低于29.5 m，則區(qū)域平均風(fēng)險度高于低風(fēng)險下限(0.596)，低于高風(fēng)險下限(0.670)；如果新泉寺閘內(nèi)水位高于29.5 m，則區(qū)域平均風(fēng)險度高于高風(fēng)險下限(0.670)。當(dāng)豐水年，即λ>3.5時，如果新泉寺閘內(nèi)水位低于29.5 m，則區(qū)域平均風(fēng)險度低于高風(fēng)險下限(0.670)；如果新泉寺閘內(nèi)水位高于29.5 m，則區(qū)域平均風(fēng)險度高于高風(fēng)險下限(0.670)。詳見表1。

表1 暴雨強度、內(nèi)水位與風(fēng)險度的變化關(guān)系Tab.1 Changes in rainstorm intensity, internal water level, and risk

3.3.2 現(xiàn)狀條件下區(qū)域澇災(zāi)風(fēng)險分布

在3.3.1節(jié)中低風(fēng)險和高風(fēng)險條件下各選取臨界年份進行澇災(zāi)風(fēng)險評估，分別為1998年、2013年、2005年、2016年。由澇災(zāi)風(fēng)險分布圖可以看出，爛泥湖撇洪河以北地區(qū)比以南地區(qū)更容易發(fā)生洪澇災(zāi)害，尤其是爛泥湖和鹿角湖周邊區(qū)域由于地勢較低，坡度相對較小，使得洪澇災(zāi)害發(fā)生的危險性增大。而位于研究區(qū)域最東部和最西部區(qū)域的垸子，離排水出口相對較近，滯澇水面率相對大，不易發(fā)生洪澇災(zāi)害。沙田嶺北垸最為突出，即使在撇洪河北部部分區(qū)域出現(xiàn)高風(fēng)險狀態(tài)時，沙田嶺北垸仍處于無風(fēng)險狀態(tài)。由表2可以看出，在現(xiàn)狀條件下，爛泥湖水系地區(qū)只能抵御暴雨洪澇災(zāi)害綜合風(fēng)險度在0.634以下的年份，此時區(qū)域開始出現(xiàn)高風(fēng)險狀態(tài)地區(qū)。在遭遇綜合風(fēng)險度在0.668以上的年份時，爛泥湖撇洪河北面大部分地區(qū)都會處在高風(fēng)險狀態(tài)，出現(xiàn)澇災(zāi)的可能性非常大。在遭遇綜合風(fēng)險度在0.802以上的年份時，整個爛泥湖水系地區(qū)都呈現(xiàn)高風(fēng)險狀態(tài)，澇災(zāi)情況相當(dāng)嚴重，受災(zāi)程度可參考歷史災(zāi)情中2016年的情況。

表2 現(xiàn)狀條件下各典型年風(fēng)險程度表 %

4 不同應(yīng)對措施情景下的風(fēng)險評估

考慮各典型年在滯澇水面率、新泉寺閘內(nèi)水位2項指標發(fā)生改變的情況下，對爛泥湖水系地區(qū)洪澇災(zāi)害帶來的影響。本研究共設(shè)置3套方案，方案①提高水面率到15%；方案②汛期降低內(nèi)湖水位；方案③提高水面率+汛期降低水位。

采用方案①進行模擬，遭遇1998年情況，整個區(qū)域總體上處于無風(fēng)險狀態(tài)，并未出現(xiàn)高風(fēng)險狀態(tài)，處于低風(fēng)險狀態(tài)的面積占總面積的14.4%，比模擬前降低了39.3%；遭遇2015年情況，一半以上的區(qū)域處于無風(fēng)險狀態(tài)，占總面積的62.8%，比模擬前增加了54.4%，模擬前處于高風(fēng)險狀態(tài)的區(qū)域也轉(zhuǎn)為低風(fēng)險狀態(tài)，處于低風(fēng)險狀態(tài)的面積占37.3%，比模擬前降低了53.3%；遭遇2005年情況，高風(fēng)險狀態(tài)消失，整個區(qū)域總體上處于低風(fēng)險狀態(tài)，低風(fēng)險狀態(tài)占總面積的89.6%，比模擬前增加11.7%；遭遇2016年情況，雖然整個區(qū)域依舊處在高風(fēng)險狀態(tài)，但是平均風(fēng)險度已由模擬之前的0.799降低至0.766。總體上看，通過提高水面率到15%，在大部分年份對降低風(fēng)險有一定的效果，但在遭遇特別嚴重災(zāi)害的時候，如2016年，整個研究區(qū)域依舊會出現(xiàn)嚴重的洪澇災(zāi)害。

采用方案②進行模擬，即汛期降低內(nèi)湖水位，假設(shè)降低至3個水位29.5、29.3、29.0 m分別為方案②-1、方案②-2、方案②-3。水位降低至29.5 m，對洪澇災(zāi)害的風(fēng)險度不是特別大。當(dāng)水位降低至29.3 m時，對洪澇災(zāi)害的風(fēng)險度尤為顯著：當(dāng)遭遇2005年情況下，無風(fēng)險狀態(tài)面積占8.4%，低風(fēng)險狀態(tài)面積占77.3%，低風(fēng)險狀態(tài)及以下的面積較之前增加了7.8%，平均風(fēng)險度由之前的0.665下降為0.645；遭遇2016年情況，高風(fēng)險狀態(tài)面積減少了76.8%，平均風(fēng)險度由之前的0.799下降為0.679。而繼續(xù)降低水位至29.0 m時，對降低洪澇災(zāi)害風(fēng)險度的影響較降低水位至29.3 m時差別不大，為保障居民生活用水和農(nóng)業(yè)用水，推薦降低內(nèi)湖水位至29.3 m?？傮w上看，汛期降低新泉寺閘內(nèi)水位至29.3 m，對減少處于高風(fēng)險狀態(tài)的面積有一定效果，尤其對澇災(zāi)風(fēng)險較為嚴重的年份。降低內(nèi)水位，減輕泵站排澇壓力，能夠及時排除垸內(nèi)漬水，對減輕洪澇災(zāi)害起到積極的作用。

采用方案③進行模擬，澇災(zāi)風(fēng)險分布如圖5。與現(xiàn)狀條件相比，2005年高風(fēng)險狀態(tài)面積減少了22.1%，低風(fēng)險狀態(tài)面積減少了40.6%；2016年高風(fēng)險狀態(tài)面積減少了94.9%，低風(fēng)險狀態(tài)面積增加了94.9%。可以看出，同時提高滯澇水面率、降低內(nèi)湖水位至29.3 m，基本可以消除一般年份處于高風(fēng)險的范圍，對于減少低風(fēng)險范圍、增加無風(fēng)險范圍效果更為顯著。對于平均風(fēng)險度為高風(fēng)險的年份，能夠消除大部分高風(fēng)險區(qū)域，如2016年作為有史以來澇災(zāi)最嚴重的年份，其高風(fēng)險狀態(tài)面積控制在5.1%，可見對于其他高風(fēng)險年份，同時提高滯澇水面率、降低內(nèi)湖水位能夠?qū)⒏唢L(fēng)險狀態(tài)面積控制在5.1%以下。

5 結(jié) 論

現(xiàn)狀條件下，新泉寺閘內(nèi)水位和滯澇水面率的不同導(dǎo)致暴雨對爛泥湖水系的影響程度也不同。當(dāng)爛泥湖水系地區(qū)暴雨強度在2.5以下時，若水位低于28.8 m，研究區(qū)域整體上處于無風(fēng)險狀態(tài)，若水位高于28.8 m，研究區(qū)域整體上處于低風(fēng)險狀態(tài)；當(dāng)暴雨強度在2.5～3.5之間時，若水位低于28.2 m，研究區(qū)域整體上處于無風(fēng)險狀態(tài)，若水位在28.2～29.5 m之間，研究區(qū)域整體上處于低風(fēng)險狀態(tài)，若水位高于29.5 m，研究區(qū)域整體上處于高風(fēng)險狀態(tài)；當(dāng)暴雨強度在3.5以上時，若水位低于29.5 m，研究區(qū)域整體上處于低風(fēng)險狀態(tài)，若水位高于29.5 m，研究區(qū)域整體上處于高風(fēng)險狀態(tài)。

只采取一項措施的情況下，若提高滯澇水面率至15%，只能減輕低風(fēng)險年份的洪澇災(zāi)害問題，對高風(fēng)險年份的效果不是特別顯著。若降低爛泥湖水系內(nèi)湖水位，則推薦將水位降至29.3 m，此時對減少處于高風(fēng)險狀態(tài)的面積有一定的效果，尤其對澇災(zāi)風(fēng)險較為嚴重的年份，能夠減少一半以上的高風(fēng)險度面積。若同時采取提高滯澇水面率和降低內(nèi)湖水位，基本可以消除一般年份處于高風(fēng)險的范圍，對于減少低風(fēng)險范圍、增加無風(fēng)險范圍效果更為顯著；對于平均風(fēng)險度為高風(fēng)險的年份，能夠消除大部分高風(fēng)險區(qū)域。

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