松滋江堤防洪保護區(qū)洪水風險研究(Ⅱ)
——風險分布特征

劉 亞，姚仕明，朱勇輝，尹大聰

(長江科學(xué)院 水利部長江中下游河湖治理與防洪重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

我國是世界上洪水災(zāi)害最為嚴重的國家之一[1]，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，全球氣候變化加劇，極端天氣事件日益增多且強度不斷增加，人口與社會財富向洪水風險區(qū)不斷集中[2]，這些都對洪水風險管理提出了更高的要求[3]。了解洪水風險的基本特性，研究分析其內(nèi)在規(guī)律[4]，通過洪水風險分析確定區(qū)域風險度，是做好防洪減災(zāi)工作的基礎(chǔ)[5]。洪水災(zāi)害風險研究發(fā)展至今已有近百年歷史，目前國內(nèi)外關(guān)于洪水風險分析的模型，根據(jù)數(shù)據(jù)源的不同大致可分為基于歷史數(shù)據(jù)[6-8]、基于系統(tǒng)指標[9-10]以及基于遙感數(shù)據(jù)的分析模型[11-12]。地理信息技術(shù)的發(fā)展，為洪水災(zāi)害定量分析提供了基礎(chǔ)，并取得了如荊江分洪區(qū)、北江大堤、成都平原等一些項目的研究成果[13-15]。這些成果不僅能夠發(fā)展和完善我國洪災(zāi)風險研究的理論基礎(chǔ)，而且可以為我國防災(zāi)減災(zāi)和洪水風險管理提供理論和技術(shù)支持[16-17]。本文運用《松滋江堤防洪保護區(qū)洪水風險研究(Ι)——模型建立與驗證》[18]建立的數(shù)學(xué)模型，對1870年型1 000 a一遇洪水(后簡稱“設(shè)計洪水”)條件下堤防潰決后松滋江堤防洪保護區(qū)內(nèi)洪水演進過程及洪水風險分布特征進行了分析，以期對松滋江堤防洪保護區(qū)洪水預(yù)警及防汛搶險提供參考，并對區(qū)域建設(shè)及城市發(fā)展提供指導(dǎo)。

圖1 設(shè)計洪水條件下松滋江堤潰口流量示意圖Fig.1 Discharge at Songzi River breach in design flood condition

2 潰口分流過程

在設(shè)計洪水條件下，當枝城入流量超過67 705 m3/s后，松滋江堤沿線水位開始達到設(shè)計洪水位，設(shè)定潰口開始潰決。涴市橫堤、新華垴、靈鐘寺3個潰口流量變化如圖1所示。潰決發(fā)生后，隨著潰口的發(fā)展，潰口流量迅速增加，約至2 h達到最大值。隨后流量趨于平穩(wěn)，流量大小與外江水位變化一致?？傮w來說，涴市橫堤潰口流量較大、變化較為劇烈；靈鐘寺潰口流量較小，且變化較為平穩(wěn)。新華垴潰口在潰決約14 d開始倒灌，最大吐洪入江流量為485 m3/s；涴市橫堤潰口在潰決15 d后開始倒灌，最大吐洪入江流量為1 288 m3/s。在整個洪水過程中，涴市橫堤、新華垴、靈鐘寺潰口最大流量分別為7 912、6 081、1 984 m3/s，潰口進洪總量分別為62.65億、33.26億、22.5億m3。當保護區(qū)內(nèi)水位高出外江水位時，區(qū)內(nèi)積水開始倒灌吐洪，在整個洪水過程中，3個潰口吐洪量分別為0.88億、1.37億、0億m3。

3 保護區(qū)內(nèi)洪水演進過程

3.1 涴市橫堤潰口方案

松滋江堤涴市橫堤處發(fā)生潰決后，洪水向南推進。10 h后洪水前鋒到達松東河左岸堤防，在堤防的阻擋下水流向東推進。17 h后洪水前鋒到達玉湖圍堤，并繞過堤防演進至彌市鎮(zhèn)。25 h后，玉湖圍堤發(fā)生漫溢，洪水灌入玉湖。隨著外江水位的升高，洪水繼續(xù)向保護區(qū)內(nèi)推進，區(qū)內(nèi)水位逐漸抬升。潰決發(fā)生6 d后，松東河孟溪垸堤防發(fā)生潰決，洪水迅速向東北方演進，孟溪垸堤防潰決1.5 d后洪水到達湖南省安鄉(xiāng)縣黃山頭鎮(zhèn)。15 d后，外江水位開始低于保護區(qū)內(nèi)水位，水流從涴市潰口開始倒灌入江。整個潰決過程中，該方案下防洪保護區(qū)內(nèi)最大淹沒水深為11.61 m。

從淹沒區(qū)各特征點處(位置如圖2所示)的淹沒水深變化(如圖3)來看，涴市鎮(zhèn)在潰決3 h后遭受洪水，隨后是彌市鎮(zhèn)，洪水達到時間約為潰決后5 h；43 h后洪水演進至松滋市四中。在整個洪水過程中，彌市鎮(zhèn)淹沒水深最大，最高達8 m，其次為毛家港鎮(zhèn)，松滋市四中淹沒水深最低。

圖2 保護區(qū)內(nèi)特征點位置示意圖Fig.2 Location of featured points

圖3 涴市橫堤潰口方案特征點處淹沒水深變化Fig.3 Variation of water depth at featured points of Yuanshi breach scheme

3.2 新華垴潰口方案

松滋江堤新華垴處發(fā)生潰決后，洪水向東南推進，水流在松西河右堤與廟河堤防圍成的區(qū)間積聚。潰決發(fā)生10 h后，水流到達廟河堤防。西岸高地、松西河右堤與廟河堤防圍成封閉圈，圈內(nèi)水位逐漸抬高。13 h后，圈內(nèi)水位抬升至45.71 m，隨著洪水的繼續(xù)灌入，廟河堤防下游段發(fā)生漫溢，水流向東南流入松西河，隨河道水流一起向下游演進。隨著松西河內(nèi)水位的抬升，附近堤防發(fā)生漫溢，八寶鎮(zhèn)及新江口鎮(zhèn)、南海鎮(zhèn)、紙廠河鎮(zhèn)、斑竹垱鎮(zhèn)相繼受淹。潰決發(fā)生12 d后，隨著外江水位逐漸降低，潰口分洪量逐漸減少。14 d后，外江水位開始低于保護區(qū)內(nèi)水位，水流開始倒灌入江。整個潰決過程中，該方案下防洪保護區(qū)內(nèi)最大淹沒水深為9.15 m。

從淹沒區(qū)各特征點處的淹沒水深變化(如圖4所示)來看，老城鎮(zhèn)在江堤潰決2 h后遭受洪水，隨后是新江口鎮(zhèn)白云社區(qū)，洪水達到時間約為潰決1 d后；10 d后洪水演進至八寶鎮(zhèn)。在整個洪水過程中，老城鎮(zhèn)淹沒水深最大，最高約4.5 m，其次為白云社區(qū)，八寶鎮(zhèn)淹沒水深最低。

圖4 新華垴潰口方案特征點處淹沒水深變化Fig.4 Variation of water depth at featured points of Xinhuanao breach scheme

3.3 靈鐘寺潰口方案

松滋江堤靈鐘寺處發(fā)生潰決后，洪水最先開始向東北推進。5 h后洪水前鋒抵達楊家垴，此后洪水開始向東南推進。10 h后洪水前鋒抵達松東河左岸堤防。60 h左右抵達玉湖圍堤，繞過堤防演進至彌市鎮(zhèn)。90 h后，玉湖圍堤發(fā)生漫溢，洪水灌入玉湖。隨外江水位的繼續(xù)抬升，洪水繼續(xù)向保護區(qū)內(nèi)推進，區(qū)內(nèi)水位逐漸抬升；涴市鎮(zhèn)西北部靈鐘寺附近開始受淹。潰決發(fā)生12 d后，隨外江水位逐漸降低，潰口分洪量逐漸減少。20 d后，外江水位開始低于設(shè)置的潰決起始水位(堤防設(shè)計水位)，分洪結(jié)束。整個潰決過程中，該方案下防洪保護區(qū)內(nèi)最大淹沒水深為8.32 m。

從淹沒區(qū)各特征點處的淹沒水深變化(如圖5所示)來看，彌市鎮(zhèn)在潰決1 d后遭受洪水，隨后是毛家港鎮(zhèn)，洪水達到時間約為潰決后55 h；11 d后洪水演進至涴市鎮(zhèn)。在整個洪水過程中，彌市鎮(zhèn)淹沒水深最大，最高約4 m，其次為毛家港鎮(zhèn)，松滋市四中在本方案中沒有被淹沒。

圖5 靈鐘寺潰口方案特征點處淹沒水深變化Fig.5 Variation of water depth at featured points of Lingzhongsi breach scheme

從保護區(qū)內(nèi)洪水演進過程可以看出，洪水演進規(guī)律符合自高地向低洼推進的基本規(guī)律，且堤防阻水效果明顯，當區(qū)內(nèi)水位超過堤頂高程時，堤防發(fā)生漫溢，洪水接著向下游演進。保護區(qū)內(nèi)水深分布也符合“低洼處深、高地處淺”的基本規(guī)律，各特征點處的洪水到達時間也符合“由近及遠、由低及高”的基本規(guī)律。因此，總體看來，本次洪水計算成果較為合理，可信度較高，可以用來進行下一步洪水風險分析。

4 保護區(qū)內(nèi)洪水風險情況

基于社會經(jīng)濟統(tǒng)計、人口分布、土地利用等基本資料，統(tǒng)計各方案下松滋江堤防洪保護區(qū)內(nèi)總體風險要素，如表1所示?？傮w來說，涴市橫堤潰口方案下洪水風險較大：淹沒面積為819.49 km2，保護區(qū)內(nèi)洪水損失達120.4億元。

表1 防洪保護區(qū)內(nèi)風險要素Table 1 Risk factors in protected area against flood

對比各方案不同水深段淹沒面積(圖6)可知，松滋江堤防洪保護區(qū)內(nèi)淹沒區(qū)水深大都在2.5 m以上。就高水深(>5 m)淹沒區(qū)所占比例來說，涴市橫堤潰口方案>靈鐘寺潰口方案>新華垴潰口方案，各方案5 m水深以上淹沒區(qū)分別占62.8%、21%、11.9%。

圖6 各方案不同水深段淹沒面積對比Fig.6 Submerged areas of different water depth segments

表2 不同方案各特征點洪水特征對比Table 2 Flood characteristics at featured points in different schemes

針對不同洪水分析計算方案，選取防洪保護區(qū)內(nèi)各特征點處(地理位置見圖2)，對比分析不同計算方案下風險要素，如表2所示。對于涴市及靈鐘寺潰口方案，洪水淹沒范圍主要集中在松東河以北的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。各地洪水前鋒到達時間是當?shù)氐貏莞叱碳芭c潰口距離的一個綜合反映：對于同一地勢高程，距潰口近的地方洪水較先到達；對于距潰口同一距離的地點，地勢較低的地方洪水較先到達。在統(tǒng)計的特征點中，松滋市四中及涴市鎮(zhèn)地勢較高，因此洪水前鋒到達時間最長；毛家港鎮(zhèn)雖然距離潰口最遠，但其地理位置低洼，對洪水有著加強的導(dǎo)向作用，因此洪水到達時間早于松滋市四中；同理，彌市鎮(zhèn)雖然距離潰口遠于涴市鎮(zhèn)，但其地勢高程較低，因此洪水到達時間也相對較早。即彌市鎮(zhèn)是距離潰口較近且地勢高程較低的地方，因此洪水最先到達。綜合來說，對于涴市橫堤潰口及靈鐘寺潰口，洪水最先到達的是彌市鎮(zhèn)，隨后為毛家港鎮(zhèn)、松滋市四中、涴市鎮(zhèn)。對于新華垴潰口，洪水最先到達的是老城鎮(zhèn)，隨后為白云社區(qū)，最后為八寶鎮(zhèn)。

各地淹沒水深主要受制于當?shù)氐孛娓叱?。在涴市橫堤及靈鐘寺潰口方案下，淹沒水深從大到小分別為彌市鎮(zhèn)、毛家港鎮(zhèn)、涴市鎮(zhèn)、松滋市四中，最大水深分別為8.19、8.01、4.68、3.85 m；在新華垴潰口方案下，淹沒水深從大到小分別為老城鎮(zhèn)、白云社區(qū)、八寶鎮(zhèn)，最大水深分別為4.32、3.57、1.53 m。

最大洪水流速分布規(guī)律則相對復(fù)雜：一方面由于洪水在傳播過程中受沿程阻力影響，流速不斷減??；另一方面當?shù)亓魉偈芨浇冉导安诼视绊?，呈現(xiàn)較強的地域特征。在本次洪水演進過程中，對于涴市橫堤潰口及靈鐘寺潰口，流速自大到小分別為毛家港鎮(zhèn)、彌市鎮(zhèn)、涴市鎮(zhèn)、松滋市四中，最大流速分別為0.43、0.16、0.02、0.01 m/s；在新華垴潰口方案下，流速自大到小分別為白云社區(qū)、老城鎮(zhèn)、八寶鎮(zhèn)，最大流速分別為0.09、0.02、0.02 m/s。

5 結(jié) 論

本文對1870年型1 000 a一遇洪水條件下堤防潰決后松滋江堤防洪保護區(qū)內(nèi)洪水演進過程及洪水風險分布特征進行了分析，主要結(jié)論如下：

(1)涴市橫堤發(fā)生潰決后，松滋市涴市鎮(zhèn)首當其沖遭受淹沒。松東河左岸堤防、松滋江堤采穴河段及長江段在保護區(qū)北部形成了一個相對完整的封閉圈，松東河左岸堤防限制了洪水的繼續(xù)南下，松滋江堤采穴河段阻擋了洪水的西進。設(shè)計洪水下，潰口進洪總量較大，區(qū)內(nèi)水位漫過松東河堤防進入松東河，八寶鎮(zhèn)、斑竹垱鎮(zhèn)受淹。區(qū)內(nèi)最大淹沒水深為11.61 m。

(2)新華垴潰堤發(fā)生后，松滋市老城鎮(zhèn)最先遭受淹沒。松西河右岸堤防、松滋江堤松滋河段、西邊陳店鎮(zhèn)高地和南邊廟河堤防形成了一個相對完整的封閉圈。設(shè)計洪水下大量江堤潰決洪水進入松西河，導(dǎo)致松西河新江口鎮(zhèn)段水位急劇抬升，洪水越過松西河右岸堤防，進入沿岸的南海鎮(zhèn)、紙廠河鎮(zhèn)以及獅子口鎮(zhèn)；左岸堤防也發(fā)生漫溢，八寶鎮(zhèn)受淹。同時，松西河新江口鎮(zhèn)段水位的壅高使得松西河泄洪能力減弱，導(dǎo)致松西河分松滋河流量減小，從而松東河分流量增加、沿岸部分堤段也發(fā)生漫溢，斑竹垱鎮(zhèn)、毛家港鎮(zhèn)局部受淹。區(qū)內(nèi)最大淹沒水深為9.15 m。

(3)靈鐘寺潰堤發(fā)生后，淹沒區(qū)限于位于松東河左岸的松滋市涴市鎮(zhèn)、沙道觀鎮(zhèn)、荊州區(qū)彌市鎮(zhèn)、公安縣毛家港鎮(zhèn)四個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。但采穴河外江水位相對保護區(qū)內(nèi)地面高程較高，且潰口底部高程較高，使得保護區(qū)內(nèi)積水無法通過潰口排入外江。區(qū)內(nèi)最大淹沒水深為8.32 m。

(4)涴市橫堤發(fā)生潰決后造成的洪水損失最為嚴重。潰堤洪水在5 h后便會演進至彌市鎮(zhèn)，淹沒水深超過8 m，在實際防汛工作中需要重點關(guān)注。