瑞金市城區(qū)超標洪水淹沒分析研究

謝 華，李德龍，黃萍，許小華，汪國斌，王海菁

（1.瑞金市水利局，江西 瑞金，342500；2.江西省水利科學院，江西 南昌，330029；3.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京，210098）

為有效應(yīng)對可能發(fā)生的水旱災(zāi)害領(lǐng)域“黑天鵝”“灰犀?！笔录?，水利部要求統(tǒng)籌考慮城市防洪與所在流域整體防洪的關(guān)系[1，2]，高度重視城市人口密集、基礎(chǔ)設(shè)施密集、資產(chǎn)密集、淹不得、淹不起等因素，從最不利處著眼，認真分析萬一潰堤可能影響的范圍和造成的災(zāi)害損失，研究繪制城市超標洪水風險淹沒圖[3-5]，最大程度的減少人員傷亡和財產(chǎn)損失，保障人員轉(zhuǎn)移安置安全和生命財產(chǎn)安全，促進城區(qū)社會經(jīng)濟全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。

為進一步增強憂患意識、風險意識、責任意識和底線思維，做到職責明確，預(yù)警及時、指揮得當、響應(yīng)迅速、措施到位、防范到位，確保城區(qū)安全度汛。本文以江西省贛州市瑞金市城區(qū)為研究對象，采用各城防堤20年一遇的水位值，通過ArcGIS 10.2地理統(tǒng)計分析模塊IDW方法插值[6，7]生成水面線，結(jié)合實際地形，探討分析瑞金市城區(qū)遭遇超城防堤防洪標準一級和二級洪水（50年和100年）的淹沒風險。

1 研究區(qū)概況

瑞金屬江西省直管縣級市，位于江西省東南部，贛州市東部，武夷山脈南段西麓，贛江東源貢水上游。介于東經(jīng) 115°42′～116°22′、北緯 25°30′～26°20′之間。全市共有國土面積2 448km2，市區(qū)現(xiàn)有總面積為29.38km2，主城區(qū)及周邊涉及象湖鎮(zhèn)、沙洲壩鎮(zhèn)、葉坪鄉(xiāng)、黃柏鄉(xiāng)、澤潭鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)（見圖1），5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口共31.5萬人，城鎮(zhèn)化率達47%。主城區(qū)位于錦江和古城交匯處，城區(qū)所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)為象湖鎮(zhèn)，是瑞金市政治、經(jīng)濟、文化中心。地勢東北高、西南底，標高在179m～234m（吳淞高程，下同）之間，與古城河以北一帶相對高差在15～18m，錦江河“S”形由東北向西南方向通過。

主城區(qū)劃分為城中區(qū)、城北區(qū)、城南區(qū)、城西區(qū)和城東區(qū)。城中區(qū)：以老城為主體，現(xiàn)在是行政機關(guān)、商業(yè)、經(jīng)濟、文化教育的中心地段，并有大量居民生活區(qū)。城北區(qū)：位于昌廈公路以北，是交通、倉儲、生活的綜合區(qū)。城南區(qū)位于錦江河以南，是工業(yè)、商業(yè)和居民區(qū)，現(xiàn)有化工機械廠、電線廠、糖廠、自來水廠和膠合板廠等。城西區(qū)：位于金塘下以西，即現(xiàn)在的城西開發(fā)區(qū)，為工業(yè)、商業(yè)、交通和居民區(qū)。城東區(qū)：位于錦江河以東，是通往石城縣和福建省長汀縣的門戶，是近期和遠期規(guī)劃的主要發(fā)展方向。城區(qū)范圍洪澇防御體系主要由城區(qū)防洪堤組成，城防堤涉及城中堤、城東堤、城南堤，城防堤主體設(shè)計洪水標準為20年一遇。

圖1 瑞金市城區(qū)防洪保護區(qū)研究范圍圖

2 研究方法

反距離權(quán)重法（Inverse Distance Weighted，簡稱IDW），也稱距離反比加權(quán)法，實質(zhì)上是一種加權(quán)移動平均方法。它是以內(nèi)插點與樣本點之間的距離作為權(quán)重參數(shù)的內(nèi)插方法，屬于確定性的內(nèi)插方法。通用公式為：

式中：vi是采樣點i的z值；di是采樣點i與未知點的距離；n是估算中用到的采樣點數(shù)量；k是距離的冪，它顯著影響內(nèi)插的結(jié)果，它的選擇標準是最小平均絕對誤差。當k＞2時，曲面在數(shù)據(jù)點附近比較平直，而在兩個數(shù)據(jù)點之間的一個很小的區(qū)域內(nèi)有很大的梯度；當k＜2時，曲面相對平緩，沒有起伏；當k=2時，不但容易計算也較符合實際變化規(guī)律，因此實際工作中通常取k=2，此時稱作反距離平方加權(quán)法。

反距離權(quán)重插值算法缺點是：它是一種全局性的方法，計算曲面上一點的函數(shù)值要用全部數(shù)據(jù)，改變一個數(shù)據(jù)就會影響整個曲面；并且如果n的值很大，為了計算一個點的值，需要消耗很大的工作量。因此，在實際應(yīng)用時，通常采用經(jīng)過修正的局部逼近法，即通過選定一個半徑R，使插值點處的值僅依賴于以R為半徑的區(qū)域內(nèi)的點，而不是全部的點。初始半徑R一般按照經(jīng)驗公式（2）計算。

式中：A為包含所有采樣點數(shù)據(jù)的區(qū)域面積（近似值，可按最大最小坐標定義的矩形范圍計算）；n是采樣點數(shù)據(jù)總個數(shù)；k是平均值，一般取7。當落在該初始區(qū)域內(nèi)的采樣點數(shù)量在內(nèi)插模型所要求的數(shù)據(jù)范圍時，可直接進行內(nèi)插計算，否則，要按照一定的步長擴大或縮小搜索區(qū)域的半徑。

3 超標洪水淹沒分析

城市超標準洪水為超城市防洪標準一級、二級的洪水，即瑞金市遭遇錦江50年一遇和100年一遇洪水，并在城防堤全部潰決的假定條件下，統(tǒng)籌考慮城市防洪與所在流域整體防洪的關(guān)系，從最不利角度，探討分析瑞金市超標洪水淹沒范圍。

3.1 超標設(shè)計洪水位推求

本預(yù)案從偏安全考慮，為保證相關(guān)數(shù)據(jù)一致性，沿用現(xiàn)有成果，通過城區(qū)控制斷面（瑞金水位站）及其錦江上下游實測斷面（詳見表1）的20年、50年一遇設(shè)計水位關(guān)系（源自《瑞金市城市防洪工程實施方案》），推求沿河各斷面100年一遇設(shè)計水位值。

表1 瑞金市城區(qū)錦江河段水面線計算成果表

3.2 超標洪水淹沒分析

根據(jù)上述錦江主要實測斷面水位信息，利用IDW插值方法生成空間范圍內(nèi)的水位曲面，結(jié)合瑞金城市范圍的1：10000高精度數(shù)字高程地形模型（Digital Elevation Model，DEM），計算城區(qū)20年一遇洪水淹沒范圍，并在此基礎(chǔ)上，完成計算50年一遇和100年一遇超標洪水的淹沒范圍。

（1）20年一遇洪水淹沒分析。當錦江遭遇20年一遇洪水時，瑞金水位站洪水位可達194.48m，城區(qū)淹沒面積達10.97km2（城區(qū)面積約30.35km2），平均水深約2.1m。城區(qū)超標洪水淹沒范圍圖如圖2示。

圖2 瑞金市城區(qū)洪水淹沒范圍圖（20年一遇）

（2）50年一遇洪水淹沒分析。當錦江遭遇50年一遇洪水時，瑞金水位站洪水位可達195.28m，城區(qū)淹沒面積達12.32km2（城區(qū)面積約30.35km2），平均水深約2.6m。城區(qū)超標洪水淹沒范圍圖如圖3示。

圖3 瑞金市城區(qū)洪水淹沒范圍圖（50年一遇）

（3）100年一遇洪水淹沒分析。當錦江遭遇100年一遇洪水時，瑞金水位站洪水位達到195.86m，城區(qū)淹沒面積達14.07km2（城區(qū)總面積約30.35km2），平均水深約3.1m。城區(qū)超標洪水淹沒范圍圖如圖4所示。

圖4 瑞金市城區(qū)洪水淹沒范圍圖（100年一遇）

4 結(jié)論

本文探討分析了瑞金市城區(qū)內(nèi)受錦江遭遇20年一遇、50年一遇和100年一遇的超標準洪水影響，引入IDW反距離權(quán)重插值方法，在城防堤全部潰決的假定條件下，研究分析了瑞金市城區(qū)超標洪水淹沒風險。結(jié)果表明，瑞金市城區(qū)最大約有14.07km2區(qū)域（總城區(qū)計算面積約30.35km2）受超標洪水影響，最大水深達3.10m，區(qū)內(nèi)除主城區(qū)部分區(qū)域地勢較高外，其余區(qū)域均在超標洪水影響范圍內(nèi)，本結(jié)果可為該區(qū)域防洪規(guī)劃編制、超標洪水防御預(yù)案編制、洪水風險決策、區(qū)域避洪轉(zhuǎn)移分析等工作提供參考依據(jù)。