基于綜合風(fēng)險(xiǎn)度方法的大余縣重點(diǎn)防洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究

李德龍，許小華，丁志雄，李亞琳，謝信東，李 偉

（1.江西省水利科學(xué)院智慧水利研究所，江西南昌 330029；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；4.南昌大學(xué)，江西南昌 330031）

0 研究背景

江西省大余縣城區(qū)處于大余盆地的低洼地帶，地勢(shì)周邊高中間低，章江油羅口水庫(kù)以下為大余縣核心區(qū)域，人口密集，該區(qū)域總?cè)丝跀?shù)占大余縣總?cè)丝诘?0%以上，極易受江河洪水的侵襲，容易造成較大的洪澇災(zāi)害損失。因此，開展大余縣城下游重點(diǎn)防洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃對(duì)于指導(dǎo)該區(qū)域防洪減災(zāi)非工程措施建設(shè)，最大限度降低人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。

近年來(lái)，洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的理論和方法逐漸完善，大量學(xué)者如梁寶榮［1］、那日蘇等［2］、楊麗萍等［3］、朱靜儒［4］、陳湛峰［5］、王秀杰［6］等分別針對(duì)中小河流、蓄滯洪區(qū)、縣（市）區(qū)、入海口等區(qū)域開展了洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究，而苑希民等［7］、王建中等［8］、孫瑀［9］、劉江俠等［10］分別基于模糊層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、洪水風(fēng)險(xiǎn)因子法、綜合風(fēng)險(xiǎn)度法等對(duì)防洪保護(hù)區(qū)進(jìn)行了洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究。隨著水利現(xiàn)代化的快速發(fā)展，綜合風(fēng)險(xiǎn)度法已成為目前洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究的熱點(diǎn)方法。

基于此，本文以大余縣油羅口下游重點(diǎn)防洪區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，在構(gòu)建區(qū)域二維水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上，提取最大淹沒(méi)水深、最大流速、最大淹沒(méi)歷時(shí)為洪水風(fēng)險(xiǎn)要素指標(biāo)，利用綜合風(fēng)險(xiǎn)度方法，探討研究大余縣重點(diǎn)防洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

1 區(qū)域概況

大余縣位于章江上游，庾嶺北麓，地理位置為東徑114°22′～114°44′，北緯25°15′～25°37′。東北與南康區(qū)相連，東南與信豐縣接壤，西北與崇義縣毗鄰，南與廣東省南雄縣襟連，西界廣東省仁化縣。全境東西長(zhǎng)127.5 km，南北寬25 km，總面積1 367.63 km2?？h城距贛州市100 km。

大余縣縣城（南安鎮(zhèn)）周圍大部分地區(qū)為第四系沖洪積物覆蓋，下伏基巖為變質(zhì)砂巖和花崗巖。由于河面緩慢上升，河流下切，形成多級(jí)河流階地，大余縣城區(qū)地面標(biāo)高一般在175～185 m 之間?？h城區(qū)位于章江與浮江的匯合口以下約5 km，章江自西向東穿城而過(guò)，城區(qū)河道長(zhǎng)約4.0 km，主要支流北有蕩坪河，南有五里山河，蕩坪河、五里山河兩支流分別在中大橋、牡丹亭公園處匯入章水。城區(qū)處于大余盆地的低洼地帶，地勢(shì)周邊高中間低，章江油羅口水庫(kù)以下為大余縣核心區(qū)域，人口密集。

選取章江油羅口水庫(kù)以下及浮江鄉(xiāng)駐地以下，至大余縣界約60 km 長(zhǎng)的狹長(zhǎng)地帶，面積約215.54 km2的區(qū)域（大余縣境內(nèi)）作為大余縣重點(diǎn)防洪區(qū)域的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制范圍：起始范圍為油羅口水庫(kù)壩址下游區(qū)域，以該區(qū)域歷史發(fā)生的最大洪水淹沒(méi)范圍為依據(jù)，結(jié)合章江河河流流向，以河流為中心，向兩岸居民區(qū)域輻射至高山區(qū)域止，設(shè)定為兩邊邊界，終止范圍為下游窯下壩水文站。涉及浮江鄉(xiāng)、南安鎮(zhèn)、黃龍鎮(zhèn)、青龍鎮(zhèn)、池江鎮(zhèn)、新城鎮(zhèn)等6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。具體范圍見(jiàn)圖1所示。

圖1 大余縣重點(diǎn)防洪區(qū)域Fig.1 Location of key flood control area in Dayu County

2 洪水風(fēng)險(xiǎn)分析原理與區(qū)劃方法

2.1 洪水風(fēng)險(xiǎn)分析原理

目前，進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)分析常采用的方法有：水文學(xué)法、水力學(xué)法和實(shí)際水災(zāi)法。本文采用的是水力學(xué)法，是通過(guò)數(shù)學(xué)模型，求解連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程，利用差分的方法計(jì)算出各運(yùn)動(dòng)時(shí)刻的流速、流向和水深。采用的是中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自主研發(fā)的洪水分析軟件，基于上述二維水動(dòng)力學(xué)模型并在GIS 平臺(tái)開發(fā)，具有基礎(chǔ)工程和地圖處理、數(shù)據(jù)前處理、洪水分析和計(jì)算結(jié)果后處理等功能，能綜合考慮不同類型區(qū)域的地形地貌空間分布及各種防洪排澇工程措施的影響，對(duì)潰漫堤洪水泛濫演進(jìn)和淹沒(méi)分布情況進(jìn)行模擬分析。

模型對(duì)平面水流按二維非恒定流進(jìn)行模擬，模型將有限體積法與有限差分法的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，采用六邊形網(wǎng)格不規(guī)則網(wǎng)格對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行離散，在網(wǎng)格形心處計(jì)算水深，在網(wǎng)格周邊通道上計(jì)算流量。

（1）二維水力學(xué)模型的基本方程如下：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中：H為水深；Z為水位；M、N分別為x、y方向的單寬流量；u、v分別為水深平均流速在x、y方向的分量；n為糙率系數(shù)；g為重力加速度；t為時(shí)刻；q為源匯項(xiàng)。

（2）方程的離散。水深由連續(xù)方程對(duì)任一網(wǎng)格的顯式離散化形式求得：

式中：Qik為通道的單寬流量；Lik為通道的寬度；Ai為網(wǎng)格面積；AXY為網(wǎng)格的面積修正率；DT為時(shí)間步長(zhǎng)的1∕2。

通道的單寬流量由動(dòng)量方程的顯示式離散化格式計(jì)算，根據(jù)不同的通道類型，分別采取不同離散格式。

一般型通道：是指河道內(nèi)的通道和普通陸面通道，其動(dòng)量方程中保留局地加速度項(xiàng)、重力項(xiàng)和阻力項(xiàng)，離散形式為：

式中：Zj1、Zj2分別為通道兩側(cè)網(wǎng)格的水位；DCj1、DCj2分別為通道兩側(cè)網(wǎng)格形心到通道中點(diǎn)的距離；DLj為空間步長(zhǎng)，等于DCj1、DCj2之和；Hj為通道上的平均水深，由下式計(jì)算：

阻水型通道：對(duì)于有阻水作用的堤防、道路等，在模型中作為阻水通道，采用堰流公式計(jì)算過(guò)流量，公式如下：

式中：Hi為通道上的水深；Qi為通道的單寬流量；b為寬頂堰的淹沒(méi)出流系數(shù)；μ1為流量系數(shù)。

2.2 綜合風(fēng)險(xiǎn)度法

計(jì)算單元的“綜合風(fēng)險(xiǎn)度（R）”值，按以下公式計(jì)算：

式中：pi為某一洪水淹沒(méi)頻率（如：10年一遇時(shí)，pi取0.1）；Hi為該計(jì)算單元對(duì)應(yīng)pi的“當(dāng)量水深H”值。計(jì)算時(shí)，H的單位選取分米，dm。

由于利用上述公式計(jì)算期望值時(shí)，計(jì)算單元的洪水淹沒(méi)指標(biāo)值Hi在起淹洪水頻率處存在跳躍，故假定在計(jì)算時(shí)p0始終為起淹洪水頻率的下一級(jí)洪水頻率（如：計(jì)算單元a的起淹洪水頻率為10年一遇，則p0=0.2，即對(duì)應(yīng)5年一遇洪水頻率），且對(duì)應(yīng)的H0=0；而p1，pn則分別為該計(jì)算單元的起淹洪水頻率和最高洪水計(jì)算頻率。

其中洪水風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)（H）表征計(jì)算單元在某一量級(jí)洪水頻率下的風(fēng)險(xiǎn)程度大小，指標(biāo)選取應(yīng)以能全面反映洪水淹沒(méi)特征為要素，因此指標(biāo)計(jì)算以“最大淹沒(méi)水深”為主要因子，綜合考慮“最大流速”、“最大淹沒(méi)歷時(shí)”風(fēng)險(xiǎn)要素的影響，公式如下：

式中：h為“最大水深”；ω1為“最大流速”修正系數(shù)；ω2為“最大淹沒(méi)歷時(shí)”修正系數(shù)［11］。其中，ω1、ω2為的取值范圍均在1.0～1.5。

3 洪水風(fēng)險(xiǎn)因素分布

為研究大余縣縣城下游重點(diǎn)防洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)因素分布特征，需對(duì)油羅口水庫(kù)下游和浮江鄉(xiāng)駐地以下且流經(jīng)縣城的低洼區(qū)域構(gòu)建二維模型。

（1）建模范圍。模型范圍為章江上游從油羅口水庫(kù)以下，浮江河從浮江鄉(xiāng)駐地以下，兩側(cè)以自然丘陵高地為界，下游至章江的窯家壩水文站，總面積249.47 km2（如圖2），內(nèi)部溝渠采用加密二維網(wǎng)格的方式進(jìn)行處理。采用的是1∶10 000 的DLG（Digital Line Graphic）和DEM（Digital Elevation Model）基礎(chǔ)地理信息資料，共計(jì)41幅圖幅。

圖2 建模范圍Fig.2 The range of the model

（2）網(wǎng)格剖分。以道路、堤防、河流等作為內(nèi)部約束，針對(duì)灘地較大的河流，將主河槽和灘地分開剖分網(wǎng)格（如圖4），網(wǎng)格最大面積控制在0.02 km2以內(nèi)，共剖分了17 997 個(gè)六邊形規(guī)則網(wǎng)格，其中，將較寬的河道作為河道型網(wǎng)格處理，共計(jì)3 789 個(gè)。網(wǎng)格的邊（通道）可以沿著阻水建筑物（堤防、道路）、導(dǎo)水建筑（河渠）走，地形概化接近實(shí)際。本次網(wǎng)格共有通道96 105 條，其中，重要的堤防和道路設(shè)置為阻水型通道，共有7 192 條。

（3）洪水來(lái)源。大余縣重點(diǎn)防洪區(qū)域除受油羅口水庫(kù)出流影響外，章江另一條主要支流浮江也是主要的洪水來(lái)源，浮江上游匯水區(qū)面積約228 km2。章江左右兩岸其他小的支流匯水包括左岸的蕩坪河、大龍山河、瓏澗河、楊梅河、下壟河、窯下河、灌湖河、分水坳河等；右岸的五里山河、荊南河、壕塘河、留地河、西坑河、小汾河、柳坑河、合江河等。這些小的支流也構(gòu)成了大余縣重點(diǎn)防洪區(qū)域的區(qū)間洪水來(lái)源，洪水來(lái)源概化圖如圖4所示。

圖3 模型網(wǎng)格分布Fig.3 Grid distribution of the Model

圖4 主要洪水來(lái)源概化Fig.4 Generalization of main flood sources

（4）糙率分區(qū)。計(jì)算區(qū)內(nèi)糙率利用收集的土地利用類型圖層與網(wǎng)格圖層疊加，按照河流、居民地、樹叢、旱田、水田、空地等不同類型，賦予網(wǎng)格相應(yīng)的糙率初值。各土地利用類型賦如表1 所示的糙率值（參考江西省五河治理大余縣縣城防洪工程實(shí)施方案）。

表1 糙率取值表Tab.1 Table of roughness values

（5）模型率定驗(yàn)證。用2002年的實(shí)測(cè)洪水進(jìn)行模型的參數(shù)率定、用2009 年的實(shí)測(cè)洪水進(jìn)行模型驗(yàn)證，并對(duì)比洪痕點(diǎn)的水位，模型率定驗(yàn)證的結(jié)果見(jiàn)表2 所示。由表可見(jiàn)模型率定驗(yàn)證的水位誤差絕對(duì)值均不超過(guò)0.1 m，率定驗(yàn)證結(jié)果符合洪水風(fēng)險(xiǎn)分析的《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則》精度要求。

表2 率定驗(yàn)證計(jì)算洪峰水位誤差分析表Tab.2 Rate validation calculation of flood water level error analysis table

（6）邊界條件。模型上游入流邊界為油羅口水庫(kù)出流及章江其他支流的入流，模型出流邊界為窯下壩的水位—流量關(guān)系，模型的邊界條件示意圖如圖5 所示。油羅口水庫(kù)各設(shè)計(jì)頻率洪水的入流過(guò)程（見(jiàn)圖6，以1966 年為典型年，各頻率設(shè)計(jì)洪水過(guò)程數(shù)據(jù)源于《油羅口水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》）。

圖5 模型邊界條件Fig.5 Boundary condition of the Model

油羅口水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，大余縣重點(diǎn)防洪區(qū)域縣城堤防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是20 年一遇，其他區(qū)域?yàn)?0 年一遇，因此考慮洪水計(jì)算的量級(jí)20年一遇、50年一遇、100年一遇3個(gè)洪水量級(jí)。根據(jù)歷史洪水降雨分布情況，在考慮洪水來(lái)源組合遭遇時(shí)，按《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則》，其他支流的洪水頻率組合可按主要洪水來(lái)源低一個(gè)等級(jí)的洪水量級(jí)考慮，如油羅口水庫(kù)考慮50 年一遇洪水時(shí)，其他支流的洪水按20 年一遇考慮。根據(jù)油羅口水庫(kù)各頻率設(shè)計(jì)洪水過(guò)程（圖6），按匯流面積比的2∕3 次方確定的其他支流各頻率設(shè)計(jì)洪水過(guò)程如圖7～9 所示。模型下游出流邊界為窯下壩水文站水位流量關(guān)系曲線。詳見(jiàn)圖10。

圖6 油羅口壩址設(shè)計(jì)洪水過(guò)程Fig.6 Design flood process of Youluokou dam site

圖7 其他相關(guān)各支流10年一遇洪水過(guò)程Fig.7 Other related tributaries in a 10-year flood process

圖8 其他相關(guān)各支流20年一遇洪水過(guò)程Fig.8 Other related tributaries in a 20-year flood process

圖9 其他相關(guān)各支流50年一遇洪水過(guò)程Fig.9 Other related tributaries in a 50-year flood process

圖10 窯下壩水文站水位流量關(guān)系曲線圖Fig.10 Water level and flow relationship curve of the hydrological station of Yaoxiaba

（7）風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果。通過(guò)計(jì)算分析，提取研究區(qū)內(nèi)各計(jì)算單元的風(fēng)險(xiǎn)要素指標(biāo)（見(jiàn)圖11），包括最大淹沒(méi)水深、最大淹沒(méi)歷時(shí)、最大洪水流速。并統(tǒng)計(jì)分析了最大淹沒(méi)面積、最大淹沒(méi)水深見(jiàn)表3。

表3 洪水計(jì)算方案分析統(tǒng)計(jì)指標(biāo)Tab.3 Statistical indexes of flood calculation scheme analysis

圖11 洪水風(fēng)險(xiǎn)要素指標(biāo)Fig.11 Index of flood risk factors

統(tǒng)計(jì)各方案潰口進(jìn)洪量、出流量以及區(qū)內(nèi)淹沒(méi)水量，判斷分析入流量減去出流量，與區(qū)內(nèi)淹沒(méi)總水量的差值是否在10-5億m3之內(nèi)（洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則SL 483-2017），差值在10-5億m3之內(nèi)則水量平衡達(dá)到要求。從表4 中可以看出，各方案均滿足水量平衡要求。

表4 洪水計(jì)算方案水量平衡分析Tab.4 Water balance analysis of flood calculation scheme

綜合分析可知，本次構(gòu)建的模型獲得洪水風(fēng)險(xiǎn)要素結(jié)果較為合理，能準(zhǔn)確地反映重點(diǎn)防洪區(qū)的淹沒(méi)特征及不同設(shè)計(jì)頻率下洪水風(fēng)險(xiǎn)程度的差異性，模型精度和可靠性較高，可為風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

4 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果分析

本研究構(gòu)建了河道和保護(hù)區(qū)整體二維水動(dòng)力模型，模擬可能的淹沒(méi)范圍、水深等特征要素。通過(guò)模擬計(jì)算，統(tǒng)計(jì)分析了上述3 種方案的“最大淹沒(méi)水深”、“最大行進(jìn)流速”、“最大淹沒(méi)歷時(shí)”等風(fēng)險(xiǎn)要素。

以“最大淹沒(méi)水深”為主要影響因子，綜合考慮“最大洪水流速”、“最大淹沒(méi)歷時(shí)”風(fēng)險(xiǎn)要素的影響，根據(jù)綜合風(fēng)險(xiǎn)度法區(qū)劃等級(jí)劃定大余縣重點(diǎn)防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（見(jiàn)圖11）。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分參考《洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)導(dǎo)則（試行）》（SL 483-2019）［11］，共分為低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、極高風(fēng)險(xiǎn)4 個(gè)級(jí)別。R<0.15 為“低風(fēng)險(xiǎn)”，0.15≤R<0.5 為“中風(fēng)險(xiǎn)”，0.5≤R<1 為“高風(fēng)險(xiǎn)”，R≥1 為“極高風(fēng)險(xiǎn)”?；撅L(fēng)險(xiǎn)度矩陣表見(jiàn)表5 所示，其中綠色區(qū)域數(shù)值表示“低風(fēng)險(xiǎn)”，黃色區(qū)域數(shù)值代表“中風(fēng)險(xiǎn)”，深黃色區(qū)域數(shù)值代表“高風(fēng)險(xiǎn)”，紅色區(qū)域數(shù)值代表“極高風(fēng)險(xiǎn)”。

表5 基本風(fēng)險(xiǎn)度矩陣表Tab.5 Basic risk degree matrix table

圖12 洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果Fig.12 Flood risk zoning results

經(jīng)計(jì)算分析可知，大余縣主城區(qū)有較大范圍淹沒(méi)，淹沒(méi)面積達(dá)68.91 km2，大部分在章江右岸，小部分在章江左岸，而浮江鄉(xiāng)、黃龍鎮(zhèn)、青龍鎮(zhèn)、池江鎮(zhèn)、新城鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)有較大淹沒(méi)范圍，其中低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分別占比17%、12%、18%、53%。

5 結(jié)論

以江西省大余縣油羅口下游重點(diǎn)防洪區(qū) 為例，針對(duì)該區(qū)域極易受洪水災(zāi)害影響的問(wèn)題，利用綜合風(fēng)險(xiǎn)度法進(jìn)行了洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分析。結(jié)論如下：①大余縣重點(diǎn)防洪區(qū)的浮江鄉(xiāng)、黃龍鎮(zhèn)、青龍鎮(zhèn)、池江鎮(zhèn)、新城鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)受洪水影響較為嚴(yán)重，淹沒(méi)面積達(dá)68.91 km2，極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃區(qū)域占超過(guò)總范圍一半以上；②構(gòu)建的模型獲得淹沒(méi)水深、淹沒(méi)流速、淹沒(méi)歷時(shí)等洪水風(fēng)險(xiǎn)要素結(jié)果較為合理，能準(zhǔn)確地反映重點(diǎn)防洪區(qū)的淹沒(méi)特征及不同設(shè)計(jì)頻率下洪水風(fēng)險(xiǎn)程度的差異性；③基于綜合風(fēng)險(xiǎn)度方法的大余縣重點(diǎn)防洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果合理，能為大余縣防災(zāi)減災(zāi)提供決策依據(jù)，對(duì)推動(dòng)大余縣的防災(zāi)減災(zāi)非工程措施建設(shè)和國(guó)土空間規(guī)劃具有重要實(shí)際意義。