新疆洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃編制實踐與思考

牛芳鵬，張江輝，白云崗，盧震林，曹 彪

(新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

0 引言

洪水災(zāi)害是一種普遍存在且對人民生活、社會經(jīng)濟影響深遠的自然災(zāi)害。我國有超過60%的國土面積、90%以上的人口均存在不同程度的洪水威脅，重要城市、基礎(chǔ)設(shè)施和糧食主產(chǎn)區(qū)主要分布在江河沿岸以及沿海地區(qū)，環(huán)境復(fù)雜多變，洪水威脅度較高[1-2]。為有效預(yù)防和控制洪水災(zāi)害，進行洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究和應(yīng)用是非常必要的。2020年5月31日，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于開展第一次全國自然災(zāi)害綜合風(fēng)險普查的通知》(國辦發(fā)〔2020〕12號)，定于2020—2022年開展第一次全國自然災(zāi)害綜合風(fēng)險普查工作，2020年為第一階段，完成前期準(zhǔn)備與試點任務(wù)。2021至2022年為第二階段，主要任務(wù)是完成全國自然災(zāi)害綜合風(fēng)險調(diào)查和風(fēng)險評估，匯總普查成果[3-4]。隨著科技的不斷發(fā)展和應(yīng)用，洪水災(zāi)害的預(yù)測、預(yù)報、監(jiān)測技術(shù)也隨之不斷提升，為減輕災(zāi)害損失提供了有力的支撐和保障[5-7]。洪水風(fēng)險區(qū)劃是通過對流域內(nèi)暴雨特征、洪水淹沒情況分析，以綜合風(fēng)險度為主要表征，將研究區(qū)域內(nèi)的洪水災(zāi)害風(fēng)險劃分為不同的區(qū)域，為防洪工作提供科學(xué)依據(jù)。

我國對于洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃的研究始于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時主要采用統(tǒng)計方法和GIS空間分析方法，通過對洪水歷史資料、水文測站資料和地理信息進行分析，劃分出洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)域。隨著技術(shù)的進步和數(shù)據(jù)的積累，我國對洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃的研究逐漸深化和細化。目前，我國的洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究主要從洪水災(zāi)害歷史資料的挖掘與整理、水文測站數(shù)據(jù)的分析和整合、GIS與衛(wèi)星遙感技術(shù)等方面展開。王長燕[8]等通過整理、計算和分析大量歷史資料，對清朝至民國時期蘭州地區(qū)洪水災(zāi)害進行了時間和空間上的特征分析。劉成武[9]等基于近2000年來的歷史資料，對湖北省歷史時期的洪澇和干旱災(zāi)害進行了統(tǒng)計特征及演變規(guī)律的分析。通過對洪水災(zāi)害發(fā)生過程的回顧和分析，對不同洪水災(zāi)害的特點進行研究，為劃分洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)域提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。劉亞[10]等建立了一二維耦合數(shù)學(xué)模型，研究了在1000年一遇的洪水條件下，松滋江堤發(fā)生潰決后，長江干流及防洪保護區(qū)內(nèi)的洪水演進過程，將不同水文測站的數(shù)據(jù)進行整合和分析，形成一定的水文分區(qū)，并分別對不同水文分區(qū)的洪水災(zāi)害風(fēng)險進行評估。王磊[11]等基于Sentinel-1ASAR對鄱陽湖流域開展災(zāi)前、災(zāi)后洪澇范圍提取，結(jié)果表明，基于SVM方法進行水體提取的總體精度均達到90%以上，Kappa系數(shù)均大于0.8，滿足洪水變化監(jiān)測需求。田豐[12]等利用GIS技術(shù)進行空間分析和模擬，將洪水災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)、水文測站數(shù)據(jù)和地理信息等多源數(shù)據(jù)整合起來，形成洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃的空間分布圖。然而，當(dāng)前我國洪水災(zāi)害仍然頻發(fā)，且規(guī)模和影響范圍越來越大，如何進一步提高洪水災(zāi)害信息化普查技術(shù)并完善技術(shù)應(yīng)用方案，成為值得探討和研究的重要課題[13]。根據(jù)水利部《全國洪水風(fēng)險區(qū)劃及防治區(qū)劃工作方案(試行)》相關(guān)技術(shù)要求，新疆自治區(qū)洪水風(fēng)險區(qū)劃工作任務(wù)為對人類活動有影響的513條主要河流。主要對新疆洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃成果進行論述，并對洪水災(zāi)害信息化普查技術(shù)應(yīng)用前景進行探討，以期提高洪水災(zāi)害預(yù)測預(yù)報能力。

1 區(qū)域概況

新疆位于我國西北部，地處歐亞大陸中心，面積166.49萬km2。地形態(tài)勢為南高北低，西高東低，屬典型大陸性干旱氣候，年均溫為8℃，年降水量2871億m3，平均降水深155.1mm。典型地貌為“三山夾兩盆”，北面是阿爾泰山，南面是昆侖山，天山橫亙中部。新疆的河流絕大部分屬于內(nèi)陸河流域，地表水年總徑流量為879億m3，徑流量季節(jié)變化大，年內(nèi)分配極不均勻。洪水類型主要有暴雨型、季節(jié)積雪融水、高山冰雪融水與雨雪混合型洪水等類型，主要分布在4—5月份和7—9月份。

2 洪水風(fēng)險區(qū)劃方法

2.1 三區(qū)劃分

洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃流程主要包括三區(qū)劃分、區(qū)劃分析方案擬定、模型構(gòu)建、風(fēng)險要素分析計算等步驟[14]，技術(shù)流程如圖1所示。新疆三區(qū)劃分中，根據(jù)自然和經(jīng)濟社會因素，以及歷史洪水發(fā)生情況和災(zāi)害影響范圍，主要江河防洪區(qū)劃分以流域和區(qū)域防洪規(guī)劃為基礎(chǔ)，按照歷史最大洪水淹沒或100年一遇設(shè)計洪水進行推演；山地洪水威脅區(qū)以區(qū)域內(nèi)所有山丘區(qū)河流所對應(yīng)的流域(面積在50～200km2之間)邊界范圍取外包后進行劃定。局地洪水威脅區(qū)人口密度一般小于30人/km2，主要涵蓋了除以上兩個區(qū)域外的地區(qū)，其中包括草原、沙漠、高原荒漠、戈壁以及高山峽谷等地形，降水量較少，洪水威脅總體不大。

圖1 洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃流程圖

2.2 區(qū)劃分析方案擬定

洪水分析計算方案集合考慮各區(qū)劃單元的洪水來源、現(xiàn)狀設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、洪水組合以及潰口位置等因素，包括洪源分析、洪水計算頻率選取、洪水組合確定以及潰口(分洪)位置選取等步驟。洪水頻率一般選取為5、10、20、50、100、200年一遇。

2.3 區(qū)劃分析模型構(gòu)建

流域洪水風(fēng)險精細化分析采用MIKE FLOOD耦合MIKE 11河道模型、MIKE URBAN管網(wǎng)模型和MIKE 21地表模型構(gòu)建暴雨洪澇模型[10]。MIKE 11模擬一維河道洪水演進，MIKE URBAN模擬一維排水管網(wǎng)水流演進，MIKE 21模擬二維地表漫流淹沒，MIKE 11和MIKE21采用側(cè)向連接，MIKE URBAN和MIKE 21采用檢查井連接，MIKE 11和MIKE URBAN采用排水口連接，模型耦合原理如圖2所示。MIKE 11可構(gòu)建一維河網(wǎng)模型，用于城市河道水量模擬，具有節(jié)約人力、計算準(zhǔn)確和結(jié)果可視化的優(yōu)點。其計算原理是一維水動力學(xué)，包括連續(xù)方程和運動方程，采用有限差分法進行離散，差分格式為6點中心Abbott-Ionescu格式，離散方程求解采用追趕法。

圖2 模型耦合方法

根據(jù)建立的洪水風(fēng)險區(qū)劃分析模型，計算得到區(qū)劃單元的最大淹沒水深、最大行進流速、以及最大淹沒歷時等數(shù)值。計算單元的風(fēng)險等級以“綜合風(fēng)險度(R)”為指標(biāo)，按以下規(guī)則進行確定：R<0.15為低風(fēng)險，0.15≤R<0.5為中風(fēng)險，0.5≤R<1.0為高風(fēng)險，R≥1.0為極高風(fēng)險[15]。

3 新疆洪水區(qū)劃成果

3.1 三區(qū)劃分

新疆地區(qū)主要江河防洪區(qū)分布在塔里木河流域、伊犁河一干三支、喀什噶爾河流域和田河流域范圍內(nèi)，面積共計79876.40km2，占比5.22%；山地洪水威脅區(qū)主要分布在和田地區(qū)南部、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、伊犁地區(qū)、塔城地區(qū)中部河流出山口以上河段，面積共計80895.00km2，占比5.29%；新疆大部分區(qū)域為局地洪水威脅區(qū)，面積共計1353322.54km2，占比88.45%。

3.2 洪水風(fēng)險區(qū)劃

由表1可知，新疆洪水災(zāi)害極高風(fēng)險區(qū)域面積5414.99km2，占比0.35%；高風(fēng)險區(qū)域面積3463.81km2，占比0.23%；中風(fēng)險區(qū)域面積8753.72km2，占比0.57%；低風(fēng)險區(qū)域1496461.42km2，占比97.81%。其中：主要江河防洪區(qū)極高風(fēng)險區(qū)面積4755.32km2，高風(fēng)險區(qū)面積3507.19km2，中風(fēng)險區(qū)面積5027.87km2，低風(fēng)險區(qū)面積66586.01km2；山地洪水威脅區(qū)極高風(fēng)險區(qū)面積336.15km2，高風(fēng)險區(qū)面積431.47km2，中風(fēng)險區(qū)面積3345.04km2，低風(fēng)險區(qū)面積76782.33km2；局地洪水威脅區(qū)極高風(fēng)險區(qū)面積6.82km2，高風(fēng)險區(qū)面積5.92km2，中風(fēng)險區(qū)面積20.00km2，低風(fēng)險區(qū)面積1353289.81km2。從分布情況來看極高風(fēng)險區(qū)主要集中在塔里木河流域中葉爾羌河范圍內(nèi)和喀什噶爾河流域范圍內(nèi)；高風(fēng)險區(qū)主要集中在河流出山口等區(qū)域。

3.3 洪水防治區(qū)劃

由表2可知，新疆主要江河防洪區(qū)一級重點防治區(qū)面積2194.07km2，主要位于金溝河、孔雀河與依格孜亞河等流域；主要江河防洪區(qū)二級重點防治區(qū)面積5203.82km2，主要位于葉爾羌河、提孜那甫河、克孜河與黑孜泉河等流域；主要江河防洪區(qū)中等防治區(qū)面積6507.46km2，主要位于伊犁河、克孜河、臺蘭河與庫山河等流域；主要江河防洪區(qū)一般防治區(qū)面積61991.81km2，主要分布在喀拉米蘭河、葉爾羌河、若羌河等流域；洪泛區(qū)一般防治區(qū)面積3954.25km2，主要分布在布谷孜河、鐵列克河、烏魯阿特河、蘇古魯克河等流域；蓄滯洪區(qū)中等防治區(qū)面積24.99km2，分布在昌吉州三屯河下游；山地洪水重點防治區(qū)面積13650.93km2，主要位于康蘇河、恰克馬克河、蘇滾厄肯河等流域；山地洪水中等防治區(qū)面積11251.63km2，主要位于且木干河、故鄉(xiāng)河、布谷孜河等流域；山地洪水一般防治區(qū)面積55992.44km2，主要分布在喀拉喀什河、精河、巴什雀甫河、尼雅河等流域。

表2 新疆洪水防治區(qū)劃面積統(tǒng)計 單位：km2

4 結(jié)論與展望

以新疆地區(qū)為對象研究洪水風(fēng)險區(qū)劃方法的適用性，進行區(qū)劃單元劃分、模擬模型構(gòu)建及區(qū)劃分析方案制定等工作，對新疆洪水災(zāi)害防御具有一定參考價值。新疆洪水災(zāi)害極高、高、中風(fēng)險區(qū)域面積分別為5414.99、3463.81、8753.72km2，分別占新疆區(qū)域面積的0.35%、0.23%、0.57%，主要位于巴州、阿克蘇、和田、阿勒泰、喀什等地，分布在孔雀河、阿克蘇河、和田河、葉爾羌河、額爾齊斯河、喀什噶爾河等流域；基本反映了新疆地區(qū)洪水風(fēng)險程度情況及其空間分布特征。新疆地區(qū)主要防洪保護區(qū)總面積79876.40km2，一級重點、二級重點、中等防洪保護區(qū)面積分別占比2.75%、6.51%、8.18%；山地洪水威脅區(qū)面積80895.00km2，重點、中等防治區(qū)面積分別占比16.87%、13.91%。從防治區(qū)劃成果來看，新疆地區(qū)中小河流河道行洪能力、水利工程設(shè)施、風(fēng)險管理等方面仍然存在薄弱環(huán)節(jié)，需要進一步提升“四預(yù)能力”、完善防洪工程體系建設(shè)。

劃分洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)是一個復(fù)雜而綜合性強的工作，需要在評估模型、劃分方式、技術(shù)體系等方面進一步完善。大部分河流風(fēng)險評估僅基于歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)，缺乏綜合考慮人口數(shù)量、區(qū)域防洪需求和地形環(huán)境等多方面因素；其次，劃分方式不夠科學(xué)合理。部分地區(qū)僅依據(jù)流域范圍和平均降雨量等因素，易忽視了流域內(nèi)復(fù)雜的地形地貌和土地利用類型等因素，導(dǎo)致劃分的區(qū)域過于簡單；此外，洪水風(fēng)險區(qū)劃技術(shù)體系需進一步完善，基于洪水危險性評估的基礎(chǔ)上考慮孕災(zāi)環(huán)境脆弱性與承載體易損性。