基于洪水影響和損失風險期望的新寧縣城防洪標準初步研究

黃啟有，吳艷紅，黃文衡

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

GB 50201—2014《防洪標準》規定[1]：城市防護區應根據政治、經濟地位的重要性、常住人口或當量經濟規模指標，確定防護等級和防洪標準。實際工作中由于相應標準的洪水淹沒范圍、影響人口、洪災可能造成的損失等指標往往較難得到，使得大多數城市仍以城市整體指標作為確定防洪標準的依據。城市洪水影響和損失，除與洪水大小有關外，城市地形地勢條件也是一個重要的因素，決定了洪水淹沒范圍及損失程度，以城市整體指標確定城市防洪設防標準的方法，存在較大程度的不確定性。本文以夫夷水新寧縣城區域為研究對象，基于洪水影響和洪災損失風險期望，對新寧縣城防洪標準進行了初步研究。

新寧縣城位于湘西南邊陲[2]，夫夷水左岸，主要轄金石鎮，總人口約8.2萬人，按照國家標準，屬一般城市，防洪標準為20年至50年一遇。縣城東、西、南三面被夫夷水環繞(圖1)，呈“馬蹄形”[3]，主城區地勢北高南低，順河流走向解放路以南沿河一帶地勢低洼，現狀無堤防防護，部分河段甚至低于5年一遇標準，洪水風險突出。

圖1 新寧縣城區位

1 洪水風險分析

1.1 暴雨洪水特性

夫夷水為資水一級支流，資水南源，資水廣西資源—新寧—邵陽洞口黃橋一帶，是流域的3個暴雨中心之一[4]。夫夷水新寧以上控制流域面積2 456 km2，流域內暴雨頻發，雨量集中，縣城多年平均降雨1 403.5 mm，年內分配不均，4—6月占全年的41.7%，暴雨多為鋒面雨，少數為臺風雨；流域內實測最大1 d雨量400.1 mm。受流域內地形地勢影響，洪水陡漲陡落，峰高量小。最大洪水一般出現在5—7月，具有明顯的陡漲陡落特性，變幅較大，洪水過程以單峰為主，有時呈復峰，一次洪水一般在2～3 d。新寧站實測最大流量3 450 m3/s，出現在2017年7月1日。

1.2 設計洪水及水位

新寧水文站位于夫夷水新寧縣城河段觀瀑橋上游約180 m，有1958—2017年共60 a實測洪水資料，考慮1864、1898、1918、1924、1949年歷史調查洪水，并將2017年實測最大洪水按特大值處理，統一進行排位，分別按連續系列和不連續系列經驗頻率公式計算經驗頻率。采用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線適線，矩法初估參數，計算機目估適線法適線，推求設計洪水成果。以“2017·07·01”洪水為典型，采用峰量同頻率放大方法，推求設計洪水過程線。新寧站設計洪水成果及過程分別見表1、圖2。

表1 新寧站設計洪水成果

圖2 新寧站各頻率設計洪水過程線

根據模型計算需要，采用新寧站設計流量過程及綜合水位流量關系，經水面比降換算，推求下邊界斷面水位過程。

1.3 洪水風險模擬計算

1.3.1模型原理

夫夷水新寧縣城河段無堤防保護，洪水風險分析考慮建立河流一維和縣城區域二維模型，通過側向耦合連接方式[5]，根據上下邊界條件，模擬計算洪水淹沒發展過程。

a) 河流一維模型。 一維模型是求解河流一維非恒定流方程(圣維南方程組)。一維模型控制方程如下。

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中A——河道過水面積；Q——流量；u——側向來流在河道方向的流速；t——時間；x——沿水流方向的水平坐標；q——河道的側向來流量；α——動量修正系數；g——重力加速度；y——水位；Sf——摩阻坡降。

b) 城區二維模型。二維模型是求解二維淺水運動方程。模型控制方程如下。

連續方程：

(3)

動量方程：

(4)

(5)

式中t——時間，s；U、V——x、y方向的單寬流量，m3/s；H、h——水位和水深，m；n——糙率系數；g——重力加速度；q——源匯項，方程沒有考慮柯氏力和紊動項的影響。

1.3.2模型構建

基于IFMS軟件進行一、二維耦合模型構建(圖3)，一維模型根據實測的約8.5 km河段河流縱橫斷面構建，總斷面數31個。二維模型采用不規則四邊形網格對城區范圍進行概化，每個網格賦予相應的屬性，包括高程、糙率、面積等。共概化研究區范圍6.19 km2，合計網格數62 884個，平均網格長度10 m。

圖3 研究區一二維耦合模型示意

1.3.3模型計算

模型構建完成根據 “2017·07·01”實測洪水資料，對模型參數進行了率定和驗證，成果表明，模型參數選取基本合理，成果較為可靠。分別對10、20、50、100、200年一遇洪水進行模擬計算，模型計算結果表明，不同頻率洪水的淹沒范圍不同，200年一遇洪水淹沒范圍最大，約為1.5 km2；20年一遇洪水，淹沒面積約0.15 km2。各方案淹沒面積統計情況見表2，各頻率洪水淹沒面積變化過程見圖4。

表2 各頻率洪水最大淹沒面積

圖4 各頻率洪水淹沒范圍變化過程

2 洪水影響與損失估算

2.1 洪水影響分析

洪水影響分析[6-7]主要基于GIS空間分析功能，根據模型計算得到的洪水風險數據，結合房屋、耕地、道路、重點設施、人口等空間地理分布，進行空間疊加分析計算，各方案洪水淹沒影響情況見表3。

表3 各方案洪水淹沒影響成果

2.2 洪災損失初估

洪災損失估算[8-10]通過區分家庭財產、居民房屋、農業、工業資產、商貿資產、道路等經濟類型，根據不同財產不同淹沒歷時相應損失率進行估算，其中損失率的確定，主要根據湖南省內其他同類地區洪水損失調查資料選用。各頻率洪水損失估計成果見表4。

表4 各頻率洪水淹沒損失初估成果

3 防洪標準分析

夫夷水新寧縣城河段左岸現狀無堤防防護，而根據國家防洪標準，新寧縣城段設防標準應為20年至50年一遇，綜合洪水風險分析、洪水影響分析及洪災損失估算成果，考慮各頻率洪水發生的概率，選擇洪水影響的社會指標——淹沒人口風險期望[11-13](頻率P·淹沒區人口R)，選擇洪災損失的經濟指標——洪災損失風險期望(頻率P·洪災損失W)，分別計算各頻率洪水影響與損失風險指標，成果見圖5、6。

圖5 各頻率洪水影響風險期望

從圖5可以看出，新寧縣城20年一遇洪水對應的洪水影響的社會指標——淹沒人口風險期望值最高；從圖6可以看出，經濟指標中，洪災損失風險期望在100年一遇左右具有明顯轉折，綜合新寧縣城社會經濟發展水平及國家城市防洪標準，初步分析新寧縣城防洪設防標準20年一遇基本比較合理。

圖6 各頻率洪災損失風險期望

4 結語

現行城市防洪標準規定根據城市的重要程度、常住人口、當量經濟規模等擬定設防標準，實際工作中，由于相應標準的洪水淹沒范圍、影響人口、洪災可能造成的損失等指標往往較難得到，使得大多數城市仍以城市整體指標作為確定防洪標準的依據，從經濟性的角度，是非最優的。本文基于洪水影響和損失風險指標，對夫夷水新寧縣城河段設防標準進行了探討，提出了基于洪水影響社會指標和洪災損失經濟指標合理選擇城市防洪標準的方法，為城市防洪設防定標提供參考。