基于羅塘河潰堤洪水風險的避洪轉移方案研究

劉衛林，萬一帆，劉麗娜，黃一鵬，吳 濱，朱圣男

(南昌工程學院，江西省水文水資源與水環境重點實驗室，江西 南昌 330099)

在全球變暖的整體趨勢下，極端氣候造成的洪水災害急劇上升[1]。而洪水對于岸堤、水庫、大壩等水工建筑物的安全性也存在極大的威脅，一旦發生潰決，會造成大量的人口和經濟財產損失[2- 3]。當潰堤洪水發生在城鎮、鄉村等人口密集處時，除了采取必要的工程措施外，提前做好避險轉移同樣是當務之急。當下對于避洪轉移的研究，國內外有眾多學者致力其中。徐志遠[4]采用層次分析法建立指標模型，綜合考慮了因地制宜性、安置可行性、可持續發展性等因素對安慶市望江縣高士鎮進行了避難場所選址，并得到了最優避難方案。殷丹[5]基于GIS網絡分析技術，以渾河右岸某段堤防潰堤為例，實現了避洪轉移最短路徑的搜索，并繪制了路線圖。李德龍[6]以江西省重點防洪保護區蔣巷聯圩防洪保護區為例，基于ArcGIS空間分析法確定區內避洪轉移路線，繪制相應避洪轉移圖由于現有避洪轉移研究多數考慮最短路徑而忽略了不同等級的路徑的避難行進速度，因此本文在羅塘河潰堤洪水風險[7]的基礎上進行避洪轉移的深入研究，考慮不同等級道路的避難行進速度，以就近原則對羅塘河潰堤避洪轉移進行路線規劃，研究成果可為流域洪水災害的避險提供參考依據。

1 研究區概況

羅塘河位于江西省貴溪市信江中下游段，為信江的一條1級支流，出口與信江左岸交匯[8]，為信江河的迎沖面，河勢較猛，水流較復雜。圩堤石垅段至河道出口段右岸的下游地區，包括下游重文、雷溪、富港、張家橋等行政區域是信江流域的重點防護保護區。研究區內現有6個行政村14個村莊，面積8.70km2，居住人口6278人，房屋1609間，耕地9357畝，高程為32.5～40m。見表1。

2 研究數據與方法

2.1 數據來源

文中所用的最大淹沒水深、最大淹沒流速及洪峰前鋒到達時間來自基于潰堤洪水淹沒模擬結果[7]；人口密度、居住戶數密度、耕地面積密度數據來自經濟統計年鑒與走訪調查；交通線密度數據來自基礎地形數據。研究數據來源見表2。

2.2 基于GIS的避洪轉移最優路徑確定

避洪轉移方案研究的基本工作包括：危險區與轉移單元確定、資料收集和現場調查、避洪轉移方案制定、檢驗核實、避洪轉移圖繪制等內容。本文以羅塘河潰堤洪水風險分析的相關成果[7]為基礎，開展避洪轉移分析，其工作重點即為轉移路線的確定。轉移路線考慮時間最短，路徑最短等方面進行規劃，并采用GIS軟件中的網絡分析[9]功能，進行避險轉移路徑的分析，具體流程如下：

表1 羅塘河研究區人口、經濟概況

注：數據來源于江西省2010年人口普查資料和鷹潭市2015年統計年鑒以及走訪調查與測量數據。

表2 研究數據來源

(1)基礎數據處理。通過Google地圖在GIS操作界面對研究區域道路數字化。通過拓撲工具進行道路連通性檢查，對道路交叉路口等相交線進行打斷處理。對道路進行屬性編輯，賦予其道路名稱、道路等級、行駛速度等相關屬性以便最優路徑分析的后續工作。

(2)構建網絡分析數據集。基于道路要素數據，在ArcCatalog數據圖層構建網絡數據集，并對道路連通性、高程、屬性(距離、行駛速度、道路等級、行駛時間)、方向等進行設置。

(3)最優路徑[10]分析。基于已經構建的網絡數據集，通過添加停靠點來確定出發位置和終點位置，即為避洪轉移方案中的避險單元與安置點的位置。可通過設置路障來模洪水導致的道路中斷、橋梁以及道路危險段落。

3 結果分析

3.1 危險區及轉移單元的確定

對于防洪保護區，危險區原則上可分為現狀防洪標準危險區和最大量級洪水危險區，分別按照所有計算方案的淹沒外包范圍確定。對于蓄滯洪區和洪泛區，危險區一般根據洪水分析中的最大量級洪水淹沒范圍確定[11]。本次研究根據羅塘河防洪保護區10年一遇、20年一遇洪水模擬淹沒計算結果(主要包括：淹沒范圍、淹沒水深、洪水流速、洪水抵達時間、洪水淹沒歷時等)確定。根據已有結果，羅塘河研究區內洪水10年一遇危險區面積為0.19km2，占研究區總面積的2.18%，20年一遇危險區面積為0.221km2，占研究區總面積的2.54%，主要分布在地勢低洼的富港地區，如圖1所示，藍色部分為可能的最大淹沒范圍。

羅塘河潰堤10年一遇淹沒面積為1.44km2、20年一遇淹沒面積為1.94km2，根據《避險轉移圖編制技術要求(試行)》(全國重點區洪水風險編制技術規范)規定：“蓄滯洪區、洪泛區等區域的避險轉移單元不大于自然村；防洪保護區轉移單元不大于鄉鎮，如危險區面積小于1000km2，轉移單元不大于行政村”，故本文選擇行政村為避險區域內的避險單元，根據統計得到區內轉移人口涉及3個行政村，分別為雷溪村、重文村和富港村。研究區風險區劃及具體居民點、道路分布及洪水風險區劃如圖1所示。

3.2 轉移方式選擇及人口分析

避洪方式分為就地安置和轉移安置兩類：當滿足水深<1.0m、流速<0.5m/s，且具有可容納該區域人口的安全場所和設施的，采取就地安置方式；此外，不符合上述條件的可采取轉移安置方式，若研究區域洪水淹沒面積較大、洪水前鋒演進時間大于24h，則將洪水前鋒到達時間劃分為小于12h，12～24h和大于24h的三個時間區段進行轉移分區。因本次計算為小流域范圍洪水演進，潰堤后洪水演進速度較快，故結合實際流域及模擬成果按洪水前鋒到達時間小于0.5h，0.5～2h和大于2h進行轉移批次劃分，劃分依據圖2—3所示。

由圖2(a)可知，當遭遇10年一遇洪水時，研究區內最大淹沒水深大于1m的區域集中位于富港村，但此處相對人口較少，無集中建筑物，因此可能造成的額損失相對較小，其他區域最大淹沒水深大多小于1m，因此就最大水深而言，淹沒范圍均符合就地安置條件。而對于最大淹沒流速來說(如圖2(b))，最大流速大于0.5m的地區主要分布在華林(自然村)及蔣元樂家(自然村)至富港(自然村)之間的小部分區域，具有轉移安置的條件，其他地區滿足就地安置條件。圖2(c)為洪水前鋒到達時間分布圖，由圖可知重文以上至潰口附近的洪水前鋒到達時間小于2h，其區域內居民可作為第一批轉移對象；重文至下游富港村的洪水前鋒抵達時間在2～12h之間，其居民可作為第二批轉移對象；富港村附近至其下游淹沒范圍內的洪水前鋒抵達時間大于12h，相對危險程度較低，其區域內居民可作為第三批轉移對象。

圖1 羅塘河潰堤淹沒行政村范圍圖

圖2 10年一遇避洪轉移方式劃分標準圖

圖3 20年一遇避洪轉移方式劃分標準圖

由圖3(a)可知，當遭遇20年一遇洪水時，研究區內最大淹沒水深大于1m的區域集中位于富港村及其下游區域，但此處相對人口較少，無集中建筑物，因此可能造成的額損失相對較小，其他區域最大淹沒水深大多小于1m，因此就最大水深而言，淹沒范圍均符合就地安置條件。對于最大淹沒流速來說(如圖3(b))，最大流速大于0.5m的地區主要分布在華林(自然村)、重文(自然村)、蔣元樂家(自然村)至富港(自然村)之間及富港小部分區域，具有轉移安置的條件，其他地區滿足就地安置條件。圖3(c)為洪水前鋒到達時間分布圖，由圖可知重文以上至潰口附近的洪水前鋒到達時間小于2h，其區域內居民可作為第一批轉移對象；重文至汪家莊附近的洪水前鋒抵達時間在2～12h之間，其居民可作為第二批轉移對象；汪家莊附近至其下游淹沒范圍內的洪水前鋒抵達時間大于12h，相對危險程度較低，其區域內居民可作為第三批轉移對象。

結合以上分析，對于異地轉移避險單元，需要確定待轉移人數，從而保證災民轉移的高效性。借助Arcgis軟件中的空間疊加分析，將所確定的避險單元、居民人口數據以及洪水淹沒風險要素進行疊加，再此基礎上計算研究區域內收淹沒范圍面積占總面積的比重，結合羅塘河區域人均住房面積及不同淹沒程度，即可推算獲得避險區域各避險單元帶轉移人數及避洪轉移安置方批次。羅塘河10年一遇、20年一遇潰堤避洪轉移人口及批次統計分析見表3—4。

3.3 安置區劃定

安置區的選擇原則上應結合區域預案設置進行劃定，同時應保證處于免受洪水威脅且道路通暢。由于研究區域內尚未制定區域洪水預案，同時考慮避險期災民的基本生活保障，優選公共建筑物或露天公共場所作為安置區。安置區可容納人數一般按照建筑物內人均面積3m2，露天區域人均面積8m2進行估算。為快速轉移災區災民，按照就近原則確定轉移單元與安置區的對應關系，羅塘河潰堤洪水避難安置場所見表5，安置區可容納人口滿足避險轉移人口總數。

表3 羅塘河10年一遇潰堤避洪轉移人口及批次統計分析表

表4 羅塘河20年一遇潰堤避洪轉移人口及批次統計分析表

表5 羅塘河岸堤潰口洪水避難安置區劃定

3.4 轉移路線確定

避險單元與安置區的對應關系確定后可根據道路網絡數據情況來確定轉移路線。當道路網絡數據完備且具備道路通量信息時，按照時間最短原則確定轉移路線；當道路網絡數據完備但不具備道路通量信息時，通常按照最短路徑原則確定轉移路線。

本次研究區域涉及道路為雙向通行的縣道及鄉道，根據道路交通法規并結合當地道路通行狀況對區域道路進行分級處理：縣道為1級、鄉道為2級、較窄的入戶道路為3級，并分別制定50、40、30km/h的行車時速。通過ArcGis網絡分析功能進行最短路徑尋優提取，得到表6—7所示轉移路徑。

由表6可知，10年一遇潰堤避險確定轉移路線共4條，轉移批次3批，第一批轉移對象包括華林村受災群眾達66人以及重文村199人，以就近原則確定轉移地點為青坭崗小學和南山村空地。第二批轉移轉對象包括重文村受災群眾200人、蔣元樂家577人以及富港村458人，轉移地點分別為南山村空地及宋家小學。第三批轉移對象為富港村459人，轉移地點為南山村空地及宋家小學。4條轉移路線分別需行駛2.4、3.8、8.8、1.2km，耗時分別為4、6、13、2min。由此可見本次轉移時間相對較短，均小于最小洪水前鋒到達時間2h，因此可認為是較為有效的轉移路線。

由表7可知，20年一遇潰堤避險確定轉移路線共4條，轉移批次3批，第一批轉移對象包括華林村受災群眾達66人以及重文村399人，以就近原則確定轉移地點為青坭崗小學和南山村空地。第二批轉移轉對象包括蔣元樂家577人以及富港村458人，轉移地點分別為南山村空地及宋家小學。第三批轉移對象為富港村459人，轉移地點為南山村空地及宋家小學。4條轉移路線分別需行駛2.4、3.8、8.8、1.2km，耗時分別為4、6、13、2min。由此可見本次轉移時間相對較短，均小于最小洪水前鋒到達時間2h，因此可認為是較為有效的轉移路線。

圖4(a、b)為10年一遇、20年一遇所確定的避洪路線轉移圖，其中共包括四條避險轉移路線，玫紅色表示富港到宋家小學的最優路徑，藍色表示由蔣元樂家到宋家小學的最優路徑，紫色表示由重文村到南山空地的最優路徑，黃色表示由華林到青坭崗小學的最優路徑。其中10年一遇三次分別轉移人口265、1235、459人，20年一遇三次分別轉移人口465、1035、459人，相比10年一遇有來自重文村的200人需要提前轉移。

表6 10年一遇潰堤轉移路線信息表

表7 20年一遇潰堤轉移路線信息表

圖4 羅塘河潰堤避險路線轉移圖

4 結論

本文基于羅塘河潰堤風險區劃研究，收集研究區人口、住房、道路等資料，對研究區潰堤風險進行分析，并利用GIS網絡分析功能創建研究區避洪轉移網絡數據集，制定潰堤轉移路線方案，得到以下結論：

(1)羅塘河潰堤淹10年一遇淹沒面積為1.44km2、20年一遇淹沒面積為1.94km2，其中危險區淹沒面積分別為0.19、0.221km2，危險區面積小于1000km2，主要分布在地勢低洼的富港地區，分別占研究區總面積的2.18%、2.54%，同時以行政村作為避險區域內的避險單元。

(2)區域避洪轉移方式分為就地安置和轉移安置兩類，其中淹沒水深淹沒水深<1.0m、流速<0.5m/s采取就地安置，其中就地安置人口1604人，轉移安置人口1959人。根據洪水前鋒到達時間將避險單元內轉移人口分為三批次，其中10年一遇轉三批轉移人數分別為265、1235、459人，20年一遇三批轉移人數分別為465、1035、459人，涉及行政村包括雷溪村、重文村以及富港村。

(3)對研究區內可供安置的建筑物及露天場所進行劃分，得到3個安置區為宋家小學、南山村空地、青坭崗小學，面積分別為5955、5580、24278m2，可安置人數分別為1786、697、565人。安置區可容納人口滿足避險轉移人口總數。

(4)通過道路網絡分析得到4條可供轉移的路線，第一條將華林村需要轉移人口轉移至青坭崗小學，第二條將重文村需要轉移人口轉移至南山村空地，第三條將蔣元樂家需要轉移人口轉移至宋家小學，第四條將富港村需要轉移人口轉移至宋家小學。其轉移行駛里程分別為2.4、3.8、8.8、1.2km，單次轉移用時4、6、13、2min。