基于綜合風險度方法的大余縣重點防洪區洪水風險區劃研究

李德龍，許小華，丁志雄，李亞琳，謝信東，李 偉

（1.江西省水利科學院智慧水利研究所，江西南昌 330029；2.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；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038；4.南昌大學，江西南昌 330031）

0 研究背景

江西省大余縣城區處于大余盆地的低洼地帶，地勢周邊高中間低，章江油羅口水庫以下為大余縣核心區域，人口密集，該區域總人口數占大余縣總人口的80%以上，極易受江河洪水的侵襲，容易造成較大的洪澇災害損失。因此，開展大余縣城下游重點防洪區洪水風險區劃對于指導該區域防洪減災非工程措施建設，最大限度降低人員傷亡和經濟財產損失，保障社會經濟可持續發展具有重要的實際意義。

近年來，洪水風險區劃的理論和方法逐漸完善，大量學者如梁寶榮［1］、那日蘇等［2］、楊麗萍等［3］、朱靜儒［4］、陳湛峰［5］、王秀杰［6］等分別針對中小河流、蓄滯洪區、縣（市）區、入?？诘葏^域開展了洪水風險區劃研究，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、模糊綜合評價法、洪水風險因子法、綜合風險度法等對防洪保護區進行了洪水風險區劃研究。隨著水利現代化的快速發展，綜合風險度法已成為目前洪水風險區劃研究的熱點方法。

基于此，本文以大余縣油羅口下游重點防洪區域為研究對象，在構建區域二維水動力模型基礎上，提取最大淹沒水深、最大流速、最大淹沒歷時為洪水風險要素指標，利用綜合風險度方法，探討研究大余縣重點防洪區洪水風險區劃。

1 區域概況

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）周圍大部分地區為第四系沖洪積物覆蓋，下伏基巖為變質砂巖和花崗巖。由于河面緩慢上升，河流下切，形成多級河流階地，大余縣城區地面標高一般在175～185 m 之間?？h城區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，城區河道長約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。城區處于大余盆地的低洼地帶，地勢周邊高中間低，章江油羅口水庫以下為大余縣核心區域，人口密集。

選取章江油羅口水庫以下及浮江鄉駐地以下，至大余縣界約60 km 長的狹長地帶，面積約215.54 km2的區域（大余縣境內）作為大余縣重點防洪區域的洪水風險圖編制范圍：起始范圍為油羅口水庫壩址下游區域，以該區域歷史發生的最大洪水淹沒范圍為依據，結合章江河河流流向，以河流為中心，向兩岸居民區域輻射至高山區域止，設定為兩邊邊界，終止范圍為下游窯下壩水文站。涉及浮江鄉、南安鎮、黃龍鎮、青龍鎮、池江鎮、新城鎮等6個鄉鎮。具體范圍見圖1所示。

圖1 大余縣重點防洪區域Fig.1 Location of key flood control area in Dayu County

2 洪水風險分析原理與區劃方法

2.1 洪水風險分析原理

目前，進行洪水風險分析常采用的方法有：水文學法、水力學法和實際水災法。本文采用的是水力學法，是通過數學模型，求解連續方程和運動方程，利用差分的方法計算出各運動時刻的流速、流向和水深。采用的是中國水利水電科學研究院自主研發的洪水分析軟件，基于上述二維水動力學模型并在GIS 平臺開發，具有基礎工程和地圖處理、數據前處理、洪水分析和計算結果后處理等功能，能綜合考慮不同類型區域的地形地貌空間分布及各種防洪排澇工程措施的影響，對潰漫堤洪水泛濫演進和淹沒分布情況進行模擬分析。

模型對平面水流按二維非恒定流進行模擬，模型將有限體積法與有限差分法的優點相結合，采用六邊形網格不規則網格對研究區域進行離散，在網格形心處計算水深，在網格周邊通道上計算流量。

（1）二維水力學模型的基本方程如下：

連續方程：

動量方程：

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；g為重力加速度；t為時刻；q為源匯項。

（2）方程的離散。水深由連續方程對任一網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為網格面積；AXY為網格的面積修正率；DT為時間步長的1∕2。

通道的單寬流量由動量方程的顯示式離散化格式計算，根據不同的通道類型，分別采取不同離散格式。

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

式中：Zj1、Zj2分別為通道兩側網格的水位；DCj1、DCj2分別為通道兩側網格形心到通道中點的距離；DLj為空間步長，等于DCj1、DCj2之和；Hj為通道上的平均水深，由下式計算：

阻水型通道：對于有阻水作用的堤防、道路等，在模型中作為阻水通道，采用堰流公式計算過流量，公式如下：

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

2.2 綜合風險度法

計算單元的“綜合風險度（R）”值，按以下公式計算：

式中：pi為某一洪水淹沒頻率（如：10年一遇時，pi取0.1）；Hi為該計算單元對應pi的“當量水深H”值。計算時，H的單位選取分米，dm。

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

其中洪水風險指標（H）表征計算單元在某一量級洪水頻率下的風險程度大小，指標選取應以能全面反映洪水淹沒特征為要素，因此指標計算以“最大淹沒水深”為主要因子，綜合考慮“最大流速”、“最大淹沒歷時”風險要素的影響，公式如下：

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

3 洪水風險因素分布

為研究大余縣縣城下游重點防洪區洪水風險因素分布特征，需對油羅口水庫下游和浮江鄉駐地以下且流經縣城的低洼區域構建二維模型。

（1）建模范圍。模型范圍為章江上游從油羅口水庫以下，浮江河從浮江鄉駐地以下，兩側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），內部溝渠采用加密二維網格的方式進行處理。采用的是1∶10 000 的DLG（Digital Line Graphic）和DEM（Digital Elevation Model）基礎地理信息資料，共計41幅圖幅。

圖2 建模范圍Fig.2 The range of the model

（2）網格剖分。以道路、堤防、河流等作為內部約束，針對灘地較大的河流，將主河槽和灘地分開剖分網格（如圖4），網格最大面積控制在0.02 km2以內，共剖分了17 997 個六邊形規則網格，其中，將較寬的河道作為河道型網格處理，共計3 789 個。網格的邊（通道）可以沿著阻水建筑物（堤防、道路）、導水建筑（河渠）走，地形概化接近實際。本次網格共有通道96 105 條，其中，重要的堤防和道路設置為阻水型通道，共有7 192 條。

（3）洪水來源。大余縣重點防洪區域除受油羅口水庫出流影響外，章江另一條主要支流浮江也是主要的洪水來源，浮江上游匯水區面積約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。這些小的支流也構成了大余縣重點防洪區域的區間洪水來源，洪水來源概化圖如圖4所示。

圖3 模型網格分布Fig.3 Grid distribution of the Model

圖4 主要洪水來源概化Fig.4 Generalization of main flood sources

（4）糙率分區。計算區內糙率利用收集的土地利用類型圖層與網格圖層疊加，按照河流、居民地、樹叢、旱田、水田、空地等不同類型，賦予網格相應的糙率初值。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施方案）。

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

（5）模型率定驗證。用2002年的實測洪水進行模型的參數率定、用2009 年的實測洪水進行模型驗證，并對比洪痕點的水位，模型率定驗證的結果見表2 所示。由表可見模型率定驗證的水位誤差絕對值均不超過0.1 m，率定驗證結果符合洪水風險分析的《洪水風險圖編制技術細則》精度要求。

表2 率定驗證計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—流量關系，模型的邊界條件示意圖如圖5 所示。油羅口水庫各設計頻率洪水的入流過程（見圖6，以1966 年為典型年，各頻率設計洪水過程數據源于《油羅口水庫除險加固工程初步設計報告》）。

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

油羅口水庫的設計洪水標準為100 年一遇，大余縣重點防洪區域縣城堤防設計標準是20 年一遇，其他區域為10 年一遇，因此考慮洪水計算的量級20年一遇、50年一遇、100年一遇3個洪水量級。根據歷史洪水降雨分布情況，在考慮洪水來源組合遭遇時，按《洪水風險圖編制技術細則》，其他支流的洪水頻率組合可按主要洪水來源低一個等級的洪水量級考慮，如油羅口水庫考慮50 年一遇洪水時，其他支流的洪水按20 年一遇考慮。根據油羅口水庫各頻率設計洪水過程（圖6），按匯流面積比的2∕3 次方確定的其他支流各頻率設計洪水過程如圖7～9 所示。模型下游出流邊界為窯下壩水文站水位流量關系曲線。詳見圖10。

圖6 油羅口壩址設計洪水過程Fig.6 Design flood process of Youluokou dam site

圖7 其他相關各支流10年一遇洪水過程Fig.7 Other related tributaries in a 10-year flood process

圖8 其他相關各支流20年一遇洪水過程Fig.8 Other related tributaries in a 20-year flood process

圖9 其他相關各支流50年一遇洪水過程Fig.9 Other related tributaries in a 50-year flood process

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

（7）風險分析結果。通過計算分析，提取研究區內各計算單元的風險要素指標（見圖11），包括最大淹沒水深、最大淹沒歷時、最大洪水流速。并統計分析了最大淹沒面積、最大淹沒水深見表3。

表3 洪水計算方案分析統計指標Tab.3 Statistical indexes of flood calculation scheme analysis

圖11 洪水風險要素指標Fig.11 Index of flood risk factors

統計各方案潰口進洪量、出流量以及區內淹沒水量，判斷分析入流量減去出流量，與區內淹沒總水量的差值是否在10-5億m3之內（洪水風險圖編制導則SL 483-2017），差值在10-5億m3之內則水量平衡達到要求。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，本次構建的模型獲得洪水風險要素結果較為合理，能準確地反映重點防洪區的淹沒特征及不同設計頻率下洪水風險程度的差異性，模型精度和可靠性較高，可為風險區劃提供可靠的數據支持。

4 風險區劃結果分析

本研究構建了河道和保護區整體二維水動力模型，模擬可能的淹沒范圍、水深等特征要素。通過模擬計算，統計分析了上述3 種方案的“最大淹沒水深”、“最大行進流速”、“最大淹沒歷時”等風險要素。

以“最大淹沒水深”為主要影響因子，綜合考慮“最大洪水流速”、“最大淹沒歷時”風險要素的影響，根據綜合風險度法區劃等級劃定大余縣重點防洪保護區洪水風險等級（見圖11）。風險等級劃分參考《洪水風險區劃技術導則（試行）》（SL 483-2019）［11］，共分為低風險、中風險、高風險、極高風險4 個級別。R<0.15 為“低風險”，0.15≤R<0.5 為“中風險”，0.5≤R<1 為“高風險”，R≥1 為“極高風險”?；撅L險度矩陣表見表5 所示，其中綠色區域數值表示“低風險”，黃色區域數值代表“中風險”，深黃色區域數值代表“高風險”，紅色區域數值代表“極高風險”。

表5 基本風險度矩陣表Tab.5 Basic risk degree matrix table

圖12 洪水風險區劃結果Fig.12 Flood risk zoning results

經計算分析可知，大余縣主城區有較大范圍淹沒，淹沒面積達68.91 km2，大部分在章江右岸，小部分在章江左岸，而浮江鄉、黃龍鎮、青龍鎮、池江鎮、新城鎮等鄉鎮有較大淹沒范圍，其中低風險區、中風險區、高風險區、極高風險區分別占比17%、12%、18%、53%。

5 結論

以江西省大余縣油羅口下游重點防洪區 為例，針對該區域極易受洪水災害影響的問題，利用綜合風險度法進行了洪水風險區劃分析。結論如下：①大余縣重點防洪區的浮江鄉、黃龍鎮、青龍鎮、池江鎮、新城鎮等鄉鎮受洪水影響較為嚴重，淹沒面積達68.91 km2，極高風險區劃區域占超過總范圍一半以上；②構建的模型獲得淹沒水深、淹沒流速、淹沒歷時等洪水風險要素結果較為合理，能準確地反映重點防洪區的淹沒特征及不同設計頻率下洪水風險程度的差異性；③基于綜合風險度方法的大余縣重點防洪區洪水風險區劃結果合理，能為大余縣防災減災提供決策依據，對推動大余縣的防災減災非工程措施建設和國土空間規劃具有重要實際意義。