杜 俊 邱 佩 熊 怡 江 聰

（1.長江水利委員會長江科學院，武漢 430010；2.水利部山洪地質(zhì)災害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010；3.中國地質(zhì)大學環(huán)境學院，武漢 430078）

0 引 言

洪水風險分析是相關(guān)風險區(qū)劃和防治區(qū)劃的基礎(chǔ)。根據(jù)國務院第一次全國自然災害綜合風險普查領(lǐng)導小組辦公室的統(tǒng)一部署，當前全國各級水行政主管部門正在有序推進轄區(qū)內(nèi)的洪水風險分析及相關(guān)區(qū)劃工作，依據(jù)的行業(yè)規(guī)范主要有《洪水風險區(qū)劃技術(shù)導則（試行）》《洪水風險區(qū)劃及防治區(qū)劃編制技術(shù)要求（試行）》和《洪水風險區(qū)劃及防治區(qū)劃編制補充技術(shù)要求（試行）》（以下簡稱要求），其中規(guī)范了洪水風險分析的一般流程，并針對山區(qū)河流提出了一系列可操作性較強的簡化計算方法。

然而在涉及大范圍平原河湖的地區(qū)，廣大基層特別是縣級部門在推進相關(guān)工作時，往往受困于缺乏系統(tǒng)的技術(shù)指導和資料支撐。盡管業(yè)界已有在平原河湖區(qū)應用水動力模型開展洪水風險分析的先例[1-3]，但針對的多是資料相對充裕的大尺度江河，與本次縣級部門承擔的很多地方性缺資料中小河流（河網(wǎng)）的情況有所差異。據(jù)此，本文擬結(jié)合湖北省漢川市汈汊湖流域的實際，探討缺資料平原河湖（河網(wǎng)）區(qū)洪水風險分析的一般思路和簡易方法，以期拋磚引玉，為今后開展相近工作提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)概況

汈汊湖流域位于江漢平原東北，地跨東經(jīng)113°37′—113°49′、北緯30°40′—30°43′，西接天門河、北抵漢北河、東南臨漢江，總承雨面積1 936 km2，其中漢川市境內(nèi)984 km2，涉及人口約66萬。流域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，雨量充沛、光照充足，年平均雨量達1 179 mm，地勢由西北向東南傾斜，總體平坦低洼，為典型的沖、湖積地貌。境內(nèi)主要為人工水系，由調(diào)蓄區(qū)、備蓄區(qū)和縱橫交錯的河渠組成，其中調(diào)蓄區(qū)和備蓄區(qū)由東、南、西、北四條干渠環(huán)繞，形成長方形封閉型湖泊（即汈汊湖），備蓄區(qū)位于調(diào)蓄區(qū)以東，面積分別為38 km2和48.7 km2。各級河渠均建有規(guī)模不等的土堤，其中環(huán)汈汊湖和城關(guān)老城區(qū)堤防的防洪標準在20年一遇及以上[4]。

1.2 數(shù)據(jù)資料

本文計算涉及的主要數(shù)據(jù)資料及來源如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)資料與來源

2 方法思路與分項計算

由于汈汊湖流域河網(wǎng)密集，河渠間普遍聯(lián)系，洪水風險主要來自排水不暢造成的內(nèi)澇淹沒，因此不宜針對每條具體河流開展分析。鑒于流域內(nèi)的主要干渠、漢江以及漢北河的堤防已將流域分割成若干個封閉的洼地區(qū)域，這里采用水文分區(qū)的思路，同時結(jié)合當?shù)氐呐艆^(qū)設置[6]，將整個流域劃分為24 個匯水單元（圖1、表2），通過計算上游來水，以及各匯水單元內(nèi)的產(chǎn)流與排水過程得到各個單元的峰值淹水體積，之后疊加數(shù)字高程模型（DEM）以獲取相應的洪水淹沒范圍、淹沒水深等風險要素特征。

圖1 漢川市汈汊湖流域水文分區(qū)及主要河渠

表2 漢川市汈汊湖流域匯水單元名錄及理論排水能力匯總

2.1 設計暴雨

基于收集的天門和漢川國家站逐日降水資料，通過空間插值得到區(qū)域面雨量數(shù)據(jù)。由于漢川市汛期洪水的持續(xù)時間普遍較長，個別年份甚至超過20 d，遂提取年最大1 d、3 d、7 d、15 d、30 d 最大面雨量序列，采用皮爾遜Ⅲ型曲線進行頻率分析，其中暴雨頻率分布參數(shù)估計使用矩法結(jié)合目估適線法完成（圖2），據(jù)此得到不同重現(xiàn)期設計暴雨成果（表3）。

圖2 漢川市不同時段最大降雨量頻率曲線

表3 漢川市不同重現(xiàn)期設計暴雨值mm

2.2 設計洪水

汈汊湖流域缺乏長序列實測徑流資料，這里采用設計暴雨法推求各匯水單元的設計洪水。2020年汛期洪水是漢川市近年來典型的大水事件，基于設計暴雨成果，采用同頻率組合，將收集的2020年6月7日至7月6日實測逐小時面降雨過程作為典型暴雨過程（圖3），對不同重現(xiàn)期條件下的設計暴雨進行同頻率放大，得到小時尺度的暴雨過程。

圖3 漢川市典型30 d逐小時降雨過程

江漢平原土質(zhì)黏重、汛期地下水位普遍偏高[7]，加之渠化河道一般水分交換性能較差，故不再考慮降雨的穩(wěn)滲以及地下徑流對河道的補給。據(jù)此采用初損法計算不同設計頻率的凈雨量。根據(jù)文獻[8-9]，湖北省的初損值為22.5 mm。所選典型30 d 降雨過程（圖3）可大致劃分為6 場相對獨立的降雨事件（事件間隔在48 h 以上），將放大后的每場降雨過程量分別扣除初損值即可得到相應的凈雨量（表4）。此外，考慮到各匯水單元面積總體偏小，這里忽略匯流時間，各時段洪水過程直接由相應時段的凈雨轉(zhuǎn)換得到。

表4 漢川市不同重現(xiàn)期年最大30 d降雨量對應的凈雨及徑流系數(shù)

除了漢川本地產(chǎn)流，上游天門河來水對整個流域的洪水過程也有影響，這里采用瞬時單位線法推求相應的設計洪水過程線。根據(jù)湖北省瞬時單位線參數(shù)地區(qū)綜合成果[8-9]，相關(guān)計算公式如下：

式中：F為匯水區(qū)面積，km2；L為洪水匯流的長度，km。

瞬時單位線的表達式如下：

考慮到天門河入漢川的凈潭斷面最大過流能力為400 m3/s，當上游來水大于該值后以最大過流能力進行泄流，直至蓄滯洪量全部排出。在此背景下，基于汈汊湖流域天門部分的匯水面積與匯流長度計算單位線，結(jié)合設計凈雨即可得到不同重現(xiàn)期下的洪水過程線（圖4）。

圖4 汈汊湖流域上游天門來水設計洪水過程線

2.3 典型不利情景與風險要素

由于資料收集的限制和流域水系連通的復雜性，須對典型不利情景進行必要的簡化和概化設計。這里不考慮外部水系（指漢江、漢北河，下同）的分洪，上游天門部分的產(chǎn)流全部經(jīng)凈潭斷面加載到漢川汈汊湖干渠，再由干渠排至外部水系。依據(jù)漢川市地方調(diào)度規(guī)程[6]，設定當流域發(fā)生10年一遇及以下洪水時，漢川各匯水單元可以通過水閘自排和泵站抽排向汈汊湖干渠和外部水系泄洪（表2）。而當流域洪水超過10年一遇時，假定外部水系亦發(fā)生超量洪水形成頂托，整個流域只能通過直排漢江、漢北河的一級泵站外排泄洪，尤以汈汊湖干渠上的漢川一站、二站和分水泵站為主。此時當干渠來水尚未達到最大排洪能力（358 m3/s）時，各匯水單元還可通過自排和二級泵站抽排向干渠排水，反之由于槽蓄的作用，允許汈汊湖干渠水位上漲至25.3 m（吳淞基面，下同）。當來水持續(xù)增加、干渠水位即將超限，將關(guān)閉除主城區(qū)以外的二級泵站以減輕干渠壓力，力保漢川主城區(qū)的防洪安全，同時啟用汈汊湖調(diào)蓄區(qū)。當來水進一步增加，干渠水位不能穩(wěn)定在25.8 m時，啟用備蓄區(qū)分洪。在此期間，各匯水單元的淹沒水位高于干渠水位時，即可通過閘門向汈汊湖干渠自排。

根據(jù)以上設定開展不同重現(xiàn)期下的情景計算，可得相應的淹沒水位、淹沒水深等風險要素成果，以及洪水風險度R（公式4），并依據(jù)“要求”的標準劃定風險等級。

式中：pi為某一洪水的淹沒頻率（如：10年一遇pi取0.1）；Hi為該計算單元對應pi的淹沒水深，dm。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 漢川市汈汊湖流域洪水風險格局

最大淹沒面積是衡量洪水風險的一個重要指標。在較高頻洪水情景下（5年一遇至10年一遇），汈汊湖流域大部分匯水單元的淹沒范圍較小，淹沒面積占比多控制在30%以下（表5），其中主城區(qū)及其附近的單元，如老城區(qū)3、老城區(qū)4、仙女區(qū)、新河東、城隍鎮(zhèn)、華嚴農(nóng)場的淹沒情況明顯好于其他單元，5年一遇的淹沒占比平均不超過10%，10年一遇的不超過20%。隨著洪水重現(xiàn)期的增加，洪量不斷加大，各單元的自排系統(tǒng)逐漸失效，整個流域主要仰賴汈汊湖干渠的抽排向外泄洪，淹沒面積占比呈顯著增加態(tài)勢。部分單位抽排能力較弱的單元（如新河鎮(zhèn)中、新河東、劉家隔西、韓集南、新堰北等）在極端洪水下的淹沒面積甚至超過了50%，各單元至200 年一遇洪水的淹沒面積普遍是5 年一遇洪水的2～3倍，少數(shù)地勢不利和主要依賴自排的單元（如汈東農(nóng)場、新河東）的差距甚至接近8倍。需要特別指出的是，這里的淹沒范圍是由各匯水單元在計算的最大淹沒水深條件下得到的“瞬時”淹沒狀態(tài)，不宜將其與考慮時滯（如3 d排完、5 d排完等）的排區(qū)排澇標準對應。此外，由于資料缺失，本例未考慮漢川老城區(qū)的自排能力，可能導致相應計算結(jié)果較實際范圍偏大。

表5 汈汊湖流域不同重現(xiàn)期各匯水單元最大淹沒面積占比 %

根據(jù)式（4）計算的洪水風險度R更偏向于對不同重現(xiàn)期下洪水淹沒水深的集總反映，其中高頻洪水下的淹沒水深，風險權(quán)重更高，但涉及范圍較小，低頻洪水的則相反。得益于相對完善的防洪設施、設備及調(diào)度機制，雖然地處有湖北省“水袋子”之稱的江漢平原腹地，漢川市汈汊湖流域的洪水風險度總體處于較低水平（表6），超80%的匯水單元的低風險區(qū)面積占比在70%以上，僅5個匯水單元的極高風險區(qū)面積比例在10%以上，且最高不超過14%。漢川主城區(qū)，包括老城區(qū)1—4、仙女區(qū)風險水平總體最低，低風險面積占比均在82%以上；新河北、劉家隔西、分水主渠西作為流域內(nèi)單位排水能力較為薄弱的單元，高風險及以上面積占比超過18.5%，為全區(qū)最高。

表6 各匯水單元不同洪水風險等級面積占比 %

3.2 結(jié)果的合理性分析

根據(jù)本例中設計洪水的計算結(jié)果，在遭遇50年一遇洪水的情景下，汈汊湖流域的總洪量約為10.3 億m3，干渠水位超25.8 m，啟用蓄滯洪區(qū)調(diào)控洪水，分洪量超過6 000萬m3。據(jù)統(tǒng)計，2020 年汈汊湖流域的年最大30 d 降雨量接近50 年一遇，其中7 月上旬由于流域大暴雨形成洪水，南干渠五房臺站洪峰水位達到25.85 m（圖5），并向汈汊湖蓄滯洪區(qū)分洪，累計分洪量約6 500 萬m3，漢川、分水泵站搶排漬水約8 億m3[10]。綜合洪量、水位和調(diào)度信息，認為2020 年事件的主要洪水指標與本次計算的結(jié)果基本吻合。

圖5 汈汊湖干渠典型情景計算水位與實測值比較

汈汊湖流域自身的洪水致災主要與地勢低洼引起的內(nèi)澇有關(guān)，因此局部地貌和單位面積排水能力很大程度上決定了各單元的洪水風險等級，本次風險分析結(jié)果較好地反映了這一特征（圖6）。與2018 年開展的“漢川市洪澇災害調(diào)查評價”項目相關(guān)成果[11]相比（圖7（b）），本次分析得到的洪水風險水平似乎偏低，這與本次縣級洪水風險分析工作主要針對地方性河流、較少考慮外洪威脅有關(guān)，加之汈汊湖本身也具有相當?shù)恼{(diào)蓄能力，因此認為本次風險計算結(jié)果總體合理。

圖6 各匯水單元平均風險度R 與地形起伏和單位抽排能力的關(guān)系

圖7 漢川市汈汊湖流域風險分級與漢川市易澇區(qū)分級

4 結(jié) 論

針對平原河湖區(qū)地方性中小河流資料不齊、水系復雜、低洼易澇、人工特征明顯等特點，本文基于水量平衡原理，采用水文分區(qū)的思路，對漢川市汈汊湖流域進行了洪水風險分析示例，其基本流程為：通過對長序列降水資料進行頻率分析得到設計暴雨成果，并據(jù)此推求設計洪水過程，再根據(jù)地方調(diào)度規(guī)程設定典型不利情景，即可由上游來水、各匯水單元內(nèi)的產(chǎn)流、儲蓄、抽排能力和地形數(shù)據(jù)，計算淹沒洪量，得到相應淹沒水深、淹沒歷時等風險要素信息，進而計算洪水風險度。

對于外洪威脅、潰堤等極端情況，該方案亦可通過調(diào)整情景設定，如匯水階段的來流疊加、排水階段的抽排限制，以及匯水單元面積調(diào)配等方式加以應對?？傮w上，該方案具有數(shù)據(jù)需求少、資料可獲得性高、方法成熟、計算便利等優(yōu)點，適宜以內(nèi)澇為主的缺資料平原河網(wǎng)地區(qū)應用。