珠湖蓄滞洪区溃堤洪水模拟及损失评估

吴海真，支欢乐，陈李蓉，蒋水华

（1.江西省水利投资集团有限公司，江西 南昌，330029；2.南昌大学建筑工程学院，江西 南昌，330031）

0 引言

蓄滞洪区作为大江大河洪水时的分滞洪区域是江河防洪体系中重要的组成部分，更是防洪调度的重要手段和有效措施。在我国洪水灾害频发的情况下，蓄滞洪区遭受洪水淹没频率较高，因此准确合理的蓄滞洪区洪水演进过程模拟可以为防洪调度的科学决策提供理论支撑，同时对蓄滞洪区安全建设、避险转移和洪水保险服务等具有重要的指导意义[1]。

鉴于溃堤洪水演进过程的复杂性、有限的试验数据及现场资料，常规的室内模型试验难以得到准确的溃堤洪水演进过程，主要是由于溃口流量、水位、流速等水文要素难以测量。即使采用国际较先进的技术也只能跟踪测量水位的变化过程，关于非恒定流的测量研究远远不够。相比之下，采用数值模拟技术进行堤防溃决洪水演进模拟，不仅可以获得通过不同断面的流量与水位过程、溃口形状发展过程以及洪水宣泄至下游的水位、流量及流速过程，还可以统计出淹没范围，进而为堤坝失事风险评价奠定基础。本文以鄱阳湖区珠湖蓄滞洪区为典型案例，建立洪水演进数值模型，对蓄滞洪区溃堤洪水演进过程进行模拟，并基于洪水淹没信息估算溃堤洪水可能给蓄滞洪区造成的生命、经济和生态环境损失。

1 工程背景

珠湖蓄滞洪区西北部以珠湖联圩与鄱阳湖分隔，北至珠湖镇，西接饶河出口，东邻四十里街，南至团林，地理坐标为东经 116°36′13"～116°46′47"、北纬 29°03′17"～29°12′37"之间。全区集雨面积为 256km2，其中蓄洪面积为128.52km2（该蓄洪面积对应的水位为20.83m）。其环湖丘陵高程一般在30～40m，最高的双港镇境内笔架山达189.1m。现区内共涉及双港镇、团林乡、四十里街镇、高家岭镇、珠湖乡和白沙洲乡等6个乡镇和62个行政村，居住人口100 249人，耕地面积5 537hm2，专业养殖类包括家畜类1.55万头、家禽类14.26万只、渔业类面积1 413hm2，居民住房9.60万间，房屋面积3.77×106m2，还有农业生产机械9 575台，家庭主要需求消费品50 937台，珠湖蓄滞洪区为鄱阳湖区四大分洪区之一，承担长江超额洪水5.64亿m3的分洪任务[2，3]。珠湖蓄滞洪区地理数据和行政区划数据分别在1：10000和 1：50000 的比例尺上采集，其中 1：10000的珠湖蓄滞洪区数字高程模型如图1所示。

图1 珠湖蓄滞洪区数字高程模型图（1：10000）

珠湖联圩起自车门村，经白沙河、罗潭、过店前、聂家、利池，终至尧山村。在竹湖堤k14+100～k14+600处预留一个分洪口，如图2所示。珠湖联圩的起点（即k0+000）是车门村，在分洪口门两端布置了深层水泥搅拌桩以防止口门无限制扩大。根据国家防汛抗旱指挥部《关于长江洪水调度方案的批复》[4]的要求，当鄱阳湖湖口水位达到20.61m，并预报将持续上涨且将危及到长江重点堤防安全时，由长江防汛抗旱总指挥部会商江西省人民政府决定运用珠湖蓄滞洪区进行分洪，采用人工爆破的方式将预留分洪口扒开。受到洪水冲刷作用，溃口将迅速扩大。图3为最终的溃口几何形状，顶部宽度为180.00m，底部宽度为150.00m，底部高程为15.06m[4]。

图2 珠湖蓄滞洪区特征点和溃口位置图

图3 珠湖最终溃口的几何形状（单位：m）

2 洪水演进过程模拟

考虑珠湖蓄滞洪区实际地形条件，采用MIKE 21 FM模型模拟溃堤洪水在蓄滞洪区内的演进过程，并在双港镇、团林乡、四十里街镇、高家岭镇、珠湖乡和白沙洲乡内共设置了24个特征点，如图2所示。图4给出了4个典型分洪时段的水深分布。可见，洪水在决堤后1h内到达白沙洲乡，白沙洲乡地区由于地处溃坝口附近，最大流速超过0.7m/s，受洪水冲刷影响较大。6h内洪水逼至双港镇、团林乡和珠湖乡，12h内洪水继续向四十里街镇挺进，18h后洪水淹没高家岭镇一小部分。整个分洪过程结束后，高家岭镇遭受溃堤洪水的影响相对较小，这是由于高家岭镇东北地区地势相对较高，并且距离溃口较远。由图4（d）可知，在分洪结束时珠湖蓄滞洪区的平均水深为8.8m，白沙洲乡水深达9.6m。表明白沙洲乡遭受洪水的影响严重，需要尽快疏散和转移该片区的人员和居民物资。

图4 不同分洪时段的淹没水深分布图

3 洪水淹没信息统计

经洪水演进模拟可知，在珠湖联圩溃决前，蓄滞洪区内初始水位为15.06m，水面面积约为75.02km2；分洪结束时，蓄滞洪区内总水量为5.63亿m3，水面面积达130.78km2，增幅显著。表1统计了6个行政区域24个特征点的相关洪水淹没信息。由表1可知，白沙洲乡地区较早受到洪水影响，溃堤15min后洪水就进入白沙洲乡的徐家村和塘里村。最大水深和峰值流速都出现在塘里村，分别为3.92m和0.697m/s，峰现时间为10.53h。白沙洲乡片区4个特征点的淹没水深和流速过程线见图5。

图5 白沙洲片区4个特征点的淹没水深和流速过程线

表1 特征点洪水淹没信息统计表

4 溃堤洪水损失评估

4.1 溃堤后损失评估方法

基于洪水淹没范围、淹没水深及流速等重要淹没信息，可以快速估算溃堤洪水可能给蓄滞洪区造成的生命、经济和生态环境损失。关于生命损失，根据人口聚居特点结合行政区划将淹没区划分为若干子区域，利用风险人群积分算法得到实用的生命损失LOL计算公式[5]为

式中：PARij为第i个区域中第j组风险人口数量，i=1，2，···，a，j=1，2，···，c，其中 a 为风险区域总数，c为风险人口的分组数目；IRij为第i个区域中第j组风险人群的个体生命损失率，计算公式[5]为

式中：Pi为堤防溃决概率；fi为发生第i等级的洪水个体死亡率；l为洪水等级数。其次，经济损失主要包括堤防破坏、下游淹没区城镇损害、工程收益损失等。根据损失特征，采用损失率方法得到直接经济损失S计算公式[5]为

式中：Si为第 i类财产损失；βijk、Wijk分别为第 i类第j种财产在第k种淹没程度下的损失率和财产价值；e为财产分类数量；h为第i类财产分类数量；l为淹没水深等级。另外，间接经济损失一般取直接经济损失的0.63倍[6，7]。最后，采取条件价值评估方法估算溃堤洪水造成的生态环境损失，即通过问卷调查方式来调查风险区内人口愿意为改善该环境功能的支付意愿，或者是放弃该环境功能的补偿意愿，以此揭示环境对于被调查者的价值，也就是该区域环境资源的经济价值，其中平均支付意愿E（元/年/人）和环境损失量F的计算公式[5]分别为

式中：Ai为每人愿意支付的金额；Di为个体选择该金额的概率；u金额的具体数量；N为年限；f为人口数量。

4.2 洪水损失评估

图6（a）和（b）分别给出了采用风险人群积分算法计算的洪水预警时间WT小于和大于0.75h洪水造成的损失人口数随分洪历时的变化关系曲线；图6（c）给出了采用损失率方法计算的直接经济损失随分洪历时的变化关系曲线；图6（d）给出了采取条件价值评估方法计算的生态环境损失随分洪历时的变化关系曲线。由图可知，预警时间对生命损失有重要的影响，预警时间越短，生命损失越大。如果堤防服役寿命拟定为20年，那么珠湖联圩溃决洪水造成的生态环境损失将为4.359亿元。溃堤洪水造成的总损失等于生命、经济和生态环境损失之和。珠湖蓄滞洪区停止进洪之后，溃堤洪水造成的经济和生态环境损失高达10.69亿元。因此，必须及时制定洪水预警和应急措施与决策，及时采取有效的工程或非工程的抗洪抢险和救援措施，减少分洪给蓄滞洪区内造成的生命、经济和生态环境损失以及溃堤洪水引起的潜在洪水风险及次生灾害。

图6 溃堤洪水造成的生命、经济和生态环境损失随分洪时间的变化关系曲线

为了促进本研究成果在蓄滞洪区洪水预警中的应用，还需要开展以下工作：（1）开发基于MIKE 21的软件平台，该平台被视为“黑匣子”，工程师和堤防管理人员即可快速熟练运用“黑匣子”高效便捷地进行洪水演进路径模拟，通过导入基本的地形数据和输入相关的洪水数据和模型参数，快速获得洪水淹没信息；（2）加强与政府部门的合作，以便及时向政府部门提供潜在的洪水淹没信息和可能造成的洪灾后果（包括生命、经济和生态环境损失）。

5 结语

本文依托鄱阳湖区珠湖蓄滞洪区建立了洪水演进数值模型，进行了蓄滞洪区溃堤洪水演进过程模拟，获得了历史最高洪水位下蓄滞洪区淹没范围、淹没水深及流速等重要淹没信息，同时基于洪水淹没信息有效估算了溃堤洪水给蓄滞洪区可能造成的生命、经济和生态环境损失。研究结果可为溃堤洪水灾害风险评估、蓄滞洪区内灾害等级划分、人员和物资撤离及迁移方案制定等提供重要的理论依据。

蔡勇副厅长调研指导农村水利水电工作

2021年5月28日上午，蔡勇副厅长到江西省水利技术中心专题调研指导农村水利水电工作。

蔡勇听取了江西省水利技术中心关于全省涝区治理、小水电清理整改巩固提升、生态流量监控、绿色小水电创建和度汛安全调度等工作情况的汇报，充分肯定了省水利技术中心在农村水利水电工作上取得的成效，同时也指出了当前工作中需要引起重视和亟待解决的问题，客观分析了存在的困难与破解的思路，强调要切实深入推进各项工作高质量发展。

一要牢牢扭住项目建设“牛鼻子”，推进农村水利水电项目补短板、提标准落地见效。要严格落实“项目大会战”要求，执行清单式管理，准确掌握每个项目前期工作、资金筹措、施工进展等各项工作进展情况，适时开展审计、稽察等工作，确保资金安全、工程安全、生产安全和干部安全。同时，推进涝区治理项目验收进度，加紧项目验收资料整理和档案验收等基础性工作。二要牢牢守住农村水利水电工程安全度汛底线，积极推进安全生产责任制落地见效。当前防汛Ⅳ级应急响应已启动，应重点加密对病险水电站的控制运行和水雨情调度，确保度汛安全。三要牢牢抓住“我为群众办实事”实践活动，推进党史学习教育落地见效。要结合农村水利水电工作实际，赓续红色血脉，发扬革命斗争精神，切实抓好督察整改等各项工作，让人民群众有更多更直接的获得感、幸福感、安全感。

（http://slt.jiangxi.gov.cn/art/2021/6/3/art_27165_3386146.html，2021-06-03，江西省水利技术中心 邵嵩）