中小河流治理防洪控制标准评估方法研究

姚 迟，李守通

(1.水利部河湖保护中心，北京 100038;2.水利部建设管理与质量安全中心，北京 100038)

1 概述

目前，国内中小河流治理的防洪标准都基本按照国家《防洪标准》，即结合中小河流防洪保护区现状和经济社会发展需求，统筹考虑中小河流治理对大江大河的防洪影响，与流域区域防洪标准相协调。防洪标准的高低，与防洪保护对象的重要性、洪水灾害的严重性及其影响直接有关，并与国民经济的发展水平相关。总体来说，大多数经济发达国家在确定河流的防洪标准时，考虑了其防洪保护对象的类型、级别和重要性。城市的防洪标准一般为50—200年一遇，一些国家规定特别重要城市可达到500—1000年一遇防洪标准。肖义等建议我国把基于风险分析的设计洪水标准作为防洪标准规范的使用参考[1]。目前，研究较多、理论体系相对健全的防洪标准确定方法主要有经济分析方法、风险分析方法和综合评价模型法[2]。

罗超提出了中小河流治理时需要注意的问题[3]，刘玉龙、王永则针对不同的中小河流治理[4]，分析了中小河流治理工程项目的特点[5]，罗绍兴、李植俊对目前中小河流的现状、管理人员的工作及其中存在的不合理问题、管理方式等进行了分析，并提出了相应的对策[6-7]。渠性燕、程光明等对中国和国外的防洪工程和防洪标准的比较叙述[8],调研国内外中小河流的治理模式，对治理理念和治理方法进行总结，提出防洪标准应随经济社会发展水平而定，不同国家发展程度不同采用的防洪标准也不同[9]。王才君、吴海亮等认为各国由于国情和水情不尽相同，经济、文化以及洪灾特性等方面的差异也较大，防洪标准的规定以及设计洪水的计算方法等存在一定差别[10-11]。与国外中小河流治理防洪标准相关的情况可以看出，我国现状中小河流治理采用的防洪标准与国外相比偏低。即使是在经济发达的地区也存在防洪标准与城市发展不协调的情况，彭金华就将深圳市的河道治理过程和建设理念进行了总结与划分[12]。因此，本文在调研分析国外中小河流治理防洪标准的基础上，对我国中小河流治理防洪标准的制定提出新的评估方法。

2 中小河流治理防洪控制标准指标研究

2.1 基于多指标的综合判定法的评价指标选取和确定

基于洪水灾害系统理论，从中小河流所在的整个流域出发，综合考虑多项相关指标开展中小河流防洪治理控制标准研究。将描述中小河流的流域洪水致灾因子、承灾体、防灾力和附加指标等四方面不同类型不同量纲的统计指标，转化成为相对评价值，并综合这些评价值以得出洪水灾害风险的整体评价成果。图1为基于多指标的综合判定法对应的中小河流治理防洪标准指标体系，共16项指标，各指标的含义和确定方法如下。

图1 基于多指标综合判定法的中小河流治理防洪标准指标体系示意

1) 多年平均降雨量：指某中小河流的流域多年降雨量总和除以年数得到的均值。

2) 最大24 h降雨量：指某中小河流流域范围内站点实测的最大24 h降雨量。

3) 流域面积：指某中小河流的流域总面积。

4) 河道比降：指某中小河流上河源至河口断面河底的高程差与该两断面之间中心线的长度比值。

5) 流域人口密度：指某中小河流的流域内总人口与流域面积的比值。

6) 流域GDP密度：指某中小河流的流域内GDP与流域面积的比值。

7) 路网密度：指某中小河流的流域内路网总长与流域面积的比值。

8) 保护区占防洪区比例：指某中小河流现状防洪保护区面积占流域防洪区总面积的比例。

9) 防洪治理长度比例：指某中小河流堤防治理达到相关规划要求防洪标准的长度占现有及规划堤防总长度的比例。

10) 上游水库控制面积比例：指某中小河流上游水库控制的流域面积占该河流流域总面积的比例。

11) 防洪工程调度覆盖率：指某中小河流上已具有防洪调度方案或系统的水工程数量占根据规划需开展防洪调度的水工程数量的比例。

12) 洪水风险图编制覆盖率：指已编制洪水风险图的面积占需编制洪水风险图的防洪区面积的比例。

13) 合格洪水预报水平：指某中小河流符合相关技术规范的汛期洪水预报次数占所有预报次数的比例。

14) 洪水预警发布覆盖率：指某中小河流发布洪水预警的水文站点数量占其上所有水文站点总数的比例。

15) 河道行洪通畅率：指某中小河流行洪通畅的长度占该河流总长的比例。

16) 土地利用合规率：指某中小河流的河道管理范围内土地利用符合防洪法等相关规定的面积占河道管理范围土地总面积的比例。

2.2 基于洪水风险分析的定量评估法的评价指标选取和确定

自然灾害的直接经济损失占GDP比例是国际上用来衡量某个区域灾害风险和防御水平高低的常用综合指标，我国近10 a洪灾直接经济损失占当年GDP比例的平均值约为0.4%，而美国约为0.1%，日本约为0.3%，欧洲约为0.026%。本文选取中小河流的洪灾期望损失(主要考虑直接经济损失)占GDP比例作为基于洪水风险分析的定量评估法的评价指标，通过与我国平均水平和国际上处于不同发展阶段国家比较，确定中小河流防洪治理应选取的与经济社会发展水平相适应、与其所在大江大河流域干流防洪标准相协调的适宜控制标准。

3 中小河流治理防洪控制标准评估方法

3.1 基于多指标的综合判定法的评估方法

在确定评价指标体系的基础上，多指标综合评价的通用流程包括以下基本步骤：

① 分析评价对象；

② 确定各指标的实际取值；

③ 将指标实际值转化为指标评价指数值；

④ 确定每个指标在评价指标体系中的权重系数；

⑤ 将指标评价指数值合成，得到综合评价值。

综合指标计算方法采用下式：

(1)

式中：

Ri——各指标所对应的指数；

wi——指标的权重；

K——综合风险指数。

各指标的具体取值按照中小河流的实际情况填写，其所对应的指数阈值及权重根据专家经验判断确定，各指标的指数阈值划分和权重分配见表1和表2所示。

表1 中小河流治理防洪标准指标体系中各指标的实际取值与评价指数值之间的对应关系

表2 中小河流治理防洪标准指标体系的权重系数

各指标的评价指数值根据实际值与指数阈值之间的对应关系线性插值获得，在计算得到中小河流的综合风险指数K后，结合其对所在大江大河防洪的影响和干支流关系，确定最终的防洪控制标准，防洪标准与综合风险指数对应关系见表3。

表3 防洪控制标准与综合风险指数K的对应关系

3.2 基于洪水风险分析的定量评估法

基于洪水风险分析的防洪标准定量评估法是利用水文、水力学和洪灾损失评估技术，通过计算中小河流超标准洪水的期望经济损失占流域GDP比例，考虑国际数据和我国经济社会发展对风险的可接受程度和对美好生活安全保障的需求，选择确定适宜的防洪标准。具体方法如图2所示。

图2 基于洪水风险分析的防洪标准定量评估技术路线示意

4 典型中小河流治理工程防洪控制标准研究

4.1 流域基本概况

金陵河流域地处陕西省千陇黄土低山丘陵区，最大海拔高度为1 500 m左右，最小海拔高度为河流出口高程590 m左右。由于地形落差较大，其暴雨洪水易于汇集，灾害较频，水土流失亦较严重。金陵河属渭河左岸一级支流，发源于陇山山脉南部的陈仓区新街镇赵家山，全长为55.0 km，河道平均比降为7.4‰，总流域面积为427.1 km2。金陵河流域上游3条较大的一级支流为司川河、龙渠沟和窑沟，均分布于金陵河右岸。

金陵河流域重点河段由县功镇—金陵河入渭河口，涉及的行政区域包括金台区、陈仓区和渭滨区。本文采用2013—2015年全国重点地区洪水风险图编制项目中的金陵河重点河段(县功镇—金陵河入渭口)洪水风险图编制成果进行分析，金台区、陈仓区和渭滨区的评价指标采用2013年的统计数据。根据2013年金台区统计年报，2013年金台区生产总值(GDP)为275.73亿元。根据2013年陈仓区统计年报，2013年陈仓区全年地区生产总值(GDP)为162.91亿元。根据2013年渭滨区统计年报，2013年全区实现生产总值为435.25亿元。

4.2 基于多指标综合判定法的防洪标准分析

根据收集的金陵河流域相关指标数据，按照本文所述方法对其治理防洪控制标准的各项指标进行了赋值，各指标的具体取值见表4，根据指标取值与指数对应关系进行线性插值及权重系数赋值得到的指数评价值见表5。

表4 金陵河流域防洪治理控制标准的多指标取值

表5 金陵河流域治理防洪控制标准的多指标评价指数

经分析，金陵河流域在致灾因子、承灾体和防灾力3方面的综合指数分别为47.8、70.1和68.4，综合风险指数为61.3，风险等级为较高。所以，整个金陵河流域治理的防洪控制标准宜确定为20～50年一遇。

4.3 基于洪水风险定量评估法的防洪标准分析

根据2013—2015年全国重点地区洪水风险图编制项目中的金陵河重点河段(县功镇—金陵河入渭口)洪水风险图编制成果数据，分析确定了金陵河下游段发生各频率设计洪水下的洪灾损失(见表6)。表6中10年一遇防洪标准下的各重现期洪水经济损失直接采用风险图报告中的洪水漫溢损失评估结果，其他防洪标准下的损失根据洪量—淹没面积—损失之间的关系推算。10年、20年和50年一遇防洪标准下的洪灾期望损失分别为30.13万元、11.79万元和2.12万元，占GDP比例分别为1.05%、0.41%和0.07%(见表7)。根据本文所述，建议我国中小河流防洪治理应实现洪灾期望损失占GDP比例不高于0.4%的水平，针对本次分析的金陵河重点河段，建议将防洪标准提高为20～50年一遇，与采用多指标综合判定法分析的结论也是一致的。图3是金陵河重点河段不同频率洪水淹没范围示意。

表6 金陵河各量级洪水的经济损失和超标准洪水期望损失计算

图3 金陵河重点河段不同频率洪水淹没范围示意

表7 金陵河各防洪标准下洪灾期望经济损失占GDP的比例

5 结语

随着我国经济由高速增长转向高质量发展阶段，势必会对洪水防御系统的防洪标准提出更高要求，所以有必要借鉴国外经验研究适宜我国中小河流现状和未来的防洪控制标准。研究中小河流治理防洪控制标准，需要考虑中小河流自身洪水及灾害特点，利用中小河流河道洪水计算、保护区洪水演进和淹没区损失评估等技术方法，从流域整体出发，协调干支流、上下游、左右岸关系，构建融合洪水风险分析、损失评估和方案优选技术的中小河流防洪标准指标确定方法。遵循综合客观、简明易定量、现实可行的原则，本文提出了两种确定中小河流治理防洪控制标准的方法，即基于多指标的综合判定法和基于洪水风险分析的定量评估法。前者适用于资料条件不能完全满足洪水风险评估需求时的定性化判定，后者则是基于水文、水力学、经济损失评估等技术方法可以给出定量化的防洪标准确定结果。在实际应用过程中，当条件具备时，两种方法可以互为校验补充。文中的方法弥补了我国中小河流的洪水风险图编制成果有限、各地开展洪水风险分析和评估的资料条件和技术水平不一的不足，对于我国与防洪有关的规划、设计、施工和运行管理工作具有一定的指导意义。