缺资料平原河湖区洪水风险分析——以湖北汉川市汈汊湖流域为例

杜 俊 邱 佩 熊 怡 江 聪

（1.长江水利委员会长江科学院，武汉 430010；2.水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心，武汉 430010；3.中国地质大学环境学院，武汉 430078）

0 引 言

洪水风险分析是相关风险区划和防治区划的基础。根据国务院第一次全国自然灾害综合风险普查领导小组办公室的统一部署，当前全国各级水行政主管部门正在有序推进辖区内的洪水风险分析及相关区划工作，依据的行业规范主要有《洪水风险区划技术导则（试行）》《洪水风险区划及防治区划编制技术要求（试行）》和《洪水风险区划及防治区划编制补充技术要求（试行）》（以下简称要求），其中规范了洪水风险分析的一般流程，并针对山区河流提出了一系列可操作性较强的简化计算方法。

然而在涉及大范围平原河湖的地区，广大基层特别是县级部门在推进相关工作时，往往受困于缺乏系统的技术指导和资料支撑。尽管业界已有在平原河湖区应用水动力模型开展洪水风险分析的先例[1-3]，但针对的多是资料相对充裕的大尺度江河，与本次县级部门承担的很多地方性缺资料中小河流（河网）的情况有所差异。据此，本文拟结合湖北省汉川市汈汊湖流域的实际，探讨缺资料平原河湖（河网）区洪水风险分析的一般思路和简易方法，以期抛砖引玉，为今后开展相近工作提供参考。

1 研究区概况与数据资料

1.1 研究区概况

汈汊湖流域位于江汉平原东北，地跨东经113°37′—113°49′、北纬30°40′—30°43′，西接天门河、北抵汉北河、东南临汉江，总承雨面积1 936 km2，其中汉川市境内984 km2，涉及人口约66万。流域属亚热带季风气候，雨量充沛、光照充足，年平均雨量达1 179 mm，地势由西北向东南倾斜，总体平坦低洼，为典型的冲、湖积地貌。境内主要为人工水系，由调蓄区、备蓄区和纵横交错的河渠组成，其中调蓄区和备蓄区由东、南、西、北四条干渠环绕，形成长方形封闭型湖泊（即汈汊湖），备蓄区位于调蓄区以东，面积分别为38 km2和48.7 km2。各级河渠均建有规模不等的土堤，其中环汈汊湖和城关老城区堤防的防洪标准在20年一遇及以上[4]。

1.2 数据资料

本文计算涉及的主要数据资料及来源如表1所示。

表1 数据资料与来源

2 方法思路与分项计算

由于汈汊湖流域河网密集，河渠间普遍联系，洪水风险主要来自排水不畅造成的内涝淹没，因此不宜针对每条具体河流开展分析。鉴于流域内的主要干渠、汉江以及汉北河的堤防已将流域分割成若干个封闭的洼地区域，这里采用水文分区的思路，同时结合当地的排区设置[6]，将整个流域划分为24 个汇水单元（图1、表2），通过计算上游来水，以及各汇水单元内的产流与排水过程得到各个单元的峰值淹水体积，之后叠加数字高程模型（DEM）以获取相应的洪水淹没范围、淹没水深等风险要素特征。

图1 汉川市汈汊湖流域水文分区及主要河渠

表2 汉川市汈汊湖流域汇水单元名录及理论排水能力汇总

2.1 设计暴雨

基于收集的天门和汉川国家站逐日降水资料，通过空间插值得到区域面雨量数据。由于汉川市汛期洪水的持续时间普遍较长，个别年份甚至超过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，采用皮尔逊Ⅲ型曲线进行频率分析，其中暴雨频率分布参数估计使用矩法结合目估适线法完成（图2），据此得到不同重现期设计暴雨成果（表3）。

图2 汉川市不同时段最大降雨量频率曲线

表3 汉川市不同重现期设计暴雨值mm

2.2 设计洪水

汈汊湖流域缺乏长序列实测径流资料，这里采用设计暴雨法推求各汇水单元的设计洪水。2020年汛期洪水是汉川市近年来典型的大水事件，基于设计暴雨成果，采用同频率组合，将收集的2020年6月7日至7月6日实测逐小时面降雨过程作为典型暴雨过程（图3），对不同重现期条件下的设计暴雨进行同频率放大，得到小时尺度的暴雨过程。

图3 汉川市典型30 d逐小时降雨过程

江汉平原土质黏重、汛期地下水位普遍偏高[7]，加之渠化河道一般水分交换性能较差，故不再考虑降雨的稳渗以及地下径流对河道的补给。据此采用初损法计算不同设计频率的净雨量。根据文献[8-9]，湖北省的初损值为22.5 mm。所选典型30 d 降雨过程（图3）可大致划分为6 场相对独立的降雨事件（事件间隔在48 h 以上），将放大后的每场降雨过程量分别扣除初损值即可得到相应的净雨量（表4）。此外，考虑到各汇水单元面积总体偏小，这里忽略汇流时间，各时段洪水过程直接由相应时段的净雨转换得到。

表4 汉川市不同重现期年最大30 d降雨量对应的净雨及径流系数

除了汉川本地产流，上游天门河来水对整个流域的洪水过程也有影响，这里采用瞬时单位线法推求相应的设计洪水过程线。根据湖北省瞬时单位线参数地区综合成果[8-9]，相关计算公式如下：

式中：F为汇水区面积，km2；L为洪水汇流的长度，km。

瞬时单位线的表达式如下：

考虑到天门河入汉川的净潭断面最大过流能力为400 m3/s，当上游来水大于该值后以最大过流能力进行泄流，直至蓄滞洪量全部排出。在此背景下，基于汈汊湖流域天门部分的汇水面积与汇流长度计算单位线，结合设计净雨即可得到不同重现期下的洪水过程线（图4）。

图4 汈汊湖流域上游天门来水设计洪水过程线

2.3 典型不利情景与风险要素

由于资料收集的限制和流域水系连通的复杂性，须对典型不利情景进行必要的简化和概化设计。这里不考虑外部水系（指汉江、汉北河，下同）的分洪，上游天门部分的产流全部经净潭断面加载到汉川汈汊湖干渠，再由干渠排至外部水系。依据汉川市地方调度规程[6]，设定当流域发生10年一遇及以下洪水时，汉川各汇水单元可以通过水闸自排和泵站抽排向汈汊湖干渠和外部水系泄洪（表2）。而当流域洪水超过10年一遇时，假定外部水系亦发生超量洪水形成顶托，整个流域只能通过直排汉江、汉北河的一级泵站外排泄洪，尤以汈汊湖干渠上的汉川一站、二站和分水泵站为主。此时当干渠来水尚未达到最大排洪能力（358 m3/s）时，各汇水单元还可通过自排和二级泵站抽排向干渠排水，反之由于槽蓄的作用，允许汈汊湖干渠水位上涨至25.3 m（吴淞基面，下同）。当来水持续增加、干渠水位即将超限，将关闭除主城区以外的二级泵站以减轻干渠压力，力保汉川主城区的防洪安全，同时启用汈汊湖调蓄区。当来水进一步增加，干渠水位不能稳定在25.8 m时，启用备蓄区分洪。在此期间，各汇水单元的淹没水位高于干渠水位时，即可通过闸门向汈汊湖干渠自排。

根据以上设定开展不同重现期下的情景计算，可得相应的淹没水位、淹没水深等风险要素成果，以及洪水风险度R（公式4），并依据“要求”的标准划定风险等级。

式中：pi为某一洪水的淹没频率（如：10年一遇pi取0.1）；Hi为该计算单元对应pi的淹没水深，dm。

3 结果分析与讨论

3.1 汉川市汈汊湖流域洪水风险格局

最大淹没面积是衡量洪水风险的一个重要指标。在较高频洪水情景下（5年一遇至10年一遇），汈汊湖流域大部分汇水单元的淹没范围较小，淹没面积占比多控制在30%以下（表5），其中主城区及其附近的单元，如老城区3、老城区4、仙女区、新河东、城隍镇、华严农场的淹没情况明显好于其他单元，5年一遇的淹没占比平均不超过10%，10年一遇的不超过20%。随着洪水重现期的增加，洪量不断加大，各单元的自排系统逐渐失效，整个流域主要仰赖汈汊湖干渠的抽排向外泄洪，淹没面积占比呈显著增加态势。部分单位抽排能力较弱的单元（如新河镇中、新河东、刘家隔西、韩集南、新堰北等）在极端洪水下的淹没面积甚至超过了50%，各单元至200 年一遇洪水的淹没面积普遍是5 年一遇洪水的2～3倍，少数地势不利和主要依赖自排的单元（如汈东农场、新河东）的差距甚至接近8倍。需要特别指出的是，这里的淹没范围是由各汇水单元在计算的最大淹没水深条件下得到的“瞬时”淹没状态，不宜将其与考虑时滞（如3 d排完、5 d排完等）的排区排涝标准对应。此外，由于资料缺失，本例未考虑汉川老城区的自排能力，可能导致相应计算结果较实际范围偏大。

表5 汈汊湖流域不同重现期各汇水单元最大淹没面积占比 %

根据式（4）计算的洪水风险度R更偏向于对不同重现期下洪水淹没水深的集总反映，其中高频洪水下的淹没水深，风险权重更高，但涉及范围较小，低频洪水的则相反。得益于相对完善的防洪设施、设备及调度机制，虽然地处有湖北省“水袋子”之称的江汉平原腹地，汉川市汈汊湖流域的洪水风险度总体处于较低水平（表6），超80%的汇水单元的低风险区面积占比在70%以上，仅5个汇水单元的极高风险区面积比例在10%以上，且最高不超过14%。汉川主城区，包括老城区1—4、仙女区风险水平总体最低，低风险面积占比均在82%以上；新河北、刘家隔西、分水主渠西作为流域内单位排水能力较为薄弱的单元，高风险及以上面积占比超过18.5%，为全区最高。

表6 各汇水单元不同洪水风险等级面积占比 %

3.2 结果的合理性分析

根据本例中设计洪水的计算结果，在遭遇50年一遇洪水的情景下，汈汊湖流域的总洪量约为10.3 亿m3，干渠水位超25.8 m，启用蓄滞洪区调控洪水，分洪量超过6 000万m3。据统计，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，南干渠五房台站洪峰水位达到25.85 m（图5），并向汈汊湖蓄滞洪区分洪，累计分洪量约6 500 万m3，汉川、分水泵站抢排渍水约8 亿m3[10]。综合洪量、水位和调度信息，认为2020 年事件的主要洪水指标与本次计算的结果基本吻合。

图5 汈汊湖干渠典型情景计算水位与实测值比较

汈汊湖流域自身的洪水致灾主要与地势低洼引起的内涝有关，因此局部地貌和单位面积排水能力很大程度上决定了各单元的洪水风险等级，本次风险分析结果较好地反映了这一特征（图6）。与2018 年开展的“汉川市洪涝灾害调查评价”项目相关成果[11]相比（图7（b）），本次分析得到的洪水风险水平似乎偏低，这与本次县级洪水风险分析工作主要针对地方性河流、较少考虑外洪威胁有关，加之汈汊湖本身也具有相当的调蓄能力，因此认为本次风险计算结果总体合理。

图6 各汇水单元平均风险度R 与地形起伏和单位抽排能力的关系

图7 汉川市汈汊湖流域风险分级与汉川市易涝区分级

4 结 论

针对平原河湖区地方性中小河流资料不齐、水系复杂、低洼易涝、人工特征明显等特点，本文基于水量平衡原理，采用水文分区的思路，对汉川市汈汊湖流域进行了洪水风险分析示例，其基本流程为：通过对长序列降水资料进行频率分析得到设计暴雨成果，并据此推求设计洪水过程，再根据地方调度规程设定典型不利情景，即可由上游来水、各汇水单元内的产流、储蓄、抽排能力和地形数据，计算淹没洪量，得到相应淹没水深、淹没历时等风险要素信息，进而计算洪水风险度。

对于外洪威胁、溃堤等极端情况，该方案亦可通过调整情景设定，如汇水阶段的来流叠加、排水阶段的抽排限制，以及汇水单元面积调配等方式加以应对。总体上，该方案具有数据需求少、资料可获得性高、方法成熟、计算便利等优点，适宜以内涝为主的缺资料平原河网地区应用。