南水北调东线工程江苏段沿线洪水风险区划

乌景秀 范子武 洪云飞 刘国庆

（1.水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，南京 210029；2.水利部太湖流域水治理重点实验室，南京 210029）

1 研究背景

洪涝灾害是我国发生最多的自然灾害，尤其近几年发生越来越频繁。南水北调东线工程江苏段沿线区域属于淮河流域的淮河水系和沂沭泗水系，涉及江苏省17个水利分区中的白马湖高宝湖区，洪泽湖周边及以上区，里下河区，渠北区，沂南区，骆马湖以上中运河两岸区及南四湖湖西区。工程江苏段沿线区域属北亚热带与南暖温带过渡地带，多年平均降雨量约900 mm，汛期6—9月降雨量占全年60%～70%。春夏之交易发生江淮梅雨，梅雨型暴雨一般持续时间长、范围大、洪水总量大，往往形成流域性暴雨洪水；夏秋之际多台风暴雨，台风型暴雨的特点是范围小、历时短、强度大[1]。

淮河水系的洪水特性是淮河干流洪水持续时间长、水量大，淮河干流中下游一次洪水历时约1 个月[2]。南水北调东线工程淮河水系段位于淮河干流下游洪泽洪周边平原河网区，平原河道汇流时间长，加上地面坡降平缓，研究区域内部河道防洪标准低，受外河洪水顶托，易行成严重的洪涝灾害[3]。沂沭泗水系的洪水特性是沂沭河干流洪水来势凶猛，峰高量大，主要支流河流源短流急，洪水暴涨暴落，下游河道往往宣泄不及，加上洪水与风暴潮常遭遇，顶托干流河道泄洪，易造成洪涝灾害[4]。研究范围内具有洪水频发、洪涝灾害并发、受灾面积大、洪涝损失严重等特点。南水北调东线工程供水范围为我国人口集中、经济发达的黄淮海冲积平原和胶东地区，一旦发生洪涝灾害，将影响工程运行安全，导致供水中断，对供水区域社会、经济的稳定发展造成严重威胁，因此十分有必要开展南水北调东线工程江苏段沿线区域洪水风险区划研究。

洪水风险区划是防洪减灾科学决策、规划、管理的基础，是开展洪水风险管理、防汛调度管理与预案制定、洪水保险及洪水影响评价等的重要依据，能够直观反映流域、区域洪水风险总体状况，明确区域内部洪水风险程度。早期国外一些国家开展了全国性或区域性的洪水风险区划，并将其应用于洪泛平原土地管理或洪水保险[5]。美国利用洪水淹没边界确定洪水风险区域范围，根据洪水风险区域范围的水深分布，编制区域洪水风险区划，主要对100年一遇、500 年一遇洪水风险进行了分析。比利时针对瓦隆地区，编制了由洪水重现期和洪水强度确定的洪水危险性等级。英国为提高公众对洪水风险的认知和支撑决策支持，按大于1.3%、1.3%～0.5%和小于0.5%的洪水频率划分洪水危险等级，又考虑了社会易损性编制了社会经济易损性、最大行进流速分布图。瑞士则采用洪水流速和水深确定洪水强度，最后通过构造危险性评价矩阵，由洪水频度和强度确定洪水危险性[6]。

我国于1959年开始水文区划工作，并在1980—2000年间进行了多次修改，是中国水利区划的研究基础[2]。最早采用二维非恒定流的数学模型编制洪水风险图，模拟了永定河泛区在遭受100 一遇、50 年一遇洪水的淹没水深、流速、到达时间等结果，将整个泛区划分为极度危险区、危险重灾区、重灾区、轻灾区及安全区。2004年，谭徐明等[7]利用历史长序列水灾资料等基础数据，采用统计学方法和地理信息系统（Geographic Information System，GIS）技术等，首次提出区域洪水风险评价的指标体系。王晓磊等[8]对宁晋泊和大陆泽蓄滞洪区进行了洪水模拟，在水力学模型计算得到淹没风险要素基础上，考虑了社会经济暴露特征，开展了风险评估与等级划分。陈晨等[9]采用地理学方法，通过地理空间与洪水危险性指标叠加分析，绘制洪水风险区划图。郭燕波等[10]在做辽河干流防洪保护区洪水风险区划时，不仅考虑了反映自然因素的洪水危险性，还考虑了易损性进行洪水风险性分区。谭徐明等[7]在《中国洪水灾害危险程度区划》成果中，将全国国土面积划分成5 000多个计算单元，最终绘制了全国洪水危险程度区划图。

在南水北调东线工程江苏段沿线区域洪水风险区划中，洪源考虑了流域、区域及县域骨干河道，平原河网区区划单元划分至圩区，采用高精度的水力学方法构建了区划风险分析模型，计算得到不同设计洪水下的淹没水深，以淹没水深作为危险性评价因子，采用综合风险度的方法[11]，将洪水风险划分为极高、高、中和低4个等级，得到研究区域洪水风险分布，以期为南水北调东线工程的防洪减灾决策提供支撑。

2 研究范围

本次以南水北调东线工程江苏段输水主干线受洪水和排涝影响的范围作为研究区域，研究区域考虑了河道汇水区和排涝区[12]。研究区域总计16 422.36 km2，湖西段右岸以南四湖为界，左岸以苏北堤河为界；不牢河段左岸以徐丰公路、西三环、城东快速路、G311 国道等线状构筑物为界，右岸以G104 国道、潘安路、G310 国道等线状构筑物为界；中运河段右岸以G310 国道、剑春河、老沂河、骆马湖东堤、总六塘河、淮沭河为界，左岸以S250 省道、白塘河为界。徐洪河、洪泽湖左岸以江苏省省界为界；里运河段右岸以卤汀河、下官河等河道为界[13]。

3 洪水风险区划单元及洪源分析

根据南水北调东线工程江苏段沿线研究区域地形地貌、流域边界、重要控制节点、防洪控制工程和河网水系等特点[14]，进一步细化分解，开展区划单元划分。其中渠北区、沂南区、骆马湖以上中运河两岸区及南四湖湖西区等地区以3～4 级河道为区划单元边界；两湖地区、洪泽湖周边及以上区以5～6级河道为区划单元边界；里下河地区为平原河网区，地势低洼[15]，以独立圩区为区划单元；其他山丘区主要以流域面积为50 km2以上的小流域为区划单元。研究区域一共划分了621 个区划单元，其中小流域区划单元14个（图1）。

图1 南水北调东线工程江苏段输水主干线及研究区域区划单元划分图

研究区域内主要外洪洪源为与输水干线沿线交织的复新河、大沙河、郑集河、中运河、坯苍分洪道、不牢河、房亭河、废黄河、徐洪河、西民便河、潼河、老濉河、新濉河、沂河、沭河、淮沭河、淮河干流、入海水道、入江水道等行洪河道。其中复新河、大沙河、郑集河、不牢河、房亭河、徐洪河、西民便河、潼河、老濉河、新濉河等河道设计防洪标准为20 年一遇；废黄河、中运河、邳苍分洪道、沂河、沭河、淮沭河等河道设计防洪标准50 年一遇；淮河、入海水道、入江水道等河道设计防洪标准100 年一遇。研究区域沿线包含了湖西区顺堤河周边洼地、白马湖及高邮湖周边圩区和洼地、里下河区腹部地区湖泊湖荡区域等，这些地区地势低洼，主要内洪洪源为区域暴雨内涝。同时研究区域内河道防洪大部分为10年一遇至20年一遇，排涝标准5年一遇至10年一遇。因此，研究区域内洪源具有外河洪水峰高量大、外排困难，内部洼地地势低、暴雨频繁、排涝标准低等特点。

4 洪水风险要素计算

4.1 区划方案设置

根据研究区域沿线流域洪水、区域内洪水和暴雨内涝多洪源交织的洪源特性，科学制定了各区划单元洪水分析计算方案。其中，根据沂沭泗水系及洪泽湖周边区域洪水突出、局部区域内涝严重、沿海区域风暴潮影响显著的洪涝特性，制定了“洪涝潮”多洪源联合分析方案；两湖地区、里下河地区内涝突出，制定了平原河网区以涝为主的洪水风险分析方案，共设置了145组计算方案。河道最高洪水风险分析频率采用将设计防洪标准提高一个等级。暴雨内涝分析考虑了区域内发生10年一遇、20年一遇、50年一遇和100年一遇设计暴雨时的区域洪水风险情况。

沂沭泗水系及洪泽湖周边的平原与丘陵岗地交互，河道坡降较大，通过试算确定不同洪水频率下洪水漫溢溃口位置，提出了平原岗地区域堤防漫溢试算溃口设置的洪水风险要素模拟方法；里下河区、两湖区等平原河网区域圩区众多，洪涝不分特点，以圩区破圩为独立事件，创建了通过平原河网圩区风险要素提取包络的模拟计算方法；流域面积较小的山区型河道，根据典型控制断面资料和地形，提出了山丘区河道洪峰流量—水位外延的洪水风险要素模拟方法。

4.2 洪水风险分析模型

本次洪水风险分析采用高精度的水力学方法构建洪水风险分析模型，模型按照水利分区后各河道水系拓扑结构和汇水区域构建模型，模型范围远大于研究区域。

研究区域模型的洪水分析采用一维、二维模型耦合的水力学计算方法。

（1）一维模型。区域内河道非恒定流的水动力学模拟基于圣维南方程。其中，连续性方程和动量方程如下[16-17]：

式中：A为河道过水面积，m2；Q为流量，m3∕s；u为侧向来流在河道方向的流速，m∕s；t为时间，s；x为沿水流方向的水平坐标；q为河道的侧向来流量，m3∕s；α为动量修正系数；g为重力加速度；y为水位，m；Sf为摩阻坡降，其计算方法如下：

式中：K为流量模数，m3∕s；n为糙率；R为水力半径，m。

在河道交汇处通过水量平衡关系连接各河段：

式中：L(m)为连接到节点m的河段数；M为节点总数；Qn+1m为n+l时段流入节点m的外加流量，m3∕s；Qn+1m,j为n+l时段河段1流入节点m的流量，m3∕s；V为河道交汇点蓄水量，m3∕s。

区域内河道恒定流的模拟可采用曼宁公式[18]：

式中：A为断面过水面积，m2；Q为流量，m3∕s；n为糙率；R为水力半径，m；i为坡度。

（2）二维模型。平面二维浅水方程，其守恒形式如下[19]：

式中：h为水深，m；u为x方向的流速，m∕s；v为y方向的流速，m∕s；q为流量，m3∕s，和降雨强度、历时和地表等有关。sx和sy为源项，表达式为：

式中：τbx和τby为x和y方向的阻力，其表达式为：

（3）一维、二维耦合处理。在一维、二维模型连接处采用堤岸溢流的经验计算公式计算一维、二维模型之间的流量交换。模型中一维、二维模型之间的流量交换，首先根据河道内、外水位及与堤防高程的关系，划分出流类型。如图2 所示，划分成无出流、自由出流、淹没出流、反向出流等，然后根据堰流公式计算确定出各个部分的流量然后汇总成河岸过流量。根据河道内水位与堤防高程判断是否漫溢；根据河道内外水位判断漫溢水流方向（流出为正值，流入为负值）；根据模式上限判断漫溢量计算方法（自由出流计算还是淹没出流计算）。

图2 一维、二维模型流量交换示意图

自由出流公式：

淹没出流公式：

式中：Q为流量，m3∕s；m为流量系数；b为堰宽，m；H0为堰前水头，m；为σs为淹没系数。

5 综合风险度计算及结果分析

5.1 综合风险度计算

各计算单元的综合风险度（R）值的计算公式如下[14]：

式中：pi为某一洪水淹没频率（如：10年一遇时，pi取0.1）；Hi为该计算网格对应pi的最大淹没水深值，m。计算时p0始终为起淹洪水频率的下一级洪水频率，且对应的H0=0；而p1、pn则分别为该计算网格的起淹洪水频率和最高洪水计算频率[20]。

5.2 风险等级划分

风险等级用于表征区划分析模型中各计算网格及洪水风险区划图中不同区域（块）的洪水风险程度。风险等级共分为低风险、中风险、高风险、极高风险4个级别。计算网格的风险等级以综合风险度为指标，按以下规则进行确定：R<0.15 为低风险，0.15≤R<0.5 为中风险，0.5≤R<1 为高风险，R≥1 为极高风险[21]。基本风险度矩阵表如表1所示。

表1 基本风险度矩阵表

5.3 计算结果

（1）综合风险度。根据计算结果，在研究范围内，综合风险度主要分布在0～3.31。R值不同区间所占研究区域面积如表2 所示。R值主要分布在0.5 以下的区域面积12 941.33 km2，占总面积的78.80%，R值大于2 的区域面积38.74 km2，占总面积的0.23%。

表2 不同R值等级面积占比

（2）洪水风险区划成果。根据计算结果，研究区域内不同洪水风险等级面积及占比如表3所示，可以看出低风险区面积9 681.41 km2，占比58.95%；中风险区面积3 259.92 km2，占比19.85%；高风险区面积2 364.08 km2，占比14.40%；极高风险区面积1 116.95 km2，占比6.80%。

表3 不同洪水风险等级面积及占比

南水北调东线工程江苏段洪水风险区划如图3 所示。从图3 可知，南水北调东线工程江苏段输水干线沿线研究区域内极高风险区主要分布在南四湖湖西区顺堤河下游的郑集河地涵至蔺家坝闸之间区域；洪泽湖周边及以上区域的徐沙河与徐洪河交会处、洪泽湖周边圩区（含鲍集圩）蓄滞洪区14.5 m 等高线（1985国家高程）以下区域；白马湖高宝湖区的宝应湖滨湖圩区、白马湖温山河片区域；里下河区腹部地区湖泊湖荡周边区域。高风险区主要分布在南四湖湖西区顺堤河沿线；中运河右岸与房亭河交会处和黄墩湖蓄滞洪区；洪泽湖周边及以上区徐沙河与徐洪河交会处、洪泽湖周边圩区（含鲍集圩）蓄滞洪区14.5～16.0 m 等高线（1985 国家高程）区域；白马湖高宝湖区、白马湖北侧洼地、大汕子隔堤以北、洪金排涝河以北、高邮湖北部区域及里下河区腹部湖泊湖荡周边区域。

图3 南水北调东线江苏段洪水风险区划图

6 结论及建议

南水北调东线工程江苏段不牢河段洪水风险区划范围内高风险区和极高风险区主要集中在顺堤河沿线洼地和圩区地带，该区域总体地势较低，排涝等级不足10 年一遇，同时顺堤河下游排入不牢河口时遭遇不牢河洪水位顶托，排泄困难。中运河段洪水风险区划范围内高风险区和极高风险区主要集在中运河右岸与房亭河交会处和黄墩湖蓄滞洪区，一方面是因为房亭河洪水下泄受中运河高水位顶托，房亭河下游左岸地区涝水外排困难，同时此次模拟计算方案考虑了黄墩湖蓄滞洪区滞洪，因此导致蓄滞洪区淹没水深和淹没面积较大，洪水风险等级较高。徐洪河段洪水风险区划范围内高风险区和极高风险区主要集中在徐沙河与徐洪河交会处、洪泽湖周边圩区（含鲍集圩）蓄滞洪区，是由于区域骨干河道未系统规划治理，尤其是湖北侧通湖河道风险相对较高，该区域堤防防洪标准普遍不足20年一遇；洪泽湖周边洼地圩堤标准低、堤身单薄，14.5 m等高线以下地势较低，不能满足防御洪泽湖14.5 m 水位要求，一旦蓄滞洪区滞洪，淹没水深较深；泗洪县城排水受溧河洼和洪泽湖水位顶托影响，现状防洪标准约20 年一遇，达不到城市防洪规划要求。金宝航道、淮河入江水道段洪水风险区划范围内高风险区和极高风险区主要集中在白马湖和宝应湖的北部、中部和南部低洼地区和滨湖圩区区域，因为白马湖高宝湖区外围高水环绕，因洪致涝严重，总体除涝标准为5 年一遇至10 年一遇。白马湖、宝应湖及通湖排水河道防洪标准20年一遇，除涝标准10年一遇，两湖现状局部堤防不达标，区域内骨干河道草泽河、浔河、老三河中段以20年一遇防洪标准治理，东西中心河、温山河、中港河、中心排河、老三河上下段、洪金排涝河多年未治理，排水能力下降。里运河、三阳河段洪水风险区划范围内高风险区和极高风险区主要集中在里下河区的腹部地区湖泊湖荡周边，因为片区洪源主要是内河分洪同时叠加内涝底水，区域性洪水是目前里下河区的心腹之患，发生频率较流域洪水高，再加上里下河地区地势平坦，腹部地区是四周高中间低的碟形洼地，素有“锅底洼”之称，造成里下河腹地低洼区域淹没风险高。

南水北调东线工程江苏段输水干线沿线跨越江苏省南四湖湖西区、骆马湖以上中运河两岸区、沂南区、废黄河区、洪泽湖周边及以上区、渠北区成果、白马湖高宝湖区、里下河区，涉及沂沭泗水系和淮河水系，水系格局复杂，干线沿线洪源众多，且防洪排涝标准不一。通过开展沿线区域洪水风险区划研究，确定了研究区域内高风险区和极高风险区分布情况，分析了沿线各高风险区和极高风险区成因，并结合各水利分区水系格局和区域洪涝特点，分别提出了研究区域不同高风险区、极高风险区下一步防洪排涝的防治重点和措施建议，从而保障工程输水干线防洪、排涝、航运、供水等综合功能，以及周边地区经济社会安全。同时，研究结果可为南水北调东线工程沿线区域防洪减灾规划和综合治理提供科学依据。