安徽省行蓄洪区启用与极端气候耦合可视化研究*

黄英琳，范小露，张新毅，陶苏珍，胡 琪，杨紫琪

（阜阳师范大学历史文化与旅游学院，安徽 阜阳 236037）

在全球气候变暖的背景下，极端天气频发，如近期英国受极端高温天气影响，发布了有史以来第一次极端高温红色预警并宣布国家进入紧急状态。我国为应对此类极端气候的发生，国家修建了行蓄洪区等防洪工程设施。其中安徽省淮河流域行蓄洪区数量多、面积大、进洪频繁，对沿淮城市的安全有着不可或缺的作用。

此前已有许多相关学者对行蓄洪区不同的专题进行了研究。关于行蓄洪区人口安置问题，学者们提出加快区内人口外迁、现有庄台扩容、保庄圩提标、低洼地人口安置工程建设等解决方案[1-2]。行蓄洪区管理存在着返迁问题突出、区内基础设施薄弱、经济发展与防洪减灾协调性差等问题[3]。运用水动力模型，研究多处行蓄洪区联合调度问题[4-5]。目前淮河流域行蓄洪区综合治理研究已经取得较大成就，但是缺乏科学的对行蓄洪区调度情况进行的评价[6]。通过回顾行蓄洪区的启用情况并分析历年极端降水与启用情况的关系，可以为将来科学调度行蓄洪区提供参考。本文将探究行蓄洪区的启用情况和蓄洪区的启用与极端降水的联系，并通过分析耦合结果反映政府的应急管理能力。

1 安徽省淮河流域行蓄洪区概况

淮河流域地处我国东部地区，属于季风气候区，降水集中，地形平缓。淮河流域在此特定气候条件、地理位置影响下水患严重，据统计在16 世纪至新中国成立期间，每百年平均发生水灾94 次[7]。在新中国成立后，我国为了应对水患的发生、保障人民群众的生命财产安全，开辟了行蓄洪区，形成了以水库、行蓄洪区和各类堤防为主体的防洪工程体系[8]。

自淮河流域行蓄洪区建设以来，安徽省淮河流域行蓄洪区历经了多次规划调整，安徽省境内淮河流域现有16 处行蓄洪区及5 处防洪保护区，总面积2 813.3 km2，区内人口99.07 万人[9]。受行蓄洪区功能定位限制，区内经济发展落后，现有贫困人口较多，是安徽省深度贫困地区[10]。

安徽淮河流域行蓄洪区自1950 到2021 年运用行蓄洪区的年份有30 年，现有16 处行蓄洪区启用的年份有22 年，现有行蓄洪区共启用129 次。安徽省各行蓄洪区启用次数情况见图1。

图1 安徽省各行蓄洪区启用次数情况

借助图1，可将安徽省行蓄洪区启用点位时空分布特征可视化。除图1 中所示的行蓄洪区外，荆山湖、花园湖、潘村洼、老汪湖也均属于安徽省淮河流域行蓄洪区，其启用次数分别为10 次、3 次、2 次、1 次。

2 数据与方法

本文降水数据来源于中国气象数据下载的“中国地面气候资料日值数据集（V3.0）”。安徽省行蓄洪区的启用情况数据由安徽省水利厅提供。受到部分数据可得性的影响，本文选取1954—2019 年作为研究时限，主要研究濛洼、城西湖、城东湖3 处蓄洪区。

安徽省淮河流域干流蓄洪区有濛洼、城西湖、城东湖、瓦埠湖、邱家湖、南润段6 处，其中邱家湖、南润段在2016 年之前为行洪区，2016 后才被调整为蓄洪区。其余3 处蓄洪区中，濛洼、城西湖、城东湖启用次数较多，且启用情况的数据较为详实，因此选择濛洼、城西湖、城东湖3 处蓄洪区作为行蓄洪区启用数据。

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC） 对极端天气气候事件的定义：对一特定地点和时间，极端天气事件就是从概率分布的角度来看，发生概率极小的事件[11]。常见的极端气候（以极端降水为例）阈值界定方法对比见表1。通过对比各个极端气候阈值的优缺点，采用较为适宜本次研究的局部百分位法，具体百分位为第90 百分位，即1951—2019淮河流域气象站点所记录的逐日数据中的前10%的湿日（日降水量≥0.1 mm） 作为极端降雨阈值，经统计该区域极端降雨数据后，得出该区域的极端降雨阈值为23.9 mm。统计启用行蓄洪区前及启用期间的各站点极端降雨累计值，借助ArcGIS 软件，使用普通克里金插值法，对站点的极端降雨累计值进行插值，得出区域平均累计极端降水量，作为极端降水的耦合数据。关于城东湖、城西湖、濛洼3 处蓄洪区的耦合数据，采用行蓄洪区的启用天数与蓄洪量，作为关于行蓄洪区启用的耦合指标。

表1 极端降水阈值界定方法对比

3 3处蓄洪区启用分布特征

城东湖、城西湖及濛洼3 处蓄洪区在较大洪水年份均有1 处或多处启用蓄洪（见图2）。

图2 3 处蓄洪区启用情况

启用蓄洪区起到了削减洪峰、减轻下游防洪压力的作用。下面介绍城东湖、城西湖及濛洼3 处蓄洪区历年启用情况。

1954 年，江淮梅雨所造成的淮河洪水是是新中国成立后淮河流域最大洪水。城东湖、城西湖及濛洼蓄洪区开启正阳关、润河集、王家坝等进洪闸放水，进洪期间城东湖、城西湖、濛洼的最高蓄水位分别高达26.58 m、27.82 m、29.25 m，最大进洪量分别为1 450 m3/s、7 600 m3/s、1 150 m3/s，启用天数分别为12 d、14 d、21 d，3 处蓄洪区蓄洪总量达55.5×108m3。

1956 年6 月，淮河流域发生洪水，本次洪水中，城东湖与濛洼两处蓄洪区被启用，两处蓄洪区启用天数分别为4 d、5 d，两处的最大进洪量分别为1 550 m3/s，1 640 m3/s。

1960 年6 月末7 月初，发生极端降雨，本次洪水相对较小，3 处蓄洪区只有濛洼被启用，启用天数为3 d，最大进洪量为1 160 m3/s，蓄洪量为3×108m3。

1968 年7 月上旬，淮河上游豫东皖西地区连降暴雨，王家坝处淮河干流流量达到1.3 万m3/s，在此情况下，城东湖、城西湖及濛洼蓄洪区均被启用，3 处蓄洪区蓄洪量分别为3.36×108m3、35.2×108m3、11.08×108m3，3 处启用天数分别为4 d、2 d、10 d，蓄洪总量达49.64×108m3。

1975 年8 月初，淮河中上游受台风影响，发生了极端降水，濛洼和城东湖两处蓄洪区被启用，启用天数分别为5 d、6 d，最大进洪量达1 420 m3/s、1 000 m3/s，两处蓄洪总量达9.6×108m3。

1982 年，淮河中上游于7 月中旬和8 月下旬先后发生两次极端降水，7 月中旬3 处蓄洪区均未被启用，在8 月下旬濛洼蓄洪区被启用，其启用天数为5 d，最大进洪量达1 300 m3/s，蓄洪量达3.3×108m3。

1991 年夏季，淮河流域发生特大洪水，城东湖、城西湖及濛洼3 处蓄洪区均被启用，其中濛洼在6 月、7 月均启用，3 处蓄洪区启用天数分别为2 d、4 d、7 d，3 处蓄洪量总量达15.39×108m3。

2003 年夏季，淮河发生仅次于1954 年的流域性大洪水，正阳关以下淮河段水位超过历史最高水位[12]。本次洪水期间，城东湖、濛洼被启用，启用天数分别为3 d、5 d，两处蓄洪区的蓄洪量分别为3.1×108m3、5.61×108m3。

2007 年汛期，淮河流域出现极端降水，汛期面平均降雨达370 mm，为常年同期的2～3 倍[13]。本次汛期期间，启用濛洼蓄洪区蓄洪，其启用天数为7 d，启用期间蓄洪量达2.44×108m3。

4 3 处蓄洪区启用与极端降水的耦合关系

通过参考已有的耦合研究，本文研究讨论蓄洪区启用与极端降水两个子系统之间的关系[14-15]。由于极端降水与行蓄洪区启用情况的各指标数据的量纲不同，必须对各项指标进行无量纲处理，本文采用的指标均为负向型指标，具体公式如下。

对于负向型指标，其标准化公式为

计算指标rij的比重pij，即计算第i年第j个指标经标准化处理后的值，在所有被评价对象第j个指标经标准化处理后的值总和中的比例，具体公式为

计算第j项指标的熵值ej，具体公式为

计算第j项指标的差异性系数λj，其值越大，则指标在综合评价中就越重要。具体公式为

计算每个指标的权重，具体公式为

对于综合模型构建，采用线性加权法对2 个子系统进行综合处理，具体公式为

式中：A1、A2为2 个子系统的综合评价函数。

对于耦合度的计算，这里借鉴物理学中的容量耦合概念及容量耦合系数模型，进行推广，得到多个系统（或要素） 相互作用的耦合度模型，即

通过式（7） 计算得出极端降水与行蓄洪区启用情况两个子系统的耦合度C（见表2）。

表2 耦合度及耦合协调度计算结果

参考已有研究，将3 处蓄洪区与极端降水量的耦合度C划分为4 种耦合度类型，它们分别为：[0，0.4]，属于耦合度极低的类型；（0.4，0.5]，属于拮抗阶段的类型；（0.5，0.8]，属于磨合阶段的类型；（0.8，1.0]，属于耦合度极高的类型[16]。耦合度越高，说明极端降水与蓄洪区启用情况在规模上一致性越高。大部分年份的极端降水与行蓄洪区启用情况的耦合度在0.779 6～0.999 9 之间，耦合度较高，说明整体上行蓄洪区的启用情况符合当时的极端降水量，行蓄洪区启用合理，政府面对水灾的应急能力强。

1954 年、1956 年、1968 年、2003 年4 个年份属于耦合度极高的类型，通过分析发现4 个年份的极端降水量较大，这导致整体上行蓄洪区启用率与启用规模大，因此极端降水与蓄洪区启用的一致性高。极端降水量高，不易出现由于极端降水量低只需启用少量其他行蓄洪区，而3 处蓄洪区启用情况与极端降水量不匹配的情况。

1960 年耦合度类型属于耦合度极低的类型，1975 年和2007 年耦合度类型属于磨合阶段的类型，说明这3 个年份蓄洪区的启用与极端降水量二者在规模的同步性上协调度低。其中，1960 年与1975年主要是由于淮河流域出现小范围极端降水，大部分地区未出现极端降水，这导致将1960 年和1975年的累计极端降水量通过普通克里金插值法计算出的淮河流域平均极端降水值较小，与行蓄洪区启用情况较不符；而2007 年耦合度类型属于磨合阶段的类型，这是由于启用行蓄洪区较多，分散了城东湖、城西湖、濛洼的蓄洪压力，减少了这3 处蓄洪区的蓄洪量与启用天数。

运用物理学的耦合度公式，进行极端降水与蓄洪区的耦合度分析，能从数值分布的规律上看出二者在规模上的同步性，但很难从中看出其内部的真正交互作用关系[17]。还需结合其他行蓄区的启用情况与淮河流域具体的极端降水情况进行分析。结合其他信息分析淮河流域极端降水与3 处蓄洪区启用情况的耦合关系，验证了政府能在不同极端降水量下，通过及时准确地调控启用天数与蓄洪量等，在规模上较合理地运用行蓄洪区，发挥了行蓄洪区的作用，减轻了淮河干流的洪水压力。

淮河流域行蓄洪区对削减洪峰、保障沿淮人民生命安全起到了重要作用。同时，淮河流域行蓄洪区是区内群众赖以生产生活的基地，而淮河流域行蓄洪区的建设与启用严重破坏当地群众生产生活的基地。随着经济发展、人口增加，行蓄洪区内人均居住面积少，居民生活质量无法保证，行蓄洪区的防洪减灾体系建设和管理问题日益突出。因此安徽省人民政府在科学调度行蓄洪区进行防洪规划保障重点地区的安全，同时高度重视行蓄洪区内的安全设施建设。2018 年安徽省人民政府根据行蓄洪区的风险级别、人口分布、安全设施建设等情况，实施“一区一策”，重点推进人口安置、庄台构筑、保庄圩修筑、保庄圩达标改造、行洪区调整等五大任务[18]。

在人口安置上，政府因地制宜对低洼地区群众进行移民建镇，同时严格控制区内人口数量。政府加强庄台构筑，扩大庄台面积，提高群众的人均居住面积，改善居民的生活环境。针对以往保庄圩排涝标准低的问题，政府着力修筑保庄圩，并对保庄圩进行达标改造，提高防洪能力与防洪标准，加强对沿岸地区的保护。对于进洪频繁的问题，政府加强行蓄洪区建设，精准调度，不断提高启用标准，以减少行蓄洪区内居民受灾次数。安徽省人民政府对淮河流域行蓄洪区调整与改造、扶贫与开发、建设与管理等综合治理成效初步显现。

5 结束语

1） 安徽省淮河流域的行蓄洪区自建设以来，经历了多次规划，调整到现在的16 处行蓄洪区，调度启用行蓄洪区事关淮河流域防洪和经济社会发展的大局，回顾行蓄洪区的发展历程和分析其历次运用情况尤为必要。本文将现行的行蓄洪区的历年启用的时空分布特征可视化，直观呈现了行蓄洪区的运用情况，对于研究行蓄洪区的启用情况具有现实意义。

2） 本文通过建立3 处蓄洪区启用情况与极端降水综合评价体系，运用耦合模型分析在不同量的极端降水下行蓄洪区启用的情况，结果显示大部分年份行蓄洪区启用得合理得当。这反映了政府拥有对淮河流域雨情、水情、险情等信息准确判断的能力，拥有防汛调度、决策和防洪减灾的应急管理能力。受行蓄洪区功能定位限制，区内基础薄弱滞后，产业布局受到严重制约，经济发展缓慢。为此安徽省人民政府在对突发事件具有科学的应急能力的同时，能通过对行蓄洪区进行调整与改造、扶贫与开发、建设与管理等综合治理，以改善人居环境，并减少突发事件造成的生命财产损失。本文为评价行蓄洪区调度启用的相关研究提供了参考，也使淮河流域的行蓄洪区调度启用走上了更加科学的道路。