王海菁，汪國(guó)斌，李德龍，2，許小華，黃 萍

(1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

超標(biāo)洪水防御是洪水防御工作的重要組成部分。防洪工程的設(shè)計(jì)只能以一定的洪水量級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)，是無(wú)法避免發(fā)生超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水。為有效應(yīng)對(duì)此類極端事件，樹(shù)立未雨綢繆，防患于未然及防大汛、抗大洪的思想，認(rèn)真反思在洪水防御工作中的短板弱項(xiàng)，進(jìn)一步增強(qiáng)憂患意識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)、責(zé)任意識(shí)和底線思維[1]，本文選取江西省宜黃縣城為研究對(duì)象，結(jié)合該縣城的防洪工程狀況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人口發(fā)展分布情況、洪水特性、自然條件等，利用ArcGIS10.2的Geostatical Analyst模塊，選擇克里金(Kriging)空間插值法形成縣城范圍內(nèi)不同洪水頻率下的水位空間曲面，結(jié)合縣城1∶10000數(shù)字高程模型(DEM)，計(jì)算出當(dāng)宜黃縣城區(qū)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水(即超縣城防洪標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)、二級(jí)洪水)時(shí)的淹沒(méi)范圍，并提出避洪轉(zhuǎn)移應(yīng)對(duì)策略。研究成果對(duì)有效應(yīng)對(duì)超標(biāo)洪水，保證抗洪搶險(xiǎn)救災(zāi)工作高效有序進(jìn)行提供了科學(xué)依據(jù)；對(duì)提升宜黃縣城區(qū)洪水防御能力具有一定的現(xiàn)實(shí)意義；對(duì)其他城區(qū)超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒(méi)分析及應(yīng)對(duì)策略的制定具有一定的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

宜黃縣城位于宜水、黃水匯合處，縣城所在地為鳳崗鎮(zhèn)，位于縣境西北部，是全縣政治、經(jīng)濟(jì)文化、交通、信息中心。城區(qū)人口為7萬(wàn)人，是宜黃縣第一大鎮(zhèn)，防洪工作對(duì)全縣有著極為重要的影響。據(jù)宜黃氣象站1959—1998年共40年的觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，多年平均降水量為1805.2mm，年最大降水量為2619.2mm(1970年)，年最小降水量1073mm(1971年)。宜黃桃陂水文站集水面積1611km2，1957年由江西省水利電力廳水文總站撫州分站設(shè)立，觀測(cè)水位，1958年6月增測(cè)流量、水溫、水化、降水量，為宜黃水控制站，警戒水位為69.5m，歷史最高水位71.62m。宜黃縣洪澇災(zāi)害的成因主要為暴雨型洪水，因河道行洪斷面不足，容易引起河水泛濫，加上宜黃縣屬山區(qū)縣，河道坡降大，洪水來(lái)勢(shì)猛，是造成洪澇災(zāi)害的主要原因。另由于宜黃縣的地質(zhì)地貌情況，每當(dāng)日降雨量大于100mm或連續(xù)多日降雨，其日降雨大于50mm，則容易形成洪澇災(zāi)害。

宜黃縣城市防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇(P=5%)?？h城環(huán)繞宜黃水、曹水、宜水和黃水而建，每到汛期，受外河洪水威脅相當(dāng)嚴(yán)重，防洪的工程措施以堤防工程為主。目前，城區(qū)防洪工程有河西堤、河?xùn)|堤、六里鋪堤、水北堤、百花洲堤、曹水堤、獅子山堤。

2 研究方法

通過(guò)研究現(xiàn)有的洪水淹沒(méi)分析相關(guān)文獻(xiàn)可見(jiàn)，目前針對(duì)此類研究大多數(shù)是采用反距離權(quán)重插值算法(IDW)[1]，但是IDW的內(nèi)插單元值需要針對(duì)鄰近區(qū)域采樣點(diǎn)進(jìn)行平均值運(yùn)算，因此需要樣本點(diǎn)在空分布上滿足均勻分布。然而對(duì)于本研究中涉及的水文站和不同頻率下的設(shè)計(jì)水位數(shù)量不多，較難實(shí)現(xiàn)均勻分布，因此相較于IDW，本文認(rèn)為克里金空間插值法更適合做此類的分析研究?？死锝鹂臻g插值法在空間相關(guān)范圍分析的基礎(chǔ)上，用相關(guān)范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)來(lái)估計(jì)待插點(diǎn)屬性值。與其他的插值方法相比，克里金空間插值法的顯著特點(diǎn)是使誤差的方差更小[2]。

克里金空間插值(Kriging)法也被稱為空間自協(xié)方差最佳插值法，這種方法是以南非礦業(yè)工程師D.G.Krige的名字命名的一種最優(yōu)內(nèi)插法。后由法國(guó)地理數(shù)學(xué)家Matheron優(yōu)化的插值方法[3- 4]。Kriging是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法[4- 6]，是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要內(nèi)容之一[7]。

而在克里金插值法中最為常用的是普通克里金插值法，由于普通克里金插值法的假設(shè)條件較少，其需要的參數(shù)也較為簡(jiǎn)單，其數(shù)據(jù)原理如下：

假設(shè)區(qū)域變化量Z(x)滿足二階平穩(wěn)假設(shè)和本征假設(shè)，其數(shù)學(xué)期望為m，協(xié)方差函數(shù)c(h)及變異函數(shù)γ(h)存在。有如下關(guān)系式：E[Z(x)]=m，c(h)=E[Z(x)-Z(x+h)]-m2，γ(h)=E[Z(x)-Z(x+h)]2/2，設(shè)Z(x)是一個(gè)二階平穩(wěn)的隨機(jī)函數(shù)，它在n個(gè)位置取樣：Z(x1)，Z(x2)，…Z(xn)，則點(diǎn)x0處估計(jì)量計(jì)算公式為：

(1)

式中，Z*(x0)—估算點(diǎn)水位的預(yù)測(cè)值；λi—參與插值的站點(diǎn)對(duì)估算點(diǎn)水位的權(quán)重；xi—實(shí)測(cè)水文站點(diǎn)的位置；Z(xi)—水文站點(diǎn)的實(shí)測(cè)值。

Kriging空間插值法的核心在于確定其權(quán)重系數(shù)，權(quán)重系數(shù)的計(jì)算必須滿足以下2項(xiàng)條件：

(2)使估計(jì)方差最小，即滿足下式的成立。

(2)

3 淹沒(méi)分析計(jì)算

宜黃縣城市防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇(P=5%)，當(dāng)遭遇50年一遇和100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，屬超標(biāo)準(zhǔn)洪水?？紤]在城防堤全部潰決的最不利條件下，依據(jù)宜黃縣城防堤各堤段不同洪水頻率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)水位計(jì)算其淹沒(méi)范圍，其中，20年一遇的各堤段設(shè)計(jì)水位依據(jù)《江西省宜黃縣中小河流治理城市防洪工程設(shè)計(jì)報(bào)告》，50年和100年一遇的各堤段設(shè)計(jì)水位依據(jù)《宜黃縣城市防洪百花洲堤、河?xùn)|堤實(shí)施方案》中桃陂水文站各頻率設(shè)計(jì)洪峰流量和水位流量關(guān)系曲線推求得到桃陂水文站在50、100年的設(shè)計(jì)水位，再根據(jù)黃水、宜水河口及匯合口的水位流量關(guān)系推求各河口斷面P=2%、P=1%的設(shè)計(jì)水位，利用內(nèi)插計(jì)算出各堤段設(shè)計(jì)水位，分別推求出各堤段不同頻率洪水對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)水位值，見(jiàn)表1。

根據(jù)表1中宜黃縣城區(qū)不同洪水頻率對(duì)應(yīng)的各堤段設(shè)計(jì)水位值數(shù)據(jù)，基于ArcGIS10.2的Geostatical Analyst模塊，利用克里金(Kriging)空間插值法形成縣城范圍內(nèi)不同洪水頻率下的水位空間曲面，結(jié)合縣城1∶10000數(shù)字高程模型(DEM)，計(jì)算出當(dāng)宜黃縣城區(qū)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水(即超縣城防洪標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)、二級(jí)洪水)時(shí)的淹沒(méi)范圍，得出宜黃縣城區(qū)受淹范圍主要包括：鄭家坊、黎家塅、鄭家圳、東關(guān)村、回龍巷村等，重要設(shè)施有縣交警大隊(duì)、縣人民政府、縣民政局、宜黃三醫(yī)院、縣自然資源局以及縣公路局一帶地勢(shì)低洼地段。

表1 不同洪水頻率對(duì)應(yīng)的各堤段設(shè)計(jì)水位值 單位：m

3.1 50年一遇洪水淹沒(méi)情況

當(dāng)遭遇50年一遇洪水時(shí)，桃陂水文站水位達(dá)到72.51m，城區(qū)淹沒(méi)面積達(dá)6.84km2。城區(qū)淹沒(méi)情況如圖1所示。

圖1 宜黃縣城區(qū)遭遇50年一遇洪水淹沒(méi)范圍圖

淹沒(méi)區(qū)涉及鳳岡鎮(zhèn)沿岸村莊，總受影響人口約為1.5萬(wàn)人。

3.2 100年一遇洪水淹沒(méi)情況

當(dāng)遭遇100年一遇洪水時(shí)，桃陂水文站水位達(dá)到73m，城區(qū)淹沒(méi)面積達(dá)7.09km2。城區(qū)淹沒(méi)情況如圖2所示。

圖2 宜黃縣城區(qū)遭遇100年一遇洪水淹沒(méi)范圍圖

淹沒(méi)區(qū)涉及鳳岡鎮(zhèn)沿岸村莊，總受影響人口約為1.7萬(wàn)人。

4 避洪轉(zhuǎn)移對(duì)策

根據(jù)鳳岡鎮(zhèn)及周邊地形情況以及宜黃縣地處于上游，山洪來(lái)得快，退得也快，洪峰持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)等特點(diǎn)。所以災(zāi)民撤離原則上按城區(qū)4大區(qū)域組織實(shí)施災(zāi)民撤離，即河西、河?xùn)|、附東、六里鋪區(qū)。河西城區(qū)地段南高北低，許多單位、民房宿舍所在地地理較高，采取就近樓房、就近高地轉(zhuǎn)移；河?xùn)|、附東、六里鋪地段周邊為高山，災(zāi)民按照就近、就高、快速暫時(shí)轉(zhuǎn)移。以遭遇100年一遇超標(biāo)洪水為例，擬選取安置點(diǎn)及轉(zhuǎn)移路線見(jiàn)表2及如圖3所示。

圖3 宜黃縣城區(qū)洪水轉(zhuǎn)移安置示意圖

表2 超標(biāo)準(zhǔn)洪水人員轉(zhuǎn)移安置情況表

5 結(jié)語(yǔ)

空間插值常用于將離散點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面，本文應(yīng)用ArcGIS中空間分析模塊的克里金(Kriging)插值法，研究了江西省宜黃縣城在遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)的淹沒(méi)范圍及轉(zhuǎn)移策略[8]。結(jié)果表明：

(1)當(dāng)遭遇50年一遇洪水時(shí)，桃陂水文站水位達(dá)到72.51m，城區(qū)淹沒(méi)面積達(dá)6.84km2，總受影響人口約為1.5萬(wàn)人。

(2)當(dāng)遭遇100年一遇洪水時(shí)，桃陂水文站水位達(dá)到73m，城區(qū)淹沒(méi)面積達(dá)7.09km2，總受影響人口約為1.7萬(wàn)人。

(3)當(dāng)遭遇100年一遇洪水時(shí)，根據(jù)縣城區(qū)人口分布并結(jié)合區(qū)內(nèi)地形條件，城區(qū)避洪任務(wù)均采取轉(zhuǎn)移安置方式，需轉(zhuǎn)移安置自然村26個(gè)，共計(jì)17347人。由于洪水淹沒(méi)分析過(guò)程較為復(fù)雜，本文考慮的影響因素有限，且人口數(shù)據(jù)可能存在一定的出入，有待今后進(jìn)一步的深入研究。