吳 博，李 航，方書(shū)義

（松遼水利委員會(huì)流域規(guī)劃與政策研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130021）

0 引言

頻繁的洪水災(zāi)害對(duì)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展一直是一個(gè)重要課題，目前，我國(guó)基本形成以堤防、防洪控制性工程等為主的防洪體系[1]。然而，中小河流和蓄滯洪區(qū)仍然是防洪體系中的薄弱環(huán)節(jié)，特別是近年來(lái)極端天氣時(shí)間增多，常發(fā)生局部地區(qū)集中暴雨，對(duì)我國(guó)城鄉(xiāng)尤其是重要城鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)防洪安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[2]。為減少洪災(zāi)帶來(lái)的損失，采取一系列的防洪減災(zāi)措施是十分必要的[3]。國(guó)內(nèi)外許多防洪機(jī)構(gòu)都認(rèn)為，采取工程防洪措施與非工程防洪措施相結(jié)合的方法是防御洪水的最佳方法，而蓄滯洪區(qū)作為一種工程與非工程措施相結(jié)合的手段越來(lái)越受到防洪人士的重視[4]。本文基于洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理?xiàng)l件下，研究制定出科學(xué)、合理、可行的蓄滯洪區(qū)分區(qū)運(yùn)用方案，最大限度地削減洪水并盡量減少由開(kāi)啟蓄滯洪區(qū)帶來(lái)的洪災(zāi)損失，使防洪效果最大化[5]。

1 研究區(qū)概況

胖頭泡蓄滯洪區(qū)位于嫩江、松花江干流的左岸，肇源縣的西北部，東西長(zhǎng)約46 km，南北長(zhǎng)約58 km，區(qū)內(nèi)總面積1 994 km2，主要由嫩江、松花江一級(jí)階地及漫灘構(gòu)成。地形總趨勢(shì)為西北部較高，東南部較低，地勢(shì)較為平坦，局部地段起伏較大，地面高程一般為125.0～165.0 m。區(qū)內(nèi)崗地總面積約269 km2，泡沼總面積約342 km2，分別占蓄滯洪區(qū)總面積的13%和17%。區(qū)內(nèi)有10 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、70 個(gè)村、210 個(gè)自然屯，總?cè)丝跒?7.0 萬(wàn)人。區(qū)內(nèi)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值88.68 億元，其中，第一產(chǎn)業(yè)27.60 億元，第二產(chǎn)業(yè)41.50 億元，第三產(chǎn)業(yè)19.58 億元。老龍口分洪閘是蓄滯洪區(qū)的進(jìn)洪閘，位于嫩江左堤；老砍子退水閘是蓄滯洪區(qū)的退水閘，位于松花江干流左側(cè)。

2 模型構(gòu)建與參數(shù)率定

當(dāng)前采用水動(dòng)力學(xué)模型分析洪水在某一地區(qū)的傳播是比較普遍的方法，本文采用DHI MIKE FLOOD 模型進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬，對(duì)河道采用MIKE 11 進(jìn)行一維模型模擬，對(duì)蓄滯洪區(qū)采用MIKE 21 進(jìn)行平面二維模擬，通過(guò)對(duì)嫩江老龍口分洪閘處設(shè)置虛擬河道，采用標(biāo)準(zhǔn)連接方式實(shí)現(xiàn)一、二維的耦合。

2.1 基本方程

1）圣維南方程組：

式中：B為不同高程下的過(guò)水寬度，m；Q為流量，m3/s；x，t為位置和時(shí)間坐標(biāo)；H為斷面水位，m；qL為旁側(cè)入流流量，m3/s；u為平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m。

2）平面二維淺水方程：

式中：h為水深，m；u，v為x，y方向沿垂線平均的水平流速分量，m/s；q為源匯項(xiàng)，m/s；Z為水位，m；n為糙率。

2.2 模型模擬范圍

模型計(jì)算范圍為整個(gè)胖頭泡蓄滯洪區(qū)，東面以安肇新河右堤、馬營(yíng)子堤段、格吉堤防、大興堤防為界；西面以嫩江左岸分水嶺為界；南邊以松花江左岸分水嶺為界；北邊以南引水庫(kù)33 號(hào)圍堤，主要以144.0 m等高線為邊界，計(jì)算面積約為1 994 km2。

2.3 邊界條件

根據(jù)相關(guān)資料顯示，1998 年8 月15 日胖頭泡開(kāi)始決口，決口處位于蓄滯洪區(qū)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)附近的嫩江干流左岸堤防處、大安市上游；8 月18 日口門(mén)達(dá)到最大，口門(mén)寬530.0 m；9 月21 日口門(mén)最后堵死，進(jìn)水時(shí)間達(dá)37 d。8 月28 日在老坎子處扒堤排水，口門(mén)總長(zhǎng)2 000.0 m。

相應(yīng)的MIKE 模型中將入流及出流邊界設(shè)置在其對(duì)應(yīng)位置，寬度最大程度上與1998 年歷史情況保持一致。

2.4 參數(shù)率定

2.4.1 一維河道參數(shù)率定

MIKE 11 一維河道模型的參數(shù)文件主要是定義模型模擬的河床糙率。此次河床糙率M采用嫩干可研成果：主槽為0.014，灘地為0.058。

2.4.2 MIKE21 模型參數(shù)

1）網(wǎng)格剖分

網(wǎng)格剖分的質(zhì)量直接影響到各方案計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，胖頭泡蓄滯洪區(qū)區(qū)域面積較大，其邊界可視為光滑曲線，模擬時(shí)采用SMS 進(jìn)行三角網(wǎng)格剖分。在進(jìn)行網(wǎng)格剖分前，針對(duì)研究重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行局部加密。局部加密處網(wǎng)格設(shè)置為邊長(zhǎng)200.0 m，其他區(qū)域設(shè)置成邊長(zhǎng)400.0 m。最大網(wǎng)格面積控制在0.16 km2以內(nèi)，胖頭泡蓄滯洪區(qū)剖分后網(wǎng)格數(shù)為53 447 個(gè)。

2）糙率參數(shù)

計(jì)算區(qū)域的糙率與水深、床面形態(tài)、植被條件等因素有關(guān)[6-8]。此次模型中糙率參數(shù)按照地形地貌特點(diǎn)進(jìn)行選取，根據(jù)計(jì)算區(qū)域內(nèi)不同植被類型賦予不同曼寧值，制作成糙率場(chǎng)文件[9]。

3）時(shí)間步長(zhǎng)

考慮模型模擬的計(jì)算精度和模型穩(wěn)定，設(shè)置的模擬時(shí)間步長(zhǎng)為30 s，模擬時(shí)間段為1998 年8 月15日8時(shí)至10月7日8時(shí)，共歷時(shí)53 d，總計(jì)1 272 h，總時(shí)間步數(shù)為152 640 步。

4）干濕邊界

由于模擬過(guò)程中，干濕邊界變化頻繁，為避免模型計(jì)算的不穩(wěn)定，需設(shè)置Floodand Dry 選項(xiàng)。此次計(jì)算中，模型中干水深、淹沒(méi)深度、濕水深分別設(shè)定為0.005，0.010，0.050 m。

3 模型合理性分析

3.1 洪痕點(diǎn)水位分析

模型率定的主要方法通過(guò)調(diào)整模型曼寧值，使MIKE 21 的模擬最高水位與實(shí)測(cè)洪痕水位盡可能相一致。實(shí)測(cè)洪痕水位和MIKE 21 模型計(jì)算水位比較結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可知，大約86%的率定點(diǎn)的誤差都在0.2 m 之內(nèi)，模擬結(jié)果良好。

表1 1998 年洪水洪痕率定成果表 m

3.2 水量平衡分析

采用MIKE 21 對(duì)蓄滯洪區(qū)進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬，在模擬過(guò)程中，蓄滯洪區(qū)分洪水量62.9 億m3、回歸水量42.0 億m3、蓄水量20.9 億m3，水量基本平衡，與1998 年決口跑水量64.3 億m3、回歸水量44.3億m3、蓄水量20.0 億m3的實(shí)際情況基本相符合。

3.3 淹沒(méi)范圍分析

胖頭泡蓄滯洪區(qū)1998 年分洪淹沒(méi)實(shí)況如圖1（a）所示，此次模擬計(jì)算淹沒(méi)圖如圖1（b）所示，綜合對(duì)比淹沒(méi)范圍，與實(shí)際基本相符合。

圖1 胖頭泡蓄滯洪區(qū)淹沒(méi)圖

4 洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)損失計(jì)算方法

根據(jù)影響區(qū)內(nèi)各類經(jīng)濟(jì)類型和洪災(zāi)損失率關(guān)系，按下式評(píng)估計(jì)算洪災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失D：

式中：wij為評(píng)估單元在第j級(jí)水深的第i類財(cái)產(chǎn)的價(jià)值；η(i·j)為第i類財(cái)產(chǎn)在第j級(jí)水深條件下的損失率。在確定了各類承災(zāi)體受淹程度、災(zāi)前價(jià)值之后，根據(jù)洪災(zāi)損失率關(guān)系，即可進(jìn)行分類洪災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失估算，表2 為“十三五”時(shí)期黑龍江省關(guān)于洪災(zāi)損失評(píng)估成果。

表2 黑龍江省洪災(zāi)損失率 %

4.2 洪災(zāi)損失要素分析

洪水影響統(tǒng)計(jì)分析主要以不同計(jì)算方案下，不同行政區(qū)域內(nèi)不同水深級(jí)別的淹沒(méi)面積、淹沒(méi)耕地面積、受影響人口、受影響GDP、淹沒(méi)道路長(zhǎng)度等來(lái)反映研究區(qū)域受災(zāi)情況。此次選取200 年設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行蓄滯洪區(qū)分區(qū)運(yùn)用洪災(zāi)損失分析，其中，不建設(shè)隔堤情況下、建設(shè)1 號(hào)圍堤（沿Y022號(hào)公路東側(cè)自新合村至民意鄉(xiāng)建設(shè)隔堤）后、建設(shè)2 號(hào)圍堤（沿S213 號(hào)公路東側(cè)自羊營(yíng)子至永和村建設(shè)隔堤）后，蓄滯洪區(qū)淹沒(méi)范圍如圖2 所示。

圖2 蓄滯洪區(qū)淹沒(méi)范圍

統(tǒng)計(jì)不同分區(qū)運(yùn)用時(shí)房屋、家庭財(cái)產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、商業(yè)等損失指標(biāo)，計(jì)算得出不同行政區(qū)劃的洪災(zāi)損失情況，根據(jù)計(jì)算得出洪水對(duì)各水深等級(jí)的洪災(zāi)損失情況，統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表3。

表3 無(wú)隔堤條件下洪災(zāi)損失統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

蓄滯洪區(qū)普遍存在著防洪保安與自身經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾問(wèn)題，上文以蓄滯洪區(qū)分區(qū)運(yùn)用的科學(xué)規(guī)劃作為切入點(diǎn)，利用水動(dòng)力學(xué)模型求解胖頭泡蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)中的各項(xiàng)水力特征值，分析了不同規(guī)劃隔堤布設(shè)方案的洪災(zāi)損失情況，分析確定在蓄滯洪區(qū)建設(shè)2 號(hào)圍堤條件下，洪水造成的經(jīng)濟(jì)損失最小。因此，從洪水風(fēng)險(xiǎn)的管理角度認(rèn)為該隔堤建設(shè)方案為最佳方案。蓄滯洪區(qū)分區(qū)時(shí)要從蓄滯洪區(qū)全局考慮，分析規(guī)劃不同隔堤方案的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，力求在保障蓄滯洪區(qū)防洪功能的前提下，尋求最佳方案，為規(guī)劃部門(mén)提供科學(xué)的規(guī)劃方法，也為防洪管理單位提供管理依據(jù)。