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洪水风险区划方法与典型流域洪水风险区划实例(姜付仁 向立云)

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发表于 2008-9-18 15:57:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
项目基金;国家自然科学基金重大项目(50099620);水利部科技创新项目.
【摘 要】简要阐述了洪水频率区划、洪水致灾特征区划和洪水灾害风险区划等洪水风险区划的基本方法,并以河道洪水淹没几率对我国长江、海河、黄河、珠江、太湖、松花江等流域的洪水风险进行了初步分区,所得出的结论希望能够给我国的防洪决策提供参考.
【关键词】洪水风险;区划;流域防洪;典型流域
1 洪水控制和洪水管理
洪水灾害是我国主要的自然灾害,洪水治理历来是中华民族安民兴邦的大事,关系到国民经济和社会发展全局.’98洪水以后,中央政府迅速出台了具有指导意义的“封山育林,退耕还林;平垸行洪,退田还湖;移民建镇,以工代赈;全线固堤,疏浚河道”32字方针.这标志着我国防洪战略的重大调整,建立并完善以防御洪水灾害和减轻洪水损失为双重目的的工程与非工程措施相结合的防洪减灾体系,已经成为治水工作者的共识.综观全球,世界各国也在不断进行着洪水治理政策的调整.美国的洪水治理是从已修建堤防为主的遏制洪水于河道之中开始,后来又调整为以修建水库、开辟蓄滞洪区等采用水库堤防联合调度的方法来“控制”洪水的减灾对策.然而,事实说明洪水既没有完全遏制在河道之中,更不可能完全控制住洪水,美国1993年的大洪水就说明了这一点.美国经过这次大洪水以后,开始实施国家洪泛区管理统一规划,最终选择了“制定更全面、更协调的措施,保护并管理人与自然构成的系统,以确保长期的经济与生态环境的可持续发展”、以“管理”洪泛区开发为主的新型治水道路.从中美洪水防御政策的调整可以看出,从洪水控制到洪水管理,是当代防洪减灾战略转移的重要标志.
洪水管理是人类按照可持续发展的要求,以协调人与洪水的关系为目的,理性规范洪水调控行为与增强自适应能力等一系列活动的总称.洪水风险分析和管理是洪水管理的重要方面.洪水是一种自然的随机水文现象,当其作用于人类社会及其生存环境,则有可能产生不利影响,洪水风险是洪水事件对人类社会及其生存环境所造成危害或不利影响的可能性及不确定性的描述.洪水的风险是客观存在的,为了对洪水风险的有效管理,预防损失的发生以及减少损失发生的影响程度,以保证获得最大的利益,需要进行洪水风险区划.洪水风险区划可为洪水威胁区有效地防御洪水灾害和减轻洪水损失,对区域发展进行有效调控提供依据.1998洪水以后,我国水利建设再次形成了新的高潮.各级政府成倍增加了治水的投入,在治水方略上前所未有地加大了调整人与自然关系的力度.我国正处在经济发展新的历史时期,面临着人多地少、基础欠强、环境脆弱、城市化进程加速和适应经济全球化的多重压力,洪水风险区划更显得迫切、重要.
2 洪水风险区划方法
洪水风险区划是评价洪水风险空间分布程度的方法,区划所依据的指标不同会得出不同的区划结果.目前所采用的区划指标包括洪水发生频率、洪水水力特征(水深、淹没历时、流速、洪水到达时间等)、洪水期望损失等,以洪水期望损失指标进行区划是现阶段洪水风险区划的最高层次.
2.1 频率区划
以洪水发生频率为指标进行洪水风险区划,通常远取2,5,10,20,50,100,200,500年等洪水频率等级.区划所得到的结果如图1所示.洪水频率区划表征了洪水淹没的可能性,美国开展洪水保险时即采用了这种区划办法.图1表示的是天然状态下不同洪水频率的淹没区划情况,当河道上兴建了防洪工程后,各种频率洪水的淹没情况与天然情况会有很大的不同.

图1 以洪水频率为指标的洪水风险区划示意
2.2 洪水致灾特征区划
以洪水发生频率进行区划表示的是洪水淹没可能性的空间分布,但在同一频率洪水淹没区,由于洪水淹没特征不同,会造成不同的灾害影响,在洪水频率区划的基础上,进一步考虑洪水致灾特征的空间分布,将深化对洪水风险特性的认识.
洪水的致灾特征包括水深、淹没时间、流速、洪水到达时间、洪水挟带物(泥沙、漂浮物、污染物等)等因素.根据这些因素的致灾特性,可对不同频率的洪水淹没区做进一步的风险区划.例如文献1按上述致灾因素将洪水风险划分为以下主要等级;危险区、重灾区、轻灾区、安全区.危险区,一般指洪水最先到达(6h以内)的区域,通常该区域的洪水流速较大,破坏力最强,洪水发生后区内人员可能来不及撤离而发生危险;重灾区,指洪水可能造成较大经济损失或对居民生命财产构成较大威胁的区域,例如淹没水深超过1m,淹没时间持续24h以上的区域;轻灾区,淹没水深较小(<0.5m)、历时较短(<12h)、不对生命构成威胁、不会造成严重经济损失的区域;安全区,在洪水泛滥过程中不过水的区域,如沿淹没区周边地带、被洪水包围的高地或人工建筑物、受围堤、圈堤挡水墙保护的区域等.以致灾特征为区划指标的实例如图2所示.
除按综合致灾因素进行的洪水风险区划外,还有根据单一致灾因子所做的专项区划,例如淹没水深区划图、淹没历时区划图、洪水到达时间区划图、流速分布区划图、泥沙淤积分布区划图、污染物分布区划图等.
2.3 洪水灾害风险区划
洪水灾害风险区划的区划指标是洪水期望损失,以单位面积的期望损失表示(元/hm2、元/km2等).进行洪水灾害风险区划,除需确定不同频率洪水的淹没范围及相应的洪水致灾特性外,还要确定不同频率洪水淹没区内的人口、资产分布及其易损性(通常用损失率表示),由此计算得出死亡人数期望值和财产损失期望值.
为评价防洪工程减灾效益,20世纪80年代,我国各流域机构和省水利部门曾就洪水灾害损失进行过计算,其中,亩均水灾综合损失为主要计算指标之一.
从1998年长江和松花江损失的统计资料来看,因决堤、溃口造成的亩均损失约为5000元,比1980年己有很大程度的增长.
以上以省或流域为单位得到的亩均损失数据已具有洪水灾害风险区划的性质,这种区划是根据一次洪水的灾害损失划分的,没有考虑洪水发生频率的影响,且由于基本单元面积很大,提供的信息是粗线条的,比较精细的方法是在洪水分析(如上述的频率区划、致灾特征区划)、社会经济分析、抗灾性能分析和损失分析的基础上,计算更小单元(例如每平方公里)上的洪灾期望损失,将损失等级化,进行风险区划.

图2 永定河泛区洪水风险区划
从目前水灾损失情况看,农村和城市、经济欠发达地区和经济发达地区每平方公里年均损失在万元至百万元量级之间,将单位面积上期望损失划分为以下等级可能是适当的:<1万元/km2,1万~10万元/km,10万~50万元/km2,50万~100万元/km2和>100万元/km2.
采用不同的区划指标,可能得到不同的区划结果和决策支持信息,其运用取决于希望解决问题的性质.
3 典型流域洪水风险区划实例分析
3.1 长江流域洪水风险区划
在现有防洪工程体系下,以河道洪水淹没可能性(几率)衡量,长江中下游受洪水威胁地区大致可划分为5级风险区.
第一级风险区淹没几率最高,实际防洪能力在10年一遇洪水以下,多为当地农民自发围筑的圩垸,包括洲滩民垸和湖区规划外的圩垸(当地称之为“巴垸”),总面积约1000多km2,遇较大洪水,这些地区首当其冲,最先失守淹没.
第二级风险区为普通民垸,防洪能力大致为10~20年一遇.多为农业地区,经济欠发达,集中在湖区,是防洪规划中防洪标准最低的层次,洲滩民垸和巴垸失守后,若洪水位进一步上涨,一般而言,一些民垸将相继失守.
第三级风险区为蓄滞洪区,总面积1.18万km2,当洪水大到危及确保垸、省级甚至国家级防洪保护区时,根据防洪规划的规定,将主动启用相应的蓄滞洪区.使用几率大致在20~50年一遇,对特别重要的蓄滞洪区,例如荆江分洪区和洪湖分蓄洪区,即使确保垸即将失守,从防洪全局上考虑,通常也不会启用.
第四级风险区为确保垸和省级重点保护区(大致为Ⅱ级堤防保护范围).在规划的蓄滞洪区启用后,若洪水继续上涨,一些确保垸或省级保护区将会失守.从流域总体防洪能力上衡量,起淹没风险多在50~100年一遇,视来水情况和调度方式不同,有些区域可能会在遇50年一遇以下洪水时淹没.
第五级风险区为国家级防洪保护区(1级堤防保护区),包括荆江大堤、无为大堤、汉江遥堤、南线大堤、武汉市堤和南京市堤等11个重点城市堤防,这些地区受淹的几率很小,在现有防洪工程体系下,若调度合理(上述风险区渐次放弃),其失守的可能性多在100年一遇以下.
3.2 海河流域洪水风险区划
在现有防洪工程体系下,以河道洪水淹没可能性(几率)衡量,海河平原地区受洪水威胁地区大致可划分为5级风险区.
第一级风险区为海河各水系位于山前洪积、坡积平原地区的2级以上支流,防洪标准在10年一遇以下.
第二级风险区为山前洪积、坡积平原地区的1级支流和一些低标准蓄滞洪洼淀,防洪标准在10~20年一遇.
第三级风险区为各水系下游平原地区的1级支流和个别干流(例如卫河)及部分中小城市.防洪标准在20~50年一遇.
第四级风险区为各水系干流次要堤防和某些主要堤防保护范围及部分重点防洪城市,防洪标准在50~100年一遇.
第五级风险区为特别重要堤防的保护范围及北京、天津等重要城市,防洪标准在100年一遇以上,其中北京市更达到10000年一遇标准.
3.3 黄河流域洪水风险区划
黄河是举世闻名的“地上悬河”,洪水灾害威胁历来为世人所瞩目,国家历来也非常重视黄河流域的防洪建设.在现有防洪工程体系下,以河道洪水淹没可能性(几率)衡量,黄河流域受洪水威胁地区大致可划分为5级风险区.
第一级风险区为黄河下游两岸大堤之间广阔的滩地,这些行洪滩区既是行洪排沙的通道,又是滞洪滞沙的重要区域,现状洪水上滩的几率基本上在10年一遇以下.
第二级风险区为黄河中上游的1级支流和部分干流河段受凌汛威胁的地区,防洪标准在10~20年一遇.
第三级风险区为上游宁蒙河段、沁河下游、东平湖分洪区等周边地区,防洪标准在20~50年一遇.
第四级风险区为北金堤滞洪区.小浪底建成后规划作为处理稀遇洪水的临时分洪措施.但由于本地区已成为经济较为发达的地区,启用的几率已非常小,可能成为以后被废弃的对象,防洪标准可认为在50~100年一遇之间.
第五级风险区为黄河出山口以下广大的黄淮海平原.在不发生重大改道的条件下,黄河北决可能影响到海河流域南部平原地区,南决可能影响到淮河流域沙颖河以东淮河以北的广大地区,涉及面积约12万km2.由于本地区在我国国民经济中占有特别重要的地位,总体上讲防洪标准在100年一遇以上,经三门峡、小浪底、陆浑、故县水库调节后,防洪标准近1000年一遇.
3.4 珠江流域洪水风险区划
珠江流域以热带、亚热带气候为主体,降水强度大,是全国雨量最丰沛的地区.本区域由于丘陵较大,受洪水威胁的地区主要分布在中下游的河谷平原、下游三角洲及南盘江中上游.在现有防洪工程体系下,以河道洪水淹没可能性(几率)衡量,大致可划分为5级风险区.
第一级风险区为西江、北江各水系位于河谷平原地区的1级以上支流,防洪标准在10年一遇以下.
第二级风险区为1级支流干流次要堤防和某些主要堤防保护范围及部分中小城市,防洪标准在10~20年一遇.
第三级风险区为各水系交汇处的洪积,冲积平原地区主要堤防保护范围及部分重点防洪城市,如浔江、西江、红柳黔三江汇流地带等防洪区和南宁、柳州等重要城市,防洪标准在20~50年一遇.
第四级风险区为除北江大堤保护区以外的,包括西江、北江、东江下游平原和三角洲河网的广大地区,是我国城市化水平最高的地区,防洪标准在50~100年一遇.
第五级风险区为北江大堤保护区,涉及广州等重要城市,防洪标准在100年一遇以上,实际上已具备防御北江200年一遇洪水的能力.
3.5 太湖流域洪水风险区划
太湖流域以亚热带气候为主体,梅雨时间长,台风频繁,雨量丰沛.本区域以平原和湖泊洼地为主,受洪水威胁的地区主要分布中东部的平原圩区.本地区地势低洼,水情复杂.在现有防洪工程体系下,以河道洪水淹没可能性(几率)衡量,大致可划分为4级风险区.
第一级风险区为西部迎风坡的中小支流,防洪标准在10年一遇以下.
第二级风险区涉及东部平原圩区的绝大部分,地势低洼,水情复杂,排水出路不畅,防洪标准基本上在10~20年一遇.
第三级风险区为杭州、宁波及一些经济比较发达的中型城市,防洪标准在20~50年一遇.
由于太湖流域地势低洼,水情复杂,治太骨干工程尚未结束,本次区划没有圈定出第四级风险区的范围.
第五级风险区为上海市区,是我国特别需要保护的特大城市,防洪水位设防标准在1000年一遇以上.
3.6 松花江流域洪水风险区划
松花江流域地处北温带季风气候区,防洪的重点是干支流两岸的城市和松嫩平原.在现有防洪工程体系下,以河道洪水淹没可能性(几率)衡量,大致可划分为5级风险区.
第一级风险区为松花江、嫩江各水系1级以上支流,防洪标准在10年一遇以下.
第二级风险区为第二松花江干流和嫩江干流次要堤防和某些主要提防保护范围及部分中小城市,防洪标准在10~20年一遇.
第三级风险区为松花江干流、第二松花江干流和嫩江干流主要堤防范围及部分重点防洪城市,如大庆油田及其周边地区、佳木斯周边地区等,防洪标准在20~50年一遇.
第四级风险区为齐齐哈尔、牡丹江、长春、吉林等重点城市堤防,这些堤防防洪标准较高,是我国重要的工业城市,防洪标准在50~100年一遇.
第五级风险区为哈尔滨主城区堤防,在现有工程体系的条件下,若调度合理,基本上不会失守,防洪标准在100年一遇以上.
4 结 语
本文采用洪水风险区划方法对我国主要流域的洪水风险分区进行了初步的尝试,可以看出我国各大流域的洪水风险区划差别很大,这可能主要是由其特殊的地形地貌特点和气候特点决定的,当然建国以来长期的水利工程建设也极大地提高了我国人民防御洪水的能力.要以此进行洪水管理尚嫌不够,需要综合利用各流域的水文资料、社会经济资料、水利工程运用情况通过采用GIS和洪水演进模型等方法对各级风险区进行细化,以期对防洪决策提供更有价值的参考意见.
参 考 文 献
[1]刘树坤,杜一,富增慈等.全民防洪减灾手册[M].沈阳:辽宁人民出版社,1993.
[2]李建生主编.中国江河防洪丛书 综合卷[M].北京:中国水利水电出版社,1999.
[2]洪庆余主编.中国江河防洪丛书长江卷[M].北京:中国水利水电出版社,1998.
[3]冯焱主编.中国江河防洪丛书海河卷[M].北京:中国水利水电出版社,1993.
[4]胡一三主编.中国江河防洪丛书黄河卷[M].北京:中国水利水电出版社,1996.
[5]薛建枫主编 .中国江河防洪丛书 珠江卷[M].北京:中国水利水电出版社,1995.
[6]松辽水利委员会中国江河防洪丛书 松花江卷[M].北京:中国水利水电出版社,1994.
作者简介:姜付仁(1969-),男,博士.
作者单位:中国水利水电科学研究院
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