蓄滯洪區(qū)淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)度數(shù)值計(jì)算方法研究

王秀蓮 譚桂秋 楊井泉 劉思清

(水利部海河水利委員會(huì)，天津 300170)

1 問(wèn)題的提出

蓄滯洪區(qū)是河堤背水面以外臨時(shí)貯存洪水的低洼地區(qū)，是主動(dòng)分洪蓄水的防洪設(shè)施，也是流域防洪體系的重要組成部分。在《全國(guó)蓄滯洪區(qū)建設(shè)與管理規(guī)劃》［1，2］中，共計(jì)規(guī)劃了 94 處。不同于洪泛區(qū)和防洪保護(hù)區(qū)，蓄滯洪區(qū)既是用于滯蓄洪水的場(chǎng)所，又是當(dāng)?shù)鼐用褓囈陨婧桶l(fā)展的基地。當(dāng)?shù)厝罕娋幼≡谛顪閰^(qū)之內(nèi)，必然承受洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這種情況，國(guó)家一直都在開(kāi)展蓄滯洪區(qū)安全建設(shè)，為當(dāng)?shù)厝罕娫黾颖芎樵O(shè)施，確保群眾生命安全。在安全建設(shè)工作中，關(guān)鍵問(wèn)題之一是不同或同一蓄滯洪區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)度及其差別，這是安排建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施步驟、擬定安全建設(shè)模式的重要依據(jù)。然而，到目前為止，缺乏計(jì)算蓄滯洪區(qū)洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)度數(shù)值的成熟方法。本文將通過(guò)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行定性比較，篩選出幾個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)因素作為自變量，建立淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)度與自變量的函數(shù)關(guān)系，研究探討蓄滯洪區(qū)的洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)度數(shù)值計(jì)算方法。

2 風(fēng)險(xiǎn)因素分析及篩選

風(fēng)險(xiǎn)即危險(xiǎn)，是指遭受損失、傷害、不利或毀滅的可能性。蓄滯洪區(qū)的洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)就是特定某一局部區(qū)域遭到淹沒(méi)的可能，或發(fā)生這種事件的概率。然而，僅僅給出事件發(fā)生的概率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足安排建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施步驟、擬定安全建設(shè)模式等現(xiàn)實(shí)工作的要求。除概率之外，淹沒(méi)對(duì)居民生命、固定資產(chǎn)構(gòu)成的威脅程度，比如淹沒(méi)水深和淹沒(méi)時(shí)間不同，構(gòu)成的危險(xiǎn)程度都會(huì)不同。所以，蓄滯洪區(qū)的淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)度是集事件發(fā)生概率與構(gòu)成威脅程度大小為一體的綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。影響這一綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)大小的各種原因，稱之為風(fēng)險(xiǎn)因素。

2.1 分 析

2.1.1 運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)

蓄滯洪區(qū)共分為3類:①重要蓄滯洪區(qū);②一般蓄滯洪區(qū);③蓄滯洪保留區(qū)。前兩類都是針對(duì)防御河流或流域設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水而設(shè)置。而第3類多是為了防御超標(biāo)準(zhǔn)洪水而設(shè)置。蓄滯洪區(qū)的運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)與其所服務(wù)的流域防洪標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)，其含義是:當(dāng)流域遭遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，該蓄滯洪區(qū)的口門、堤防等設(shè)施全部能夠正常運(yùn)用，并保證洪水“分得進(jìn)、蓄得住、退得出”，不會(huì)使洪水向蓄滯洪區(qū)之外肆意泛濫。運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)有兩種表述方式，意識(shí)頻率法(P)，一種是重現(xiàn)期法(Ty)，如50 a一遇標(biāo)準(zhǔn)分別為1/50和 50 a，Ty=1/p。

2.1.2 啟用幾率

蓄滯洪區(qū)的啟用幾率是形成風(fēng)險(xiǎn)的直接因素之一，是指流域遭遇多大的洪水便要開(kāi)始使用蓄滯洪區(qū)，也就是蓄滯洪區(qū)開(kāi)始遭受淹沒(méi)的概率。比如:海河流域的東淀與文安洼的啟用幾率存在較大差別，東淀遇5 a一遇洪水就要啟用，而文安洼遇25 a一遇以上的洪水才開(kāi)始啟用。啟用幾率(n)越高，風(fēng)險(xiǎn)度越大。

2.1.3 淹沒(méi)水深

淹沒(méi)水深是造成風(fēng)險(xiǎn)大小的直接因素，是一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，其變化過(guò)程由小變大，再由大變小。這里的淹沒(méi)水深特指蓄滯洪區(qū)運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)情況下對(duì)應(yīng)的最大淹沒(méi)水深。不僅每處蓄滯洪區(qū)的淹沒(méi)水深存在差別，同一蓄滯洪區(qū)每個(gè)局部之間的淹沒(méi)水深也有差別。淹沒(méi)水深(H)越大，風(fēng)險(xiǎn)度(R)越大。

2.1.4 淹沒(méi)歷時(shí)

淹沒(méi)歷時(shí)是指從地面上水，達(dá)到最高水位(即達(dá)到最大淹沒(méi)水深)，再通過(guò)退水而露出地面全過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間。不同的蓄滯洪區(qū)淹沒(méi)歷時(shí)不同;同一蓄滯洪區(qū)的不同地點(diǎn)，淹沒(méi)歷時(shí)也不一樣。一般來(lái)說(shuō)，地勢(shì)低的地點(diǎn)，淹沒(méi)水深大，歷時(shí)也長(zhǎng);地勢(shì)相對(duì)較高的，淹沒(méi)水深小，歷時(shí)也短。當(dāng)然，行洪特點(diǎn)明顯的蓄滯洪區(qū)不存在這樣的規(guī)律。歷時(shí)越長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)越大。歷時(shí)是修正風(fēng)險(xiǎn)度的必要因素，在風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算中將被用于修正基本風(fēng)險(xiǎn)度而得到最終風(fēng)險(xiǎn)度。修正系數(shù)(φ)是歷時(shí)(t)的函數(shù)，其關(guān)系為φ=f(t)。

2.1.5 洪水流速

從河道向蓄滯洪區(qū)分洪時(shí)，流速較快。特別是分洪口門附近，將會(huì)造成較強(qiáng)沖擊力，對(duì)人員生命和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成較大威脅。然而，這樣的區(qū)域一般范圍不大;而較大范圍的區(qū)域水流流速一般較小，水流沖擊力相對(duì)淹沒(méi)水深形成的威脅要小很多，流速(V)越大，風(fēng)險(xiǎn)度(R)越大。

2.1.6 風(fēng) 浪

當(dāng)蓄滯洪區(qū)滯蓄洪水后，風(fēng)浪作用也將加大淹沒(méi)致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)度。風(fēng)浪越大，風(fēng)險(xiǎn)度越大。不同地區(qū)風(fēng)速、吹程的取值及浪高的計(jì)算可參考《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》。

2.1.7 控制能力

洪水進(jìn)入蓄滯洪區(qū)有多種途徑:①通過(guò)分洪閘分洪，如黃莊洼的白毛莊分洪閘;②通過(guò)口門自饋分洪，如永定河泛區(qū)內(nèi)的王碼分洪口門;③靠人工扒口分洪，如文安洼的灘里口門;④無(wú)控進(jìn)入，如寧晉泊、大陸澤等上游山區(qū)發(fā)生洪水，將通過(guò)河道和山前坡水區(qū)直接涌入?？刂颇芰υ礁?，風(fēng)險(xiǎn)度相對(duì)越小，反之亦然。

2.1.8 撤退時(shí)間

洪水發(fā)生時(shí)，要組織群眾有秩序地撤離。距離圍堤或安置地點(diǎn)較近的容易撤離，撤退時(shí)間短;距離安置地點(diǎn)遠(yuǎn)的，需要較長(zhǎng)的撤離時(shí)間。撤離能在一定程度上降低風(fēng)險(xiǎn)。分洪口門的控制能力，可為群眾提供更多的撤離時(shí)間，從而有效降低風(fēng)險(xiǎn)度。

2.2 篩 選

以上列出了8種對(duì)風(fēng)險(xiǎn)度產(chǎn)生直接或間接影響的因素。根據(jù)各個(gè)因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響程度不同，并經(jīng)過(guò)綜合分析比較，可將這8個(gè)因素劃分為3類:①關(guān)鍵因素，包括淹沒(méi)水深(H)、運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)(P或Ty)、啟用幾率(n或Tq)。這類因素是進(jìn)行基本風(fēng)險(xiǎn)度數(shù)值計(jì)算所要依賴的自變量;②必要因素，那就是淹沒(méi)時(shí)間(t)，可對(duì)風(fēng)險(xiǎn)度進(jìn)行修正;③一般因素，即洪水流速、風(fēng)浪、控制能力、人員撤離時(shí)間。在進(jìn)行宏觀計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)度時(shí)，一般因素可暫時(shí)忽略;如果進(jìn)行微觀計(jì)算或者遇到某一因素在該區(qū)域起關(guān)鍵作用的特殊情況時(shí)，再將其列入，根據(jù)其產(chǎn)生作用的大小，列入第2類之中，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)度進(jìn)行修正。

3 計(jì)算方法

蓄滯洪區(qū)的淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)度是集局部區(qū)域遭受淹沒(méi)的概率與本區(qū)域生命、財(cái)產(chǎn)遭受威脅程度大小的綜合指標(biāo)。測(cè)算這一綜合指標(biāo)所利用的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素都應(yīng)具有可比性，并能直觀、容易地采集到數(shù)據(jù)。比如，甲蓄滯洪區(qū)的A區(qū)域，其啟用幾率為20 a一遇，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，最大淹沒(méi)水深為3 m，淹沒(méi)歷時(shí)為60 d;而乙蓄滯洪區(qū)的B區(qū)域，其啟用幾率為5 a一遇，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，最大淹沒(méi)水深為 2 m，淹沒(méi)歷時(shí)為50 d。運(yùn)用單指標(biāo)定性對(duì)比，得出的結(jié)論不一致，A、B區(qū)淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)度各有高低，A區(qū)高的占3項(xiàng)，B區(qū)高的占1項(xiàng)。因此，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)域并沒(méi)有定論。所以，利用單指標(biāo)比較還不能綜合反映兩個(gè)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)度的高低。風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值計(jì)算就是將以上單項(xiàng)指標(biāo)綜合在一起進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果可供不同區(qū)域之間進(jìn)行對(duì)比。

風(fēng)險(xiǎn)度數(shù)值計(jì)算分為兩個(gè)步驟:①利用淹沒(méi)水深、運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)和啟用幾率3個(gè)關(guān)鍵因素計(jì)算基本風(fēng)險(xiǎn)度(Rj)，②利用淹沒(méi)歷時(shí)計(jì)算修正系數(shù)φ，再用φ與基本風(fēng)險(xiǎn)程度 Rj相乘，得出區(qū)域淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)度(R)［3］。

3.1 基本風(fēng)險(xiǎn)度Rj的計(jì)算

如前所述，決定基本風(fēng)險(xiǎn)度的3個(gè)因素為淹沒(méi)水深(H)、運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)(運(yùn)用重現(xiàn)期)和啟用幾率(啟用重現(xiàn)期)。以基本風(fēng)險(xiǎn)度存在不同的函數(shù)關(guān)系，基本風(fēng)險(xiǎn)度由3部分組成，即:Rj=Rj1+Rj2+Rj3。該三項(xiàng)式稱之為“基本風(fēng)險(xiǎn)度公式”。該式的第1項(xiàng)以淹沒(méi)水深與運(yùn)用重現(xiàn)期反應(yīng)。該分項(xiàng)基本風(fēng)險(xiǎn)度與水深和運(yùn)用重現(xiàn)期均呈正比例關(guān)系，即水深越大，風(fēng)險(xiǎn)度越大;運(yùn)用重現(xiàn)期越大，風(fēng)險(xiǎn)度越大。比如，重現(xiàn)期為50 a的蓄滯洪區(qū)，要保證遇50 a一遇洪水時(shí)，仍然要確保洪水“蓄得住”，當(dāng)?shù)赜鲞@樣的洪水，仍然承受著被淹沒(méi)的風(fēng)險(xiǎn);而重現(xiàn)期為20 a的蓄滯洪區(qū)，僅僅負(fù)責(zé)緩滯20 a一遇及以下洪水，超過(guò)時(shí)，就有漫溢潰堤的可能，只要出現(xiàn)漫溢或潰堤，蓄滯洪區(qū)內(nèi)所遭受的淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)立即會(huì)相應(yīng)減免。從這一角度分析，得出的結(jié)論是:蓄滯洪區(qū)的運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)越高，淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)度越大，其數(shù)值以基本風(fēng)險(xiǎn)度公式中的第1項(xiàng)來(lái)表示:

運(yùn)用重現(xiàn)期對(duì)基本風(fēng)險(xiǎn)度的反映具有雙重作用。除了上述正比例關(guān)系外，隨運(yùn)用重現(xiàn)期的增大，基本風(fēng)險(xiǎn)度會(huì)減小。比如，以相同的淹沒(méi)水深為條件進(jìn)行比較，20 a一遇低標(biāo)準(zhǔn)的蓄滯洪區(qū)，遇20 a一遇這樣的洪水，將達(dá)到指定的淹沒(méi)水深;而50 a一遇高標(biāo)準(zhǔn)的蓄滯洪區(qū)，遇到50 a一遇的洪水，其淹沒(méi)才達(dá)到指定的深度。從該種意義上分析，得到的結(jié)論是:隨運(yùn)用重現(xiàn)期的增加，基本風(fēng)險(xiǎn)度減小?；撅L(fēng)險(xiǎn)度與運(yùn)用重現(xiàn)期呈反比例關(guān)系。這一特征的反映，用基本風(fēng)險(xiǎn)度公式中的第2項(xiàng)來(lái)表示:

第3項(xiàng)是基本風(fēng)險(xiǎn)度與啟用重現(xiàn)期的關(guān)系?；撅L(fēng)險(xiǎn)度與啟用重現(xiàn)期呈反比例關(guān)系，啟用重現(xiàn)期越小，啟用的幾率越高，基本風(fēng)險(xiǎn)度越大，同時(shí)，該項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)度還與淹沒(méi)水深成正比例關(guān)系，但是，這里采用的是0.5倍的水深，這是因?yàn)閯倓倖⒂脮r(shí)，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)洪水對(duì)應(yīng)的最大淹沒(méi)水深，所以做了相應(yīng)的折減。第3項(xiàng)基本風(fēng)險(xiǎn)度與水深及啟用重現(xiàn)期的函數(shù)關(guān)系為:

以上3個(gè)公式中，C1、C2、C3為3個(gè)不同的系數(shù)，分別為1/100、20.0和10.0;H 為淹沒(méi)水深，m;Ty為運(yùn)用重現(xiàn)期，a;Tq為啟用重現(xiàn)期，a。

據(jù)此可計(jì)算出各個(gè)因素的部分指標(biāo)對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)險(xiǎn)度數(shù)值。

從目前來(lái)看，全國(guó)規(guī)劃和各處蓄滯洪區(qū)都有現(xiàn)成的運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)條件下的《最大淹沒(méi)水深等值線圖》，只要采集到某一局部區(qū)域的淹沒(méi)水深(H)數(shù)據(jù)，再調(diào)查出本滯洪區(qū)的啟用幾率，就可查出各個(gè)局部區(qū)域的分項(xiàng)基本風(fēng)險(xiǎn)度數(shù)值，將3個(gè)數(shù)值相加，就可得到基本風(fēng)險(xiǎn)度(Rj)的值。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)度R的計(jì)算

風(fēng)險(xiǎn)度R的計(jì)算，就是以基本風(fēng)險(xiǎn)度為基礎(chǔ)，進(jìn)行一次修正，其修正的依據(jù)是淹沒(méi)歷時(shí)。R與Rj的關(guān)系式為:R=φ*Rj

根據(jù)調(diào)查與分析，當(dāng)淹沒(méi)歷時(shí)約為10 d時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)度與基本風(fēng)險(xiǎn)度相當(dāng)，修正系數(shù)φ約等于1.0;當(dāng)淹沒(méi)歷時(shí)達(dá)到50 d時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)度將增加80%，當(dāng)淹沒(méi)歷時(shí)達(dá)到90 d時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)程度將增加到3倍。按此調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，修正系數(shù)φ與淹沒(méi)歷時(shí)(t)呈二次函數(shù)關(guān)系。經(jīng)推算，其關(guān)系方程為:

式中:φ為修正系數(shù);t淹沒(méi)歷時(shí)(d);a、b、c為常數(shù)，分別為1/8000、1/80和69/80。

每個(gè)蓄滯洪區(qū)在利用二維不恒定流進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬計(jì)算，進(jìn)而繪制淹沒(méi)等值線圖時(shí)，都有水位變化過(guò)程，這樣可以根據(jù)水位的變化歷程和所選局部區(qū)域的地勢(shì)高程，很容易地推算出局部區(qū)域淹沒(méi)歷時(shí)(t)天數(shù)，這樣就可以利用式(4)進(jìn)一步計(jì)算出φ的值，進(jìn)而計(jì)算出不同蓄滯洪區(qū)，乃至不同局部區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)度R的數(shù)值。

4 應(yīng)用前景

該方法可以在流域綜合規(guī)劃、流域防洪規(guī)劃、蓄滯洪區(qū)安全建設(shè)模式擬定、安全建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施安排等方面得到應(yīng)用。具體如下:①可以比較兩個(gè)及其以上蓄滯洪區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)度的高低，從而確定哪個(gè)蓄滯洪區(qū)的安全建設(shè)更為迫切;②可以對(duì)蓄滯洪區(qū)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，將整個(gè)蓄滯洪區(qū)劃分為重度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和輕度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)［3，4］。下面以兩個(gè)算例說(shuō)明計(jì)算方法的應(yīng)用前景。

(1)比較兩個(gè)蓄滯洪區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)高低。從每個(gè)蓄滯洪區(qū)范圍內(nèi)，選擇能夠代表本蓄滯洪區(qū)的典型區(qū)域，之后，采集風(fēng)險(xiǎn)因素?cái)?shù)據(jù)。如前述的A區(qū)和B區(qū)，經(jīng)計(jì)算可得:

經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)度數(shù)值計(jì)算后比較，B區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)高于A區(qū)。

(2)蓄滯洪區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。以選定蓄滯洪區(qū)運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的淹沒(méi)等直線圖為基礎(chǔ)，以不同淹沒(méi)水深區(qū)為局部區(qū)域，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算;之后，按風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn):即 R ＞6.0為重度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，3.0 ＜R ＜6.0為中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，R＜3.0為輕度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃定以后，可向社會(huì)公布，告知當(dāng)?shù)厝罕?，指?dǎo)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)，也可按區(qū)劃所劃定區(qū)域分別擬定安全建設(shè)模式。

［1］水利部.全國(guó)蓄滯洪區(qū)建設(shè)與管理規(guī)劃［R］.北京:水利部，2009.

［2］水利部海河水利委員會(huì).海河流域蓄滯洪區(qū)建設(shè)與管理規(guī)劃(報(bào)批稿)［R］.天津:水利部海河水利委員會(huì)，2010.

［3］陳敬學(xué)，張東瀛，劉思清.蓄滯洪區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展途徑探討［J］.海河水利，2006，(1):28 －29.

［4］劉思清，楊至安，于翚.對(duì)海河流域蓄滯洪區(qū)安全建設(shè)適宜設(shè)施的探討［J］.海河水利，2005，(3):26－28.