安徽省行蓄洪區(qū)啟用與極端氣候耦合可視化研究*

黃英琳，范小露，張新毅，陶蘇珍，胡 琪，楊紫琪

（阜陽(yáng)師范大學(xué)歷史文化與旅游學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236037）

在全球氣候變暖的背景下，極端天氣頻發(fā)，如近期英國(guó)受極端高溫天氣影響，發(fā)布了有史以來(lái)第一次極端高溫紅色預(yù)警并宣布國(guó)家進(jìn)入緊急狀態(tài)。我國(guó)為應(yīng)對(duì)此類(lèi)極端氣候的發(fā)生，國(guó)家修建了行蓄洪區(qū)等防洪工程設(shè)施。其中安徽省淮河流域行蓄洪區(qū)數(shù)量多、面積大、進(jìn)洪頻繁，對(duì)沿淮城市的安全有著不可或缺的作用。

此前已有許多相關(guān)學(xué)者對(duì)行蓄洪區(qū)不同的專(zhuān)題進(jìn)行了研究。關(guān)于行蓄洪區(qū)人口安置問(wèn)題，學(xué)者們提出加快區(qū)內(nèi)人口外遷、現(xiàn)有莊臺(tái)擴(kuò)容、保莊圩提標(biāo)、低洼地人口安置工程建設(shè)等解決方案[1-2]。行蓄洪區(qū)管理存在著返遷問(wèn)題突出、區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與防洪減災(zāi)協(xié)調(diào)性差等問(wèn)題[3]。運(yùn)用水動(dòng)力模型，研究多處行蓄洪區(qū)聯(lián)合調(diào)度問(wèn)題[4-5]。目前淮河流域行蓄洪區(qū)綜合治理研究已經(jīng)取得較大成就，但是缺乏科學(xué)的對(duì)行蓄洪區(qū)調(diào)度情況進(jìn)行的評(píng)價(jià)[6]。通過(guò)回顧行蓄洪區(qū)的啟用情況并分析歷年極端降水與啟用情況的關(guān)系，可以為將來(lái)科學(xué)調(diào)度行蓄洪區(qū)提供參考。本文將探究行蓄洪區(qū)的啟用情況和蓄洪區(qū)的啟用與極端降水的聯(lián)系，并通過(guò)分析耦合結(jié)果反映政府的應(yīng)急管理能力。

1 安徽省淮河流域行蓄洪區(qū)概況

淮河流域地處我國(guó)東部地區(qū)，屬于季風(fēng)氣候區(qū)，降水集中，地形平緩。淮河流域在此特定氣候條件、地理位置影響下水患嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)在16 世紀(jì)至新中國(guó)成立期間，每百年平均發(fā)生水災(zāi)94 次[7]。在新中國(guó)成立后，我國(guó)為了應(yīng)對(duì)水患的發(fā)生、保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，開(kāi)辟了行蓄洪區(qū)，形成了以水庫(kù)、行蓄洪區(qū)和各類(lèi)堤防為主體的防洪工程體系[8]。

自淮河流域行蓄洪區(qū)建設(shè)以來(lái)，安徽省淮河流域行蓄洪區(qū)歷經(jīng)了多次規(guī)劃調(diào)整，安徽省境內(nèi)淮河流域現(xiàn)有16 處行蓄洪區(qū)及5 處防洪保護(hù)區(qū)，總面積2 813.3 km2，區(qū)內(nèi)人口99.07 萬(wàn)人[9]。受行蓄洪區(qū)功能定位限制，區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，現(xiàn)有貧困人口較多，是安徽省深度貧困地區(qū)[10]。

安徽淮河流域行蓄洪區(qū)自1950 到2021 年運(yùn)用行蓄洪區(qū)的年份有30 年，現(xiàn)有16 處行蓄洪區(qū)啟用的年份有22 年，現(xiàn)有行蓄洪區(qū)共啟用129 次。安徽省各行蓄洪區(qū)啟用次數(shù)情況見(jiàn)圖1。

圖1 安徽省各行蓄洪區(qū)啟用次數(shù)情況

借助圖1，可將安徽省行蓄洪區(qū)啟用點(diǎn)位時(shí)空分布特征可視化。除圖1 中所示的行蓄洪區(qū)外，荊山湖、花園湖、潘村洼、老汪湖也均屬于安徽省淮河流域行蓄洪區(qū)，其啟用次數(shù)分別為10 次、3 次、2 次、1 次。

2 數(shù)據(jù)與方法

本文降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)下載的“中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）”。安徽省行蓄洪區(qū)的啟用情況數(shù)據(jù)由安徽省水利廳提供。受到部分?jǐn)?shù)據(jù)可得性的影響，本文選取1954—2019 年作為研究時(shí)限，主要研究濛洼、城西湖、城東湖3 處蓄洪區(qū)。

安徽省淮河流域干流蓄洪區(qū)有濛洼、城西湖、城東湖、瓦埠湖、邱家湖、南潤(rùn)段6 處，其中邱家湖、南潤(rùn)段在2016 年之前為行洪區(qū)，2016 后才被調(diào)整為蓄洪區(qū)。其余3 處蓄洪區(qū)中，濛洼、城西湖、城東湖啟用次數(shù)較多，且啟用情況的數(shù)據(jù)較為詳實(shí)，因此選擇濛洼、城西湖、城東湖3 處蓄洪區(qū)作為行蓄洪區(qū)啟用數(shù)據(jù)。

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC） 對(duì)極端天氣氣候事件的定義：對(duì)一特定地點(diǎn)和時(shí)間，極端天氣事件就是從概率分布的角度來(lái)看，發(fā)生概率極小的事件[11]。常見(jiàn)的極端氣候（以極端降水為例）閾值界定方法對(duì)比見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)比各個(gè)極端氣候閾值的優(yōu)缺點(diǎn)，采用較為適宜本次研究的局部百分位法，具體百分位為第90 百分位，即1951—2019淮河流域氣象站點(diǎn)所記錄的逐日數(shù)據(jù)中的前10%的濕日（日降水量≥0.1 mm） 作為極端降雨閾值，經(jīng)統(tǒng)計(jì)該區(qū)域極端降雨數(shù)據(jù)后，得出該區(qū)域的極端降雨閾值為23.9 mm。統(tǒng)計(jì)啟用行蓄洪區(qū)前及啟用期間的各站點(diǎn)極端降雨累計(jì)值，借助ArcGIS 軟件，使用普通克里金插值法，對(duì)站點(diǎn)的極端降雨累計(jì)值進(jìn)行插值，得出區(qū)域平均累計(jì)極端降水量，作為極端降水的耦合數(shù)據(jù)。關(guān)于城東湖、城西湖、濛洼3 處蓄洪區(qū)的耦合數(shù)據(jù)，采用行蓄洪區(qū)的啟用天數(shù)與蓄洪量，作為關(guān)于行蓄洪區(qū)啟用的耦合指標(biāo)。

表1 極端降水閾值界定方法對(duì)比

3 3處蓄洪區(qū)啟用分布特征

城東湖、城西湖及濛洼3 處蓄洪區(qū)在較大洪水年份均有1 處或多處啟用蓄洪（見(jiàn)圖2）。

圖2 3 處蓄洪區(qū)啟用情況

啟用蓄洪區(qū)起到了削減洪峰、減輕下游防洪壓力的作用。下面介紹城東湖、城西湖及濛洼3 處蓄洪區(qū)歷年啟用情況。

1954 年，江淮梅雨所造成的淮河洪水是是新中國(guó)成立后淮河流域最大洪水。城東湖、城西湖及濛洼蓄洪區(qū)開(kāi)啟正陽(yáng)關(guān)、潤(rùn)河集、王家壩等進(jìn)洪閘放水，進(jìn)洪期間城東湖、城西湖、濛洼的最高蓄水位分別高達(dá)26.58 m、27.82 m、29.25 m，最大進(jìn)洪量分別為1 450 m3/s、7 600 m3/s、1 150 m3/s，啟用天數(shù)分別為12 d、14 d、21 d，3 處蓄洪區(qū)蓄洪總量達(dá)55.5×108m3。

1956 年6 月，淮河流域發(fā)生洪水，本次洪水中，城東湖與濛洼兩處蓄洪區(qū)被啟用，兩處蓄洪區(qū)啟用天數(shù)分別為4 d、5 d，兩處的最大進(jìn)洪量分別為1 550 m3/s，1 640 m3/s。

1960 年6 月末7 月初，發(fā)生極端降雨，本次洪水相對(duì)較小，3 處蓄洪區(qū)只有濛洼被啟用，啟用天數(shù)為3 d，最大進(jìn)洪量為1 160 m3/s，蓄洪量為3×108m3。

1968 年7 月上旬，淮河上游豫東皖西地區(qū)連降暴雨，王家壩處淮河干流流量達(dá)到1.3 萬(wàn)m3/s，在此情況下，城東湖、城西湖及濛洼蓄洪區(qū)均被啟用，3 處蓄洪區(qū)蓄洪量分別為3.36×108m3、35.2×108m3、11.08×108m3，3 處啟用天數(shù)分別為4 d、2 d、10 d，蓄洪總量達(dá)49.64×108m3。

1975 年8 月初，淮河中上游受臺(tái)風(fēng)影響，發(fā)生了極端降水，濛洼和城東湖兩處蓄洪區(qū)被啟用，啟用天數(shù)分別為5 d、6 d，最大進(jìn)洪量達(dá)1 420 m3/s、1 000 m3/s，兩處蓄洪總量達(dá)9.6×108m3。

1982 年，淮河中上游于7 月中旬和8 月下旬先后發(fā)生兩次極端降水，7 月中旬3 處蓄洪區(qū)均未被啟用，在8 月下旬濛洼蓄洪區(qū)被啟用，其啟用天數(shù)為5 d，最大進(jìn)洪量達(dá)1 300 m3/s，蓄洪量達(dá)3.3×108m3。

1991 年夏季，淮河流域發(fā)生特大洪水，城東湖、城西湖及濛洼3 處蓄洪區(qū)均被啟用，其中濛洼在6 月、7 月均啟用，3 處蓄洪區(qū)啟用天數(shù)分別為2 d、4 d、7 d，3 處蓄洪量總量達(dá)15.39×108m3。

2003 年夏季，淮河發(fā)生僅次于1954 年的流域性大洪水，正陽(yáng)關(guān)以下淮河段水位超過(guò)歷史最高水位[12]。本次洪水期間，城東湖、濛洼被啟用，啟用天數(shù)分別為3 d、5 d，兩處蓄洪區(qū)的蓄洪量分別為3.1×108m3、5.61×108m3。

2007 年汛期，淮河流域出現(xiàn)極端降水，汛期面平均降雨達(dá)370 mm，為常年同期的2～3 倍[13]。本次汛期期間，啟用濛洼蓄洪區(qū)蓄洪，其啟用天數(shù)為7 d，啟用期間蓄洪量達(dá)2.44×108m3。

4 3 處蓄洪區(qū)啟用與極端降水的耦合關(guān)系

通過(guò)參考已有的耦合研究，本文研究討論蓄洪區(qū)啟用與極端降水兩個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系[14-15]。由于極端降水與行蓄洪區(qū)啟用情況的各指標(biāo)數(shù)據(jù)的量綱不同，必須對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱處理，本文采用的指標(biāo)均為負(fù)向型指標(biāo)，具體公式如下。

對(duì)于負(fù)向型指標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)化公式為

計(jì)算指標(biāo)rij的比重pij，即計(jì)算第i年第j個(gè)指標(biāo)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值，在所有被評(píng)價(jià)對(duì)象第j個(gè)指標(biāo)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值總和中的比例，具體公式為

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值ej，具體公式為

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的差異性系數(shù)λj，其值越大，則指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中就越重要。具體公式為

計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，具體公式為

對(duì)于綜合模型構(gòu)建，采用線(xiàn)性加權(quán)法對(duì)2 個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行綜合處理，具體公式為

式中：A1、A2為2 個(gè)子系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)函數(shù)。

對(duì)于耦合度的計(jì)算，這里借鑒物理學(xué)中的容量耦合概念及容量耦合系數(shù)模型，進(jìn)行推廣，得到多個(gè)系統(tǒng)（或要素） 相互作用的耦合度模型，即

通過(guò)式（7） 計(jì)算得出極端降水與行蓄洪區(qū)啟用情況兩個(gè)子系統(tǒng)的耦合度C（見(jiàn)表2）。

表2 耦合度及耦合協(xié)調(diào)度計(jì)算結(jié)果

參考已有研究，將3 處蓄洪區(qū)與極端降水量的耦合度C劃分為4 種耦合度類(lèi)型，它們分別為：[0，0.4]，屬于耦合度極低的類(lèi)型；（0.4，0.5]，屬于拮抗階段的類(lèi)型；（0.5，0.8]，屬于磨合階段的類(lèi)型；（0.8，1.0]，屬于耦合度極高的類(lèi)型[16]。耦合度越高，說(shuō)明極端降水與蓄洪區(qū)啟用情況在規(guī)模上一致性越高。大部分年份的極端降水與行蓄洪區(qū)啟用情況的耦合度在0.779 6～0.999 9 之間，耦合度較高，說(shuō)明整體上行蓄洪區(qū)的啟用情況符合當(dāng)時(shí)的極端降水量，行蓄洪區(qū)啟用合理，政府面對(duì)水災(zāi)的應(yīng)急能力強(qiáng)。

1954 年、1956 年、1968 年、2003 年4 個(gè)年份屬于耦合度極高的類(lèi)型，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)4 個(gè)年份的極端降水量較大，這導(dǎo)致整體上行蓄洪區(qū)啟用率與啟用規(guī)模大，因此極端降水與蓄洪區(qū)啟用的一致性高。極端降水量高，不易出現(xiàn)由于極端降水量低只需啟用少量其他行蓄洪區(qū)，而3 處蓄洪區(qū)啟用情況與極端降水量不匹配的情況。

1960 年耦合度類(lèi)型屬于耦合度極低的類(lèi)型，1975 年和2007 年耦合度類(lèi)型屬于磨合階段的類(lèi)型，說(shuō)明這3 個(gè)年份蓄洪區(qū)的啟用與極端降水量二者在規(guī)模的同步性上協(xié)調(diào)度低。其中，1960 年與1975年主要是由于淮河流域出現(xiàn)小范圍極端降水，大部分地區(qū)未出現(xiàn)極端降水，這導(dǎo)致將1960 年和1975年的累計(jì)極端降水量通過(guò)普通克里金插值法計(jì)算出的淮河流域平均極端降水值較小，與行蓄洪區(qū)啟用情況較不符；而2007 年耦合度類(lèi)型屬于磨合階段的類(lèi)型，這是由于啟用行蓄洪區(qū)較多，分散了城東湖、城西湖、濛洼的蓄洪壓力，減少了這3 處蓄洪區(qū)的蓄洪量與啟用天數(shù)。

運(yùn)用物理學(xué)的耦合度公式，進(jìn)行極端降水與蓄洪區(qū)的耦合度分析，能從數(shù)值分布的規(guī)律上看出二者在規(guī)模上的同步性，但很難從中看出其內(nèi)部的真正交互作用關(guān)系[17]。還需結(jié)合其他行蓄區(qū)的啟用情況與淮河流域具體的極端降水情況進(jìn)行分析。結(jié)合其他信息分析淮河流域極端降水與3 處蓄洪區(qū)啟用情況的耦合關(guān)系，驗(yàn)證了政府能在不同極端降水量下，通過(guò)及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)控啟用天數(shù)與蓄洪量等，在規(guī)模上較合理地運(yùn)用行蓄洪區(qū)，發(fā)揮了行蓄洪區(qū)的作用，減輕了淮河干流的洪水壓力。

淮河流域行蓄洪區(qū)對(duì)削減洪峰、保障沿淮人民生命安全起到了重要作用。同時(shí)，淮河流域行蓄洪區(qū)是區(qū)內(nèi)群眾賴(lài)以生產(chǎn)生活的基地，而淮河流域行蓄洪區(qū)的建設(shè)與啟用嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)生活的基地。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加，行蓄洪區(qū)內(nèi)人均居住面積少，居民生活質(zhì)量無(wú)法保證，行蓄洪區(qū)的防洪減災(zāi)體系建設(shè)和管理問(wèn)題日益突出。因此安徽省人民政府在科學(xué)調(diào)度行蓄洪區(qū)進(jìn)行防洪規(guī)劃保障重點(diǎn)地區(qū)的安全，同時(shí)高度重視行蓄洪區(qū)內(nèi)的安全設(shè)施建設(shè)。2018 年安徽省人民政府根據(jù)行蓄洪區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別、人口分布、安全設(shè)施建設(shè)等情況，實(shí)施“一區(qū)一策”，重點(diǎn)推進(jìn)人口安置、莊臺(tái)構(gòu)筑、保莊圩修筑、保莊圩達(dá)標(biāo)改造、行洪區(qū)調(diào)整等五大任務(wù)[18]。

在人口安置上，政府因地制宜對(duì)低洼地區(qū)群眾進(jìn)行移民建鎮(zhèn)，同時(shí)嚴(yán)格控制區(qū)內(nèi)人口數(shù)量。政府加強(qiáng)莊臺(tái)構(gòu)筑，擴(kuò)大莊臺(tái)面積，提高群眾的人均居住面積，改善居民的生活環(huán)境。針對(duì)以往保莊圩排澇標(biāo)準(zhǔn)低的問(wèn)題，政府著力修筑保莊圩，并對(duì)保莊圩進(jìn)行達(dá)標(biāo)改造，提高防洪能力與防洪標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對(duì)沿岸地區(qū)的保護(hù)。對(duì)于進(jìn)洪頻繁的問(wèn)題，政府加強(qiáng)行蓄洪區(qū)建設(shè)，精準(zhǔn)調(diào)度，不斷提高啟用標(biāo)準(zhǔn)，以減少行蓄洪區(qū)內(nèi)居民受災(zāi)次數(shù)。安徽省人民政府對(duì)淮河流域行蓄洪區(qū)調(diào)整與改造、扶貧與開(kāi)發(fā)、建設(shè)與管理等綜合治理成效初步顯現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

1） 安徽省淮河流域的行蓄洪區(qū)自建設(shè)以來(lái)，經(jīng)歷了多次規(guī)劃，調(diào)整到現(xiàn)在的16 處行蓄洪區(qū)，調(diào)度啟用行蓄洪區(qū)事關(guān)淮河流域防洪和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的大局，回顧行蓄洪區(qū)的發(fā)展歷程和分析其歷次運(yùn)用情況尤為必要。本文將現(xiàn)行的行蓄洪區(qū)的歷年啟用的時(shí)空分布特征可視化，直觀呈現(xiàn)了行蓄洪區(qū)的運(yùn)用情況，對(duì)于研究行蓄洪區(qū)的啟用情況具有現(xiàn)實(shí)意義。

2） 本文通過(guò)建立3 處蓄洪區(qū)啟用情況與極端降水綜合評(píng)價(jià)體系，運(yùn)用耦合模型分析在不同量的極端降水下行蓄洪區(qū)啟用的情況，結(jié)果顯示大部分年份行蓄洪區(qū)啟用得合理得當(dāng)。這反映了政府擁有對(duì)淮河流域雨情、水情、險(xiǎn)情等信息準(zhǔn)確判斷的能力，擁有防汛調(diào)度、決策和防洪減災(zāi)的應(yīng)急管理能力。受行蓄洪區(qū)功能定位限制，區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)薄弱滯后，產(chǎn)業(yè)布局受到嚴(yán)重制約，經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢。為此安徽省人民政府在對(duì)突發(fā)事件具有科學(xué)的應(yīng)急能力的同時(shí)，能通過(guò)對(duì)行蓄洪區(qū)進(jìn)行調(diào)整與改造、扶貧與開(kāi)發(fā)、建設(shè)與管理等綜合治理，以改善人居環(huán)境，并減少突發(fā)事件造成的生命財(cái)產(chǎn)損失。本文為評(píng)價(jià)行蓄洪區(qū)調(diào)度啟用的相關(guān)研究提供了參考，也使淮河流域的行蓄洪區(qū)調(diào)度啟用走上了更加科學(xué)的道路。