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太湖流域应对特大洪水防洪工程效益模拟

王艳艳 王静 胡昌伟 刘浏 俞茜

王艳艳, 王静, 胡昌伟, 刘浏, 俞茜. 太湖流域应对特大洪水防洪工程效益模拟[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 885-896. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.008
引用本文: 王艳艳, 王静, 胡昌伟, 刘浏, 俞茜. 太湖流域应对特大洪水防洪工程效益模拟[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 885-896. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.008
WANG Yanyan, WANG Jing, HU Changwei, LIU Liu, YU Qian. Benefit simulation of flood control project in Taihu Lake basin under extreme floods[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 885-896. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.008
Citation: WANG Yanyan, WANG Jing, HU Changwei, LIU Liu, YU Qian. Benefit simulation of flood control project in Taihu Lake basin under extreme floods[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 885-896. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.008

太湖流域应对特大洪水防洪工程效益模拟

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.008
基金项目: 

国家重点研发计划资助项目 2018YFC1508003

水利部公益性行业科研专项经费资助项目 201501014

详细信息
    作者简介:

    王艳艳(1972-), 女, 陕西咸阳人, 教授级高级工程师, 博士, 主要从事洪水风险分析、防洪经济方面研究。E-mail:wangyy@iwhr.com

  • 中图分类号: TV122

Benefit simulation of flood control project in Taihu Lake basin under extreme floods

Funds: 

The study is financially supported by National Key R & D Program of China 2018YFC1508003

the National Non-Profit Research Program of China 201501014

  • 摘要: 防洪效益评估对防洪工程投资决策与减灾对策制定具有重要意义。建立集成了与太湖流域防洪效益评估相关的系列模型和方法,包括含降雨产流与平原净雨计算的水文分析方法、由河网水动力学模型和平原区域洪水分析模型组成的大尺度水力学模型、综合流域社会经济和淹没因素的洪灾损失评估模型。模拟了太湖流域遇特大洪水的灾害损失,开展了不同防洪工程应对流域性特大洪水减灾效益的预测分析。结果表明:1999年型200年一遇降雨将会给太湖流域造成高达568.29亿元的直接经济损失,外排动力增强30%至100%的防洪效益介于26.69亿元到45.70亿元之间,新建圩区、太浦河拓宽的防洪效益依次减小,而圩区泵排能力增加30%的防洪效益仅为0.65亿元。基于研究成果提出了增设外排泵站、加强圩区科学调度、通过保险分担风险等应对特大洪水的对策措施建议,为太湖流域特大洪水的防治提供支撑和参考。
  • 图  1  太湖流域水利分区及现状防洪工程

    Figure  1.  Water conservancy zoning and flood control projects in Taihu Lake basin

    图  2  浙西区1999年雨型200年一遇设计降雨过程

    Figure  2.  200-year designed rainfall process of 1999 type in Zhexi region

    图  3  太湖流域土地利用分布

    Figure  3.  Land use of Taihu Lake basin

    图  4  模型数据流程

    Figure  4.  Data flow diagram of models

    图  5  流域洪水淹没分析概化

    Figure  5.  Conceptual diagram of flood inundation analysis in Taihu Lake basin

    图  6  各水位站验证比较

    Figure  6.  Verification of water-level stations

    图  7  工程措施在大尺度水力学模型中的体现

    Figure  7.  Flood control measures reflection in flood simulation model

    图  8  洪水淹没水深

    Figure  8.  Flood inundation map

    表  1  分类资产洪灾损失率关系

    Table  1.   Loss rate-flood depth relation of various assets %

    分类 h≤0.5 m 0.5 < h≤1.0 m 1.0 < h≤1.5 m 1.5 < h≤2.0 m 2.0 < h≤2.5 m 2.5 < h≤3.0 m h>3.0 m
    家庭财产 房屋 2 5 8 12 16 19 22
    室内财产 3 8 16 23 27 31 41
    农业 12 25 60 80 100 100 100
    工业 固定资产 2 6 9 13 17 21 25
    存货 4 10 16 24 27 31 33
    商业 固定资产 2 6 9 12 15 18 21
    存货 4 10 18 26 30 34 38
    工程设施 3 7 12 17 22 27 30
    注:h为淹没水深。
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    表  2  洪水淹没面积统计及防洪工程效益计算

    Table  2.   Flood inundation area and benefit of various flood control measures

    方案名称 淹没面积/km2 受淹人口/万人 经济损失/亿元
    0.05 < h≤0.30 m 0.30 < h≤0.50 m 0.50 < h≤1.00 m 1.00 < h≤1.50 m 1.50 < h≤2.00 m h>2.00 m 合计
    基准方案 628.96 1 065.61 776.00 439.79 346.33 460.88 3 717.57 538.51 568.29
    太浦河拓宽 计算值 630.13 1 060.73 775.26 438.96 361.21 439.13 3 705.42 537.26 564.16
    减少 -1.17 4.88 0.74 0.83 -14.88 21.75 12.15 1.25 4.13
    外排动力增加30% 计算值 651.63 1 024.60 764.13 416.80 359.36 416.22 3 632.74 525.46 541.33
    减少 -22.67 41.01 11.87 22.99 -13.03 44.66 84.83 13.05 26.96
    外排动力增加1倍 计算值 615.15 983.57 715.07 417.48 341.80 394.30 3 467.37 509.37 522.59
    减少 13.81 82.04 60.93 22.31 4.53 66.58 250.20 29.14 45.70
    新建圩区 计算值 639.56 999.10 683.37 394.09 361.04 476.19 3 553.35 524.29 557.01
    减少 -10.60 66.51 92.63 45.70 -14.71 -15.31 164.22 14.22 11.28
    圩区泵排能力增加30% 计算值 598.01 1 057.03 776.97 439.50 362.84 446.94 3 681.29 533.68 567.64
    减少 30.95 8.58 -0.97 0.29 -16.51 13.94 36.28 4.83 0.65
    圩区泵排能力增加100% 计算值 588.73 1 058.06 780.69 438.60 359.91 450.43 3 676.42 531.40 566.98
    减少 40.23 7.55 -4.69 1.19 -13.58 10.45 41.15 7.11 1.31
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    表  3  太浦河拓宽分行政区防洪效益

    Table  3.   Region flood alleviation benefit of Taipu River widening

    地级市 县区 防洪减灾效益/万元
    嘉兴市 南浔区 2 261
    南湖区 3 554
    嘉善县 6 936
    秀洲区 8 480
    苏州市 吴江区 12 558
    无锡市 宜兴市 2 672
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    表  4  外排动力增加100%分行政区防洪效益

    Table  4.   Region flood alleviation benefit of reinforced 100% external power

    地级市 县区 防洪减灾效益/万元
    嘉兴市 秀洲区 33 257
    嘉善县 31 714
    南湖区 31 530
    海宁市 21 681
    杭州市 拱墅区 58 585
    无锡市 江阴市 17 900
    苏州市 吴江区 31 450
    上海市 青浦区 20 398
    嘉定区 21 166
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-14
  • 网络出版日期:  2020-05-19
  • 刊出日期:  2020-11-30

太湖流域应对特大洪水防洪工程效益模拟

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.008
    基金项目:

    国家重点研发计划资助项目 2018YFC1508003

    水利部公益性行业科研专项经费资助项目 201501014

    作者简介:

    王艳艳(1972-), 女, 陕西咸阳人, 教授级高级工程师, 博士, 主要从事洪水风险分析、防洪经济方面研究。E-mail:wangyy@iwhr.com

  • 中图分类号: TV122

摘要: 防洪效益评估对防洪工程投资决策与减灾对策制定具有重要意义。建立集成了与太湖流域防洪效益评估相关的系列模型和方法,包括含降雨产流与平原净雨计算的水文分析方法、由河网水动力学模型和平原区域洪水分析模型组成的大尺度水力学模型、综合流域社会经济和淹没因素的洪灾损失评估模型。模拟了太湖流域遇特大洪水的灾害损失,开展了不同防洪工程应对流域性特大洪水减灾效益的预测分析。结果表明:1999年型200年一遇降雨将会给太湖流域造成高达568.29亿元的直接经济损失,外排动力增强30%至100%的防洪效益介于26.69亿元到45.70亿元之间,新建圩区、太浦河拓宽的防洪效益依次减小,而圩区泵排能力增加30%的防洪效益仅为0.65亿元。基于研究成果提出了增设外排泵站、加强圩区科学调度、通过保险分担风险等应对特大洪水的对策措施建议,为太湖流域特大洪水的防治提供支撑和参考。

English Abstract

王艳艳, 王静, 胡昌伟, 刘浏, 俞茜. 太湖流域应对特大洪水防洪工程效益模拟[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 885-896. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.008
引用本文: 王艳艳, 王静, 胡昌伟, 刘浏, 俞茜. 太湖流域应对特大洪水防洪工程效益模拟[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 885-896. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.008
WANG Yanyan, WANG Jing, HU Changwei, LIU Liu, YU Qian. Benefit simulation of flood control project in Taihu Lake basin under extreme floods[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 885-896. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.008
Citation: WANG Yanyan, WANG Jing, HU Changwei, LIU Liu, YU Qian. Benefit simulation of flood control project in Taihu Lake basin under extreme floods[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 885-896. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.008
  • 防洪效益评估对防洪工程投资决策与减灾对策制定具有重要意义[1-3]。在建设前进行的防洪效益评估结果是决定工程兴建与否的重要依据之一[4]; 已建工程的防洪效益评估则用来全面衡量防洪投入的产出, 以量化的经济数据向全社会展现防洪建设的效果。

    国内外学者进行了大量防洪效益评估研究工作。成本效益分析法是美国最为常用的防洪减灾活动经济分析方法[5], Rose等[6]对美国联邦应急管理署(Federal Emergency Management Agency)1993—2003年的减灾效益和成本进性了综合评价, 运用HAZUS-MH系统模拟了全美自然灾害综合减灾效益和洪水管理效益。英国的Penning-Rowsell等[7]和Parker等[8]自20世纪70年代起先后编写了6个版本的防洪减灾效益评估技术指导手册, 为英国制定防洪相关政策、规划起到了重要的支撑作用[9]。近期国外出现了对风险分区、受灾人员自保等非工程措施进行效益评估研究的成果[10-11], 对极端天气条件下防洪效益评估框架的探索也是关注的领域之一[2, 12]。中国代表性的成果有:朱元甡和周全林[13]以三峡建库前后分洪区分洪量变化评估了三峡工程的防洪效益;董胜和王腾[4]研究了防洪效益的概率分布模式, 建立了包括经济评价、风险分析和防洪效益模拟的综合系统分析模式;赵璐[14]通过建立汛期平均降雨量与成灾面积关系模型, 对治淮19项骨干工程在2007年淮河大水中发挥的防洪减灾效益进行了评估;陈卫宾等[15]采用“实际发生年法”对1996—2015年黄河下游防洪保护区的防洪效益进行了分析;杨丽等[16]运用频率曲线法对北京市中心城防洪防涝系统规划的防涝效益进行了评估;Li等[17]则基于风险三角型理论提出了城市洪水风险及防洪措施效益分析的模型框架。1998年颁布实施、2014年修订的《已成防洪工程经济效益分析计算及评价规范:SL206—2014》[18]对中国防洪效益评价工作起到了重要的推动作用。

    防洪效益的计算是一个复杂的问题, 需要多专业的综合研究和大量基础数据资料的支撑[19]。近年来中国防洪效益评估研究成果相对较少, 仅有的防洪效益评估模型多为单个防洪工程或小尺度局地范围的研究。因缺乏综合研究和必要的模拟技术手段, 中国至今能够将多专业模型有机链接起来开展流域尺度防洪效益评估的研究较为少见, 往往采用历史实际发生年法或者概化匡算的方法[20], 影响了计算的精度和准确性。

    本文以太湖流域为研究区域, 开发集成了一系列与效益计算相关的模型和方法, 在保证一定精度和准确度的基础上, 模拟预测太湖流域不同防洪工程应对流域特大洪水的减灾效益, 以期为太湖流域防洪建设规划和极端天气情景下防洪措施的选择提供参考。

    • 太湖流域地处长江三角洲, 是中国大中城市最密集、城镇化率最高、经济最发达的地区之一。流域面积36 895 km2, 人口和产业高度集中, 2018年太湖流域常住人口6 104万人, 人均GDP 14.4万元, 是全国人均GDP的2.2倍[21]。太湖流域受季风气候影响, 年平均降雨量为1 177.0 mm, 易遭受江河洪水、风暴潮与当地暴雨内涝的危害, 1991和1999年遇流域特大洪水, 直接经济损失分别达到114.0亿元和141.3亿元[22]。近年来随着“治太”十一项骨干工程的全面实施, 太湖流域防洪减灾能力有了显著提高, 但在气候变化与快速城镇化的背景下[23-24], 一旦发生流域性特大洪水, 洪涝灾害损失及影响依然非常严重。

    • 太湖流域以不同雨型最大90日降雨量重现期确定流域防洪目标。1999年降雨是时程空间上分布最为不利的雨型, 其90日降雨量相当于156年一遇[25], 暴雨中心主要分布在浙西、杭嘉湖、淀泖、浦东及浦西地区, 太湖水位创历史新高, 全流域特别是下游杭嘉湖地区灾情十分严重[22]。本文在拟定流域特大洪水方案时采用1999年雨型200年一遇最大90日降雨过程作为降雨边界。7个水利分区(见图 1)的设计面雨量通过暴雨频率曲线分析确定, 各分区90日降水过程序列根据1999年降雨实况采用同倍比放大法计算(如浙西区降雨过程见图 2)。并选择太湖流域沿江、沿海的江阴、吴淞口、盐官、乍浦4个潮(水)位站(见图 1)1999年6月7日至9月4日的实测潮(水)位过程作为边界水位输入。沿海沿江其他站点的潮(水)位过程按照距离进行插值。

      图  1  太湖流域水利分区及现状防洪工程

      Figure 1.  Water conservancy zoning and flood control projects in Taihu Lake basin

      图  2  浙西区1999年雨型200年一遇设计降雨过程

      Figure 2.  200-year designed rainfall process of 1999 type in Zhexi region

    • 太湖流域现状堤防数据, 包括堤防分布、长度、堤顶高程、宽度等;现状圩区数据, 包括圩区分布、面积、排涝动力等;流域内重要闸门的分布和启闭过程, 泵站位置和抽排能力, 以及闸门和泵站的调度规则等(如图 1)。对于缺失的数据采用插值或专家经验判断进行了补充。

    • 土地利用采用太湖流域2015年分辨率为30 m×30 m的土地利用栅格数据, 如图 3, 同时对其进行了矢量化分层处理。

      图  3  太湖流域土地利用分布

      Figure 3.  Land use of Taihu Lake basin

    • 太湖流域所涉及的68个区(市、县)的社会经济数据, 具体指标包括:面积、人口、人均收入、工农业资产、基础设施修复费用等。本文确定2015年为社会经济数据水平年, 社会经济数据主要源自于所涉行政区2016年统计年鉴。

    • 防洪效益通常采用“有”和“无”防洪工程状况下的洪灾损失对比, 也就是实施防洪工程前后的损失差值, 表示为

      $$B=D_{\mathrm{p}}-D_{\mathrm{a}} $$ (1)

      式中: B为防洪工程措施的效益, 元;DpDa分别为实施防洪工程措施前、后的洪灾损失, 元。采用此式可计算场次洪水防洪效益或多年平均防洪效益。

      为计算2种工况下洪灾经济损失, 进行了包括降雨产流与平原净雨计算的水文分析, 建立了由河网水动力学模型和平原区域洪水分析模型组成的大尺度水力学模型, 以及充分综合流域社会经济状况和淹没因素的洪灾损失评估模型, 这些模型依次通过接口实现数据传输(见图 4)。

      图  4  模型数据流程

      Figure 4.  Data flow diagram of models

    • 开展产汇流计算, 为水动力学模型提供上游山区入流以及平原区的净雨大小及分布。基于VIC(Variable Infiltration Capacity)模型, 将上游山区划分为9个子流域, 生成19个节点的流量过程;采用SCS(Soil Conservation Service)模型, 计算平原区16个分区净雨[26]。将上游山区19个节点流量过程和平原区16个分区净雨耦合至水力学模型, 进行河网水动力学模拟和平原大尺度洪水淹没分析。

    • 建立河网模型和平原区域洪水分析模型[27], 生成覆盖研究区域的洪水淹没水深分布。河网模型采用一维非恒定流水动力学模型(式(2), 式(3)), 计算河网内的水位、流量过程以及工程调度的影响;采用平原区域洪水分析模型计算河网外区域的淹没分布。同时, 通过采用自主研发的多模型联合计算技术将2个模型实时耦合。为了模拟河道水流特征, 流域主干河网被概化为905条河段, 其边界输入条件包括长江水位、沿海潮位过程、水文分析得到的太湖流域山区各节点的流量过程以及太湖湖面分区净雨, 另外模型还考虑了111个闸门以及对应的抽水泵站等防洪控制工程。根据河道交叉分布情况将河网外的区域划分为215个洪水淹没单元(如图 5(a)), 基于DEM数据利用GIS空间分析技术根据单元的淹没水量确定单元内的淹没水位和水深分布。单元淹没水量包括河道漫溢洪水、主要河堤的溃决洪水以及单元内圩区考虑抽排能力后的内涝水量如图 5(b)

      图  5  流域洪水淹没分析概化

      Figure 5.  Conceptual diagram of flood inundation analysis in Taihu Lake basin

      连续方程:

      $$\frac{\partial A}{\partial t}+\frac{\partial Q}{\partial x}=q $$ (2)

      动量方程:

      $$\frac{\partial Q}{\partial t}+\frac{\partial}{\partial x}\left(\alpha \frac{Q^{2}}{A}\right)+g A\left(\frac{\partial Z}{\partial x}\right)+g A S_{\mathrm{f}}-u q=0 $$ (3)

      式中: A为河道过水面积;Q为流量;u为侧向来流在河道方向的流速;t为时间;x为沿水流方向的水平坐标;q为河道的侧向来流量;α为动量修正系数;g为重力加速度;Z为水位;Sf为摩阻坡降。

    • 采用常用的淹没水深—损失率关系法计算洪灾直接经济损失, 如式(3)。

      $$D=\sum\limits_{i} \sum\limits_{j} W_{i j} \eta(i, j) $$ (4)

      式中: D为洪灾直接经济损失, 元;Wij为评估单元在第j级水深的第i类财产的价值, 元;η(i, j)为第i类财产在第j级水深条件下的损失率, %。

      以区县为评估空间单元, 损失类别主要包括居民房屋损失、家庭财产损失、农业损失、工商业资产损失、公路及铁路损失等。

    • 模拟了太湖流域遇1999年雨型200年一遇降雨与沿海4个潮(水)位站1999年实测潮位组合, 基于2015年土地利用和社会经济状况, 分别计算现状工况方案(基准方案)和新增不同工程措施方案后的洪水淹没及损失, 确定新增工程措施的防洪经济效益。

    • 通过对1999年实况洪水进行模拟, 在流域内较重要的太湖、常州、无锡、苏州4个站点作验证, 各个站点水位的本研究模型计算值、ISIS平台计算值(英国Wallingford公司开发的水力学计算商业软件)与实测值比较如图 6所示。可以看出本研究模型计算的太湖水位过程线比较贴合实际数据, 相对于ISIS模拟结果更好。平原区域的计算淹没范围分布与1999年实况比较接近, 体现了治太骨干工程建成后分散成灾的特征。

      图  6  各水位站验证比较

      Figure 6.  Verification of water-level stations

    • 分析太湖流域历史洪涝灾害损失统计数据, 参照相关研究成果[28-30]确定损失率关系如表 1

      表 1  分类资产洪灾损失率关系

      Table 1.  Loss rate-flood depth relation of various assets %

      分类 h≤0.5 m 0.5 < h≤1.0 m 1.0 < h≤1.5 m 1.5 < h≤2.0 m 2.0 < h≤2.5 m 2.5 < h≤3.0 m h>3.0 m
      家庭财产 房屋 2 5 8 12 16 19 22
      室内财产 3 8 16 23 27 31 41
      农业 12 25 60 80 100 100 100
      工业 固定资产 2 6 9 13 17 21 25
      存货 4 10 16 24 27 31 33
      商业 固定资产 2 6 9 12 15 18 21
      存货 4 10 18 26 30 34 38
      工程设施 3 7 12 17 22 27 30
      注:h为淹没水深。

      采用太湖流域1999年受淹实况调查范围、当年土地利用栅格数据以及经济统计资料, 对洪灾损失评估模型进行验证。模型运算结果为119.7亿元, 比调查统计结果141.3亿元偏小, 原因是调查统计结果中包括因工停产的间接损失, 而在模型中因不能获得淹没历时的具体数值而未能计算因工停产损失。经分析, 去除损失种类不统一因素, 已建立模型能够较为合理地模拟太湖流域的洪灾损失大小和分布。

    • 1999年大洪水期间, 太浦河和望虞河长时间大流量泄洪, 杭嘉湖南排工程和沿长江各闸排洪, 东西苕溪各大水库超历史库水位拦洪, 已建治太工程在大洪水中发挥了重要作用。参考太湖流域防洪规划[25], 设定了4种防洪工程措施方案:

      (1) 太浦河拓宽:河槽底宽和顶宽分别在现状基础上拓宽80 m(即河道过流断面面积扩大1.4倍)。

      (2) 外排动力加大:太湖流域沿江沿海各泵站外排能力均分别增加30%和1倍, 总能力由现状的1 375 m3/s分别增加至1 788 m3/s和2 750 m3/s。

      (3) 新建圩区:假设在尚未有圩区的低洼地新建圩区, 按照杭嘉湖区圩区的平均排涝能力[31-32]假定新建圩区的排涝模数为0.5 m3/(s·km2)。

      (4) 圩区泵排能力增强:将流域内所有圩区泵排能力由现状的7 545 m3/s增加30%至9 808 m3/s, 增加1倍至15 090 m3/s。

      在大尺度水力学模型中, 以上工程中太浦河拓宽通过调整河道断面参数、沿江沿海外排能力的增强通过改变边界口门的外排能力参数、圩区泵排能力增强通过提高抽排能力参数来实现。新建圩区是在模型中新增一个排涝单元, 并调整与该圩区相关的工程设计参数、调度规则、淹没顺序和圩外未受保护区与主干河网的连通率等实现。因基础数据和参数的改变进一步影响到的大尺度水力学模型中其他变量关系改变如图 7所示。

      图  7  工程措施在大尺度水力学模型中的体现

      Figure 7.  Flood control measures reflection in flood simulation model

    • (1) 减淹面积。模拟基准方案和不同工程措施方案的淹没面积统计结果如表 2所示, 淹没分布如图 8

      表 2  洪水淹没面积统计及防洪工程效益计算

      Table 2.  Flood inundation area and benefit of various flood control measures

      方案名称 淹没面积/km2 受淹人口/万人 经济损失/亿元
      0.05 < h≤0.30 m 0.30 < h≤0.50 m 0.50 < h≤1.00 m 1.00 < h≤1.50 m 1.50 < h≤2.00 m h>2.00 m 合计
      基准方案 628.96 1 065.61 776.00 439.79 346.33 460.88 3 717.57 538.51 568.29
      太浦河拓宽 计算值 630.13 1 060.73 775.26 438.96 361.21 439.13 3 705.42 537.26 564.16
      减少 -1.17 4.88 0.74 0.83 -14.88 21.75 12.15 1.25 4.13
      外排动力增加30% 计算值 651.63 1 024.60 764.13 416.80 359.36 416.22 3 632.74 525.46 541.33
      减少 -22.67 41.01 11.87 22.99 -13.03 44.66 84.83 13.05 26.96
      外排动力增加1倍 计算值 615.15 983.57 715.07 417.48 341.80 394.30 3 467.37 509.37 522.59
      减少 13.81 82.04 60.93 22.31 4.53 66.58 250.20 29.14 45.70
      新建圩区 计算值 639.56 999.10 683.37 394.09 361.04 476.19 3 553.35 524.29 557.01
      减少 -10.60 66.51 92.63 45.70 -14.71 -15.31 164.22 14.22 11.28
      圩区泵排能力增加30% 计算值 598.01 1 057.03 776.97 439.50 362.84 446.94 3 681.29 533.68 567.64
      减少 30.95 8.58 -0.97 0.29 -16.51 13.94 36.28 4.83 0.65
      圩区泵排能力增加100% 计算值 588.73 1 058.06 780.69 438.60 359.91 450.43 3 676.42 531.40 566.98
      减少 40.23 7.55 -4.69 1.19 -13.58 10.45 41.15 7.11 1.31

      图  8  洪水淹没水深

      Figure 8.  Flood inundation map

      表 2可以看出, 太浦河拓宽后流域淹没面积从3 717.57 km2减少到3 705.42 km2, 水深大于2 m的淹没面积减少量相对显著, 减少了21.75 km2, 较大水深淹没面积在总淹没面积的占比有所下降。尤其是太浦河两岸区域的淹没程度减轻, 对比图 8(a)8(b)也可以看出太浦河拓宽前后局部区域淹没分布有所不同。

      外排动力增加的减淹效果相对显著。外排动力增大30%流域减淹面积84.83 km2;增大1倍后淹没面积减少250.20 km2, 且各个淹没水深等级的淹没面积都有所减少, 从图 8(d)可以看出沿江沿海区域的降低幅度相对较大。

      新建圩区后淹没面积减少164.22 km2, 对比图 8(e)8(f), 主要减少的是新建圩区内的淹没面积, 减淹的水深区间多在0.3 m~1.0 m。由于水被隔挡或抽排在新建圩区的外周区域, 加重其淹没程度, 淹没水深大于1.5 m的区域都较基准方案有所增加, 较大水深淹没面积在总淹没面积的占比有所增大。

      现状圩区泵排能力增大30%后减淹面积36.28 km2, 增大1倍后流域减淹面积41.15 km2(对比图 8(g)图 8(h))。主要减淹的是小于0.30 m水深的区域, 占到总减淹面积98%。淹没水深在0.5 m以上的淹没面积比基准方案有所增加。

      (2) 减灾效益。运行损失评估模型, 对比各项防洪工程前后洪水淹没影响及经济损失, 计算减灾效益如表 2所示。

      太湖流域遇1999年型200年一遇降雨和高潮位组合, 在现状工况的基准方案情景下, 将遭受到非常严重的洪涝灾害, 淹没区人口达到538.51万人, 损失高达568.29亿元。

      太浦河拓宽后减淹人口1.25万人, 防洪效益4.13亿元。主要分布在沿太浦河两岸区域, 南岸的嘉兴市四县区减灾效益2.12亿元, 北岸的苏州吴江区减灾效益1.26亿元(如表 3), 沿岸五县区及湖西区域宜兴市的减灾效益占到总减灾效益的88.38%。

      表 3  太浦河拓宽分行政区防洪效益

      Table 3.  Region flood alleviation benefit of Taipu River widening

      地级市 县区 防洪减灾效益/万元
      嘉兴市 南浔区 2 261
      南湖区 3 554
      嘉善县 6 936
      秀洲区 8 480
      苏州市 吴江区 12 558
      无锡市 宜兴市 2 672

      因外排动力增加幅度不同, 减灾效益效果有较大差别(见表 2)。外排动力增加30%后减淹人口13.03万人, 防洪效益26.96亿元;外排动力增加100%后洪水影响程度减少更为显著, 减淹人口29.14万人, 防洪效益45.70亿元, 防洪效益超过1亿元的县区主要分布在沿江沿海区域, 效益幅度因区域不同而有所差异(如表 4)。

      表 4  外排动力增加100%分行政区防洪效益

      Table 4.  Region flood alleviation benefit of reinforced 100% external power

      地级市 县区 防洪减灾效益/万元
      嘉兴市 秀洲区 33 257
      嘉善县 31 714
      南湖区 31 530
      海宁市 21 681
      杭州市 拱墅区 58 585
      无锡市 江阴市 17 900
      苏州市 吴江区 31 450
      上海市 青浦区 20 398
      嘉定区 21 166

      新建圩区后各项洪水影响指标都有所减小, 减淹人口14.22万人, 防洪效益11.28亿元。新建圩区虽然降低圩区所在区域即平湖市、嘉善县、金山区的经济损失, 但同时也将部分风险转移到了海盐县、南湖区、秀洲区、德清县, 以及上海市的松江区等周边区域。

      圩区泵排能力加大幅度不同, 减灾效果并没有多少变化。圩区泵排能力增加30%后减淹人口4.83万, 减少洪灾损失0.65亿元;外排动力增加1倍后减淹人口7.11万人, 减少洪灾损失1.31亿元。相对于本研究模拟的其他工程措施方案圩区泵排能力增加是益本比最小的工程措施。

      本文模拟了所设定的4类工程措施防洪效益由大到小依次是:外排动力增强、新建圩区、太浦河拓宽、加大圩区泵排能力。为了应对太湖流域特大洪水, 建议防洪工程措施首选增设外排泵站等措施, 增强流域洪水外排能力。新建圩区在减少全流域洪灾损失的同时也可能把洪水风险转移到周边区域, 应慎重选择新建圩区的区域, 建议根据圩区的重要性, 合理控制圩区排涝标准, 不盲目增加圩区排涝能力, 应加强圩区的科学调度。模拟结果表明在应对流域性大洪水方面, 新增防洪工程措施的减灾效果有限。特大洪水虽然造成的损失激增, 但其发生的概率较低, 适合采用保险一类的措施来分担风险, 并建议加强洪水风险区管理, 提高应急响应和快速恢复重建能力的建设, 不断增强系统承受与适应灾变的韧性。

    • 本文建立并集成了与防洪效益计算相关的太湖流域大尺度水力学模型与损失评估模型, 实现了太湖流域不同防洪工程应对流域性特大洪水的防洪效益预测模拟。模拟结果表明:

      (1) 在2015年工况和社会经济状况下, 太湖流域遇1999年型200年一遇降雨引起的特大洪水将造成高达568.29亿元的直接经济损失, 是1999年大水当年经济损失的4.02倍。外排动力增强100%的防洪效益为45.70亿元, 减灾比例为8%。其他措施的防洪效益相对较小, 在减轻总体经济损失的同时也可能将部分风险转移到其他区域。

      (2) 限于资料和整个流域系统的复杂性, 文中模型进行了一些概化, 可在资料等其他客观条件允许的情况下, 对模型进行细化处理, 尽可能更实际地反应太湖流域的地形、工况、社会经济等特征, 并运用更多场次尤其是最近几年发生的流域性洪水进行率定验证, 增强模型的准确性和适用性。

      (3) 本文仅对特定情景下防洪工程措施的减灾效果进行了模拟, 其结论与所选用的基准方案、模型的具体参数、洪水的淹没分布状况等都有很大关系。后续可以基于不同降雨频率与潮位组合的基准方案进行工程措施防洪效果的进一步模拟分析研究, 并结合各工程措施的投入, 提出更具有针对性更经济合理的防洪应对措施。

参考文献 (32)

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