基于分洪量调控的蓄滞洪区动态风险评估研究——以洪湖东分块蓄滞洪区为例

作者及机构
本研究的通讯作者为刘佳明（高级工程师，博士），第一作者为王涵（工程师，博士），合作作者包括谭政宇、卢程伟、果鹏、周曼和马皓宇。研究团队来自中国长江三峡集团有限公司、长江设计集团有限公司及水资源工程与调度全国重点实验室（武汉）。论文发表于《长江科学院院报》（Journal of Changjiang River Scientific Research Institute），网络首发时间为2025年8月28日。

学术背景
蓄滞洪区（Flood Detention Area）是流域防洪体系的关键组成部分，通过分洪调蓄降低河道洪峰压力。然而，传统风险评估多基于静态工况（如设计洪水），难以反映分洪过程中的动态风险变化，限制了其在实时调度决策中的应用。本研究聚焦动态洪水风险（Dynamic Flood Risk）评估，结合遥感（RS）与地理信息系统（GIS）技术，构建蓄滞洪区洪水演进与风险量化模型，旨在为分洪量调控、应急避险等提供科学依据。研究以长江中游典型的洪湖东分块蓄滞洪区为案例，分析不同分洪量下的水位、经济损失及人口转移规律。

研究流程与方法
1. 风险评估体系构建
- 指标体系：从直接经济损失（房屋淹没）、间接经济损失（产业损失）和社会风险（人口转移）三个维度建立量化模型。
- *直接损失*：基于淹没水深、房屋类型（砖混/砖木）及损失率（见表1）计算，公式为：
$$L{house} = \sum{i} \left[ n_{i,j} \cdot p_j \cdot f_j(h_i) \right]$$
其中，$f_j(h_i)$为水深相关的损失率函数。
- *间接损失*：第一产业（农业、渔业）按淹没水深和损失率（见表2）计算；第二、三产业通过夜间灯光数据空间展布，结合淹没时间折减系数量化。
- *人口转移*：基于淹没面积与人口密度分布，设定水深≥0.1米为需转移阈值。

1. 洪水演进模拟

   • 模型开发：采用二维水动力学模型，控制方程为浅水方程（Saint-Venant Equations），通过有限体积法离散求解，网格剖分采用非结构三角形/四边形（共135,792个网格）。
     
   • 边界条件：模拟套口进洪闸以8000 m³/s设计流量分洪，初始水位设为蓄滞洪区平均高程25.02米，不退洪。
     
   • 方案集设计：以5亿m³为间隔，设置13组分洪量级（0~64.7亿m³），结合GIS容积-水位关系验证模型精度（误差<0.05米）。
     

2. 数据来源与处理

   • 基础数据包括机载LiDAR提取的10米分辨率房屋高度、土地利用分类（耕地、养殖塘）、夜间灯光（DMSP-OLS/NPP-VIIRS融合）及人口普查网格数据（800米分辨率）。
     
   • 社会经济参数如房屋重置价格（砖木846元/m²、砖混882元/m²）、产业产值（渔业2332.6万元/km²）均来自地方统计年鉴。
     

主要结果
1. 水位-分洪量关系
分洪量与平均水位呈强线性相关（R²>0.99），每增加5亿m³分洪量，水位上升0.57米（图10）。例如，分洪20亿m³时水位达27.31米，全域淹没。

1. 经济损失动态特征

   • 直接损失：在20~45亿m³区间增速最快（拐点见图11），主因是水深超过3米后房屋损失率陡增（砖混损失率从14%跳至25%）。分洪60亿m³时直接损失达173.6亿元。
     
   • 间接损失：初期（亿m³）增速显著（渔业损失率0.5米水深即达100%），分洪30亿m³后渔业产值全损（36亿元），二三产损失稳定于9.8亿元。
     

2. 人口转移临界点
   分洪5亿m³时需转移12.32万人（占全区67%），20亿m³时18.37万人需全部转移（图12）。转移人口增速与低洼区人口密度分布直接相关。

3. 风险主导因素转变
   分洪25亿m³为转折点：此前间接损失（渔业为主）占优，此后直接损失（房屋为主）主导（图13）。

结论与价值
1. 科学价值
首次提出“分洪量-水位-损失-人口转移”动态关联框架，弥补了传统静态风险评估的不足。RS-GIS耦合方法实现了高精度风险要素空间量化，二维模型验证误差<0.05米，为类似研究提供技术范式。

1. 应用价值
   
   • 调度决策：明确分洪20亿m³为全域淹没临界点，可为分洪时机选择提供依据。
     
   • 损失预判：揭示25亿m³后直接损失成为主要矛盾，指导灾损补偿政策优化。
     
   • 应急管理：人口转移模型支撑避险路线规划，如分洪初期优先撤离低洼区。
     

研究亮点
1. 方法创新：融合夜间灯光数据空间化GDP、LiDAR提取房屋高度，提升了社会经济暴露度的刻画精度。
2. 动态视角：突破“设计洪水”静态假设，量化分洪过程中的风险演变规律。
3. 案例典型性：洪湖东分块是长江中游关键蓄滞洪区，成果可直接应用于三峡-荆江联合调度。

局限与展望
当前模型未考虑退洪过程及降水叠加影响，未来可耦合气象预报数据；夜间灯光数据分辨率（130~500米）限制小尺度蓄滞洪区应用，需结合更高精度遥感数据改进。

（注：文中公式、图表编号均引用原文，专业术语如“Flood Detention Area”首次出现时标注英文。）