提孜那甫河洪水演进特征与损失量化研究

Flood Routing Characteristics and Loss Quantification of the Tizinafu River

摘要: 针对提孜那甫河流域防洪能力评估与灾害损失量化需求，基于玉孜门勒克水文站1960~2011年逐日径流数据，采用Fasflood系统构建一维水动力模型，模拟了20年、50年和100年一遇洪水演进过程，并对比分析了自由漫溢与堤防溃决两种情景下的灾情特征。研究结果表明：100年一遇洪水导致194.96 km²淹没范围，造成3014.8万元GDP损失，较50年一遇分别增长2.4%和5%；耕地淹没面积在50年一遇洪水时已达15151.0公顷，表明农业用地在中高频率洪水中即面临显著风险；1.0~2.0 m深水区单位面积GDP损失达11.5万元/km²，揭示经济活动对深水淹没的高度敏感性。该研究建立了重现期–淹没深度–经济损失的定量关系，为流域分级防洪策略制定提供了数据支撑。

Abstract: To address the needs for flood control capacity assessment and disaster loss quantification in the Tizinafu River Basin, this study developed a one-dimensional hydrodynamic model using the Fasflood system based on daily runoff data (1960~2011) from the Yuzimenleke hydrological station. The model simulated flood propagation processes under 20-year, 50-year, and 100-year return periods, comparing disaster characteristics under two scenarios: free overflow and embankment breach. The results show: the 100-year flood event inundated 194.96 km², causing CNY 30.148 million in GDP losses, representing increases of 2.4% (area) and 5% (losses) compared to the 50-year flood. Agricultural land was highly vulnerable even to moderate floods: submerged cropland reached 15151.0 hectares under the 50-year flood. Areas with 1.0~2.0 m water depth exhibited the highest economic sensitivity, with GDP losses of CNY 115,000/km². This study establishes a quantitative relationship among return period, inundation depth, and economic loss, providing a scientific basis for graded flood-control strategies in the basin.

1. 引言

洪水灾害作为全球最具破坏力的自然灾害之一，在干旱半干旱地区尤为突出，对区域社会经济稳定构成严峻挑战[1]-[3]。提孜那甫河流域位于新疆西南部，是塔里木河的重要支流。该区域受降水时空分布不均和冰川融水补给的双重影响，洪水事件频发，对下游人口密集区造成显著威胁[4] [5]。当前，流域内堤防工程防洪标准普遍偏低，仅部分堤段达到20年一遇标准，防洪能力亟待提升。近年来，随着气候变化加剧和人类活动增强，流域洪水风险呈现新的特征，传统防洪策略面临严峻考验[6] [7]。因此，及时，准确地模拟洪水过程以提高防洪风险能力并减少洪水灾害的损失非常重要。关于洪水风险管理，洪水建模提供了淹没及其动态的分布和程度，这使人们能够理解，评估和预测洪水状况及其影响[8]。在此背景下，开展精准的洪水风险分析对区域防灾减灾具有重要现实意义。

为了更好地了解洪水风险，洪水淹没图对于确定潜在影响区域和评估洪水危险的严重程度至关重要。水动力模型与灾害损失函数的耦合技术已成为洪水风险分析的主流方向，通过整合多源数据实现洪水演进过程的动态模拟和损失量化[2] [4]。特别是在干旱区流域，学者们已发展出适用于特殊下垫面条件的参数化方案，为洪水模拟提供了技术支撑[9]-[11]。然而，针对提孜那甫河流域的系统性研究仍显不足，尤其是在不同重现期洪水下的损失增长规律、堤防失效影响机制以及水深分级效应等方面缺乏深入分析。本研究基于长序列水文观测数据，采用Fasflood模型系统模拟不同情景下的洪水演进过程，重点揭示洪水风险的空间分异特征和损失形成机制，旨在为流域防洪规划提供科学依据，同时为类似干旱区河流的风险管理提供方法参考。

2. 研究数据和研究方法

提孜那甫河流域位于我国新疆西南部，整个流域范围为东经76˚27′~79˚04′，北纬36˚31′~38˚54′之间。流域总面积2.039 × 10⁴ km² (含乌鲁克河、柯克亚河小流域)。本研究采用的径流数据由塔里木河流域管理局提供，涵盖提孜那甫河玉孜门勒克水文站1960~2011年的逐日观测记录。在洪水模拟方面，选用中国水利水电科学研究院开发的Fasflood洪水快速分析系统，该系统能够有效模拟河道洪水演进过程，并输出各断面水位和流量过程线等关键参数。为准确模拟堤防溃决过程，研究采用了一维水动力模型结合虚拟河道构建的方法，重点刻画溃堤水流的演进路径。模型参数的确定方面，河道及防洪保护区的曼宁糙率系数对模拟精度具有显著影响。通过实地考察并结合相似区域的经验数据，综合考虑研究区地形特征、地表覆盖类型等因素，最终确定了合理的糙率取值方案(图1)。模型计算的上游边界条件设定于提孜那甫河防洪保护区干流入流断面处。研究区域现有堤防工程中，达到20年一遇防洪标准的堤段有6处，10年一遇标准的堤段11处。本次研究针对20年、50年和100年一遇三种重现期洪水分别开展模拟分析。其中，20年一遇洪水情景考虑了堤防实际状况，根据险工险段分布确定了可能的溃决位置、数量及溃口尺寸等参数；而对于50年和100年一遇洪水情景，则采用不考虑堤防约束条件的简化分析方法。这种差异化的处理方式能够更真实地反映不同量级洪水下的实际风险状况。

Figure 1. Spatial distribution of Manning’s roughness coefficients in flood-protected areas of the Tizinafu River

图1. 提孜那甫河防洪保护区糙率分布图

3. 研究结果

3.1. 提孜那甫河洪水模拟分析

根据所建的计算区二维水动力模型，输入各类参数、初始条件及多种控制边界，构建完整洪水计算模型，运行模型获得各方案不同时刻对应的洪水淹没信息，包括洪水淹没水深、洪水流速等多种风险要素信息，以及洪水风险相关统计信息(包括最大水深、最大水深出现的时间、最大流速、最大流速出现的时间、淹没历时)。由图2和图3可知：当提孜那甫河发生100年一遇洪水时，洪峰流量为725 m³/s，最大24小时洪量为80.26 × 10⁶ m³，最大三日洪量为177.09 × 10⁶ m³，最大五日洪量为234.91 × 10⁶ m³，最大七日洪量为283.91 × 10⁶ m³。洪水进入保护区后，根据地形自然漫溢。洪水从玉孜门勒克站演进到阿拉买提镇，洪水演进时间为43.5 h，平均速度为0.7 m/s；从玉孜门勒克站演进到恰尔巴格镇，洪水演进时间为5.8 h，平均速度为1.22 m/s；从玉孜门勒克站演进到莎车县白什坎特镇，洪水演进时间为37 h，平均速度为0.71 m/s；此后洪水流量及各淹没区域的淹没水深、淹没面积逐渐趋于稳定。不同时间段洪水淹没水深分布见图3。

Figure 2. Flood inundation extent and duration mapping of the Tizinafu River

图2. 提孜那甫河洪水淹没范围和淹没历时图

Figure 3. Flood inundation depth and duration in the Tizinafu River

图3. 提孜那甫河洪水淹没水深和淹没时间图

3.2. 提孜那甫河洪水影响分析与损失评估

提孜那甫河流域防洪保护区可能发生的洪水决口形式主要包括自由漫溢与堤防溃决两种类型。其中，自由漫溢情形将对整个保护区产生全面影响，而堤防决口则主要波及莎车县和叶城县等特定区域。本研究在莎车县白什坎特镇托喀木艾日克村附近的左右两岸各设置了一个溃口作为分析点位。基于现行堤防工程标准和洪水特征分析结果，研究选取了20年、50年及100年三个重现期作为洪水频率计算标准，最终形成了包含5种情景的洪水计算方案体系(详见表1)。20年一遇洪水在右岸溃决的影响要大于左岸溃决的影响，右岸溃决的淹没面积、淹没居民地面积、淹没耕地面积、受影响公路/渠道长度和受影响GDP高于右岸溃决的影响。20年一遇自然满溢的灾情损失介于左右岸溃决灾情损失之间。随着洪水重现期的增加，洪水灾情也显著增加，特别是由20年一遇洪水增加到50年一遇洪水，其灾情损失增加幅度最大。在自然满溢情景下，与20年一遇洪水灾情相比，50年一遇洪水灾情中受影响人口总数增幅达53.62%，其次受影响公路/渠道长度和淹没居民地面积，其增加幅度分别达45.72%和31.27%。然而，与50年一遇洪水灾情相比，100年一遇的洪水灾情平均增加幅度仅为2.01%。

Table 1. Statistical of major disasters under various computational scenarios in the Tizinafu River flood control area

表1. 提孜那甫河防洪保护区不同计算方案下主要灾情统计表

洪水标准	决口方式	淹没面积 /平方公里	淹没居民地 面积/万平方米	淹没耕地 面积/公顷	受影响公路/ 渠道长度/公里	受影响人口 总数/人	受影响GDP /万元
100年一遇	自然漫溢	194.96	185.12	15431.4	19.97	5511	3014.8
50年一遇	自然漫溢	190.38	180.91	15151.0	19.22	5266	2872.1
20年一遇	右岸溃决	162.77	136.98	13037.7	13.50	3416	2242.8
	左岸溃决	162.51	138.27	12998.7	13.19	3438	2238.7
	自然漫溢	162.43	137.81	12995.6	13.19	3428	2238.1

通过对20年、50年及100年一遇洪水情景的模拟分析(表2)，灾情参数随重现期增加呈现显著非线性增长。在淹没总面积方面，100年一遇洪水(194.96 km²)较50年(190.38 km²)和20年一遇(162.43 km²)分别增加2.4%和20%，表明极端洪水事件对淹没范围的扩展效应随频率提升而加剧。社会经济影响方面，100年一遇洪水的受影响人口(5511人)和GDP损失(3014.8万元)均达到峰值，其中GDP损失较50年一遇情景(2872.1万元)增长5%，较20年一遇(2238.1万元)增幅达34.7%，凸显高频洪水对区域经济的累积破坏效应。值得注意的是，耕地淹没面积在100年一遇时达15,431.4公顷，占三种情景中最高值，

Table 2. Inundation depth-Based disaster statistics under various natural overflow scenarios

表2. 自然漫溢方式不同计算方案下按淹没水深灾情统计表

计算方案	水深等级/m	淹没面积/ 平方公里	淹没居民地 面积/万平方米	淹没耕地 面积/公顷	受影响公路/ 渠道长度/公里	受影响人口 总数/人	受影响GDP/万元
100年一遇	0.05~0.3	52.13	61.86	3947.1	7.35	2356	1142.8
	0.3~0.5	26.68	34.75	2022.1	4.21	986	411.6
	0.5~1.0	50.59	52.33	4070.7	5.10	1263	703.6
	1.0~2.0	65.56	36.18	5391.6	3.31	906	756.7
合计		194.96	185.12	15431.4	19.97	5511	3014.8
50年一遇	0.05~0.3	41.00	48.94	3157.3	5.87	1893	1101.5
	0.3~0.5	27.35	34.51	2083.4	4.22	941	418.4
	0.5~1.0	52.80	60.28	4217.4	5.61	1486	637.7
	1.0~2.0	69.23	37.18	5692.9	3.52	946	714.5
合计		190.38	180.91	15151.0	19.22	5266	2872.1
20年一遇	0.05~0.3	44.33	41.81	3466.9	5.17	1157	861.4
	0.3~0.5	24.51	30.51	1892.0	2.76	714	348.4
	0.5~1.0	41.35	40.61	3345.2	2.83	957	500.2
	1.0~2.0	52.24	24.88	4291.4	2.43	600	528.2
合计		162.43	137.81	12995.6	13.19	3428	2238.1

但50年与100年一遇的差值(280.4公顷)小于20年与50年一遇的差值(2155.4公顷)，反映农业用地在中等频率洪水中已面临较高风险。

不同水深等级对灾情要素的影响存在显著差异。浅水区(0.05~0.3 m)在各类重现期下均表现出最广的淹没面积(100年一遇达52.13 km²)，但单位面积经济损失较低(21.9万元/km²)；而深水区(1.0~2.0 m)虽淹没面积占比有限(100年一遇占33.6%)，却贡献了最高单面积GDP损失(11.5万元/km²)，说明深水区对经济活动的破坏强度更大。从承灾体类型看，耕地在所有水深等级中均占比最高(如100年一遇时0.5~1.0 m水深区达4070.7公顷)，而居民地淹没面积与水深呈倒U型关系(峰值出现在0.5~1.0 m区间)，可能与居民区多分布于中高程地带有关。基础设施影响方面，公路/渠道受损长度随水深增加而递减，浅水区(0.05~0.3 m)在100年一遇时达7.35公里，表明线性基础设施对低强度洪水更为敏感。

4. 研究结论

本研究通过构建一维水动力模型，系统评估了提孜那甫河流域不同重现期洪水风险特征。结果表明：100年一遇洪水将导致194.96 km²的淹没范围，造成3014.8万元GDP损失，较50年一遇洪水损失增长5%；农业用地在中等频率(50年一遇)洪水中即面临显著风险，淹没面积达15151.0公顷；1.0~2.0 m深水区虽淹没面积占比仅33.6%，但单位面积GDP损失高达11.5万元/km²，显示出对经济活动的强烈破坏性。研究同时发现，堤防溃决情景下的灾情空间分异显著，右岸溃决影响大于左岸。这些成果为制定流域分级防洪策略提供了定量依据，建议重点加强深水淹没区防护和中等频率洪水的应对能力建设。本研究建立的“重现期–淹没深度–经济损失”定量关系模型，可为类似干旱区河流的洪水风险管理提供方法借鉴。

NOTES

^*通讯作者。