2024, Vol. 36 
(2: 水旱灾害防御江西省重点实验室, 南昌 330029)
(3: 江西省建洪水利咨询有限公司, 南昌 330029)
(4: 水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室, 武汉 430010)
(5: 南昌工程学院水利工程学院, 南昌 330031)
(6: 江西省水文监测中心, 南昌 330002)
(2: Jiangxi Key Laboratory of Flood and Drought Disaster Defense, Nanchang 330029, P. R. China)
(3: Jiangxi Jianhong Consulting Company Limited of Hydraulic Engineering, Nanchang 330029, P. R. China)
(4: Key Laboratory of River and Lake Management and Flood Control in the Middle and Lower Reaches of the Changjiang River of MWR, Wuhan 430010, P. R. China)
(5: School of Infrastructure Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, P. R. China)
(6: Jiangxi Hydrological Monitoring Center, Nanchang 330002, P. R. China)
为了缓解农田紧缺与粮食需求增加的矛盾，鄱阳湖洲滩筑堤围垦活动自汉唐以来都存在，近70年湖盆形态和洪水水情发生了深刻改变，1954—1992年鄱阳湖面积共减少了1300 km2，容积共减少了81亿m3，调节系数和调洪能力明显降低[1]。1949年以来，鄱阳湖湖区发生20余次较大洪水，1998年特大洪水之后，中华人民共和国国务院在长江中下游启动了“平垸行洪、退田还湖”工程[2]，江西采取“单退圩”和“双退圩”两种方式后鄱阳湖蓄洪面积基本恢复至1954年水平，恢复面积1174 km2[3]。单退圩属于洲滩民垸，具有“高水行洪、低水种养”的特点，是鄱阳湖防洪体系的重要组成部分，在防洪关键时期可以发挥削减洪峰、蓄滞超额洪量的功能[4]。2020年7月上旬江西遭遇强度大而集中的暴雨，10 d全省降雨量达228 mm，为常年同期均值的4倍[5]，12个湖区水位站超历史最高水位，星子站水位在7月12日达22.63 m(吴淞高程)，超警戒水位近3 m，成为21世纪以来鄱阳湖遭受的最大洪水[6]。2020年7月12日，鄱阳湖区有153座单退圩分洪蓄水，江西省防汛抗旱指挥部发布《关于全面启用单退圩蓄滞洪的紧急通知》(赣汛电[2020]27号)，要求所有单退圩于7月13日18:00前必须开闸清堰分蓄洪水，是江西省首次全面启用单退圩，湖口站最高水位最终控制在22.49 m，成功避免了鄱阳湖蓄滞洪区的启用，有效缓解了湖区的防汛形势[7]。
为了评价鄱阳湖围垦与退垦对洪水位的影响，闵骞[8]运用虚拟流量法分析对比鄱阳湖1954年和1998年洪水位变化。针对退田还湖对鄱阳湖洪水及环境的影响，闵骞[9]建立了鄱阳湖退田还湖洪水效应分析模型，估算了退田还湖对1998年洪水位及年最高水位频率的影响。傅春等[4]根据湖口水位设置4种单退圩开启方案，运用可变模糊优选理论优选得到最优方案为保护面积万亩(1万亩=6.67 km2，下同)以下、万亩以上单退圩启用水位分别为20.50和22.05 m。基于GIS空间分析和水文模拟，姜鲁光等[10]对鄱阳湖2005年和不同洪水情景下的调蓄能力进行模拟，结果表明退田还湖工程可以有效缓解湖区的防洪压力。针对2020年鄱阳湖单退圩启用情况，马强等[7]总结了鄱阳湖区185座单退圩实际分洪运用情况，复演了单退圩运用后的防洪形势及其影响程度。Liu等[11]以洞庭湖为研究对象，采用Mike21 FM分析防洪方案，结果表明水闸在洪水调节中发挥了非常重要的作用。雷声等[12]分析了2020年鄱阳湖洪水基本特点和单退圩运用实践过程，总结了单退圩取得的防洪成效，同时提出单退圩存在的问题及建议。Jiang等[13]以鄱阳湖三角圩为例，提出了一种堤坝溃口诱发的洪水模拟和损失评估框架，为堤防保护区的洪水预警和风险缓解提供了决策过程。目前相关研究主要基于湖区水量平衡的宏观视角，侧重于单退圩分洪总量及影响程度，研究方式多基于空间数据分析或统计模型。然而，系统模拟并全面分析鄱阳湖单退圩分洪的有关研究仍需加强，特别是针对2020年实际分洪过程以及单退圩分洪方式，逐一模拟单退圩的分洪过程及结合风险效益综合评价圩堤启用效果的工作仍较为少见。
通过实地调查，鄱阳湖单退圩中单独设置了分洪闸的有163座，设置进出洪闸和溢流堰的有25座，2020年仍有24座单退圩因建有基础设施或分洪口门过高未能发挥分蓄洪功能，占湖区单退圩总数的12%，而发生溃口的单退圩有16座，占湖区单退圩总数的9%。因此，随着单退圩现状的改变及2020年的实际启用，重新评估单退圩分洪能力及其效果对于鄱阳湖的防洪安全尤为重要。主要研究目标为：(1)基于2020年实际分洪过程及湖区水位变化分析单退圩的分洪效率及其效果；(2)从降低水位、启用频率及年均损失等方面评价并优选单退圩启用方案；(3)探讨当前单退圩运行和管理方面存在的突出问题，提出相关的对策建议。对鄱阳湖单退圩分洪过程及其启用效果开展研究，有助于遭遇大洪水时湖区单退圩的科学运用，可为江西防汛工作提供有力的技术支撑。
1 研究区概况 1.1 研究区概况根据《江西省圩堤图集》[14]，江西省单退圩共240座，其中鄱阳湖单退圩199座，主要分布在鄱阳湖区和五河尾闾，分别有180座和19座，堤线总长493.5 km，保护面积112.1万亩，分洪容量、分洪面积分别为32.8亿m3和97.6万亩，占江西省240座的比例均在92%以上，分布情况如图 1。据统计，万亩以上单退圩有32座，保护面积和分洪容量分别为82.5万亩和24.2亿m3，占鄱阳湖单退圩199座的比例分别为73.6%和73.9%。5万亩以上单退圩有4座，分别为新妙湖圩、立新圩、南北港圩和莲北圩，分洪容量10.1亿m3，占鄱阳湖单退圩总分洪容量的30.8%，其中新妙湖圩为保护面积最大的单退圩，保护面积11.5万亩，分洪容量2.9亿m3。按行政区划分，单退圩主要分布在南昌、上饶、九江3个设区、市的14个县(市、区)，集中在九江市，共有153座，保护面积、分洪容量分别为70.2万亩和20.5亿m3，所占比例均为62%。鄱阳湖单退圩基本情况见附表Ⅰ。
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图 1 鄱阳湖单退圩分布情况 Fig.1 Distribution of semi-restoration polders in Lake Poyang |
2022年7月5—25日鄱阳湖区11个水位站(都昌站、星子站、南峰站、棠荫站、湖口站、三阳站、蒋埠站、鄱阳站、古县渡站、永修站和康山站)逐日水位数据，1970—2020年湖口站年最高水位数据，数据来源于江西省水文监测中心。鄱阳湖单退圩保护面积、蓄洪容积及分洪设施等基础数据，资料来源于《江西省圩堤图集》[14]。2020年单退圩分洪情况、圩内种植和养殖及建筑物等基础数据，资料来源于2021年圩堤现场调查及相关县区统计上报[15]。
2 研究方法 2.1 分洪过程模拟根据现场调查，单退圩分洪形式分为堰流、闸门和涵管3种，其中堰流采用斜坡式有底坎的宽顶堰，而闸门或溃口采用考虑侧向收缩的无底坎实用堰流。计算公式见附件一。单退圩分洪过程模拟包括基础数据输入、滚动分洪模拟、模拟结果统计3个部分，计算流程见图 2。首先，将所有分洪设施尺寸、主湖区和圩内水位数据输入模型，按照分洪规则判断或人为选取参与分洪的单退圩；其次，根据主湖区、圩内水位及分洪设施情况，查询相关参数表动态调整该时段参与分洪的单退圩分洪设施流量系数、淹没系数及侧收缩系数等参数，计算圩堤的分洪流量并判断分洪是否结束；最后，统计参与分洪的单退圩分洪过程、圩内水位变化，分析分洪量对主湖区水位的影响程度。
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图 2 单退圩分洪过程计算流程 Fig.2 Calculation process of semi-restoration polders flood diversion |
单退圩分洪情况包括圩堤启用数量和分洪量，可通过启用率和分洪率反映，前者指实际启用的数量占总数的比例，后者指实际分洪量占圩堤分洪容量的比例。星子站位于鄱阳湖入江水道的左岸，是当前普遍认可和广泛采用的代表鄱阳湖水位变化特征的站点[16]，单退圩运用效果选取星子站水位的下降程度来反映。鄱阳湖单退圩启用水位根据湖口站水位，选取该站历年最高水位为判断条件，通过启用频率、年均损失来表示圩堤分洪风险。启用频率指单退圩启用年数占总年数的比例，可按保护面积大小分别统计。根据实际调查情况，单退圩内有水面养殖、粮食经济作物，部分涉及村镇、企业和学校等房屋建筑，圩堤启用分洪将产生一定的经济损失。水位降低值和年均分洪损失计算公式见附件一。
2.3 方案优选方法不同启用方案对应的圩堤分洪效果和风险存在差异，方案之间的优劣没有分明的界限，具有模糊属性，运用多目标决策系统模糊优选方法[17]评价鄱阳湖单退圩启用方案。计算步骤见附件一。
3 结果分析 3.1 2020年运用情况分析 3.1.1 分洪过程模拟根据《江西省平垸行洪退田还湖移民建镇若干规定》(第102号令)规定，对于保护面积在万亩以上的单退圩，受湖洪控制的圩堤分洪水位为相应湖口水位21.68 m(吴淞高程，相应黄海高程19.79 m)，受河洪控制的圩堤分洪水位为相应河段10年一遇的洪水位；对于保护面积在万亩以下的单退圩，受湖洪控制的圩堤分洪水位为相应湖口水位20.5 m(吴淞高程，相应黄海高程18.61 m)，受河洪控制的圩堤分洪水位为相应河段5年一遇的洪水位。实际上，鄱阳湖不同区域的水位与湖口站水位存在一定差异，分洪模拟选择圩堤邻近水位站，本次选择都昌站、星子站、南峰站、棠荫站、湖口站、三阳站、蒋埠站、鄱阳站、古县渡站、永修站和康山站11个水位站。
选取莲北圩和莲南圩验证模型模拟效果，莲北圩和莲南圩位于鄱阳县莲湖乡(图 1)，设计分洪水位为湖口水位21.68 m，分洪容量分别为2.92亿和0.96亿m3，各设置有1个分洪闸和1个溢流堰。2020年莲北圩于7月9日17:00时开启分洪闸和溢流堰，7月10日06:00和12日05:00时分别发生了宽度为48和238 m圩堤溃口；莲南圩于7月9日20:00时开启分洪闸和溢流堰，7月11日08:00发生38 m溃口。针对模型参数，闸门和溃口分洪的流量系数取0.42，侧收缩系数根据闸墩形状和个数取0.75，淹没系数根据圩内外实时水位调整；溢流堰分洪方式无侧收缩影响，流量系数和淹没系数根据圩内外实时水位调整。设置模型分洪时间和溃口时间与实际情况一致，莲北圩和莲南圩实际分洪时长约为60 h，模拟的分洪时长为59 h，莲北圩实际分洪量和模拟分洪量分别为2.92亿和2.91亿m3，莲南圩实际分洪量和模拟分洪量分别为0.96亿和0.95亿m3，模型模拟效果较好。
根据圩堤分洪口门尺寸、启用时间及发生溃口位置与宽度等，构建鄱阳湖单退圩分洪模拟模型。选取7月5日0:00—25日0:00的湖区水位站数据为输入条件，离散时间间隔为1 h，还原2020年单退圩实际运用情况。7月8—17日鄱阳湖单退圩分洪过程如图 3。本文模拟单退圩分洪总历时480 h，时段内出现多个流量高峰，主要是6座单退圩(周溪圩、寺下湖圩、浆潭联圩、莲北圩、莲南圩及角丰圩)在不同时间发生溃口造成，最大分洪流量为21743 m3/s，发生在7月11日11：00，主要因为寺下湖圩、浆潭联圩以及莲北圩、莲南圩4座圩堤发生集中溃口，而主要分洪时段为7月10—13日，时段累积分洪量为16.9亿m3，占总分洪量的68.5%。7月15日后，因圩堤内外水位基本持平，分洪流量和分洪量明显减少并趋于稳定，时段累积分洪量为24.7亿m3，占单退圩分洪容量的80%。
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图 3 2020年7月8—17日鄱阳湖单退圩分洪过程 Fig.3 Flood diversion of semi-restoration polders in Lake Poyang from July 8-17, 2020 |
2020年鄱阳湖单退圩分洪情况见附表Ⅱ。在启用数量方面，2020年鄱阳湖实际启用的单退圩175座，占单退圩总数的87.9%，南昌市、九江市和上饶市实际启用单退圩占该区域单退圩总数比例分别为71.4%、89.5%和84.6%，万亩以上的单退圩全部启用，启用率高于万亩以下单退圩启用率；在分洪量方面，2020年鄱阳湖单退圩实际分洪量为24.69亿m3，占总分洪容量的75.4%，南昌市、九江市和上饶市单退圩分洪量占该区域单退圩分洪容量比例分别为67.3%、71.6%和75.4%，万亩以下单退圩分洪率为63.7%，1万~5万亩单退圩分洪率为81.3%，5亩以上的单退圩分洪率为76.9%。九江市单退圩分洪量所占比例最高，为59.5%，其次为上饶市35.1%，南昌市占比仅为5.4%；万亩以上单退圩在分洪方面发挥明显，2020年实际分洪量为19.2亿m3，占总分洪量的比例接近80%，万亩以下单退圩分洪量为5.47亿m3，占总分洪量的22.2%(图 4)。
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图 4 2020年鄱阳湖单退圩分洪比例 Fig.4 Flood diversion ratio of semi-restoration polders in Lake Poyang in 2020 |
启用分洪24 h，圩堤总分洪量5.01亿m3，占总分洪容量的15.3%；48 h圩堤总分洪量13.21亿m3，占总分洪容量的40.3%，分洪率40%以下的有67座；72 h圩堤总分洪量17.35亿m3，占总分洪容量的52.97%；分洪结束后，圩堤总分洪量24.68亿m3，占总分洪容量的75.3%，圩堤分洪平均时长为96.5 h，分洪率40%以下的仍有32座。根据鄱阳湖水位—容积关系，推算单退圩启用前后湖区24 h水位变化过程，结果如图 5。单退圩启用后可明显降低星子站水位，7月10日0:00—24:00降低水位0.099 m，随后圩堤分洪效果更加明显，11日0:00—24:00降低水位为0.232 m，降低水位达最大(为0.236 m)，发生在11日2:00—12日2:00，随后圩堤内外水位差减少导致分洪量减少，对湖区水位降低作用减弱。
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图 5 2020年7月8—17日单退圩启用前后24 h水位对比 Fig.5 Comparison of 24-hour water levels before and after the use of semi-restoration polders during July 8-17, 2020 |
2020年分洪过程中出现溃口分洪的单退圩有14座，其余分洪采用闸门和堰流方式，不同保护面积的单退圩分洪率差异明显，见表 1。保护面积万亩以下的圩堤分洪率在启用起始24 h分洪效率较高，达23.9%，而启用起始48 h和72 h分洪效率增幅较少，为10%左右，启用起始72 h分洪量占总分洪量的21.9%；保护面积1万~5万亩的圩堤分洪率较高且增幅明显，启用起始48 h和72 h后分洪率分别为49.1%和64%，较前24 h分别增加了35.1%和14.9%，启用起始72 h分洪量占总分洪量的52.0%；保护面积5万亩以上的单退圩在启用起始24 h的分洪率较低，为10%，在启用起始48 h后的分洪率为31.9%，增幅为21.9%，在启用起始72 h后分洪率不到50%，分洪效率不高，启用起始72 h分洪量占总分洪量的26.1%。除了莲北圩出现溃口致使分洪效率较高外，其余3座保护面积5万亩以上单退圩受分洪设施限制导致分洪效率低，新妙湖圩、立新圩和南北港圩72 h的分洪率分别为14.7%、11.4%和40.6%。
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表 1 2020年不同起始时长单退圩分洪情况 Tab. 1 Flood diversion of semi-restoration polders with different starting time length in 2020 |
参考《关于鄱阳湖蓄滞洪区调度运用有关问题的函》(长防总办[2009]104号)，结合2020年鄱阳湖圩堤分洪情况，选择48 h分洪时长来判断单退圩的分洪效率。在不考虑圩堤溃口或人工扒口干预，按照鄱阳湖单退圩现行启用方案进行模拟，结果表明部分圩堤48 h分洪效率偏低，在起始48 h内，约35%的单退圩分洪率在40%以下，而分洪容量约占圩堤总分洪容量的60%。首先针对48 h分洪效率偏低或效果较差的单退圩，采用拓宽分洪口门宽度提高分洪效率，主要调整对象为保护面积万亩以上的14座单退圩，48 h分洪率提升至60%以上，单退圩分洪量由调整前的12亿m3提升至21亿m3，分洪率提升30%。
当前单退圩启用方案以降低居民聚集区受淹风险为目标，整体启用水位偏低[4]。实际上，鄱阳湖一般圩堤和重点圩堤分批次开展了除险加固，防洪标准基本达到湖口22.50 m(吴淞高程，下同)的防洪标准。因此，为了更好地体现单退圩圩内耕作情况和分蓄洪效益的差异，结合当前鄱阳湖圩堤防洪管理的要求，以保护面积万亩以上和万亩以下分别设置单退圩启用水位，万亩以下为20.50、21.00和21.50 m，万亩以上为21.68和22.00 m，交叉组合形成包括现行方案共计6组单退圩启用方案，见表 2。
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表 2 鄱阳湖单退圩启用方案 Tab. 2 Operational scheme for the semi-restoration polders in Lake Poyang |
选用2020年7月鄱阳湖大洪水为分析对象，采用上节提出的启用方案模拟分洪过程，统计星子站24 h降低水位以反映启用方案的分洪效果，如图 6。现行方案最大降低水位由改造分洪口门前的0.15 m增加至改造分洪口门后的0.28 m，方案1和方案2最大降低水位分别为0.29和0.30 m，发生时段为7月10日19:00—11日19:00；方案3、方案4和方案5最大降低水位发生时段为7月11日13:00—12日13:00，降低水位分别为0.35、0.35和0.36 m。星子站最高水位为22.63 m，发生时间为7月12日0:00，不同方案24 h最大降低水位发生时间基本在最高水位出现之前，表明不同启用方案可以有效减少鄱阳湖区一般圩堤和重点圩堤的防洪压力。
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图 6 不同方案单退圩分洪效果对比 Fig.6 Flood diversion effect comparison of different schemes for semi-restoration polders |
分析不同启用方案下单退圩48 h最大分洪效果，见表 3。以星子站水位降低值反映不同启用方案48 h最大分洪效果，现行方案最大降低水位由改造分洪口门前的分洪量10.06亿m3增加至18.78亿m3，相应降低水位由0.310 m增加至0.586 m，方案1和方案2星子站24 h最大分洪量分别为19.30亿和19.92亿m3，相应降低水位分别为0.602和0.621 m，发生时段为7月10日19:00—12日19:00；方案3、方案4和方案5星子站最大累积降低值发生时间为7月11日13:00—13日13:00，降低水位分别为0.561、0.574和0.590 m。不同方案48 h最大降低水位基本发生在最高水位出现前，且降低水位平均为0.60 m，表明不同启用方案可以有效减少鄱阳湖蓄滞洪区的启用压力。单退圩分洪口门改造后，不同启用方案对鄱阳湖洪水的分洪效果较为接近，方案2分洪效果最佳，其分洪量为19.92亿m3，相应降低水位为0.621 m，其次为方案1，而方案3分洪效果较差，其分洪量为17.94亿m3，相应降低水位为0.561 m。从不同方案对应的分洪模拟结果可知，保护面积万亩以上圩堤开启时间偏晚，而万亩以下圩堤开启时间偏早，即单退圩存在分洪效果最佳的启用时间，与鄱阳湖洪水位过程存在一定关系。
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表 3 不同启用方案单退圩48 h最大分洪效果 Tab. 3 Maximum values about flood diversion within 48 hours of semi-restoration polders under different operational schemes |
参考2021年江西省统计年鉴[19]，水面养殖、粮食经济作物的洪水综合损失分别按6000和1000元/亩测算。考虑部分圩堤保护范围内交通不便，村镇、企业和学校的楼房建设维护成本，以及设施设备购置和运输成本均较高，同时结合当地调查的实际情况，统一假定资产分别为1500万、3000万和1000万。2020年鄱阳湖区单退圩分洪造成圩内房屋淹没深度在2 m以上，参照有关文献[20]，村镇住房的损失率取值为15%，考虑到企业、学校建筑物的等级高，其损失率为10%。
根据1970—2020年湖口站历年最高水位，分析不同方案单退圩启用频率及年均损失情况，见表 4。在1970—2020年共51年间，单退圩启用频率最小的为方案2和方案5，启用频率为9.80%，其次为方案1和方案4，启用频率为13.73%，最大的为现行方案和方案3，启用频率为21.57%。其中，万亩以上单退圩在现行启用方案、方案1和方案2均开启5次，相应启用频率为9.80%，方案3、方案4和方案5开启2次，相应启用频率为3.92%。不同启用方案因启用频率不同造成单退圩年均损失存在一定差别，年均损失最大为现行方案，损失3.221亿元，其次为方案1，损失为2.751亿元，损失最小的为方案5，损失为1.358亿元。其中，万亩以上单退圩分洪总损失均大于万亩以下，现行启用方案、方案1和方案2年均损失1.929亿元，方案3、方案4和方案5年均损失0.771亿元。
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表 4 1970—2020年不同方案单退圩启用频率与分洪损失 Tab. 4 Flood diversion frequency and losses under different operational schemes of semi-restoration polders from 1970 to 2020 |
不同方案的分洪效果和损失情况差异明显，48 h最大降低水位最大的启用方案为方案2，而相应年均损失在不同方案中位列中等，年均损失最小的为方案5，而48 h最大降低水位在不同方案中位列中等。本次选用48 h最大降低水位、启用频率和年均损失3个目标，采用多目标决策系统模糊优选方法优选单退圩启用方案，各方案的目标特征值见表 5。
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表 5 不同方案目标特征值 Tab. 5 Target eigen values of different operational schemes |
目标特征值矩阵X如下:
| $X=\left[\begin{array}{cccccc} 0.586 & 0.602 & 0.621 & 0.561 & 0.574 & 0.590 \\ 21.57 & 13.73 & 9.80 & 21.57 & 13.73 & 9.80 \\ 3.221 & 2.751 & 2.516 & 2.063 & 1.593 & 1.358 \end{array}\right]$ | (1) |
在3个目标中，48 h最大降低水位越大越优，而启用频率和年均损失越小越优，将目标特征值矩阵转换为目标相对优属度矩阵:
| $R=\left[\begin{array}{cccccc} 0.412 & 0.680 & 1 & 0 & 0.210 & 0.479 \\ 0 & 0.666 & 1 & 0 & 0.666 & 1 \\ 0 & 0.252 & 0.378 & 0.622 & 0.874 & 1 \end{array}\right]$ | (2) |
经分析，3个目标的重要性由大到小的排序为48 h最大降低水位、年均损失和启用频率。根据模糊语气算子确定相对隶属度，将相对隶属度归一化得到目标权重值，48 h最大降低水位、启用频率和年均损失的权重值ω= [0.596 0.149 0.255]。设置隶属度为5级，最优相对隶属度矩阵为：
| $U=\left[\begin{array}{cccccc} 0 & 0 & 0.463 & 0 & 0.052 & 0.111 \\ 0 & 0.421 & 0.359 & 0.055 & 0.111 & 0.340 \\ 0.325 & 0.470 & 0.123 & 0.123 & 0.294 & 0.486 \\ 0.542 & 0.109 & 0.055 & 0.359 & 0.389 & 0.063 \\ 0.133 & 0 & 0 & 0.463 & 0.154 & 0 \end{array}\right]$ | (3) |
单退圩启用方案的级别特征值向量为：
| $H=\left[\begin{array}{llllll} 3.808 & 2.688 & 1.769 & 4.231 & 3.483 & 2.501 \end{array}\right]$ | (4) |
最小的级别特征值对应的方案最优，从结果可知方案2最优，即保护面积万亩以下单退圩启用水位21.50 m、万亩以上单退圩启用水位21.68 m。实际上，鄱阳湖区较低的洪水水位(18.50~20.50 m)对圩堤安全造成影响较小，单退圩分蓄洪的边际效益不大；若鄱阳湖区遭遇较高的洪水位(20.50~22.59 m)，可能危及圩堤安全，此时圩堤分蓄洪的边际效益较高[12]。综上，本研究优选的鄱阳湖单退圩启用方案为：湖口水位达到21.50 m时，并预报继续上涨，保护面积万亩以下单退圩首先启用分洪；湖口水位达到21.68 m时，并预报继续上涨，视实时洪水情况湖区单退圩全部运用。
4 讨论 4.1 单退圩管理体制不完善，分蓄洪功能有所弱化单退圩主要分布在长江中下游的安徽、江西、湖南和湖北等省份[21]，国家对单退圩没有颁布相关法律及补偿制度，江西也未出台圩堤日常运行管理办法。除马咀圩、沙湖山圩、周溪圩、新妙湖圩等设置专门管理机构外，鄱阳湖大多数圩堤由乡镇水管站、乡镇政府或村委会兼管，各级政府每年划拨的维养经费不足，难以满足工程的实际管护需求。此外，地方群众缺乏对单退圩分蓄洪功能的认识，圩内存在一定程度的经济社会建设，部分单退圩防洪功能明显弱化或丧失[22]。2022年针对鄱阳湖单退圩开展了专项调查，结合相关圩堤资料[15, 23-24]，单退圩圩内现有人口44984人，其中，未迁人口21131人，返迁人口23853人(注：以湖口水位23.0 m或同河段20年一遇洪水位以下，下同)，35个集镇、村分布在23座圩堤内，62个企业有关设施分布在14座圩堤内，51个学校分布在27个圩堤内，堤圩内耕地面积61.6万亩、水面面积35.9万亩、粮食和经济作物面积56.4万亩。此外，68座圩堤内有公路设施，总长353.6 km，73座圩堤内有高压线缆，总长690.9 km，58座圩堤内建有或规划有变电站、桥梁等相关设施。经统计，16座单退圩纳入城市总体规划，建设了工业园区和基础设施导致不具备分蓄洪功能，18座单退圩相互连接，2座圩堤属于圩中圩，鄱阳湖具有分蓄洪功能的实际单退圩数量为170座。依据江西省国土厅、地方县(市、区)提供的1 ∶1万地形图，采用等高线容积法复核单退圩分洪量，结果表明鄱阳湖单退圩实际有效分洪容量为30.8亿m3，较原分洪容量减少了2.0亿m3。建议一方面出台有关鄱阳湖圩堤管理的相关规定或制度，有效保障圩堤日常管理和应急工作，明确破坏或侵占圩堤保护范围等违法行为及处罚条款，保障圩堤的正常分蓄洪功能及工程效益；另一方面制定符合江西省省情的单退圩调整办法，根据圩堤变化情况及时更新圩堤名录并发布，对于圩内现存影响分蓄洪功能的设施设备，地方政府应将其纳入省级河湖圩堤监管平台并逐步迁出。
4.2 单退圩分洪设施有待改建，分洪效率亟待提升经过多年的运行，单退圩部分堤段和分洪设施设备存在风险隐患，已完成除险加固的单退圩有31座，其中万亩以上21座，大部分尚未开展除险加固工作。2020年7月单退圩启用过程中，有16座圩堤发生了溃口，其中10座圩堤保护面积在万亩以下。28座单退圩分洪设施老化坏损严重，其中坝面破损3座，进出洪闸(包括相关设备)封堵2座，分洪闸损坏(含闸门损坏、漏水、启闭设备损坏等原因)15座。实际上，“平垸行洪、退田还湖、移民建镇”工程实施后，多数万亩以上单退圩分洪闸宽小于10 m，万亩以下闸宽小于5 m，且分洪堰顶高程偏高，一般在19.3~21.2 m之间，分洪设施的分洪能力达不到紧急状况下的分洪要求，运用过程中容易发生漫顶或溃口，造成汛后恢复投入资金较大等问题。根据前面章节结果，分析时段内鄱阳湖单退圩平均分洪时长为96.5 h，起始48 h分洪率大于90%的仅有41座，分洪量占有效分洪容量的14.1%，起始72 h分洪率大于90%的有64座，超过10 d且一直在分洪的有18座。对于不同保护面积的圩堤，万亩以上、万亩以下单退圩平均分洪时长分别为130.4和89.7 h，起始48 h分洪率大于90%的仅有7座(万亩以上)和34座(万亩以下)，占相应圩堤数量的21.9%和20.4%，超过10 d且一直在分洪的有5座(万亩以上)和13座(万亩以下)。对于不同行政区，南昌市、九江市和上饶市单退圩平均分洪时长分别为104.4、88.4和133.8 h，起始48 h分洪率大于90%的仅有1座(南昌市)、37座(九江市)和3座(上饶市)，占相应圩堤数量的14.3%、24.2%和7.7%，超过10 d且一直在分洪的有14座(九江市)和4座(上饶市)。对于保护面积5万亩以上的4座单退圩，除莲北圩发生溃决后58 h蓄满，立新圩、新妙圩和南北港圩开始分洪48 h的分洪率仅为6.6%、5.2%和27.0%，其中立新圩和新妙圩持续分洪时长超过10 d。为了进一步提高单退圩分洪效率，建议在现有分洪闸基础上对分洪口门大小统一调整，针对分洪效率较低的万亩以上单退圩可拓宽闸门宽度30~50 m，例如新妙圩、立新圩、南北港圩和莲北圩分别增加50、36、36和30 m，单退圩48 h分洪效率可达到70%，满足鄱阳湖单退圩的实际分洪要求。
4.3 动态调整湖区圩堤分布，优化单退圩分洪方案2020年鄱阳湖单退圩全面启用，但湖区防洪抢险压力仍然巨大，洪涝灾害导致673.3万人受灾，农作物受灾74.2 hm2，直接经济损失约313.3亿元，三角联圩(重点圩堤)、问桂道圩和中洲圩(一般圩堤)3座圩堤决口，处置各类险情2075处。为了减轻鄱阳湖重点圩堤和一般圩堤的防洪压力，可探讨动态调整一般圩堤、单退圩和蓄滞洪区名录。经分析，不具有防洪功能或具备退出条件的单退圩有18座，减少分洪容量2.0亿m3；在一般圩堤中，可纳入单退圩管理的千亩圩堤有84座，新增分洪容量10.7亿m3，万亩以上一般圩堤有27座，新增分洪容量24.7亿m3；在蓄滞洪区中，黄湖和方洲斜塘蓄滞洪区靠近南昌高新区、临空经济区，其分洪容量占4座蓄滞洪区容量的18.4%，其分洪运用对南昌市未来城市发展空间构成威胁，可考虑结合长江流域防洪规划修编或长江流域综合规划修编等工作退出蓄滞洪区[25]，减少分洪容量4.78亿m3。目前康山、珠湖、黄湖和方舟斜塘4座蓄滞洪区从未启用，一旦分洪将造成转移安置困难、经济损失惨重，而单退圩内以耕殖为主，其有效分洪容量大于蓄滞洪区的分洪容量26亿m3，单位分洪量的分洪成本远低于蓄滞洪区[12]，通过对圩堤名录的动态调整又可新增分洪容量28.62亿m3，能有效提升鄱阳湖圩堤的综合防洪能力。虽然单退圩启用方案可实现分批启用圩堤，但充分考虑圩堤保护范围的“低水养殖”的损失风险和收益[26]，结合湖区洪水特点适当调整或优化现有圩堤分洪启用水位，可实现单退圩分洪效果最佳的分蓄洪目标。为了进一步提升圩堤系统应对鄱阳湖超标准洪水的能力，有必要开发一套鄱阳湖圩堤系统数字孪生平台，充分反映每座单退圩保护范围内地形特点、养殖耕作、分洪设施设备等，根据鄱阳湖实时水位、堤身安全等，结合防洪效益和损失风险，运用平台智慧化决策支持提供针对每场洪水的分蓄洪方案，以挖掘鄱阳湖单退圩的分洪综合效益。
5 结论单退圩是鄱阳湖防洪体系的重要组成部分，圩堤运用效率及启用方式很大程度上影响着鄱阳湖区防洪安全和蓄滞洪区的启用。结合2020年鄱阳湖单退圩实际运用情况，本文系统分析了圩堤分洪过程及其效率，并优选单退圩的启用方案，进一步对圩堤维养及运行管理中存在的问题进行了讨论，主要结论如下：
1) 2020年单退圩分洪效果较为明显，但分洪效率有待提高。2020年鄱阳湖单退圩累积分洪量为24.7亿m3，最大分洪流量为21743 m3/s，24 h降低水位最大达0.236 m，可有效降低主湖区水位；分洪时段集中在7月8—17日，启用分洪48 h后，圩堤总分洪量占总分洪容量的40.3%，分洪率40%以下的有67座，圩堤分洪效率有待进一步提高。
2) 单退圩现行启用标准较低，综合考虑效益与损失可提高启用水位。当前单退圩启用标准以降低居民聚集区受淹风险来确定，边际效益不大且整体启用标准偏低。以48 h最大降低水位、启用频率和年均损失为目标，单退圩最优启用水位与鄱阳湖洪水过程存在一定关系，通过模糊方法优选单退圩启用水位为湖口水位21.50 m(保护面积万亩以下圩是)和21.68 m(保护面积万亩以上圩堤)。
3) 单退圩运行管理体制机制不完善，工程管护及科学运用需强化。有关单退圩的法律定位和补偿制度不完善，管理体制机制不健全，地方发展影响了18座圩堤分洪功能，减少分洪容量约2.0亿m3。保护面积万亩以下的单退圩基本未开展除险加固，部分单退圩分洪设施老化坏损，大部分分洪设施不能满足分洪效率要求，同时需进一步提升鄱阳湖圩堤系统的综合调度的能力。
6 附录附件一和附表Ⅰ、附表Ⅱ见电子版(DOI: 10.18307/2024.0641)。
附录 附件一一、分洪过程计算：
（1）当采用堰流或闸门敞开式分洪时，运用堰流公式计算分洪流量，即：
| $Q=\sigma \varepsilon m B \sqrt{2 g} H_0^{3 / 2}$ | (1) |
式中，
（2）当采用涵管式分洪时，运用淹没有压流的涵洞公式计算分洪流量，即：
| $Q=\mu A \sqrt{2 g\left(H_0+i L-h\right)}$ | (2) |
式中，
二、水位降低值及年均分洪损失：
（1）水位降低值。通过鄱阳湖水位~容积关系分析计算时段内圩堤分洪量对应的水位降低值。
| $Z_{\Delta t}=Z_t-f_{z-v}^{-1}\left(f_{z-v}\left(Z_t\right)-\Delta V_{\Delta t}\right)$ | (3) |
式中，
（2）年均分洪损失。为了合理计算每座单退圩分洪后的损失情况，将圩堤内水面养殖、粮食经济作物以及村镇、企业和学校作为损失分析因子，年均损失计算公式如下：
| $L_a=\sum\limits_{j=1}^l \sum\limits_{i=1}^k\left(q l_{i, b}^j \square A_{i, b}+q l_{i, c}^j \square A_{i, c}+\eta_v \square q l_{i, v}^j+\eta_e \square q l_{i, e}^j+\eta_s \square q l_{i, s}^j\right) / l$ | (4) |
式中，
三、多目标决策系统模糊优选理论计算公式如下：
具体步骤如下：
（1）启用方案特征值矩阵。假设单退圩可供优选的启用方案n个，方案优劣根据m个目标特征值识别，则启用方案特征值矩阵为：
| $X=\left[\begin{array}{cccc} x_{11} & x_{12} & \ldots & x_{1 n} \\ x_{21} & x_{22} & \ldots & x_{2 n} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ x_{m 1} & x_{m 2} & \ldots & x_{m n} \end{array}\right]=\left(x_{i j}\right)$ | (5) |
式中，
（2）方案相对优属度。单退圩启用方案的目标特征值分为越大越优、越小越优两种类型，方案j目标i的相对优属度为：
| $R=\left[\begin{array}{cccc} r_{11} & r_{12} & \ldots & r_{1 n} \\ r_{21} & r_{22} & \ldots & r_{2 n} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ r_{m 1} & r_{m 2} & \ldots & r_{m n} \end{array}\right]=\left(r_{i j}\right)$ | (6) |
越大越优：
| $r_{i j}=\frac{x_{i j}-\min\limits_{\rm{j}} x_{i j}}{\max\limits_j x_{i j}-\min\limits_j x_{i j}}$ | (7) |
越小越优：
| $ r_{i j}=\frac{\max\limits_j x_{i j}-x_{i j}}{\max\limits_{j} x_{i j}-\min\limits_jx_{i j}}$ | (8) |
目标特征值按从优级到劣级划分为5个级别，级别相对优属度标准值向量为：
| $S=\left(\begin{array}{lllll} 1 & 0.75 & 0.5 & 0.25 & 0 \end{array}\right)=\left(S_h\right)_{h=1, 2, \ \ldots, {\rm{c}}}$ | (9) |
（3）方案相对隶属度矩阵。将方案目标相对优属度与标准值向量进行对比，得到方案j的m个目标相对优属度分别介于相邻级别区间[a1j，b1j]，…，[amj，bmj]，而方案j的级别上限值与下限值为bj，aj。根据圩堤分蓄洪经验和目标重要性，对目标之间的相对隶属度进行二元比较[18]，归一化处理目标相对隶属度向量，得到方案目标权重向量
| $U=\left[\begin{array}{cccc} u_{11} & u_{12} & \ldots & u_{1 n} \\ u_{21} & u_{22} & \ldots & u_{2 n} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ u_{m 1} & u_{m 2} & \ldots & u_{m n} \end{array}\right]=\left(u_{i j}\right)$ | (10) |
| $u_{h j}=\left\{\begin{array}{c} 0, h<a_j \cup h>a_j \\ \frac{1}{\sum\limits_{k=a_j}^{b_j} \frac{\sum\limits_{i=1}^m\left[\omega_i\left(r_{i j}-s_h\right)\right]^2}{\sum\limits_{i=1}^m\left[\omega_i\left(r_{i j}-s_k\right)\right]^2}}, \quad a_j \leq h \leq b_j \end{array}\right.$ | (11) |
（4）方案级别特征值。方案相应级别特征值H的向量式为：
| $H=\left(\begin{array}{lllll} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 \end{array}\right)\left(u_{h j}\right)=\left(\begin{array}{llll} H_1 & H_2 & \ldots & H_n \end{array}\right)$ | (12) |
级别特征值最小对应的方案为单退圩启用优选方案。
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附表Ⅰ 鄱阳湖单退圩基本情况 Appendix Ⅰ Basic information of semi-restoration polders in Lake Poyang |
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附表Ⅱ 2020年鄱阳湖单退圩实际启用情况 Appendix Ⅱ Summary on the actual utilization of semi-restoration polders in Lake Poyang in 2020 |
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