小流域防洪評價(jià)與洪水預(yù)警機(jī)制研究

周淑英，蔣 碧

(1.浙江省防汛機(jī)動搶險(xiǎn)總隊(duì)衢州支隊(duì)，浙江 衢州 324002；2.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324000)

小流域防洪評價(jià)與洪水預(yù)警機(jī)制研究

周淑英1，蔣 碧2

(1.浙江省防汛機(jī)動搶險(xiǎn)總隊(duì)衢州支隊(duì)，浙江 衢州 324002；2.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324000)

基于實(shí)地調(diào)查和資料分析，根據(jù)浙江省龍游縣廟下溪小流域自然地理和社會經(jīng)濟(jì)狀況，測算廟下溪小流域山洪災(zāi)害的區(qū)域分布和災(zāi)害影響程度，并對沿河村落防洪現(xiàn)狀進(jìn)行科學(xué)評價(jià)，分析了防洪預(yù)警方法、預(yù)警結(jié)果的合理性，進(jìn)而劃定受山洪威脅的沿河村落危險(xiǎn)區(qū)，按自然村為單元確定預(yù)警指標(biāo)和閾值，為山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和防御提供科學(xué)依據(jù).

小流域；防洪；危險(xiǎn)區(qū)；洪水預(yù)警

衢州市位于浙江省西部，由于氣候條件復(fù)雜、地形地質(zhì)條件特殊，臺風(fēng)、強(qiáng)降雨引發(fā)的溪河洪水和由此誘發(fā)的滑坡、泥石流等山洪災(zāi)害發(fā)生頻繁，給人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全帶來極大的損害.近年來，我國山洪災(zāi)害有加劇的趨勢，且造成的損失也越來越大，成為我國洪澇災(zāi)害中致人傷亡的主要災(zāi)種[1-2]，山洪災(zāi)害防治已迫在眉睫.

近幾年，在防治山洪災(zāi)害非工程措施方面，浙江省大力推進(jìn)基層防汛防臺體系和山洪災(zāi)害防治非工程措施建設(shè)，已初步建成基層防汛防災(zāi)體系[3].龍游縣隸屬于浙江省衢州市，屬浙中丘陵盆地區(qū)，2013年被列入山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)重點(diǎn)縣，該縣近些年分別于2004年、2007年、2008年和2011年發(fā)生過較大規(guī)模的山洪災(zāi)害，對農(nóng)田、房屋、學(xué)校、水利電力設(shè)施等造成極大損壞，人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全受到極大威脅.本文在總結(jié)前人山洪災(zāi)害防治措施的基礎(chǔ)上，對沿河村落防洪現(xiàn)狀進(jìn)行科學(xué)評價(jià)，劃定受山洪威脅的沿河村落危險(xiǎn)區(qū)，按自然村為單元確定預(yù)警指標(biāo)和閾值，進(jìn)一步增強(qiáng)山區(qū)防災(zāi)減災(zāi)能力，為龍游縣山丘區(qū)構(gòu)建和諧社會、促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供安全保障[4].

1 研究區(qū)概況

龍游縣地勢總特點(diǎn)是南高、北矮、中間低，呈馬鞍形，北部有千里崗余脈，最高峰馬槽山，海拔940.1 m(黃海高程)；南部屬仙霞嶺余脈，最高峰在西南廟下鄉(xiāng)的桃源尖，海拔1 438.9 m(黃海高程)；中部為丘陵岡地及河谷平原，海拔最低點(diǎn)位于中部湖鎮(zhèn)下童村，為33 m.以中部衢江河谷平原為界，南、北山脈均向河谷平原延伸，南部依次為中山、低山、平原帶，北部依次為高丘、低丘、緩坡崗地.

廟下溪小流域主要途經(jīng)浙江省龍游縣廟下鄉(xiāng)，屬錢塘江水系.該流域上游無水庫調(diào)洪，由西源溪和南源溪匯流而成.流域內(nèi)的村莊分布較多，主要有毛連里、長生橋、八角殿、陳村、浙源里、嚴(yán)村、梅林村、芝坑口、涼蓬、廟下等行政村，流域出口斷面位于溪口鎮(zhèn).據(jù)統(tǒng)計(jì)，廟下溪小流域內(nèi)共有耕地483.87 ha，居民7 258戶，人口11 754人.受地理氣候影響，每年汛期廟下溪流域極易發(fā)生高強(qiáng)度暴雨.另外，受東風(fēng)波及強(qiáng)對流天氣影響，帶來的暴雨歷時(shí)短、范圍小、強(qiáng)度大，短時(shí)間發(fā)生洪水災(zāi)害.廟下溪流域內(nèi)山勢高峻、山峰林立、坡陡谷深，有利于降雨后地表徑流匯集，洪水流速大、漲勢猛、沖刷力強(qiáng)、破壞力大，易于產(chǎn)生滑坡和泥石流.

2 防洪現(xiàn)狀評價(jià)

2.1 現(xiàn)狀評價(jià)計(jì)算

防洪現(xiàn)狀評價(jià)是在設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，分析防災(zāi)對象的現(xiàn)狀防洪能力，進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)劃分和區(qū)域內(nèi)人口、房屋等統(tǒng)計(jì)分析，為山洪災(zāi)害防御預(yù)案編制、人員轉(zhuǎn)移、臨時(shí)安置等提供支撐.

2.2 成災(zāi)水位對應(yīng)的洪水頻率分析

本文分析評價(jià)中，成災(zāi)水位根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查得出，其所對應(yīng)的流量即為現(xiàn)狀防洪能力.根據(jù)廟下村山洪災(zāi)害調(diào)查成果，控制斷面成災(zāi)水位高程為145.30 m，對應(yīng)流量為173 m3/s，通過設(shè)計(jì)洪水頻率試算，其防洪能力約為2年一遇(P=50%).

2.3 現(xiàn)狀防洪能力確定

基于現(xiàn)場調(diào)查成果中關(guān)于沿河村落、集鎮(zhèn)和城鎮(zhèn)人口高程分布數(shù)據(jù)，以及控制斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果，統(tǒng)計(jì)確定各頻率洪水淹沒高程下累計(jì)人口，得到控制斷面水位—流量—人口數(shù)據(jù)表(見表1).

根據(jù)廟下村控制斷面水位—流量—人口數(shù)據(jù)關(guān)系，得到廟下村防洪現(xiàn)狀評價(jià)表(見表2).

表1 控制斷面水位—流量—人口關(guān)系數(shù)據(jù)表

表2 廟下村現(xiàn)狀防洪現(xiàn)狀評價(jià)表

由表2可知，廟下村現(xiàn)狀防洪能力不到5年一遇，極高危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)有5戶15人，高危險(xiǎn)區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)分別有333人和694人.

2.4 危險(xiǎn)區(qū)等級劃分

(1)危險(xiǎn)區(qū)范圍確定

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，危險(xiǎn)區(qū)范圍為最高歷史洪水位和100年一遇設(shè)計(jì)洪水位中的較高水位淹沒范圍以內(nèi)的居民區(qū)域[5].

將本次廟下村山洪災(zāi)害調(diào)查成果與100年一遇設(shè)計(jì)洪水位成果比較，確定以100年一遇設(shè)計(jì)洪水位淹沒范圍為危險(xiǎn)區(qū)范圍.

(2)危險(xiǎn)區(qū)等級劃分方法

根據(jù)5年一遇、20年一遇、100年一遇的洪水位，確定危險(xiǎn)區(qū)等級，結(jié)合廟下村地形地貌情況，劃定對應(yīng)等級的洪水危險(xiǎn)區(qū)范圍.在危險(xiǎn)區(qū)等級劃分時(shí)，對學(xué)校、醫(yī)院等重要設(shè)施應(yīng)提升一級危險(xiǎn)區(qū)等級.因此本次對位于5～20年一遇洪水淹沒范圍內(nèi)的廟下小學(xué)危險(xiǎn)區(qū)等級進(jìn)行調(diào)整，將其劃入極高危險(xiǎn)區(qū).

在上述基礎(chǔ)上，得出廟下村各級危險(xiǎn)區(qū)高程人口分布情況(見表3).

表3 廟下村各級危險(xiǎn)區(qū)高程人口分布數(shù)據(jù)表

(3)轉(zhuǎn)移路線及安置點(diǎn)

在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，分析可知山洪災(zāi)害調(diào)查初步確定的轉(zhuǎn)移路線和安置點(diǎn)基本合理，因此本文分析評價(jià)轉(zhuǎn)移路線按照山洪災(zāi)害調(diào)查確定的轉(zhuǎn)移路線，安置點(diǎn)為廟下村委會.

3 洪水預(yù)警

3.1 指標(biāo)分析方法

小流域山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)是針對具體防災(zāi)對象來說的，是時(shí)間與空間、定性與定量相結(jié)合的衡量參數(shù)[6].預(yù)警指標(biāo)包括雨量預(yù)警指標(biāo)和水位預(yù)警指標(biāo)2類，分為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)和立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)2級.在本評價(jià)中，防災(zāi)對象為廟下村，該流域內(nèi)未建有水文控制站，同時(shí)簡易水位站也都距離廟下村較近，基本沒有預(yù)警時(shí)間，故預(yù)警指標(biāo)只考慮分析雨量預(yù)警指標(biāo)，本文分析評價(jià)根據(jù)資料的實(shí)際情況，結(jié)合設(shè)計(jì)洪水成果，采用浙江省瞬時(shí)單位線法對臨界雨量進(jìn)行分析[7].

瞬時(shí)單位線法的模式建立在3個(gè)基本假定上：(1)流域入流集中于調(diào)節(jié)中心；(2)流域?qū)粲甑恼{(diào)蓄作用可以看作為幾個(gè)串聯(lián)水庫的調(diào)節(jié)；(3)前后洪水互不影響，符合疊加原理.

計(jì)算公式為：

U(t)=(t/K)(n-1)×e-t/k/[K×τ(n)]

(1)

式中：U(t)—t時(shí)刻的瞬時(shí)單位線縱高；

K—反映流域匯流時(shí)間的參數(shù)；

n—調(diào)節(jié)次數(shù)；

τ(n)—n階不完全伽瑪函數(shù)；

t—時(shí)間.

對設(shè)計(jì)流域求出n和k兩個(gè)參數(shù)，按以上公式即可求出瞬時(shí)單位線.由水庫的流域特征值，根據(jù)n～F、M1(10)～L/J1/3、b～J1/3F-1/4關(guān)系式，分別查得匯流參數(shù)n=1.5，a=27.535，b=0.67.按上述求得的瞬時(shí)單位線匯流參數(shù)，代入瞬時(shí)單位線一般式即可推得設(shè)計(jì)洪水.計(jì)算時(shí)段采用1 h，臨界雨強(qiáng)為35 mm/h.由此求得的設(shè)計(jì)洪水成果(見表4).

表4 廟下村控制斷面以上設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表

3.2 土壤含水量及臨界雨量計(jì)算

根據(jù)匯流時(shí)間分析，綜合確定預(yù)警時(shí)段為1 h、3 h和4 h.

根據(jù)《山洪災(zāi)害分析評價(jià)技術(shù)要求》，考慮浙江省為南方濕潤地區(qū)，當(dāng)含水量<0.5 Wm時(shí)，土壤較干；當(dāng)含水量在0.5～0.8 Wm時(shí)土壤水分均衡；當(dāng)含水量>0.8 Wm時(shí)，土壤較濕潤.根據(jù)《浙江省中小河流設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集(產(chǎn)、匯流部分)》，Wm值估算為100 mm，則土壤含水量一般情況按比例0.5 Wm為50 mm，土壤含水量較濕情況按比例0.8 Wm為80 mm.

根據(jù)蓄滿產(chǎn)流模型[8]，計(jì)算產(chǎn)流量，匯流采用浙江省瞬時(shí)單位線法計(jì)算.通過反復(fù)試算，得到臨界雨量成果(見表5).

表5 臨界雨量計(jì)算成果表

3.3 代表雨量的確定

根據(jù)浙江省瞬時(shí)單位線分析計(jì)算的雨量預(yù)警指標(biāo)是面平均雨量，廟下溪小流域上游有和嶺腳雨量站，本文分析評價(jià)以和嶺腳站作為該流域的代表雨量.根據(jù)龍游縣最大1 h降雨等值線圖可以得出廟下溪小流域的形心位置和和嶺腳站的雨量均值基本一致，在沒有突變情況，可以直接將流域面雨量指標(biāo)換算成點(diǎn)雨量作為代表雨量站點(diǎn)預(yù)警指標(biāo)(見表6).

表6 大洪水平均情況下代表雨量站(和嶺腳站) 預(yù)警指標(biāo)成果表

3.4 預(yù)警結(jié)果與合理性分析

3.4.1 預(yù)警指標(biāo)計(jì)算

本文分析評價(jià)中，以浙江省瞬時(shí)單位線計(jì)算的臨界雨量為基礎(chǔ)，主要考慮土壤含水量一般和含水量豐富兩種狀態(tài)，以成災(zāi)水位對應(yīng)的臨界雨量作為立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)，經(jīng)計(jì)算得出不同土壤含水量(前期降雨)情況下各級雨量預(yù)警指標(biāo)(見表7、圖1).

表7 雨量預(yù)警指標(biāo)成果表

圖1 不同土壤含水量情況下預(yù)警雨量臨界曲線圖

根據(jù)以上指標(biāo)計(jì)算成果及臨界曲線圖，考慮不同土壤含水量影響，立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)1 h、3 h、4 h時(shí)段的閾值范圍分別為35～42 mm、50～59 mm、54～65 mm；準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)1 h、3 h、4 h時(shí)段的閾值范圍分別為30～36 mm、43～50 mm、46～55 mm.

參照《浙江省中小河流設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集(產(chǎn)、匯流部分)》[9]，大洪水平均情況下，前期土壤含水量一般為75 mm左右，大致在土壤含水量偏多的情況，與Pa=0.8 Wm情況接近，故在大洪水平均情況下采用準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)(見表8、圖2).

表8 各等級雨量預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)表

圖2 預(yù)警雨量臨界曲線圖

3.4.2 合理性分析

根據(jù)歷史資料記載，廟下溪小流域分別于2007年6月26日下午14～17時(shí)、2008年9月5日16～21時(shí)，發(fā)生2次典型山洪，收集這段時(shí)間內(nèi)和嶺腳站雨量站資料.

通過分析這2場典型山洪災(zāi)害的降雨資料可以得出：山洪災(zāi)害發(fā)生前，流域內(nèi)皆有降雨，土壤含水量較為濕潤.根據(jù)“2007.6.25”的降雨資料，分析可得14～17時(shí)3 h累積降雨量達(dá)到48.9 mm，比預(yù)警指標(biāo)42 mm高6.9 mm，達(dá)到預(yù)警條件；同樣，“2008.9.5”的降雨，18～21時(shí)3 h累積雨量達(dá)到46.6 mm，比預(yù)警指標(biāo)42 mm高4.6 mm，也達(dá)到預(yù)警條件，因此可以證明本文分析評價(jià)計(jì)算的雨量預(yù)警指標(biāo)與實(shí)際相符.

4 結(jié) 論

通過對龍游縣廟下溪小流域防洪現(xiàn)狀進(jìn)行評價(jià)和防洪預(yù)警方法的研究，對預(yù)警結(jié)果的合理性進(jìn)行了論證，具體結(jié)論如下：

(1)沿河村落防洪現(xiàn)狀評價(jià)

對廟下村進(jìn)行成災(zāi)水位對應(yīng)洪峰流量的頻率分析，根據(jù)需要輔助分析沿河道路、橋涵、沿河房屋地基等特征水位對應(yīng)洪峰流量的頻率，制作控制斷面水位—流量—人口關(guān)系圖表，確定廟下村現(xiàn)狀防洪能力不到5年一遇，極高危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)有5戶15人，高危險(xiǎn)區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)分別有333人和694人.

(2)沿河村落山洪危險(xiǎn)區(qū)劃分

在沿河村落防洪現(xiàn)狀評價(jià)基礎(chǔ)上，采用頻率法對危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行等級劃分，即極高、高和危險(xiǎn)三級.同時(shí)，結(jié)合廟下村地形地貌、交通條件等信息分析可知山洪災(zāi)害調(diào)查初步確定的轉(zhuǎn)移路線和安置點(diǎn)基本合理，安置點(diǎn)為廟下村村委會.

(3)沿河村落、集鎮(zhèn)和城鎮(zhèn)預(yù)警指標(biāo)分析計(jì)算

預(yù)警指標(biāo)分析根據(jù)資料的實(shí)際情況，選擇合理的分析計(jì)算方法進(jìn)行預(yù)警指標(biāo)分析計(jì)算，重點(diǎn)分析流域土壤較干、較濕、一般三種情況下的臨界雨量，進(jìn)而確定立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)1 h、3 h、4 h時(shí)段的閾值范圍分別為35～42 mm、50～59 mm、54～65 mm，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)1 h、3 h、4 h時(shí)段的閾值范圍分別為30～36 mm、43～50 mm、46～55 mm.

[1] 葉 勇，王振宇，范波芹.浙江省小流域山洪災(zāi)害臨界雨量確定方法分析[J].水文，2008，28(1)：23-25.

[2] 邱瑞田，黃先龍，張大偉，等.我國山洪災(zāi)害防治非工程措施建設(shè)實(shí)踐[J].中國防汛抗旱，2012，22(1)：31-33.

[3] 于桓飛，張新海，葛杭建.浙江省山洪災(zāi)害防治與調(diào)查創(chuàng)新方法[J].浙江水利科技，2016，10(6):18-20.

[4] 胡琳琳，汪榮勝.龍游縣山洪災(zāi)害防治縣級非工程措施建設(shè)實(shí)施方案[R].杭州：浙江省水利河口研究院，2010.

[5] 全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目組.山洪災(zāi)害分析評價(jià)技術(shù)要求[Z].北京：國防防汛抗旱總指揮部，2014.

[6] 許拯民.馬斯京根法應(yīng)用研討[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,26(4):1-3.

[7] 鈕澤宸，張佩琳，傅聯(lián)森.浙江省瞬時(shí)單位線法[J].浙江水利科技，1990(1):1-12.

[8] 魏永霞，王麗學(xué).工程水文學(xué)[M].北京：中國水利水電出版社，2008:144-153.

[9] 浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院.浙江省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集(產(chǎn)、匯流部分)[R].杭州：浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，1984.

ResearchonFloodControlEvaluationandWarningIndicatorsinSmallWatershed

ZHOU Shu-ying1, JIANG Bi2

(1.Quzhou Detachment of Zhejiang Flood Control Mobile Emergency Detachment, Quzhou 324002, China; 2.Zhejiang Jiuzhou Water Control Technology Co., Ltd., Quzhou 324000, China)

Flood disasters is a kind of natural disaster caused by continuous heavy rainfall in the mountain areas. In recent years, the frequent occurrence of mountain flood disaster in Longyou County, Zhejiang Province, not only causes devastating damage to the infrastructure of the hilly area, but also poses a great threat to the people’s life and safety. Based on field survey and data analysis, the rational analysis on natural geography and social economic conditions of Miaoxia Stream watershed is conducted, and the regional distribution and disaster impact caused by mountain torrents disaster are investigated and evaluated. A scientific evaluation on flood control capacity of the villages in flood threat zone, as well as warming approaches, is also delineated. Taking the natural village as a unit to determine early warning indicators and threshold, exploring countermeasures for beaten villages in small watershed are talked about to provide technical support for flood disasters monitoring and early warning and defense.

small watershed; flood control; danger zone; flood warning

2017-07-17

周淑英(1973-)，女，浙江江山人，高級經(jīng)濟(jì)師，從事防汛抗旱研究工作.

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.05.006

TV87

A

1008-536X(2017)05-0022-05