山洪災害分析評價計算方法驗證

□陳 楠（河南省水文水資源局）

0 引言

河南省處于南北氣候和山區(qū)向平原兩個過渡帶，年平均降水量約為500～900 mm。全年降水的50%集中在夏季，具有強度大、年內(nèi)分配不均、年際變化大等特點。特殊的地理位置和自然條件，致全省山洪災害易發(fā)，不僅嚴重威脅人民群眾的生命安全，還制約了社會經(jīng)濟發(fā)展。因此，2010-2012年，按照上級部門的統(tǒng)一部署和要求，河南省開展了山洪災害防治非工程措施建設工作，該項目完工后，發(fā)揮了良好的防災減災效益。但在開展非工程措施項目建設過程中，因受主、客觀因素影響，工作深度尚未達到科學防御的要求。2012年“全國中小河流治理、病險水庫除險加固、山洪地質(zhì)災害防御及綜合治理總體規(guī)劃”發(fā)布，明確于2013-2015年度繼續(xù)開展山洪災害防治項目建設，以進一步提高山洪災害防御水平。河南省按照水利部和財政部的安排部署，依據(jù)相關(guān)要求，編制相關(guān)方案，明確建設原則、目標及內(nèi)容。山洪災害分析評價工作是河南省山洪災害防治項目2015年度主要工作內(nèi)容之一，由于山洪災害防治區(qū)范圍廣、各流域單元的氣象、水文、地理情況均不相同；一些小流域，屬流量資料空白區(qū)；部分沿河村落所在河段河勢變化，測量斷面選擇困難；部分斷面主河槽、漫灘泥沙質(zhì)、糙率選擇等原因，均會對分析評價結(jié)果的準確性造成一定影響，因此，需要對分析評價采用方法進行驗證。

文章采用兩種方法進行驗證，主要使用條件如下。

在有資料地區(qū)，根據(jù)水文站的實測斷面資料對水位流量關(guān)系計算方法進行驗證；

無資料地區(qū)，在洪水模擬方法調(diào)查比較的基礎(chǔ)上，對采用的產(chǎn)流和匯流的計算方法進行驗證。

1 水位流量關(guān)系計算方法驗證

1.1 計算方法

采用曼寧公式等水力學方法，繪制水位流量關(guān)系曲線。主要做法為：依據(jù)河道斷面測繪資料得出河道坡降及相關(guān)參數(shù)，帶入曼寧公式計算控制斷面水位-流量關(guān)系，公式如下：

式中：J—水力坡降；A—相應水位過水斷面面積（m2）；n—河床糙率；R—水力半徑（m）；R＝A/X，Q—流量（m3/s）；X—濕周（m）。

根據(jù)該方法可以分析計算出每個斷面的水位流量關(guān)系曲線。由于山洪災害分析評價的河道都是較小流域，沒有水面線的測量記錄，因此采用水面高程或河底高程的高差來計算比降。

考慮到不同的河道縱斷面形態(tài)，其比降的計算可采用不同的方案：

方案一：

當河段縱斷面近于直線時，比降計算公式為：

式中:J-河段的比降；h1、h0—河段上、下斷面水面高程或者河底高程，m；l—河段長度，m。

方案二：

當河底高程沿程變化時，比降計算公式為：

式中：h0，...，hn—自下游到上游沿程各點河底高程，m；l1，...，ln—相鄰兩點間的距離，m；L—河段的全長，m。

1.2 驗證實例

1.2.1 馬家畈站

根據(jù)斷面測繪數(shù)據(jù)及計算公式，馬家畈縱斷面比降以往計算結(jié)果為0.06×10-2，根據(jù)1.1計算方法介紹的兩種計算方案，方案一計算結(jié)果為2.88×10-3，方案二計算結(jié)果為0.63×10-3。

根據(jù)馬家畈計算方案水位流量關(guān)系計算對比分析見表1，不同計算方案水位流量關(guān)系曲線比較圖見圖1。

表1 馬家畈結(jié)果對比分析表

圖1 馬家畈不同計算方案水位流量關(guān)系曲線比較圖

從表1和圖1中可以看出，方案二的計算結(jié)果與以往成果比較接近。

1.2.2 馬市坪站

根據(jù)斷面測繪數(shù)據(jù)及計算公式，馬市坪縱斷面比降以往計算結(jié)果為0.99×10-2，根據(jù)1.1計算方法介紹的兩種計算方案，方案一計算結(jié)果為1.12×10-2，方案二計算結(jié)果為0.12×10-1。

馬市坪不同計算方案水位流量關(guān)系計算對比分析見表2，不同計算方案水位流量關(guān)系曲線比較見圖2。

表2 馬市坪結(jié)果對比分析表

圖2 馬市坪不同計算方案水位流量關(guān)系曲線比較圖

從表2中和圖2中可以看出，高水位狀況下，方案一和方案二的成果都偏離以往的成果，但方案一的計算結(jié)果與以往成果更接近。

2 暴雨洪水模擬方法驗證

2.1 計算方法

2.1.1 產(chǎn)流計算

API模型：前期雨量指數(shù)模型。模型以流域降雨產(chǎn)流物理機理作為基礎(chǔ)，將主要影響因素作為參變量，建立降雨與產(chǎn)流之間的定量關(guān)系。具有計算參數(shù)少，適應性強等特點。

該方法使用步驟如下：根據(jù)河南省中小流域設計暴雨洪水圖集，全省山丘區(qū)有6個分區(qū)；按工程所在位置的匯水面積確定所屬水文分區(qū)、選用水文參數(shù)。如果地表特征與地區(qū)實際情況差別較大時，也可跨區(qū)（要求條件相似）選用參數(shù)。如確無可移用水文預報方案時，可采用《河南省暴雨圖集》中介紹的產(chǎn)流方案進行計算：從相應分區(qū)中利用特征相似的水文站的產(chǎn)流方案進行產(chǎn)流計算。

2.1.2 匯流計算

流域山洪特性取決于其本身的特性。其特性主要包括流域周長、面積、高程、坡度以及土壤類型、植被情況等。流域匯流單位線是流域特性綜合作用的結(jié)果。因此匯流單位線也是是流域山洪特性的體現(xiàn)。

參與分析評價的流域大部分沒有水文資料，因此，基于現(xiàn)有水文資料的單位線計算方法不具備施用條件。宜采用一種基于流域地形、地貌、植被情況的單位線計算方法。該方法的基本思路為：第一步，要計算小流域內(nèi)每個柵格中徑流滯留時間；第二步，根據(jù)匯流路徑，得到各徑流到達小流域出口的時間；第三步，計算匯流時間的地貌單位線及概率密度分布。最后，完成匯流計算，得到洪水過程線［3］。

2.2 驗證實例

根據(jù)上述的原理和方法，以新縣的裴河水文站降雨資料和實測流量資料，對采用的暴雨洪水模擬方法進行驗證。

斐河水文站所在流域年降雨量豐沛，植被良好，多水稻田。土壤以粘性土為主，坡面和河道的調(diào)蓄能力較大，屬于淮河干流、淮南山區(qū)分區(qū)，其暴雨洪水的模擬可以借用新縣的產(chǎn)流方案。表3列出了裴河水文站暴雨洪水過程模擬驗證的相關(guān)性能指標。

根據(jù)表3的結(jié)果，依據(jù)《水文情報預報規(guī)范》可得出：

裴河水文站檢驗的17場洪水中，峰值相對誤差有13場合格，合格率是76.47%。場次洪水總量相對誤差有13場合格，合格率是76.47%。峰現(xiàn)時間有16場合格，合格率是94.12%。

表3 裴河水文站暴雨洪水過程模擬驗證的相關(guān)性能指標一覽表

3 結(jié)論

隨著城市化進程的推進，流域下墊面發(fā)生了巨大的變化，原有的水文規(guī)律也隨之改變。即使在有資料地區(qū)，因天然河道地形復雜，采用曼寧公式處理時也會不可避免地產(chǎn)生誤差。且部分地區(qū)興建了不少工程，水文資料一致性遭到不同程度的破壞，利用有效方法對分析評價結(jié)果進行比對及驗證，是分析評價工作不可或缺的步驟。

文章根據(jù)河南省山洪災害分析評價工作方案列出的關(guān)鍵技術(shù)方法：水位流量關(guān)系曲線、暴雨洪水過程模擬，詳細地給出了馬家畈、馬市坪等水文站的相關(guān)資料對山洪災害評價工作中采用的水位流量關(guān)系計算方法的對比分析結(jié)果，將水文站降雨資料洪水過程模擬與實測洪水過程性能指標的統(tǒng)計分析結(jié)果，以期為河南省山洪災害分析評價工作方案實施提供有益的借鑒。

［1］王文川，邱林，徐冬梅，等.工程水文學［M］.北京：中國水利水電出版社，2013：39-40.

［2］包為民，張建云，等.水文預報［M］.北京：中國水利水電出版社，2013：11-50.

［3］王有振，王文川，等.河南省山洪災害分析評價工作實施方案［R］.鄭州：河南省水文水資源局，2014：50-51.