滇東典型板橋小流域山洪災害風險評估

蘇文豪，甘淑，2，陳明義

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093；2.云南省高校高原山地空間信息測繪技術應用工程中心，昆明 650093；3.云南師范大學旅游與地理科學學院，昆明 650500)

洪災是伴隨人類發(fā)展的主要災種，從古至今在我國洪災頻發(fā)，損失巨大。據(jù)2013年國家防洪抗旱總指揮部統(tǒng)計，全國2 058個縣(市)有山洪和泥石流分布，分布區(qū)面積達487×104km2，受威脅人口達到5.7億人[1]。近10多年來，全國因山洪災害造成的死亡人數(shù)占洪澇災害死亡人數(shù)的比例高達70%～90%，且呈增長趨勢成為造成人員傷亡的主要災種之一[2]。

流域指河流或水系的補給區(qū)域也就是河流或水系的集水區(qū)域，流域是一條河流其干流與支流分水線所共同包圍的區(qū)域，包含地表集水區(qū)和地下集水區(qū)[3]。山區(qū)小流域，是孕育山區(qū)洪水和山洪集中爆發(fā)的場所，是世界各國實施山洪風險管理的基本區(qū)域[4]。然而，至今為止，仍然沒有山區(qū)小流域的確切定義。結合本文的研究，借鑒國內外的經驗，若用面積閾值來定義山區(qū)小流域[5]，比如200 km2和50 km2這兩個面積控制節(jié)點，對于本文的實際工作是遠遠不夠的。很顯然，針對云南高原面上的復雜的山地地形而言，處于同一條河流溝谷的上游聚落與下游聚落，其山洪發(fā)生的可能性大小、洪水量級、時間長短等特性是完全不同的。因此，首先明確山區(qū)小流域的概念，對于本文實際工作具有先導性的意義。

通過監(jiān)測，近20 a來，云南省降水的強度和頻次都有所增加，這更加大了山區(qū)局部洪澇災害發(fā)生的風險。與此同時，由降雨引發(fā)的山洪、滑坡、泥石流等災害也更加頻繁，不僅嚴重威脅到山區(qū)人民的生命財產安全，而且也成為了制約山區(qū)經濟發(fā)展的首要因素。因此，山區(qū)的防災減災形式異常嚴峻。

進行山洪災害風險評估是論證山洪危險性的直接方法。它作為進行災害預測、防治及災后救助的基礎，可以為山洪災害的防治提供一定的技術指導。

1 研究區(qū)概況

羅平地區(qū)為滇東的多雨中心也是云南第四大多雨中心，多年平均年降雨量為1 720.9 mm，實測最大年降雨量達2 216.98 mm。羅平年平均暴雨日數(shù)都在3 d以上，有些年份可達5.4 d，其暴雨頻次，為滇東地區(qū)之冠。板橋小流域位于羅平東部的多雨中心處，其流域形狀呈扇形，西北低其余均為高山，其河流上游坡降大導致河流匯流速度快，而下游地區(qū)處于山間壩子，地勢低平，不利于河水的快速消退，因此板橋小流域是滇東具有典型性的山區(qū)小流域。板橋小流域位于曲靖市羅平縣東部的板橋鎮(zhèn)內，地處滇、桂、黔三省區(qū)結合部，介于東經104°45′～104°57′，北緯24°88′～24°99′之間，流域面積89.7 km2。東西最大跨度約12 km2，南北最大跨度約12 km2。流域包括鐘山鄉(xiāng)西部小部分、舊屋基彝族鄉(xiāng)北部小部分、板橋鎮(zhèn)大部分。轄板橋、牛補歹、玉馬、舍邦歹、金雞、木呈、安勒、大雞登、募補、樂巖、浙都、花紅、大地坪13個村民委員會，3個居民委員會，40個自然村。

2 研究方法

本文提出基于暴雨洪水和DEM的小流域山洪災害風險評估方法：首先水文比擬求斷面洪峰流量，然后采用曼寧公式推求設計洪水位；再次基于DEM利用地理信息技術進行洪水的淹沒范圍分析；最后根據(jù)淹沒范圍，統(tǒng)計不同危險區(qū)內的人口和建筑等的分布情況，從而進行洪災損失評估。

水文比擬法求斷面洪峰流量：

以上述設計洪峰流量成果為依據(jù)，考慮面積、河長、比降等特征值按下式推求各測量斷面洪峰流量：

(1)

式中，K為洪峰系數(shù)；J1、J2為設計流域、參證站的比降(‰)；L1、L2為設計流域、參證站的河長(km)；F1、F2為設計流域、參證站的流域面積(km2)；P1、P2為設計流域、參證站的24 h最大降水量均值(mm)。

2.1 洪水位推求

洪水波分為運動波、慣性波、擴散波、動力波，山區(qū)小流域河流的坡度較大，洪水波的運動可以近似為運動波，由動量方程簡化得到運動波方程如下：

S0-Sf

(2)

式中，S0為斷面底坡；Sf為水力摩阻。

由于非恒定流情況下的摩阻損失與恒定流情況下差別不大，因此采用應用最為廣泛的曼寧公式計算水力摩阻。其基本形式為：

(3)

所以，山區(qū)洪水流量公式為：

(4)

式中，Q為流量;n為河道糙率系數(shù);A為河道斷面過流面積;R為河道斷面水力半徑;S0河道斷面處的底坡。山區(qū)河流坡降較大，河道坡度大，水流以下切侵蝕為主，因此河道斷面形態(tài)多為“U”形或不完整的“U”形斷面。只有在村落附近的河段，如果修建了人工河岸或護堤，河道斷面才會呈矩形或梯形斷面。這些斷面形態(tài)都可以概化成梯形斷面，對梯形斷面有：

A=B·h+h2·ctan α

(5)

(6)

式中，B為河道斷面寬度;h為水深;α為邊坡。因此，可得

(7)

2.2 基于DEM的淹沒范圍分析

隨著地理信息技術的不斷發(fā)展，基于數(shù)字高程模型DEM用水動力學計算通過GIS技術可以順利的進行洪水的淹沒范圍分析和計算。本文利用高精度的DEM數(shù)據(jù)，以設計洪峰水位計算結果進行洪水淹沒范圍的推求，推求方法如下：

首先，由各斷面的洪峰水位計算數(shù)值，沿著測量橫斷面方向向兩岸計算，推求出該斷面位置處的洪峰水位線。

然后，在小流域范圍內，取多個斷面，由相鄰兩個斷面的洪峰水位線線性插值出一個水位面生成洪峰水位面。

最后，由洪峰水位面與DEM數(shù)據(jù)相減，即可得到掩沒范圍?；诂F(xiàn)場調查成果中關于沿河村落、集鎮(zhèn)和城鎮(zhèn)人口高程分布數(shù)據(jù)，以及控制斷面設計洪水計算成果，統(tǒng)計確定各頻率洪水淹沒高程下累計人口，根據(jù)實測的人口分布高程確定成災水位，統(tǒng)計各頻率設計洪水淹沒范圍內累計人口和房屋數(shù)及房屋面積，并根據(jù)這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行現(xiàn)狀防洪能力的分析，繪制現(xiàn)狀防洪能力圖。

3 板橋小流域山洪災害風險評估

參照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2000)以及《山洪災害評價技術要求》的規(guī)定[6]，根據(jù)板橋小流域特性及防洪現(xiàn)狀，暴雨洪水重現(xiàn)期取5 a一遇(p=20%)、10 a一遇(p=10%)、20 a一遇(p=5%)、50 a一遇(p=2%)、100 a一遇(p=1%)。由DEM經過ArcSWAT的小流域提取，板橋小流域的流域面積(F)89.9 km2，主河全長28.8 km，河道坡降0.015。流域無實測雨洪資料。

3.1 重點河段設計洪峰流量計算

選取小流域范圍內防洪能力較低、沿河村落分布較多的河段為重點河段，這些河段分布在多依樹村、江田所村、菜園村、普塘者小寨、對門村、白云安村、阿且村、樂巖村、普塘者村等9個自然村， 因流域范圍內無水文站，且整個羅平縣也只有兩個水文站，所以選用水文比擬法計算重點河段控制斷面的洪峰流量。各重點河段控制斷面的流域特征參數(shù)如表1。

表1 重點河段控制斷面洪峰流量

以小流域出水口設計洪峰流量成果為依據(jù)，考慮面積、河長、比降等特征值，根據(jù)公式計算得各重點河段控制斷面設計洪峰流量，見表2。

表2 重點河段控制斷面洪峰流量

3.2 重點河段洪水位的推測

斷面的選擇要以研究區(qū)域為主體，根據(jù)其自然地理特性和居民聚落的分布情況來確定具有代表性的河道控制斷面。如下圖1普塘者村，對照底圖的河流位置、居民區(qū)分布情況布設了3個河道斷面，從上游到下游依次布設為上游斷面、控制斷面、下游斷面。其中，控制斷面左岸不僅有居民分布，房屋地勢低洼，且其斷面過水面積較小，故設置為控制斷面。

圖1 斷面布設示意圖

針對板橋小流域的河道情況，共選取多依樹村、江田所村、菜園村、普塘者小寨、對門村、白云安村、阿且村、樂巖村、普塘者村等9個重要河段，分別布設10個控制斷面、10個上游斷面、10個下游斷面。其中菜園村溝道長，溝道兩側人口分布密集且地形平坦，因此布設2個控制斷面。

上下游斷面多為自然河道，呈“U”形，而控制斷面由于多布設在人口分布密集且溝道一側或兩側地形平坦，易發(fā)生山洪災害的河段，大部分都有防洪能力較低的河堤，因此斷面多呈“U”形或不完整的“U”形。在推求洪峰水位的時候可將其斷面形狀概化成梯形斷面，以便求解。根據(jù)河道斷面測量成果，概化河道控制斷面為梯形斷面，計算出河道坡降及控制斷面水力參數(shù)，采用曼寧公式推求控制斷面水位流量關系，計算結果見表3。

表3 板橋小流域重點河段控制斷面洪峰水位

3.3 基于DEM的淹沒范圍分析

基于高精度DEM數(shù)據(jù)，利用GIS技術，分析各頻率下掩沒范圍。并以landsat8，0.1 m分辨率的影像數(shù)據(jù)為工作底圖，利用ArcSWART進行小流域提取，以AcrGIS10.2為平臺，結合小流域基礎資料，由洪水位推求結果基于DEM的進行淹沒范圍分析，如圖2～6所示。

圖2 5 a一遇洪水淹沒范圍

圖3 10 a一遇洪水淹沒范圍

圖4 20 a一遇洪水淹沒范圍

圖5 50 a一遇洪水淹沒范圍

圖6 100 a一遇洪水淹沒范圍

3.4 危險區(qū)的劃分及結果分析

在危險區(qū)劃分時，根據(jù)小于5 a一遇、5～20 a一遇、20 a～100 a一遇的洪水位，進行危險區(qū)等級劃分。洪水重現(xiàn)期小于5 a一遇，發(fā)生頻次較高，為極高危險區(qū)；大于等于5 a一遇，小于20 a一遇，發(fā)生頻次中等，為高危險區(qū)；大于等于20 a一遇至歷史最高洪水位，發(fā)生頻次稀遇，為危險區(qū)[7-8]。在此基礎上，基于設計洪水分析和現(xiàn)狀防洪能力分析成果，結合地形地貌情況，劃定板橋小流域各等級對應的危險區(qū)范圍[9-10]。

根據(jù)小流域內10個重點河段的人口高程分布關系以及已統(tǒng)計的各頻率設計洪水位下的累計人口和房屋數(shù)，繪制各重點河段防洪現(xiàn)狀評價圖如圖7～16所示。由防洪評價圖可知，菜園2組和菜園3組現(xiàn)狀防洪能力最低，僅為3 a一遇，極高危險區(qū)內有31人和1 300 m2的房屋建筑面積，高危和危險區(qū)內有82人和一定房屋。菜園2組和菜園3組所在河道附近人口分布密集，同時河道兩側地勢低平。白云安村的現(xiàn)狀防洪能力也低于5 a一遇的洪水，根據(jù)調查結果，白云安村控制斷面附近河道較為狹窄，同時河道附近的居民地分布的高程較低。

圖7 菜園3組防洪現(xiàn)狀評價圖

圖8 菜園2組防洪現(xiàn)狀評價圖

圖9 白云安村防洪現(xiàn)狀評價圖

圖10 江田所村防洪現(xiàn)狀評價圖

江田所村、對門村、阿且村、樂巖村、普塘者村其防洪現(xiàn)狀能力為8 a、6 a、6 a、8 a、6 a一遇，極高危險區(qū)內基本沒有居民點分布，高危險區(qū)范圍內分別分布有32人、27人、28人、63人、53人和2 030 m2、390 m2、1 120 m2、3 410 m2、2 080 m2。

圖11 對門村防洪現(xiàn)狀評價圖

圖12 阿且村防洪現(xiàn)狀評價圖

圖13 樂巖村防洪現(xiàn)狀評價圖

圖14 普塘者村防洪現(xiàn)狀評價圖

圖15 多依樹村防洪現(xiàn)狀評價圖

多依樹村、普塘者小寨現(xiàn)狀防洪能力較高，分別為12 a一遇、13 a一遇，極高危險區(qū)內基本沒有人和房屋，高危和危險區(qū)內有76人和一定房屋，該范圍以上還有一定人員和房屋。這是由于多依樹村位于小流域上游，其河流長只有1.8 km，流域面積較小，同時在流經村莊的河岸兩側有很好的護堤，普塘者小寨雖處板橋河下游，但根據(jù)調查結果，江田所河段人口分布的高程較高。

4 結論

進行了羅平縣板橋典型山區(qū)小流域的風險評估。以滇東羅平縣板橋小流域為例，應用所提出的基于暴雨洪水計算和數(shù)值高程模型的小流域山洪災害風險評估方法進行風險評估。根據(jù)對小流域暴雨洪水的計算成果，采用水文比擬法推算出板橋小流域范圍內10個重要河段控制斷面的設計洪峰流量，采用曼寧公式進行洪峰水位推求。計算結果為：多依樹控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設計洪峰水位依次為1 433.47 m、1 433.04 m、1 432.31 m、1 431.83 m、1 431.26 m；江田所村控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設計洪峰水位依次為1 416.42 m、1 415.82 m、1 414.79 m、1 414.12 m、1 413.30 m；菜園3組控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設計洪峰水位依次為1 417.20 m、1 416.28 m、1 414.71 m、1 413.70 m、1 412.48 m；菜園2組控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設計洪峰水位依次為1 410.59 m、1 409.91 m、1 408.76 m、1 408.01 m、1 407.09 m；普塘者小寨控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設計洪峰水位依次為1 406.39 m、1 405.54 m、1 404.10 m、1 403.18 m、1 402.05 m；對門村控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設計洪峰水位依次為1 418.77 m、1 418.21 m、1 417.25 m、1 416.63 m、1 415.88 m；白云安村控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設計洪峰水位依次為1 415.77 m、1 414.68 m、1 412.83 m、1 411.65 m、1 410.22 m；阿且村控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設計洪峰水位依次為1 440.47 m、1 440.25 m、1 439.88 m、1 439.63 m、1 439.33 m；樂巖村控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設計洪峰水位依次為1 433.55 m、1 432.68 m、1 431.19 m、1 430.23 m、1 429.07 m；普塘者村控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設計洪峰水位依次為1 400.26 m、1 399.17 m、1 397.31 m、1 396.11 m、1 394.66 m。根據(jù)基于DEM的洪水淹沒分析和洪災損失評估，流域范圍內的多依樹村、江田所村、菜園2組、菜園3組、普塘者小寨、對門村、白云安村、阿且村、樂巖村、普塘者村10個重點河段其防洪現(xiàn)狀能力約為12 a、8 a、3 a、3 a、13 a、6 a、4 a、6 a、8 a、6 a一遇，對應洪峰流量為40.93 m3/s、148.39 m3/s、93.46 m3/s、86.81 m3/s、202.37 m3/s、39.07 m3/s、73.42 m3/s、28.25 m3/s、158.38 m3/s、173.46 m3/s?？傮w來看，在板橋小流域范圍內選取的10個重點河段，其中有8個的現(xiàn)狀防洪能力不能抵抗10 a一遇的洪水，這之中又有3個的現(xiàn)狀防洪能力低于5 a一遇，可以看出板橋小流域的防洪現(xiàn)狀能力較低。

圖16 普塘者小寨防洪現(xiàn)狀評價圖

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