基于災(zāi)害分區(qū)的山洪調(diào)查與防治

索惠霞

(河北省承德水文水資源勘測(cè)局，河北 承德 067000)

0 引 言

我國(guó)人口分布不均，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平各異，地域氣候千差萬(wàn)別，地形地貌迥然不同，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生。2002年以來(lái)，山洪災(zāi)害在我國(guó)自然災(zāi)害中所占比重逐年增加，造成的人員傷亡事故和財(cái)產(chǎn)損失不可小覷，已經(jīng)成為現(xiàn)階段制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)良好快速發(fā)展的瓶頸之一。為此，國(guó)家編制出臺(tái)了《全國(guó)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》、《全國(guó)中小河流治理和病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固、山洪地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防和綜合治理總體規(guī)劃》等一系列規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)全國(guó)各地加緊開展山洪災(zāi)害調(diào)查與防治專項(xiàng)行動(dòng)。

截止2015年底，我國(guó)在山洪災(zāi)害治理的非工程措施投入達(dá)到289.4億元，初步建成了山洪災(zāi)害綜合防治體系[1]。

本文首先梳理山洪災(zāi)害研究現(xiàn)狀，加強(qiáng)綜合防治體系的整體認(rèn)識(shí)，然后以河北承德縣山洪災(zāi)害調(diào)查與防治為具體案例。在工程設(shè)計(jì)過程中，參考其他省市的先進(jìn)合理舉措，并閱讀了大量專家學(xué)者的論著和報(bào)告。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程所在地區(qū)的實(shí)際情況，為本工程的決策和實(shí)施提供科學(xué)合理的方法，也為其他同類山洪防治工程提供參考。

1 山洪災(zāi)害防治現(xiàn)狀

1.1 山洪災(zāi)害調(diào)查方法

山洪災(zāi)害調(diào)查是綜合防治體系中的基礎(chǔ)，是后期分析評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)支撐和預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)是否合理的關(guān)鍵。因此，山洪災(zāi)害調(diào)查是一項(xiàng)難度高、工作量大、調(diào)查內(nèi)容繁雜且時(shí)間緊迫的工作。山洪調(diào)查一般以200 km2范圍以內(nèi)作為一個(gè)小流域單元對(duì)象，傳統(tǒng)的外業(yè)調(diào)查方式需要安排較多人力才能在短時(shí)間內(nèi)完成地形地貌、縱橫斷面等要素測(cè)量。馮超以山西省延安市吳起鎮(zhèn)山洪災(zāi)害調(diào)查為例，使用RTK測(cè)繪方法對(duì)該區(qū)域縱橫斷面、沿河村落分布情況進(jìn)行實(shí)地測(cè)繪，介紹了實(shí)踐中測(cè)繪布置要點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)[2]。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的巨大發(fā)展，新型的調(diào)查方法不斷涌現(xiàn)，三維激光掃描技術(shù)、遙感測(cè)繪、無(wú)人機(jī)測(cè)量、手持智能終端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)運(yùn)用、機(jī)載雷達(dá)激光技術(shù)等等充實(shí)完善了復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的測(cè)量手段，增加了山洪調(diào)查的可選方案，可大量節(jié)省人力消耗，提高工作效率。劉昌軍將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于山區(qū)丘陵地帶的洪水災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)中，可為山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)提供高精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得到控制斷面地形、下墊面特征及河道糙率等資料[3]。張覺曉利用先進(jìn)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，采用NRS網(wǎng)絡(luò)CORS在山洪災(zāi)害測(cè)量中運(yùn)用[4]。林賢斌介紹了中海達(dá)公司的RTK測(cè)繪儀器在山區(qū)洪水災(zāi)害調(diào)查中的運(yùn)用[5]。靳宏昌介紹了GIS在山洪調(diào)查中的應(yīng)用[6]。王英以廣東省茂名市山洪調(diào)查為例，介紹了基于平板移動(dòng)終端的智能調(diào)查系統(tǒng)，可較大程度地提高山洪調(diào)查的外業(yè)和內(nèi)業(yè)效率[7]。劉昌軍重點(diǎn)介紹了無(wú)人機(jī)在水利行業(yè)的應(yīng)用潛力和巨大前景，通過無(wú)人機(jī)結(jié)合激光雷達(dá)技術(shù)，在山洪災(zāi)害防治區(qū)開展高精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搜集工作[8]。劉昌軍利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，在陜西商洛某無(wú)資料小流域開展山洪調(diào)查與評(píng)價(jià)，開發(fā)了航測(cè)路線程序、地圖拼接技術(shù)和后期數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)，可提供大比例尺、高精度的地形圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[9]。胡小青針對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)中的短板，開發(fā)了一套激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速自動(dòng)處理的程序，為山洪災(zāi)害調(diào)查要素的獲取提供了技術(shù)支撐[10]。于桓飛采用山洪調(diào)查創(chuàng)新技術(shù)，外業(yè)使用手持GIS終端采集數(shù)據(jù)，通過自主研發(fā)的Gistar軟件統(tǒng)一導(dǎo)出，與中央組織開發(fā)的山洪調(diào)查軟件具有很好的互導(dǎo)性[11]。

1.2 山洪災(zāi)害分析與評(píng)價(jià)方法

山洪災(zāi)害分析與評(píng)價(jià)是內(nèi)業(yè)工作的重點(diǎn)內(nèi)容，山洪預(yù)警方法的研究對(duì)于合理確定預(yù)警閾值和信息發(fā)布時(shí)間至關(guān)重要。目前，基于水文學(xué)的暴雨設(shè)計(jì)、洪水設(shè)計(jì)、產(chǎn)匯流分析方式方法較多，更加合理的理論計(jì)算方法有待進(jìn)一步研發(fā)。王鶴鳴通過單站雨量搜集，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，以單站和區(qū)域臨界雨量為控制指標(biāo)，建立了山洪災(zāi)害預(yù)警模型[12]。段生榮以無(wú)雨量站實(shí)測(cè)值的炭山嶺小流域?yàn)榘咐捎脤?shí)測(cè)雨量分析法、災(zāi)害與降雨頻率分析法和產(chǎn)匯流分析法對(duì)導(dǎo)致洪災(zāi)的臨界雨量進(jìn)行分析，選擇產(chǎn)匯流法作為合理的計(jì)算方法[13]。申睿針對(duì)無(wú)資料小流域山區(qū)洪水計(jì)算問題，對(duì)比經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法、瞬時(shí)單位線法和分布式降雨徑流模型法，認(rèn)為推理公式法和分布式降雨徑流模型法比較合理[14]。韓冬采用推理公式法計(jì)算設(shè)計(jì)水位，采用頻率法分出三級(jí)危險(xiǎn)區(qū)，根據(jù)災(zāi)害水位的頻率、特征水位與人口、房屋高程分布的對(duì)比，對(duì)現(xiàn)狀防洪能力進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算出沿河村鎮(zhèn)臨界雨量，確定了預(yù)警指標(biāo)[15]。周奇以宣城市宣州區(qū)山洪調(diào)查為具體案例，通過水力學(xué)方法計(jì)算水位～流量關(guān)系，通過實(shí)地調(diào)查得出水位～人口關(guān)系曲線，進(jìn)而得出致災(zāi)水位對(duì)應(yīng)的流量，由暴雨洪水計(jì)算資料，可以查出洪水頻遇值[16]。

1.3 山洪災(zāi)害區(qū)劃分析

基于山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)成果，按照《全國(guó)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》要求，可較為合理地劃分出分類分級(jí)治理范圍和標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)不同的指標(biāo)，通常將山洪防治劃分為非防治區(qū)和防治區(qū)，防治區(qū)又可細(xì)分為重點(diǎn)防治區(qū)和一般防治區(qū)。屈明洋調(diào)查了黑龍江全省山洪災(zāi)害分布、類型，以行政區(qū)縣為調(diào)查單元，劃分出一般防治區(qū)和重點(diǎn)防治區(qū)，通過受災(zāi)人口、基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)查，評(píng)價(jià)出危險(xiǎn)程度[17]。郭良提出在全國(guó)范圍內(nèi)開展小流域山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)，從調(diào)查內(nèi)容、調(diào)查流程、層級(jí)管理幾個(gè)方面論述了必要性和可行性[18]。馮田超以降雨分布、地形地質(zhì)條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r對(duì)遼寧省區(qū)域進(jìn)行劃分，然后將3種要素進(jìn)行疊加，可以劃分出遼寧省山洪災(zāi)害防治區(qū)的分級(jí)類型[19]。張平倉(cāng)分析了全國(guó)范圍內(nèi)山洪災(zāi)害發(fā)生的分布格局、時(shí)間節(jié)點(diǎn)，將全國(guó)的山洪災(zāi)害劃分為三級(jí)區(qū)劃等級(jí)，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)山洪致災(zāi)因素和成災(zāi)類型，厘清防治工作重點(diǎn)及特點(diǎn)，具有重要意義[20]。

1.4 山洪災(zāi)害防治措施

通過科學(xué)合理的分類治理思路，可根據(jù)山洪發(fā)生頻次、地形地貌、經(jīng)濟(jì)社會(huì)狀況等因素，按照“輕重緩急”有條不紊地開展山洪災(zāi)害治理工程，杜絕盲目投資建設(shè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益低下的弊病。根據(jù)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和災(zāi)害治理試點(diǎn)效果分析，目前的治理思路是“以非工程措施為主，以工程措施作為必要補(bǔ)充”，進(jìn)而一大批治理方法和模式應(yīng)運(yùn)而生。何秉順在山洪災(zāi)害防治中提到對(duì)一些重要的集鎮(zhèn)、人居集中區(qū)可通過實(shí)施工程措施加以治理，同時(shí)在深入認(rèn)識(shí)中小河流治理、水土保持與山洪溝治理的區(qū)別與聯(lián)系的基礎(chǔ)上，研究山洪溝設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)[21]。刑喬分析了重慶酉陽(yáng)縣山洪災(zāi)害的特征和當(dāng)?shù)胤篮榇胧┐嬖诘牟蛔悖瑥纳胶榧跋嚓P(guān)災(zāi)情自然屬性的分析評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)配備、發(fā)揮群眾共治和重點(diǎn)山洪溝治理幾個(gè)方面進(jìn)行了介紹[22]。劉福新針對(duì)山西隰縣山洪防治，將工程措施劃分為水保措施和水利措施兩大類，根據(jù)不同的地形地貌條件選擇不同的措施，并提出了將預(yù)防和治理山洪災(zāi)害的知識(shí)進(jìn)行科普的建議[23]。岳平系統(tǒng)分析了黑龍江省山洪災(zāi)害區(qū)劃方法和工程防治措施，提出中小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程、堤防工程護(hù)坡護(hù)岸、坡水處理工程預(yù)防水土流失、河道整治工程保證行洪通暢、排洪工程確保安全是常用的工程措施[24]。

1.5 山洪災(zāi)害訊息平臺(tái)構(gòu)建

山洪災(zāi)害調(diào)查與防治是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，現(xiàn)已初步形成全國(guó)范圍內(nèi)的山洪災(zāi)害調(diào)查防治體系和標(biāo)準(zhǔn)，局部問題需要進(jìn)一步研究細(xì)化。與此同時(shí)，利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”手段，開發(fā)全國(guó)山洪防治運(yùn)行服務(wù)平臺(tái)，整合氣象、水利、農(nóng)業(yè)、國(guó)土資源等部門關(guān)于山洪地質(zhì)災(zāi)害訊息，為各省市提供及時(shí)、有效的信息服務(wù)和治理經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。陳煜結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)云技術(shù)，提出在建設(shè)全國(guó)山洪災(zāi)害防治管理平臺(tái)過程中的技術(shù)支撐和關(guān)鍵問題，可以為全國(guó)范圍、各部門和公眾提供及時(shí)、準(zhǔn)確、專業(yè)的山洪災(zāi)害資料和預(yù)報(bào)，是一個(gè)資源集成與共享的服務(wù)平臺(tái)[25]。

2 承德縣山洪災(zāi)害調(diào)查

承德縣位于河北省，總面積3 648.1 km2，山地丘陵占全縣總面積的94.6%，屬山區(qū)縣。多年平均降水量574.4 mm，絕大部分集中于汛期6～9月份。地形地貌復(fù)雜，地質(zhì)條件不良，暴雨工況下易形成山洪、泥石流、山體滑坡等山洪災(zāi)害。與大多數(shù)山洪災(zāi)害成因相似，主要受以下幾個(gè)因素控制：突降暴雨、復(fù)雜的地形地貌、溝道阻塞和人為因素。

2.1 雨量站暴雨時(shí)程分配

通過收集承德縣各雨量站的暴雨資料，選取下板城站、三溝站和三家站典型雨量站對(duì)24 h最大暴雨進(jìn)行時(shí)程分配，見圖1。

圖1 下板城、三溝站、三家站(從左往右)最大24 h暴雨時(shí)程分配圖(典型年1994年)

由圖1可知，最大24 h暴雨分布不均，具有集中降雨的特點(diǎn)，易形成洪峰致災(zāi)。

2.2 設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法

暴雨分析采用年最大值法，在全市雨量站中挑選資料系列長(zhǎng)、代表性強(qiáng)的資料進(jìn)行分析。具體方法是選用各歷時(shí)段資料(即10、20、30、45、60 min和1.5、2、3、4、6、9、12、24 h)經(jīng)過頻率分析，利用暴雨公式推求出暴雨遞減指數(shù)和地理參數(shù)。洪水計(jì)算中按照5種計(jì)算分區(qū)，分別為暴雨分區(qū)、n值分區(qū)、產(chǎn)流分區(qū)、匯流分區(qū)和概化過程線分區(qū)。基于分區(qū)的基礎(chǔ)上，按照以下4種方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量，分別是根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行推算、合理化公式、推理公式、水電部科研院法。

2.3 歷史洪水調(diào)查

歷史洪水調(diào)查中，主要聯(lián)系當(dāng)?shù)卮孱I(lǐng)導(dǎo)和年老者協(xié)同調(diào)查歷史洪痕、水面坡降、地面比降、斷面糙率等要素。洪水計(jì)算方法按照比降～面積法恒定非均勻流流量公式計(jì)算，公式如下：

(1)

經(jīng)過走訪調(diào)查、實(shí)地勘察與計(jì)算分析，分別得出何家河興家村、暖兒河八家鄉(xiāng)桑園村、野豬河沙金溝和新杖子鄉(xiāng)南臺(tái)子村蘭家臺(tái)斷面洪水成果?，F(xiàn)以何家河興家村為例，列舉計(jì)算方式及成果見圖2～圖4，洪峰流量計(jì)算成果見表1。

圖2 興家村上斷面圖

圖3 興家村下斷面圖

圖4 興家村局部縱斷面圖

項(xiàng)目上斷面(U)下斷面(L)水位581.53580.36斷面面積A /m255.2874.77水面寬B /m56.767.7水力半徑R /m0.971.1AR2/354.353 145 7879.888 914 831/A20.000 327 2380.000 178 873河床糙率n0.034河段輸水率K1 974重力加速度g9.8動(dòng)能校正系數(shù)α1.156 315 789擴(kuò)散系數(shù)ξ0.3水面比降S0.011斷面間距L /m106.4流量Q /m3·s-1234.9

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)我國(guó)山洪災(zāi)害調(diào)查與防治現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，分別從山洪災(zāi)害調(diào)查方法、山洪災(zāi)害分析與評(píng)價(jià)方法、山洪災(zāi)害區(qū)劃分析、山洪災(zāi)害防治措施、山洪災(zāi)害訊息平臺(tái)構(gòu)建幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。以承德縣山洪災(zāi)害調(diào)查為例，重點(diǎn)介紹了山洪災(zāi)害調(diào)查的內(nèi)容、暴雨洪水計(jì)算方法和設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算過程，并給出何家河興家村洪水計(jì)算成果，供類似山區(qū)洪水調(diào)查工程參考。