小流域山洪災(zāi)害分析評價研究

董鳳軍

(臨沂市岸堤水庫管理處，山東 臨沂 276217)

山洪災(zāi)害是指由于短時強降雨在山丘區(qū)引發(fā)的洪水災(zāi)害，以及由山洪誘發(fā)的泥石流、滑坡等對國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全造成損失的災(zāi)害[1-2]。近年來，由于氣候變化及人類活動對下墊面因素的影響，山洪災(zāi)害在部分地區(qū)呈現(xiàn)頻發(fā)、易發(fā)、多發(fā)的趨勢，給人員和財產(chǎn)所造成的危害越來越嚴(yán)重。因此，開展山洪災(zāi)害的防治及分析評價研究具有重大意義。

1 評價區(qū)概況

評價區(qū)水峪村位于太岳山中西部支脈，屬靈石翠峰鎮(zhèn)，對其產(chǎn)生威脅的溝道名為水峪溝，發(fā)源于翠峰鎮(zhèn)鄭家山，經(jīng)上莊、小莊，至水峪村經(jīng)后悔溝匯入靜升河，全長14.4 km，流域面積25.3 km2，河流比降35.00‰。區(qū)域多年平均降水量為601.2 mm，降水量時空分布極不均勻，多集中在6-9月份，約占全年降水總量的70%以上。地表多黃土覆蓋，由于侵蝕作用強烈，山區(qū)地形切割嚴(yán)重，溝壑縱橫，山高坡陡，水土流失嚴(yán)重。由于7-8月份暴雨較多，山洪災(zāi)害頻繁，嚴(yán)重危害當(dāng)?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全。評價區(qū)位置圖見圖1。

圖1 評價區(qū)小流域位置圖

2 分析評價過程

2.1 設(shè)計暴雨計算

2.1.1 暴雨歷時和頻率確定

根據(jù)《山洪災(zāi)害分析評價技術(shù)大綱》規(guī)定，暴雨歷時確定為10 min，60 min，6 h，24 h和3 d共5種。根據(jù)《山洪災(zāi)害分析評價技術(shù)要求》規(guī)定，確定暴雨頻率為100年一遇、50年一遇、20年一遇、10年一遇和5年一遇共5種[3]。

2.1.2 設(shè)計雨型確定

評價區(qū)位于山西省水文分區(qū)的中區(qū)，直接采用《水文手冊》中區(qū)主雨日24 h雨型模板為設(shè)計雨型[4]。

2.1.3 設(shè)計暴雨集時程分配

在《水文手冊》各歷時點暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖上讀取危險村莊的統(tǒng)計參數(shù)，根據(jù)參數(shù)計算各種歷時的設(shè)計點雨量，按點面折減系數(shù)計算設(shè)計面雨量，按設(shè)計雨型進(jìn)行時程分配。設(shè)計暴雨計算成果及設(shè)計暴雨時程分配成果見表1和表2。

表1 設(shè)計暴雨計算成果表

表2 設(shè)計暴雨時程分配成果表

2.2 設(shè)計洪水及水面線計算

2.2.1 設(shè)計洪水

設(shè)計洪水位采用《水文手冊》中的流域模型法計算。流域模型法分為產(chǎn)流計算和匯流計算兩部分。產(chǎn)流計算包括設(shè)計凈雨深和設(shè)計凈雨過程計算兩部分，前者采用雙曲正切模型計算，后者采用變損失率推理扣損法計算；匯流計算采用綜合瞬時單位線計算[5]。流域模型法設(shè)計洪水成果包括洪峰流量、洪量、洪水歷時，水峪村設(shè)計洪水成果見表3。

表3 水峪村設(shè)計洪水成果表

2.2.2 水面線計算

本次水面線推求采用HEC-RAS軟件。HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團水文工程中心(Hydrologic Engineering Center，即HEC)開發(fā)的河流模擬分析軟件。該軟件可對天然或人工河道進(jìn)行一維恒定流和非恒定流的水力推演，可計算緩流、急流及混合流等各種流態(tài)；同時能夠生成斷面形態(tài)圖、流量及水位過程曲線、河道三維斷面圖等分析圖表[6-8]。根據(jù)小流域斷面的實際情況，在本次計算過程中采用恒定流方法計算水面線。計算成果見表4。

表4 水峪村水面線成果表

2.3 防洪現(xiàn)狀評價

2.3.1 成災(zāi)水位及其對應(yīng)頻率

根據(jù)臨河一側(cè)居民戶高程和沿河村落河段水面線確定成災(zāi)水位。首先確定能夠威脅到居民戶的最小設(shè)計洪水重現(xiàn)期，將該重現(xiàn)期設(shè)計洪水淹沒的臨河一側(cè)居民戶投影到河流縱斷面上，繪制居民戶高程與該重現(xiàn)期設(shè)計洪水水面線對比示意圖，見圖2。居民戶低于水面線即代表被淹沒，距離該水面線最遠(yuǎn)的居民戶高程即為成災(zāi)水位。根據(jù)暴雨洪水計算得到的評價村莊水位流量曲線，在水位流量曲線上查得成災(zāi)水位對應(yīng)的流量，此流量即為成災(zāi)水位對應(yīng)的流量值。

圖2 居民戶高程與不同頻率設(shè)計洪水水面線對比示意圖

2.3.2 各級危險區(qū)人口統(tǒng)計

根據(jù)居民住宅基地高程與不同頻率設(shè)計洪水位關(guān)系，分別統(tǒng)計不同頻率區(qū)間的居民戶數(shù)及人口數(shù)，頻率區(qū)間分為5年以下、5～10年、10～20年、20～50年和50～100年。

2.3.3 現(xiàn)狀防洪能力圖繪制

按照危險區(qū)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(表5)，初步劃定各級危險區(qū)。具體劃分時結(jié)合地形地貌情況，確定危險區(qū)范圍。根據(jù)評價區(qū)人口高程分布關(guān)系，統(tǒng)計確定成災(zāi)水位及各頻率設(shè)計洪水位下的累計人口和居民戶數(shù)，繪制水峪溝小流域不同重現(xiàn)期下水位-流量-人口關(guān)系曲線及防洪現(xiàn)狀評價圖，見圖3和圖4。

2.3.4 轉(zhuǎn)移路線和臨時安置地點確定

在危險區(qū)等級劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合沿河村落的地形地貌和實地調(diào)查的交通條件等信息，確定最佳的轉(zhuǎn)移路線和臨時安置地點。

表5 危險區(qū)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖3 小流域不同重現(xiàn)期下水位-流量-人口關(guān)系曲線圖

圖4 小流域防洪現(xiàn)狀評價圖

2.4 預(yù)警指標(biāo)分析

2.4.1 預(yù)警時段與流域土壤含水量

預(yù)警時段與流域的匯流時間有關(guān)。根據(jù)暴雨特性、流域面積大小、平均比降、形狀系數(shù)、下墊面情況等因素，水峪溝小流域基本預(yù)警時段定為0.5，1，2，3和6 h；若匯流時間<6 h，預(yù)警時段則定為匯流時間以及小于匯流時間的基本預(yù)警時段。水峪溝小流域匯流時間為2.5 h，則預(yù)警時段為0.5，1，2和2.5 h。

流域土壤含水量采用《水文手冊》中的流域前期持水度作為綜合反映流域土壤含水量或土壤濕度的間接指標(biāo)。取值為0、0.3和0.6分別代表土壤濕度較干、一般和較濕3種情況。

2.4.2 臨界雨量計算

在確定了成災(zāi)水位、預(yù)警時段以及產(chǎn)匯流分析方法后，就可以計算不同流域前期持水度(B0)下各典型時段的危險區(qū)臨界雨量。經(jīng)過多種方法論證，水峪溝小流域臨界雨量采用水位-流量反推法進(jìn)行推算。首先根據(jù)評價對象的山洪災(zāi)害調(diào)查成果和數(shù)據(jù)計算成果，以控制斷面的成災(zāi)水位為臨界水位；然后根據(jù)控制斷面水位-流量關(guān)系，確定臨界水位對應(yīng)的臨界流量，采用臨界流量對應(yīng)頻率，查取設(shè)計暴雨為0.5，1，1.5，2和2.5 h的匯流歷時雨量，該雨量作為預(yù)警級別最高的緊急性預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)上述計算步驟，反推水峪村的動態(tài)臨界雨量，見表6。

2.4.3 雨量預(yù)警指標(biāo)綜合確定

預(yù)警分為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移兩項指標(biāo)。由于臨界雨量是從成災(zāi)水位對應(yīng)流量的洪水推算得到的，所以在數(shù)值上認(rèn)為臨界雨量即立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)。對于準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)，當(dāng)預(yù)警時段為0.5 h時，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)=立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)×0.7；預(yù)警時段為0.5 h，1 h，2 h，3 h，6 h和匯流時間時，前0.5 h的立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)作為該預(yù)警時段的準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)。計算成果見表7。

表6 小流域水峪村臨界雨量計算成果表 /mm

表7 水峪村雨量預(yù)警指標(biāo)成果表

3 結(jié) 語

以水峪溝小流域為分析評價對象，對其進(jìn)行了現(xiàn)狀防洪能力、危險區(qū)劃分及預(yù)警指標(biāo)等方面的分析評價。分析、計算、繪制防災(zāi)對象的水位-流量關(guān)系、水位-人口關(guān)系較為真實反映了評價對象的現(xiàn)狀，結(jié)果是合理可靠的，防洪現(xiàn)狀評價圖直觀、實用性較強，對于完善小流域村級平臺與縣級平臺對接、綜合提高山洪災(zāi)害防治能力具有重要作用。但今后仍要根據(jù)實際情況，對山洪災(zāi)害防治預(yù)案中的臨界值、受災(zāi)對象、受災(zāi)人口、轉(zhuǎn)移路線等不斷完善，以期更好地指導(dǎo)當(dāng)?shù)厣胶闉?zāi)害防治工作。