中都河流域“8·16”山洪致災(zāi)機(jī)理分析

孫 桐，楊 坡，許澤星，王以逵，王協(xié)康

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065)

中都鎮(zhèn)位于四川省屏山縣西部的中都河流域，境內(nèi)山高坡陡，植被覆蓋度差，暴雨發(fā)生時(shí)極易導(dǎo)致山洪災(zāi)害。2018年8月，中都河流域遭受大暴雨并誘發(fā)特大山洪，給中都鎮(zhèn)沿河居民帶來了巨大損失。為此，分析此次中都“8·16”暴雨山洪致災(zāi)機(jī)理，探討符合該區(qū)域的山洪災(zāi)害預(yù)警方法，對(duì)中都鎮(zhèn)乃至其他類似山洪災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)的防治具有積極意義。

針對(duì)山洪致災(zāi)機(jī)理及其預(yù)警指標(biāo)問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了大量研究。例如，Marchi等[1]發(fā)現(xiàn)上游地區(qū)強(qiáng)降雨是歐洲部分暴雨山洪的主要誘因；Carles等[2]指出暴雨山洪突發(fā)成災(zāi)常是水位上漲過快而無法及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)導(dǎo)致；謝和平[3]、劉興年[4]及王協(xié)康[5]等認(rèn)為暴雨山洪過程中水沙耦合作用加劇使得河床淤積水位陡增，極易造成嚴(yán)重的山洪災(zāi)害。從山洪災(zāi)害防御角度來講，監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究是山洪災(zāi)害防御的重要組成部分，孫東亞[6]、郭良[7]等系統(tǒng)介紹了中國(guó)在山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)過程中取得的進(jìn)展；張平倉(cāng)等[8]基于山洪災(zāi)害過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)不高的現(xiàn)狀，提出了山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)與集成示范的研究構(gòu)想。目前山洪災(zāi)害預(yù)警主要包括臨界雨量法和水位預(yù)警法。Shi等[9]通過HECHMS模型計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，以水位流量反推法計(jì)算臨界雨量；Yuan等[10]在此基礎(chǔ)上通過考慮設(shè)計(jì)雨型對(duì)預(yù)警雨量計(jì)算的影響以提高預(yù)警精度。許多研究因?yàn)楸┯旰樗l率假定，使得計(jì)算的臨界雨量與實(shí)際成災(zāi)雨量有一定出入，難以達(dá)到預(yù)期的預(yù)警精度。

圖1 中都河流域防災(zāi)對(duì)象位置、水文站、雨量站及水系分布Fig.1 Distribution of disaster prevention area，hydrological station，precipitation stations and water system in Zhongdu River basin

本研究結(jié)合山洪災(zāi)害實(shí)地調(diào)查與基礎(chǔ)資料分析，對(duì)2018年發(fā)生的中都河流域“8·16”山洪災(zāi)害的形成原因及災(zāi)害特征進(jìn)行深入探討，通過考慮馬邊、中都兩地隸屬同一流域不同縣區(qū)這一特殊情況，分別以行政區(qū)劃模式下的水位流量反推法和以流域劃分模式的水位上漲率判定法計(jì)算防災(zāi)對(duì)象的山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)，并對(duì)兩種方法的預(yù)警效果加以對(duì)比，旨在遴選適合該地區(qū)的山洪災(zāi)害預(yù)警分析方法。

1 基礎(chǔ)資料

1.1 流域概況

中都河是金沙江下游北岸的一條支流，河流發(fā)源于馬邊縣黃連山與煙遮山結(jié)合處，東經(jīng)靛蘭壩、荍壩、老河壩3鄉(xiāng)至野貓溪口入屏山縣，進(jìn)而流經(jīng)安全、中都、白塔、太平、平和、大橋、平寧至新市鎮(zhèn)注入金沙江。馬邊縣境內(nèi)河長(zhǎng)16.2 km，境內(nèi)中都河流域面積221 km2；屏山縣境內(nèi)河長(zhǎng)39 km，境內(nèi)中都河流域面積485 km2。流域水系及雨水情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布見圖1。

1.2 野外調(diào)查分析

根據(jù)中都鎮(zhèn)“8·16”洪水損失嚴(yán)重程度，結(jié)合沿河居民住宅區(qū)位置，選取了3個(gè)受災(zāi)較為嚴(yán)重沿河村落作為防災(zāi)對(duì)象（見圖1）并劃分成災(zāi)水位。其中：1#斷面位于黃桷村，“8·16”山洪發(fā)生時(shí)，洪水淹沒左岸公路30 cm，沖毀橋梁1座，可將左岸路基高程設(shè)為成災(zāi)水位；2#、3#斷面分別位于莊子上村和龍?zhí)么?，均為河道彎曲頂沖段，山洪發(fā)生時(shí)兩村橋梁被沖毀，洪水陡漲致使左岸房屋淹沒成災(zāi)，可將左岸離河道最近且地勢(shì)最低的房屋高程設(shè)為成災(zāi)水位。中都河流域防災(zāi)對(duì)象位置及“8·16”降雨等值線分布如圖1所示。

2 水文計(jì)算

2.1 中都河流域“8·16”洪水過程計(jì)算

基于實(shí)測(cè)雨量資料，采用運(yùn)動(dòng)波-地貌瞬時(shí)單位線模型（KW-GIUH）進(jìn)行匯流計(jì)算[11]，主要思路為：依據(jù)河流級(jí)序定律劃分河網(wǎng)級(jí)序，并將每個(gè)i級(jí)序的次流域視為一個(gè)V形坡面流模型，將雨滴在此坡面流模型的運(yùn)動(dòng)分為坡面流與渠流兩部分，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)波理論，直接求解徑流時(shí)間概率密度函數(shù)的平均值，最終得出運(yùn)動(dòng)波-地貌瞬時(shí)單位歷線。山區(qū)小流域地形陡緩不一，河道溝系錯(cuò)綜復(fù)雜，呈現(xiàn)多級(jí)河網(wǎng)同時(shí)產(chǎn)匯流特征，KW-GIUH模型根據(jù)各級(jí)河網(wǎng)匯流特征推求各級(jí)坡地河道最大匯流時(shí)間，能較為準(zhǔn)確反映流域地形特征的水文響應(yīng)時(shí)間。輸入模型的主要參數(shù)包括：流域有效降雨、地形地貌因子、流域出口河道寬度、坡面粗糙度no和河道粗糙度nc。以中都河水文站控制流域?yàn)槔涞匦蔚孛矃?shù)如表1所示。

表1 水文站控制流域的地形地貌參數(shù)Tab.1 Topographic and geomorphic parameters of hydrological station basin

圖2 水文站與典型斷面流量過程模擬Fig.2 Flood hydrograph of hydrology station and typical sections

在KW-GIUH匯流模型中，選取不同no、nc的計(jì)算結(jié)果差異較大，在計(jì)算前需進(jìn)行參數(shù)率定。以2018年8月3日中都河水文站的洪水過程作為率定，結(jié)果如圖2（a）所示，確定no、nc值分別為0.55和0.05，再應(yīng)用于2018年8月16日水文站和典型斷面的洪水過程模擬，見圖2（b）和（c）。如圖2（b）所示，KW-GIUH匯流模型計(jì)算的水文站洪峰流量與實(shí)測(cè)值較為接近，洪水過程擬合較好，總體上看no和nc取值較為合理，該模型能夠準(zhǔn)確模擬該流域山洪過程，由此可認(rèn)為上游典型斷面的流量模擬過程也與實(shí)際相符。

2.2 水位流量關(guān)系計(jì)算

確定防災(zāi)對(duì)象控制斷面水位流量關(guān)系是推求洪水位過程、成災(zāi)流量及水位陡漲率等洪水要素的基礎(chǔ)?；谥卸己恿饔颉?·16”山洪災(zāi)害實(shí)地調(diào)查，典型斷面在洪水發(fā)生后未有明顯沖淤變化。為此，根據(jù)防災(zāi)對(duì)象所在河流的溝道形態(tài)、彎曲程度、床面粗糙度及植被生長(zhǎng)等情況直接參照“天然河道糙率取值表”[12]確定河槽糙率，結(jié)合“8·16”洪痕水面線比降，采用曼寧公式計(jì)算典型斷面流量，繪制水位流量關(guān)系（圖3），相關(guān)參數(shù)列于表2。

由表2可知，曼寧公式計(jì)算的“8·16”洪水位與實(shí)際調(diào)查洪痕較為吻合，計(jì)算偏差小于2%，表明計(jì)算斷面水位流量關(guān)系符合實(shí)際，可用于該場(chǎng)次山洪致災(zāi)過程分析。

圖3 典型斷面水位流量關(guān)系Fig.3 Stage-discharge relationship of typical sections

表2 典型斷面水力要素計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of hydraulic factors in typical sections

3 中都鎮(zhèn)“8 ·1 6 ”山洪災(zāi)害機(jī)理分析

結(jié)合中都鎮(zhèn)山洪災(zāi)害調(diào)查和實(shí)測(cè)資料，從地區(qū)降雨、洪水陡漲過程及人類活動(dòng)3方面分析“8·16”山洪致災(zāi)機(jī)理，初步認(rèn)為此次洪災(zāi)屬于局部區(qū)域強(qiáng)降雨與人類活動(dòng)作用下的突發(fā)山洪災(zāi)害。

1）局部地區(qū)強(qiáng)降雨是誘發(fā)山洪的主要原因之一

據(jù)屏山縣縣志記載：1937年中都區(qū)暴雨誘發(fā)山洪，會(huì)龍場(chǎng)全被沖毀，中都場(chǎng)大部被淹，損失慘重。1980年7月28至30日，中都鎮(zhèn)總降雨量達(dá)273.6 mm，中都河河水猛漲，淹沒農(nóng)田，沖毀房屋，造成3人死亡。“8·16”洪水當(dāng)日中都河流域突降暴雨，其中上游會(huì)步站實(shí)測(cè)累積雨量達(dá)285 mm，中都鎮(zhèn)多地被淹。由此可見，地區(qū)強(qiáng)降雨為山洪形成提供了充足的水源條件，是中都河山洪頻發(fā)的激發(fā)因素。

圖4 2011年、2014年及2018年中都大橋區(qū)域圖Fig.4 Zhongdu Bridgearea in 2011，2014，2018

2）降雨時(shí)空分布不均及洪水陡漲過程是造成山洪災(zāi)害人員傷亡的主要原因之一

中都河谷屬于屏山縣最少雨地區(qū)，常年平均降雨量802.3 mm，其中少于800 mm的年份占50%；而馬邊地區(qū)雨量充沛，年平均降雨量1044.3 mm，即上游地區(qū)降雨量普遍大于下游。由中都河流域“8·16”降雨等值線圖（圖1）可見，此次流域的暴雨中心位于馬邊屏山兩縣的交界地區(qū)，并逐漸向下游移動(dòng)，這種降雨時(shí)空分布不均性，極易導(dǎo)致當(dāng)上游降雨誘發(fā)的山洪抵達(dá)中都鎮(zhèn)時(shí)，下游沿河居民因不知上游降雨情況而未提前組織撤離，最終釀成洪災(zāi)。因此，降雨時(shí)空分布不均是造成山洪災(zāi)害人員傷亡的主要自然因素。

基于實(shí)地調(diào)查，3個(gè)典型斷面的洪水位變化過程從上漲到成災(zāi)僅需幾小時(shí)甚至幾十分鐘，這種突發(fā)性陡漲洪水極大縮短了沿河居民的安全轉(zhuǎn)移時(shí)間，此次災(zāi)害中，兩名正在河灘耕作的沿河居民因水位上漲過快來不及逃離而遇難。因此，洪水的陡漲過程是造成山洪災(zāi)害人員傷亡的主要原因。

2) 平衡密封環(huán)有2個(gè)反向的U型金屬膨脹環(huán)(彈簧)，如圖1所示，開口方向1個(gè)向上、1個(gè)向下，該設(shè)計(jì)能確保介質(zhì)無論從閥前還是閥后進(jìn)入，平衡密封環(huán)都能起到很好的密封作用。密封原理： 當(dāng)高壓介質(zhì)進(jìn)入U(xiǎn)型環(huán)內(nèi)時(shí)撐開U型環(huán)密封，確保2個(gè)U型環(huán)中有1個(gè)能起到密封作用。

3）人類活動(dòng)也是造成山洪災(zāi)害的主要原因之一

近年來，人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)逐漸向山區(qū)拓展，常改變山區(qū)流域的下墊面條件，加劇山洪暴發(fā)。圖4為2011年、2014年及2018年中都大橋區(qū)域人類活動(dòng)變化圖。

由圖4可知，中都鎮(zhèn)河段堤防修建后，河道束窄使行洪面積減小，極易發(fā)生山洪災(zāi)害。此外，沿河居民在堤防右岸圍灘造地，住宅區(qū)逐漸向河道擴(kuò)展，致使易災(zāi)區(qū)范圍擴(kuò)大，洪水漫過堤頂時(shí)，灘地農(nóng)作物增大了水流阻力，導(dǎo)致水位壅高，泄洪不暢，增大了山洪淹沒范圍及災(zāi)害損失。因此，人類活動(dòng)是造成此次山洪災(zāi)害損失主要原因之一。

4 山洪災(zāi)害預(yù)警閾指標(biāo)閾值計(jì)算與分析

預(yù)警指標(biāo)一般包括雨量和水位預(yù)警指標(biāo)2類，分為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移2級(jí)。雨量預(yù)警以不同時(shí)段臨界雨量為預(yù)警指標(biāo)，水位預(yù)警則一般以防災(zāi)對(duì)象上游一定距離內(nèi)典型地點(diǎn)的洪水位作為預(yù)警指標(biāo)。目前中國(guó)建立的山洪預(yù)警體系多以行政區(qū)劃模式為主，馬邊、中都隸屬兩縣，若下游中都地區(qū)不能實(shí)時(shí)獲取馬邊地區(qū)降雨資料，計(jì)算預(yù)警指標(biāo)時(shí)需按無（缺）資料地區(qū)處理；而以流域區(qū)劃模式建立的預(yù)警體系，則按有資料地區(qū)計(jì)算。鑒于此，基于兩種不同區(qū)劃模式分別采用不同方法計(jì)算防災(zāi)對(duì)象的預(yù)警指標(biāo)，并對(duì)其預(yù)警效果進(jìn)行對(duì)比，旨在優(yōu)化適合中都流域的山洪預(yù)警計(jì)算方法。

4.1 水位流量反推法

圖5 典型斷面水位流量反推法計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation of inversion on water level/flow for typical section

以行政區(qū)劃模式建立中都山洪預(yù)警體系，屬無資料地區(qū)情況，一般采用水位流量反推法計(jì)算臨界雨量，計(jì)算流程可參考文獻(xiàn)[13]。典型斷面臨界雨量計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：3#斷面在2018年8月16日13：30和13：51的實(shí)際累積雨量達(dá)到了計(jì)算的臨界雨量，可依次發(fā)布準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移指令，其有效轉(zhuǎn)移時(shí)間為31 min，滿足《山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)技術(shù)要求》[14]中至少提前30 min的規(guī)定，表明該方法可用于3#斷面的山洪預(yù)警分析。1#、2#斷面計(jì)算的立即轉(zhuǎn)移雨量和準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量均大于實(shí)測(cè)累積雨量，成災(zāi)時(shí)起不到預(yù)警作用，屬于漏警。該方法基于暴雨洪水同頻率假定，由成災(zāi)流量反算的時(shí)段雨量與形成該洪峰的實(shí)際雨量具有一定偏差，因此，由該方法獲得的預(yù)警信息存在不確定性。

4.2 基于洪水上漲率的預(yù)警水位計(jì)算法

河水猛漲是造成沿河居民人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失的主要原因，若以水位作為預(yù)警指標(biāo)，則更直接有效。山區(qū)河流受地形地貌及降雨過程影響，具有明顯的陡漲陡落過程，且洪水位起漲與陡漲間的轉(zhuǎn)折位置具有較好的預(yù)警作用。

圖6 典型斷面預(yù)警水位計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation resultsof early warning water level for typical sections

以1#斷面為例（圖6（a）），2018年8月16日14：40時(shí)洪水位為543.97 m，距成災(zāi)水位（545.05 m）1.08 m，此刻陡漲率為2.0 m/h（圖7（a）），達(dá)到成災(zāi)水位的預(yù)計(jì)時(shí)長(zhǎng)為32 min，滿足《山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)技術(shù)要求》[14]中至少提前30 min的規(guī)定，則將該水位定為立即轉(zhuǎn)移水位；14：10時(shí)洪水位542.85 m，陡漲率1.88 m/h，上漲至立即轉(zhuǎn)移水位預(yù)計(jì)時(shí)長(zhǎng)30 min，將該水位定為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移水位。同理可得2#、3#斷面的立即轉(zhuǎn)移時(shí)長(zhǎng)預(yù)計(jì)為39 min和18 min?！?·16”洪水典型斷面洪水位預(yù)警分析結(jié)果如表3所示。

圖7 典型斷面水位陡漲率變化過程Fig.7 Variation of stage rising rate in typical sections

表3 典型斷面洪水位預(yù)警分析結(jié)果Tab.3 Early warning analysis results of flood stage for typical sections

由表3可見：該方法在1#、2#斷面預(yù)警時(shí)長(zhǎng)大于30 min，3#斷面相對(duì)較短，主要原因在于該斷面成災(zāi)水位距洪水陡漲點(diǎn)較近（圖6（c）），當(dāng)洪水上漲速度較大時(shí)，水位由陡漲點(diǎn)上漲至成災(zāi)水位歷時(shí)偏小。因此，針對(duì)這類斷面需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)時(shí)段的洪水陡漲率，一旦洪水臨近立即轉(zhuǎn)移水位且陡漲率大于1.0 m/h，沿河居民需立即快速轉(zhuǎn)移?？傮w上看，該方法的計(jì)算結(jié)果均未出現(xiàn)漏警，但考慮上漲率隨洪水特性變化而變化，針對(duì)不同的洪水過程，需根據(jù)實(shí)際資料依照該方法計(jì)算洪水位陡漲率變化過程來確定臨界水位。

4.3 預(yù)警結(jié)果比較分析

以預(yù)警方法可行性及預(yù)警時(shí)長(zhǎng)對(duì)上述兩種方法的預(yù)警效果進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

表4 不同方法預(yù)警效果Tab.4 Early warning effectsof different methods

由表4可知，以行政區(qū)劃模式建立預(yù)警體系的水位流量反推法預(yù)警精度較差，結(jié)果多出現(xiàn)漏警，而以流域區(qū)劃模式計(jì)算預(yù)警水位的洪水上漲率判定法，對(duì)每個(gè)控制斷面在洪水到達(dá)成災(zāi)水位時(shí)均能提前發(fā)出預(yù)警，相比于水位流量反推法可延長(zhǎng)預(yù)警期，預(yù)警結(jié)果更可靠。因此，建議中都地區(qū)建立基于流域劃分模式的馬邊屏山兩縣行政聯(lián)合山洪預(yù)警體系，可結(jié)合洪水位上漲率判定法和傳統(tǒng)的預(yù)警方法綜合考慮。

5 結(jié) 論

基于中都鎮(zhèn)“8·16”山洪災(zāi)害實(shí)地調(diào)查，系統(tǒng)分析了此次山洪災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理，探討了以行政區(qū)劃和以流域劃分不同模式下預(yù)警指標(biāo)計(jì)算方法在中都地區(qū)的可行性，主要結(jié)果如下：

1）降雨時(shí)空分布不均及洪水陡漲過程是造成山洪災(zāi)害人員傷亡的主要原因，防治區(qū)控制流域需合理布置雨量監(jiān)測(cè)站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降雨過程。

2）由于沿河居民圍灘造地，降低河道行洪能力，增大了山洪災(zāi)害規(guī)模與經(jīng)濟(jì)損失，山洪防治區(qū)應(yīng)確保山區(qū)河流具有足夠的行洪面積。

3）基于山區(qū)洪水陡漲特性和中都河流域特點(diǎn)，表明暴雨山洪采用水位上漲率判定法預(yù)警可獲得更長(zhǎng)的預(yù)警期，且建議建立更可靠的以流域劃分模式的馬邊屏山兩縣行政聯(lián)合山洪預(yù)警體系更為可靠。