丹江口市山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果水位流量關(guān)系檢驗(yàn)復(fù)核

申邵洪，曹 浩，陳希熾，王 瑩，肖 瀟

（1.長江科學(xué)院科研計(jì)劃處，湖北武漢 430010；2.長江科學(xué)院空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，湖北武漢 430010）

山洪災(zāi)害是造成人員傷亡的主要自然災(zāi)害之一，調(diào)查評(píng)價(jià)成果是實(shí)施山洪預(yù)警的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。山洪發(fā)生地大多位于缺乏暴雨洪水實(shí)測資料的小流域，我國山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)技術(shù)不夠成熟，山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果，特別是分析成果有待檢驗(yàn)和完善。章彩霞等［1］梳理了安徽歙縣霞坑鎮(zhèn)的山洪災(zāi)害調(diào)查成果，利用獲取的暴雨洪水資料，檢驗(yàn)了華源河兩岸村落的歷史山洪調(diào)查成果的可靠性，復(fù)核山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)主要成果預(yù)警雨量閾值的合理性。蔣星月［2］對(duì)小流域山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)檢驗(yàn)復(fù)核方法及應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。盧曉鵬等［3］對(duì)云南省典型區(qū)域山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行了檢驗(yàn)復(fù)核分析。

本文選擇湖北省十堰市丹江口市為典型區(qū)域，基于前期獲取的山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果，重點(diǎn)對(duì)水位流量關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)復(fù)核分析，對(duì)原山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)成果進(jìn)行了完善，為山洪災(zāi)害預(yù)警提供了可靠依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置

丹江口市位于湖北省西北部，是漢江中上游重要的水利樞紐丹江口大壩和國家南水北調(diào)中線水源工程所在地，地處鄂西北秦巴山脈東南緣，東北與河南省淅川縣相鄰，東南接老河口市，西北及西南部與十堰市鄖縣及房縣相連。漢江橫貫丹江口市境，是南、西、北三面環(huán)山東面開口不完整盆地，地跨東經(jīng)110°47.8′～111°34.8′，北緯32°13.8′～32°58.5′，總面積3 121 km2。

1.2 河流水系

丹江口市水系發(fā)達(dá)，河流眾多。河流均由北向南流向丹江口水庫，主要河流有丹江、鸛河、淇河、滔河等，大部分河道深、坡降大、水流湍急。部分小河道屬于季節(jié)性河流，汛期洪水陡漲陡落，春季則枯水甚至斷流。丹江口市水系圖見圖1。

圖1 丹江口市河流水系

2 檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象名錄確定

2.1 篩選方法和步驟

（1）選取丹江口市已有山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果的相關(guān)流域/河流上的水文站和雨量站，收集其在2016～2017年發(fā)生較大場次洪水的降雨過程、洪水水位實(shí)測資料。

（2）調(diào)出2016～2017年發(fā)生的山洪災(zāi)害事件或較大洪水情況，統(tǒng)計(jì)在已經(jīng)完成調(diào)查評(píng)價(jià)名錄中發(fā)生了山洪災(zāi)害事件或轉(zhuǎn)移了群眾的村落/集鎮(zhèn)，以及發(fā)布了山洪預(yù)警指令的村落/集鎮(zhèn)，結(jié)果見表1。

（3）對(duì)于表1中發(fā)生了山洪災(zāi)害事件或轉(zhuǎn)移了群眾的村落/集鎮(zhèn)進(jìn)行洪痕測量及現(xiàn)場洪水調(diào)查。

（4）若（2）和（3）項(xiàng)工作確定的每個(gè)縣的典型名錄不足6個(gè)，則從2016～2017年發(fā)生了較大洪水的河流水文站上游補(bǔ)充選擇1～2個(gè)已經(jīng)開展了調(diào)查評(píng)價(jià)的村落，總名錄數(shù)達(dá)到6～8個(gè)。

（5）對(duì)所選檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象，在外業(yè)資料收集和調(diào)查過程中開展洪痕調(diào)查和測量，進(jìn)一步確定復(fù)核對(duì)象。如果出現(xiàn)個(gè)別檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象的信息和資料難以滿足檢驗(yàn)復(fù)核工作需要，可以按照（3）～（5）步驟所述原則選擇新的名錄進(jìn)行替換。

（6）根據(jù)檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象篩選方法和步驟，獲取了檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象名錄，見表2。

表1 山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象篩選

2.2 資料收集及處理

2.2.1 內(nèi)業(yè)資料收集

首先收集復(fù)核對(duì)象所在小流域的基本情況（面積、河長、比降、匯流時(shí)間等）、縱橫斷面信息（縱橫斷面圖、照片、經(jīng)緯坐標(biāo)）、河道糙率及比降等。然后檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象的成災(zāi)水位、現(xiàn)狀防洪能力，設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法、參數(shù)及結(jié)果，雨量預(yù)警指標(biāo)等信息，為下一步檢驗(yàn)復(fù)核提供基礎(chǔ)依據(jù)。

表2 檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象名錄

2.2.2 外業(yè)資料收集

為使建模更加準(zhǔn)確，開展現(xiàn)場調(diào)查測量，共補(bǔ)充測量河道斷面12個(gè)。為了更準(zhǔn)確地模擬河道上橋梁的阻水信息，外業(yè)調(diào)查補(bǔ)測了檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象范圍內(nèi)橋梁信息。根據(jù)收集到的洪水場次信息，調(diào)查成災(zāi)水位信息以及災(zāi)情，對(duì)于沒有房屋受災(zāi)的村落，以前期成災(zāi)水位作為本次成災(zāi)水位，根據(jù)復(fù)核后的水位流量關(guān)系推算成災(zāi)流量，進(jìn)行復(fù)核。

2.2.3 河道糙率、比降

原河道主槽與左右灘地糙率值一致，這顯然是不合理的，此次復(fù)核區(qū)分主槽與左右灘地的糙率值，拍照并留檔河道現(xiàn)場照片。原河道比降采用流域比降的方式顯然也是不合理的，此次復(fù)核采用現(xiàn)場測量的洪痕比降，對(duì)于洪痕描述有很大差異的村落，對(duì)比歷史洪痕比降和測時(shí)水面線比降，合理選取。

2.2.4 水文降雨資料

在丹江口市山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中的42個(gè)山洪雨量站中，選擇檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象所在流域相關(guān)的雨量站在2017年逐時(shí)段降雨資料（時(shí)段為5 min）。

3 水位流量關(guān)系檢驗(yàn)復(fù)核

3.1 河道縱橫斷面及成災(zāi)水位

選擇六里坪鎮(zhèn)油坊坪村復(fù)核對(duì)象開展水位流量關(guān)系復(fù)核計(jì)算分析，其斷面分布見圖2?？刂茢嗝娉蔀?zāi)限制水位斷面見圖3。

圖2 六里坪鎮(zhèn)油坊坪村斷面分布

3.2 防洪能力復(fù)核計(jì)算

3.2.1 參數(shù)選取

經(jīng)計(jì)算，洪痕比降為19.4‰，河底比降為14.3‰，本次計(jì)算復(fù)核選取測時(shí)洪痕比降19.4‰（洪痕比降較河底比降而言更接近洪水時(shí)水面比降）；對(duì)照《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》（第二版）表8.1-5糙率表［4］，選取控制斷面主河槽復(fù)核糙率為0.03［4］。

圖3 控制斷面成災(zāi)水位

3.2.2 算例計(jì)算結(jié)果

（1）水位流量關(guān)系結(jié)果。從HEC-RAS模型可以直接查看和導(dǎo)出河道任何實(shí)測和插值斷面的水位流量關(guān)系曲線（見圖4），以及不同工況下的水面線及相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表格等。

圖4 六里坪鎮(zhèn)油坊坪村HEC-RAS水位流量關(guān)系

（2）成災(zāi)水位和成災(zāi)流量計(jì)算結(jié)果。通過HEC-RAS模型試算流量，獲得六里坪鎮(zhèn)油坊坪村控制斷面上的成災(zāi)水位為199.17 m，對(duì)應(yīng)的成災(zāi)流量為76 m3/s，見表3。

表3 六里坪鎮(zhèn)油坊坪村三組控制斷面水位流量關(guān)系復(fù)核

表4為成災(zāi)水位和成災(zāi)流量復(fù)核結(jié)果。由表4可知，復(fù)核后的成災(zāi)流量值比原值大的村落是六里坪鎮(zhèn)油坊坪村，可能是成災(zāi)水位選取的不同導(dǎo)致成災(zāi)流量差異較大。前期分析評(píng)價(jià)成果中的成災(zāi)水位只是限制成災(zāi)水位，超過該水位未必會(huì)淹沒房屋；復(fù)核的成災(zāi)水位是最低點(diǎn)房屋的水位，超過該水位，必然會(huì)淹沒房屋。其余5個(gè)典型村落復(fù)核后的成災(zāi)流量值均小于前期調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果，這是由于復(fù)核后的比降取值小，糙率取值大。

表4 成災(zāi)水位和成災(zāi)流量復(fù)核結(jié)果

復(fù)核后的成災(zāi)水位整體比前期成果中的成災(zāi)水位高，其中與原值相差較大的是靈寶山村木耳溝，偏差超過10%。但是該村落復(fù)核后的成災(zāi)流量比原值小，可能是原成災(zāi)水位未投影到控制斷面。鹽池河鎮(zhèn)吳家河村復(fù)核后的成災(zāi)水位仍然采用前期的成災(zāi)水位，因?yàn)樵诒敬螌?shí)地調(diào)查中，鹽池河鎮(zhèn)吳家河村草坪村僅莊稼和道路受淹，并未淹沒房屋。

（3）水位流量關(guān)系及成災(zāi)流量復(fù)核結(jié)果。采用和以上算例相同的方法為所有檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象構(gòu)建HEC-RAS河道水力學(xué)模型，就能獲得所有檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象所在河道任何斷面的水位流量關(guān)系HQ曲線，表5為6個(gè)復(fù)核對(duì)象各自控制斷面以設(shè)計(jì)洪水為特征點(diǎn)的水位流量關(guān)系。表6為控制斷面水位流量關(guān)系參數(shù)復(fù)核表。由表6可知，前期的比降比本次測得比降普遍偏高，部分差異過大。比如草坪村原來的比降為62.9‰；根據(jù)實(shí)際測量的數(shù)據(jù)計(jì)算，河底高程數(shù)據(jù)算出的比降為14.97‰；根據(jù)水面線算出的比降為14.97‰；根據(jù)洪痕算出的比降為16.3‰。本次復(fù)核采用洪痕比降比前期成果中采用流域綜合比降62.9‰更為合理。

關(guān)于糙率，原調(diào)查成果中所有村落斷面糙率取值均取為0.03，但是針對(duì)淹沒區(qū)房區(qū)和農(nóng)田取值偏小。本次研究根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查以及結(jié)合谷歌影像圖，對(duì)相關(guān)取值進(jìn)行了修正，并將糙率沿橫斷面的變化值輸入到HEC-RAS模型里面，更能代表實(shí)際情況。

（4）各檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象經(jīng)復(fù)核的防洪能力成果見表7。

表5 控制斷面設(shè)計(jì)洪水及水位流量HQ關(guān)系

表6 控制斷面水位流量關(guān)系及成災(zāi)流量復(fù)核成果

表7 防洪能力復(fù)核成果

4 結(jié)語

計(jì)算水位流量關(guān)系時(shí)，優(yōu)先推薦采用HECRAS模型方法。HEC-RAS模型軟件模擬真實(shí)，操作簡便，且適用河段類型較廣，能夠充分利用河道測量成果，考慮上下游河道擴(kuò)寬與束窄及死水區(qū)域?qū)^水能力的影響，同時(shí)考慮了橋梁、堰壩等急變流態(tài)，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

糙率是計(jì)算成災(zāi)流量的重要參數(shù)。若村落上下游設(shè)有水文站，應(yīng)對(duì)糙率進(jìn)行率定；若無實(shí)測資料，可根據(jù)河道河床粗糙程度、兩岸植物現(xiàn)狀參照糙率表選定；若淹沒區(qū)范圍較大時(shí)，應(yīng)考慮糙率橫向的變化。

比降是計(jì)算成災(zāi)流量的重要參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)先選擇沿河村落河道洪痕比降，或選取測時(shí)水面比降，兩者都沒有的情況下，可選擇河底比降。獲取沿河村落河道洪痕比降難度較大，故一般采用測時(shí)水面線比降。

在計(jì)算成災(zāi)流量時(shí)，需要考慮橫斷面中堤防地形的影響，引入“成災(zāi)限制水位”這一概念。成災(zāi)限制水位一般選取堤頂高程，當(dāng)水位低于成災(zāi)限制水位時(shí)，不發(fā)生災(zāi)害；當(dāng)水位高于成災(zāi)限制水位時(shí)，再將水位與住房高程做對(duì)比確定是否成災(zāi)。