張愛紅
(太原市水文水資源勘測分局 山西太原 030001)
山洪災害調(diào)查評價是對匯水面積在200 km2以下的小流域洪水影響的沿河村落進行現(xiàn)狀防洪能力評價,劃分出不同等級危險區(qū),制定出立即轉(zhuǎn)移和準備轉(zhuǎn)移的雨量預警指標,為及時準確發(fā)布預警信息提供科學依據(jù)。本文以婁煩縣步斗村為例,對步斗村現(xiàn)狀防洪能力進行評價,并介紹了山洪災害危險區(qū)等級的劃分方法。
步斗村隸屬山西省太原市婁煩縣,位于黃河流域汾河水系嵐河支流步斗溝上,小流域步斗溝集水面積約1.0 km2,河長1.5 km,流域比降49.4‰。對該村首先進行內(nèi)外業(yè)調(diào)查,測繪河道縱橫斷面,橫斷面測繪間隔為50 m并編號,保證合理有效推求水面線,初步勘測出成災斷面。
步斗村所在步斗溝小流域未設立水文站,無實測洪水系列數(shù)據(jù),故采用無資料地區(qū)間接法,根據(jù)設計暴雨推求不同頻率洪水。
計算設計暴雨的目的主要是根據(jù)設計暴雨來推求設計洪水,首先計算設計點雨量,然后計算出面雨量并推求出暴雨時和深的關(guān)系,進而對暴雨進行時程分配。
2.1.1 面雨量設計
根據(jù)山西省水利廳編著的《山西水文計算手冊》表 6.3.1 分別查算歷時 10 min、60 min、6 h、24 h 和 3 d的定點-定面關(guān)系參數(shù)值,對暴雨公式的三參數(shù)進行設計分析,得到不同頻率的步斗村設計暴雨成果,見表1。
2.1.2 設計暴雨時程分配
采用時段雨量序位法(見下式),對設計的雨型和時段設計雨量成果進行時程分配。
式中,j為主雨日時段雨量排位序號,即時段雨量ΔHP,j擺放的序位,然后依次利用式(1)計算出逐時段雨量,按序位號對號排放即得到逐時段雨型。步斗村設計暴雨時程分配表見表2。
表1步斗村設計暴雨成果表
表2 步斗村設計暴雨時程分配表
推求設計洪水的的方法很多,如直接利用流量資料計算設計洪水、利用設計暴雨來推求洪水、水文比擬法推求設計洪水等。本文根據(jù)設計暴雨來推求洪水,采用的方法為《山西省水文計算手冊》中的流域水文模型法。流域水文模型法包括兩部分,即流域產(chǎn)流計算和流域匯流計算。流域產(chǎn)流計算包括兩部分,即設計洪水凈雨深和凈雨過程計算,采用雙曲正切模型計算設計洪水凈雨深,采用變損失率推理扣損法計算設計凈雨過程;采用綜合瞬時單位線法進行匯流計算。
通過實地訪問、調(diào)查和考證歷史文獻等手段對步斗溝歷史上發(fā)生的大洪水的水位、流量、重現(xiàn)期和發(fā)生情況進行對比分析后,計算出步斗村不同重現(xiàn)期的洪峰、洪量、洪水歷時等洪水基本要素,成果見表3。
進行外業(yè)勘測,勘測縱橫斷面,基本確定成災斷面,水面線采用圣維南方程組建立模塊進行推求,模塊計算采用追趕法求數(shù)值解,在確定起調(diào)斷面水位后,自動插值斷面間水位點,然后在每兩個水位點間根據(jù)最大斷面自動插值流量點,得到頻率P=1%、P=2%、P=5%、P=10%和P=50%的水面線,步斗村水面線計算成果見表4,計算公式如下:
連續(xù)性方程:
表3 步斗村設計洪水成果表
式中:Q——過水斷面流量,m3/s;
L——沿河道的距離,m;
A——過水斷面面積,m2;
t——歷時,h。
動量方程:
式中:Z——水位,m;
v——斷面平均流速,m/s;
g——重力加速度,m/s2;
Sf——摩阻比降,用曼寧公式計算,通常表示為Q2/K2;
K——流量模數(shù)。
采用數(shù)值解法求解上述方程組。離散時采用6點Abbott-lonescu格式,將河網(wǎng)離散為交替網(wǎng)格,河網(wǎng)離散圖見圖1。
圖1 河網(wǎng)離散圖
表4 步斗村不同頻率相應的洪峰水位
成災水位指沿河村落最容易發(fā)生山洪災害的水位,采用成災斷面處的成災水位表示,當洪水水位超過此水位時就會成災。經(jīng)實地勘測,利用GIS工具把居民戶位置以及高程投影到5種頻率洪水水面線圖中,首先勾畫洪水淹沒線范圍,然后選擇淹沒范圍內(nèi)最低頻率水面線,認為距該線最遠的房屋為成災房屋,距該住戶最近的斷面為成災斷面,該住戶的宅基高程為成災水位,經(jīng)與實地勘測結(jié)果對比得知,采用本法確定的步斗村成災斷面(控制斷面)與外業(yè)勘測的成災斷面一致,故認為本法合理可靠。步斗村控制斷面附近河谷地貌見圖2,步斗村成災水位及其對應洪水頻率成果表見表5。
圖2 步斗村控制斷面附近河谷地貌圖
表5 步斗村成災水位及其對應洪水頻率成果表
在山洪災害外業(yè)調(diào)查中確定的危險區(qū)范圍、轉(zhuǎn)移路線和臨時安置地點,需在分析評價中對危險區(qū)范圍進行核對,危險區(qū)范圍為最高歷史洪水位和100年一遇設計洪水位中的較高水位淹沒范圍以內(nèi)的區(qū)域,根據(jù)水面線推求計算得到的河道橫斷面左右岸淹沒位置,結(jié)合防治區(qū)地形地貌情況及居民戶高程,該村百年洪水位高于歷史洪水位,利用GIS工具生成百年一遇設計洪水的淹沒范圍為步斗村危險區(qū)范圍。
根據(jù)國家山洪災害防治評價組編制的《山洪災害分析評價技術(shù)》危險區(qū)等級劃分為極高危險、高危險、危險3個等級的區(qū)域,危險區(qū)劃分標準見表6。
危險區(qū)劃分時應注意:不能只依靠洪水重現(xiàn)期來劃分,必須同時參考防護對象的設施及其控制斷面水位流量關(guān)系類型等信息。步斗村在劃定危險區(qū)范圍內(nèi)沒有學校、醫(yī)院等重要設施;河谷形態(tài)為漫灘型,到達成災水位后,對人口、房屋的影響程度較輕,故未將危險區(qū)等級提升一級;步斗村上下游無塘壩、小型水庫、堤防、橋涵等工程,不存在發(fā)生潰壩洪水影響和堵塞壅水影響,故未確定洪水重點影響范圍。
表6 危險區(qū)等級劃分標準表
根據(jù)步斗村5年一遇、20年一遇、100年一遇(或最高歷史洪水位)的洪水位、危險區(qū)范圍內(nèi)山洪災害調(diào)查的數(shù)據(jù)及重要基礎設施信息,步斗村防洪能力為頻率P=2.7%即37年一遇,根據(jù)表6確定該村村危險區(qū)等級為危險,步斗村危險區(qū)劃分示意圖見圖3。
圖3 步斗村危險劃分示意圖
本文以婁煩縣步斗村為例敘述了山洪災害分析評價中危險區(qū)等級的劃分,為大規(guī)模開展此項工作提供了思路,能進一步完善防洪預案,普及防洪意識,為群測群防等工作提供科學、全面、詳細的技術(shù)支撐。