顧 丹

(大連市普蘭店區(qū)水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 普蘭店 116200)

小流域山洪是指由降雨引起的危及居民安全的一種災(zāi)害,山洪災(zāi)害頻發(fā)逐漸成為當(dāng)前亟待解決的重要問題[1]。我國對山洪災(zāi)害預(yù)警平臺建設(shè)、內(nèi)業(yè)分析與計算及野外調(diào)查等工作提出了科學(xué)詳細(xì)的要求和安排,推動了山洪災(zāi)害評價和分析的規(guī)范化發(fā)展。其中,山洪預(yù)警及風(fēng)險評估可以有效減少災(zāi)害損失,這也是防洪減災(zāi)的重點[2]。目前,常用的評價方法主要有主成分分法、機(jī)器學(xué)習(xí)法、可變模糊法、模型模擬法和GSI分析法等,如王一新等以我國21個城市為例,采用主成分法綜合評價了其防洪減災(zāi)能力;馮快樂等以湖北省為例,運用BP網(wǎng)絡(luò)模型分析了區(qū)域山洪風(fēng)險;崔洋等綜合應(yīng)用Arc GIS技術(shù)和Flood Area模型評定了賀蘭山銀川段的山洪風(fēng)險水平[3-8]。這些研究主要是將河網(wǎng)密度、植被覆蓋、產(chǎn)匯流參數(shù)、比降、坡度、降水等致災(zāi)因素轉(zhuǎn)變成特定的指標(biāo),通過權(quán)重計算定性評價危險區(qū)的分布情況及危險程度分區(qū)。對于情況復(fù)雜、居住零散且資料缺乏的沿河村落,按照以上方法分析山洪風(fēng)險明顯不足,無法定量給出預(yù)警雨量和防洪能力[9-10]。

因此,文章通過對小流域參數(shù)進(jìn)行實地調(diào)查和測量,獲得用于預(yù)測山洪災(zāi)害的相關(guān)數(shù)據(jù),包括成災(zāi)水位、宅基地高程、下墊面參數(shù)及河道斷面等數(shù)據(jù)信息。通過業(yè)內(nèi)計算和成災(zāi)水位、設(shè)計洪水位的對比分析確定小流域防洪能力,然后參照暴雨預(yù)警等級標(biāo)準(zhǔn)定量描述風(fēng)險響應(yīng)程度,利用水位流量反推法探究前期土壤含水量對山洪預(yù)警雨量的影響,以期為更準(zhǔn)確地評估山洪災(zāi)害風(fēng)險,并為預(yù)警工作提供指導(dǎo)和參考。

1 流域概況

徐溝河小流域位于普蘭店區(qū)沙包街道,屬大沙河流域,海拔高程66～153m之間。流域內(nèi)良田主要是山間谷地、河漫階地、山前洪積扇等,地貌為低山丘陵,土層較薄,土壤砂性大,涵養(yǎng)水源能力差。全流域?qū)倥瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候,年均降雨量660mm,年際差異很大,季節(jié)分配也不均,多集中在7、8 月份,汛期雨量占全年的53%,為350mm。由于徐溝河小流域雨強大、植被稀疏,洪水來勢猛極易形成山洪災(zāi)害。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

外業(yè)數(shù)據(jù)主要來源于徐溝河小流域下野外實測數(shù)據(jù),沿河房屋及其宅基地高程和歷時山洪等數(shù)據(jù),內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)來源于普蘭店區(qū)1971—2020年強降雨、短歷時暴雨和小流域土壤植被資料,通過使用Google Earth等工具獲取主河溝的一些重要參數(shù),比如縱坡比降J、長度L和積水區(qū)F等。此外,對使用外業(yè)實測獲取的數(shù)據(jù)與使用工具測算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,從而評估量算的準(zhǔn)確性和誤差情況,以分析雨洪特性規(guī)律以及降雨自然特點。

2.2 評價方法

2.2.1 防洪現(xiàn)狀評價

1)洪水位的確定。首先,根據(jù)水文手冊中提供的頻率曲線和持續(xù)時間進(jìn)行設(shè)計點暴雨量的確定,并考慮流域各個點的降雨量分布情況,并將其轉(zhuǎn)化為整個流域的面雨量。然后,通過概化雨型時程分配表,根據(jù)設(shè)計點暴雨量按一定的時間間隔內(nèi)分配雨量。考慮流域特性,選擇合適的產(chǎn)流模式,包括水庫線性法、單位線法、三參數(shù)和五參數(shù)的半?yún)?shù)法等。將面雨量和選定的產(chǎn)流模式輸入到產(chǎn)匯流模型中,模擬流域內(nèi)的產(chǎn)流過程,并計算出泛濫洪水的量和匯流歷時。最后,根據(jù)不同頻率的匯流歷時,計算出相應(yīng)的設(shè)計洪峰流量,各個斷面的水位流量關(guān)系按照曼寧公式進(jìn)行推算,進(jìn)而計算確定設(shè)計洪峰流量的洪水位[11-12]。

2)預(yù)警級別響應(yīng)。沿河村落的成災(zāi)水位可利用野外測量的河道斷面和居民宅地基高程數(shù)據(jù)確定,通過比較成災(zāi)水位與各頻率設(shè)計水位判定是否成災(zāi),若成災(zāi)則繪制關(guān)系線并換算洪峰,各頻率利用插值法進(jìn)行計算,在此基礎(chǔ)上評定防洪能力不同降雨歷時和降雨量情況下的預(yù)警級別劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 暴雨預(yù)警級別標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 確定預(yù)警指標(biāo)

1)預(yù)警時段。該指標(biāo)主要受植被條件、雨強、地貌形態(tài)和上游集水面積的影響,結(jié)合普蘭店區(qū)實際情況合理設(shè)定預(yù)警時段為1h、2h和3h。

2)臨界雨量?？紤]到普蘭店區(qū)主要是“超滲產(chǎn)流”,故選用水位流量反推法確定臨界參數(shù)[13-14]。徐溝河小流域的最大蓄水容量Im=100。根據(jù)前期降雨情況的不同,可以按照以下方式估算土壤含水量:前期降雨較少,利用前期影響雨量Pa=0.2Im進(jìn)行界定,代表較干;前期降雨一般,利用前期影響雨量Pa=0.5Im進(jìn)行界定,代表一般;前期降雨較多,利用前期影響雨量Pa=0.8Im進(jìn)行界定,代表較濕。準(zhǔn)備和立即轉(zhuǎn)移雨量是主要臨界指標(biāo),其中后者就是利用試算確定的預(yù)警時段降雨過程的雨量,而前者就是將上述過程前推0.5h的雨量,其成災(zāi)頻率按照水位流量反推確定。

3 實例應(yīng)用

3.1 設(shè)計面暴雨量

根據(jù)上述研究方法和內(nèi)業(yè)收集、外業(yè)測量的數(shù)據(jù)資料評價徐溝河小流域山洪災(zāi)害風(fēng)險,該小流域位于普蘭店區(qū)沙包街道,流域與住戶的位置關(guān)系及其河道形狀如圖1所示,該河道比降12.6%,溝長9250m,集水面積19.52km2,糙率0.028,成災(zāi)水位30.61m。

圖1 徐溝河小流域與村民位置圖

研究使用點面轉(zhuǎn)化系數(shù)和模比系數(shù)來計算不同歷時的Cv的均值與點暴雨量,不同歷時下的暴雨量及相關(guān)系數(shù)如表2所示。

表2 不同設(shè)計面暴雨量

3.2 設(shè)計洪水位分析

對面雨量按照概化雨型和表2中的計算結(jié)果進(jìn)行時程分配,通過匯流計算確定超滲產(chǎn)流模式下的凈雨量及Qm-t、Qm-σ曲線,以H1%(100a)為例,通過計算法恩熙洪水的發(fā)展過程、峰值流量大小以及洪水的水位與流量之間的關(guān)系,以確定洪水特征和規(guī)律如圖2所示,計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同頻率的設(shè)計洪水量

圖2 水位流量關(guān)系線

結(jié)合沿河村落設(shè)計洪水分布情況可知,下游的斷面流量和匯水面積較大,所以從上游到下游的洪峰流量逐漸增加大,計算結(jié)果能夠反映小流域洪峰流量實際情況[15-17]。

3.3 暴雨預(yù)警響應(yīng)級別

邊界條件為控制斷面的洪峰流量及設(shè)計洪水位,結(jié)合表3中的計算結(jié)果在HEC RAS軟件中輸入內(nèi)業(yè)和外業(yè)測量的重要參數(shù),如河道比降、糙率值等,進(jìn)一步推求出洪水的水面線。然后,比較各頻率的成災(zāi)水位和水面線高程來評定防洪能力。最后,根據(jù)概化雨型進(jìn)行時程反算,得出暴雨量及不同歷時降雨量如表4所示,參照表1中分級標(biāo)準(zhǔn)確定徐溝河小流域為Ⅲ級黃色暴雨預(yù)警響應(yīng)。

表4 徐溝河小流域現(xiàn)狀防洪的設(shè)計面雨量

結(jié)合沿河村落暴雨預(yù)警響應(yīng)等級分布情況可知,徐溝河小流域沿河村落均達(dá)到Ⅲ級黃色暴雨預(yù)警響應(yīng)。通過分析沿河村落宅基地高程數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),村民宅基地高程以及房屋建設(shè)位置對于暴雨洪水的影響。當(dāng)宅基地高程相差很小或有河道內(nèi)建有房屋時,暴雨洪水發(fā)生可能會危及當(dāng)?shù)鼐用癜踩?。這是因為宅基地高程相差很小時,房屋建設(shè)較接近河道,如果發(fā)生洪水,房屋很容易被水淹沒,而有房屋建設(shè)在河道內(nèi)更是直接將生命和財產(chǎn)置于洪水的危險之中。因此,對于村落防洪能力的評估和規(guī)劃應(yīng)該考慮到宅基地高程,避免將房屋建設(shè)在易受洪水影響的區(qū)域,以確保居民的安全。

3.4 預(yù)警雨量

根據(jù)不同土壤含水條件和臨界洪峰流量對應(yīng)的臨界頻率推算出相應(yīng)的降雨過程,考慮到徐溝河小流域預(yù)警時段選擇為1h、2h、3h的實際情況,故立即轉(zhuǎn)移雨量取1h、2h、3h降雨量,準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量就就是推0.5h的雨量,臨界雨量值如表5所示。

表5 徐溝河小流域的臨界雨量

依據(jù)徐溝河小流域準(zhǔn)備和立即轉(zhuǎn)移雨量分布情況可知,在成災(zāi)流量相同的條件下,前期土壤濕度不同會導(dǎo)致臨界雨量大小的排序不同。具體來說,土壤含水量越高(較濕),下滲能力就越強,達(dá)到穩(wěn)定下滲率所需降雨量就越小,因此土壤較濕時達(dá)到相同成災(zāi)流量所需的降雨量較小;相反,當(dāng)土壤較干時,達(dá)到相同成災(zāi)流量所需的降雨量較大。

下游村落的立即與準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量相差較小,而位于上游的村落相差較大,這是由于上游水流速度快易形成尖廋的洪水過程,因此根據(jù)前推0.5h計算得到的準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量較小;而下游比降小,所形成的洪水過程矮胖,導(dǎo)致前推0.5計算得到的準(zhǔn)備與立即轉(zhuǎn)移流量相近。因此,河流的位置和下墊面條件會影響臨界雨量的計算結(jié)果,必須考慮河流的位置、土壤含水量和防洪能力因素,以此保證預(yù)警結(jié)果的科學(xué)合理性。

3.5 驗證分析

文章采用超滲產(chǎn)流模型、瞬時單位線法和推理公式法等不同計算模型和方法進(jìn)行驗證,發(fā)現(xiàn)實測洪水驗證與計算結(jié)果基本一致。通過對設(shè)計洪峰流量進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)下游村落的洪峰流量較小,而上游村落的洪峰流量較大,這是因為上游區(qū)域的水源更為豐富,雨水集中并流向下游,導(dǎo)致下游洪水的增加。因此,設(shè)計洪峰流量的變化趨勢在地理上也是合理的。

另外,土壤含水量的不同會直接影響沿河村落的臨界雨量大小,這是因為在超滲產(chǎn)流模式下土壤含水量越低,下滲量越大,為了達(dá)到同一成災(zāi)流量所需的降雨量也就越多。因此,在分析洪水發(fā)生時的土壤含水量和下墊面條件時,需要綜合考慮對洪水形成過程的影響。

小流域發(fā)生較大洪水災(zāi)害后,沿河防洪工程、河道以及下墊面條件都會發(fā)生變化,從而增加洪災(zāi)防治的不確定性。這是因為洪水的發(fā)生會對河道和下墊面造成沖刷和變形等影響,進(jìn)而改變了流域的臨界條件、洪量和產(chǎn)匯流等參數(shù)。因此,在洪災(zāi)防治工作中,需要及時對這些變化進(jìn)行監(jiān)測和評估,并相應(yīng)地調(diào)整防洪措施。隨著科技的進(jìn)步,新興技術(shù)的應(yīng)用為山洪災(zāi)害研究提供更精確和全面的數(shù)據(jù)支持,提升預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)的精度和完善防治體系建設(shè),能夠有效應(yīng)對洪災(zāi)風(fēng)險的不確定性和變化,與此同時實時關(guān)注下墊面條件的變化,可以為洪災(zāi)預(yù)警和應(yīng)對提供更準(zhǔn)確的信息支持。因此,未來山洪災(zāi)害的研究重點包括應(yīng)用大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)、提升預(yù)報預(yù)警精度、完善山洪災(zāi)害防治體系以及關(guān)注下墊面條件變化等。

4 結(jié) 論

1)徐溝河小流域沿河村落均達(dá)到Ⅲ級黃色暴雨預(yù)警響應(yīng),研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)宅基地高程相差很小或有河道內(nèi)建有房屋時,暴雨洪水可能會危及當(dāng)?shù)鼐用癜踩?當(dāng)暴雨橙色預(yù)警時需要做出響應(yīng)。

2)在成災(zāi)流量相同的條件下,前期土壤濕度不同會導(dǎo)致臨界雨量大小的排序不同,土壤含水量越高(較濕),下滲能力就越強,達(dá)到穩(wěn)定下滲率所需降雨量就越小,故土壤較濕時達(dá)到相同成災(zāi)流量所需的降雨量較小;相反,當(dāng)土壤較干時達(dá)到相同成災(zāi)流量所需的降雨量較大。

河流位置、土壤含水量、村落防洪能力與臨界雨量大小有關(guān),洪水的發(fā)生會對河道和下墊面造成沖刷和變形等影響,進(jìn)而改變流域的臨界條件、洪量和產(chǎn)匯流等參數(shù),當(dāng)發(fā)生較大洪水災(zāi)害后會增加洪災(zāi)防治的不確定性,,對此應(yīng)高度重視。