黃 琨,張云姣,朱 衛(wèi)
(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 300222)
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山前沖洪積平原山洪災(zāi)害調(diào)查評價測量方案探討
——以新疆某地區(qū)山洪災(zāi)害調(diào)查評價為例
黃琨,張云姣,朱衛(wèi)
(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 300222)
依據(jù)《全國中小河流治理和病險水庫除險加固、山洪地質(zhì)災(zāi)害防御和綜合治理總體規(guī)劃》《全國山洪災(zāi)害防治項目實施方案》(2013—2015年),對新疆某地區(qū)進行了山洪災(zāi)害調(diào)查評價工作。通過實地查勘,針對該地區(qū)所處位置、地形條件、致災(zāi)因素展開了分析,確定了該地區(qū)山洪災(zāi)害形式屬于項目部制訂的分析評價方案中的特殊工況。探討了特殊工況條件下的山洪災(zāi)害調(diào)查評價測量方案,為后續(xù)特殊工況的分析評價工作提供了思路。
山洪災(zāi)害調(diào)查;山洪災(zāi)害評價;一維水動力學(xué);二維水動力學(xué);危險區(qū)
山洪災(zāi)害調(diào)查評價包括山洪災(zāi)害調(diào)查、山洪災(zāi)害分析評價,旨在通過開展山洪災(zāi)害調(diào)查評價,深入調(diào)查分析山洪災(zāi)害防治區(qū)暴雨特性、小流域特征、社會經(jīng)濟和歷史山洪災(zāi)害情況,分析小流域洪水規(guī)律,評價山洪災(zāi)害重點防治區(qū)內(nèi)沿河村落、集鎮(zhèn)、城鎮(zhèn)的現(xiàn)狀防洪能力,科學(xué)劃定危險區(qū)、合理確定預(yù)警指標,為及時準確發(fā)布預(yù)警信息、安全轉(zhuǎn)移人員提供基礎(chǔ)支撐,實現(xiàn)山洪災(zāi)害綜合防治目標。
由于各地水文氣象和自然地理特征存在較大差異,應(yīng)針對本地實際,通過研究提出適合本地區(qū)特征的調(diào)查評價方案。
研究范圍涉及新疆某地區(qū)范圍內(nèi)從北向南分布于阿爾泰山山區(qū)、準噶爾盆地及以西山地、天山山區(qū)、塔里木盆地和昆侖山山區(qū)。通過全面、準確地查清山洪災(zāi)害防治區(qū)內(nèi)的人口分布情況,摸清評價對象范圍內(nèi)山洪災(zāi)害的區(qū)域分布,掌握山洪災(zāi)害防治區(qū)內(nèi)的水文氣象、地形地貌、社會經(jīng)濟、歷史山洪災(zāi)害、涉水工程,以及山洪災(zāi)害防治現(xiàn)狀等基礎(chǔ)信息,為山洪災(zāi)害分析評價和防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);以前期基礎(chǔ)工作、山洪災(zāi)害調(diào)查和地形測量為基礎(chǔ),分析小流域洪水規(guī)律,采用設(shè)計暴雨洪水計算方法和水文模型、水動力學(xué)模型等分析計算方法,綜合分析評價防治區(qū)自然村落防洪現(xiàn)狀,進行山洪災(zāi)害評價。
通過實地查勘發(fā)現(xiàn),評價對象所處位置、地形條件、致災(zāi)因素等與傳統(tǒng)意義上的小流域有較大區(qū)別。評價對象多處于山前沖-洪積形成的扇形地中下部或扇形前緣或坡積斜平原中下部,地形平坦,內(nèi)部溝道經(jīng)人為平整改造,已不具備小流域特征和沿河村落定義,且山洪災(zāi)害的威脅主要來自山前沖洪積平原以上降水相對較多的山區(qū)。洪水經(jīng)山前突口下瀉,或以潰壩、決堤的形式對下游居民財產(chǎn)形成威脅。
鑒于上述調(diào)查,部分區(qū)域的山洪災(zāi)害調(diào)查評價應(yīng)屬于特殊工況。因此,有必要在全國山洪災(zāi)害調(diào)查評價相關(guān)標準規(guī)范的基礎(chǔ)上,結(jié)合本次評價對象的實地情況對調(diào)查評價方案進行調(diào)整。
分析評價方案的調(diào)整主要在評價對象及上游地區(qū)不同地形、工程設(shè)施條件下,制訂設(shè)計暴雨洪水計算解決方案:采用水文分析方法計算出山口斷面的流量過程,采用水力學(xué)方法計算出山口下游到防災(zāi)對象區(qū)域洪水淹沒范圍;對由于潰堤造成的洪水淹沒除采用上述方法外可考慮利用已有的區(qū)域相關(guān)項目計算結(jié)果?,F(xiàn)狀防洪能力評價擬采用假定洪峰流量試算的方法推求達到成災(zāi)水位的洪水頻率,制作防洪現(xiàn)狀評圖;危險區(qū)的劃定也通過假定洪峰流量試算的方法,推求各級危險區(qū)洪水位所對應(yīng)的洪峰流量及頻率,制作危險區(qū)圖;預(yù)警指標的確定采用可能對防災(zāi)對象造成影響的工程設(shè)施上游、臨近潰口的位置的水位站,進行水位預(yù)警。
外業(yè)調(diào)查方案的調(diào)整內(nèi)容主要針對特殊工況,對所涉及的相關(guān)水文氣象資料收集提出要求;對評價對象所在地及以外的整個山前平原區(qū)域,收集精確的地形資料,包括當(dāng)?shù)刈钚碌?∶5000、1∶10 000、1∶50 000的地形圖測量成果等;收集防治區(qū)內(nèi)所有工程設(shè)施資料并現(xiàn)場核查、測量和底圖標繪;對防治區(qū)以外的山洪溝口和涉水工程進行必要的控制斷面測量和現(xiàn)場調(diào)查。
1. 洪水淹沒形式分析
前期實地查勘發(fā)現(xiàn)部分調(diào)查區(qū)域的特殊實情如下:
1) 評價對象范圍多處于山前沖-洪-坡積形成的扇形地中下部或扇形前緣,經(jīng)多年墾殖,溝道已干涸,甚至被填田、筑路、修渠。橫縱斷均不具溝道形態(tài),不是典型具有明顯山谷地形特點的沿河村落。
2) 所處區(qū)域地形平坦,地面坡度﹤3°,干燥少雨。面積小、比降大、洪水歷時短的小流域特點也不具備。
3) 溫帶大陸性氣候形成干旱的區(qū)域氣候環(huán)境特點,山洪災(zāi)害的威脅除本區(qū)域的降雨外,主要源于沖-洪-坡積平原以上集水面積廣大、降水相對豐富的山區(qū)。汛期洪水經(jīng)山前突口而出,或以潰壩、決堤的形式對下游居民財產(chǎn)形成威脅。
基于此,部分評價對象的山洪災(zāi)害調(diào)查評價屬于特殊工況。通過小流域暴雨洪水確定預(yù)警指標的方案明顯不適應(yīng)實際,應(yīng)作補充完善。
根據(jù)中央下發(fā)的小流域DLG數(shù)據(jù)、影像、土壤數(shù)據(jù),以及收集的地圖集、水文圖集等基礎(chǔ)資料,結(jié)合評價對象的分布位置及其所在區(qū)域的地形、水工設(shè)施等情況,對新疆某地區(qū)的小流域采用以下4種方式進行山洪災(zāi)害評價方式分析:潰堤形式、坡面水方式、潰堤和坡面水相結(jié)合的方式、常規(guī)山洪分析。
2. 洪水類型
新疆某地區(qū)處在山間平原,受流域氣候與下墊面等自然地理條件的影響,洪水有多種類型。
(1) 冰川融雪型洪水
此類洪水主要為季節(jié)性積雪融雪洪水和冰川、永久性積雪融雪洪水。每年汛期,隨著氣溫上升,雪冰消融補給河流。每次大的升溫過程,必伴隨著消融洪水的發(fā)生。這類洪水是一些河流的主要洪水類型。
(2) 冰川潰壩型洪水
又稱冰川湖突發(fā)洪水。河流上游的山谷冰川發(fā)育,是形成該型洪水的前提條件。冰川前進或崩塌,阻塞河流,形成堰塞湖。一旦堰塞湖潰決,也會形成類似的洪水。潰壩型洪水漲落迅速,過程較短,破壞力大,其時空分布主要取決于冰川的動態(tài)變化。
(3) 暴雨型洪水
暴雨型洪水是最常見的威脅最大的洪水。多發(fā)生在6~8月,中低山區(qū),此類洪水暴雨歷時短、范圍小,洪水規(guī)模一般較小,且量級有限。呈現(xiàn)洪水過程單一、陡漲陡落的特點。
(4) 混合型洪水
任兩類以上不同類型的洪水在出口斷面遭遇,產(chǎn)生洪水過程的疊加,就會形成成因較復(fù)雜的洪水過程,也即混合型洪水。主要存在兩種混合型洪水:一為暴雨洪水與消融洪水遭遇形成;二為潰壩型洪水與消融型洪水遭遇而成。
1. 坡面水類型方案調(diào)整
對于坡面水匯流,中間有山洪溝的情況,擬分成兩個階段來計算。
在出山口上游采用水文分析的方法來計算。在出山口繪制斷面,將出山口上游流域作為計算區(qū)域,通過設(shè)計暴雨設(shè)計洪水的方法計算出山口斷面的流量過程。設(shè)計暴雨設(shè)計洪水的方法仍參考《山洪災(zāi)害分析評價方法指南》。
從出山口開始到防災(zāi)對象區(qū)域,采用水力學(xué)方法計算洪水淹沒范圍。選擇資料豐富,面積較小的行政區(qū)同時采用一維水動力學(xué)和二維水動力學(xué)的方法進行計算。將二維水動力學(xué)方法的計算結(jié)果和一維水動力學(xué)方法的計算結(jié)果進行比較,并率定一維水力學(xué)方法的參數(shù),使其計算結(jié)果越來越接近二維水動力學(xué)方法的結(jié)果。參數(shù)率定完畢后,將計算區(qū)域的一維水力學(xué)方法計算的參數(shù)應(yīng)用在相同流域,地形地貌條件相似、河道形態(tài)相似的待評價的行政區(qū)域,采用一維水動力學(xué)的方法進行洪水淹沒計算。對于采用一維水力學(xué)方法洪水計算結(jié)果不理想的行政區(qū)域,為確保計算精度,仍將采用二維水力學(xué)模型進行計算。
對于出山口下游是沖積扇,沖積扇上游的地形容易被洪水波沖擊而影響甚至破壞的地形地貌,在應(yīng)用水動力學(xué)方法計算之前,可對出山口和沖積扇周邊可能被影響區(qū)域的地形情況進行分析。初步確定水流的流向及水量分配,或?qū)⑺魍耆豢赡芰鞯降膮^(qū)域排除在水力學(xué)模型的應(yīng)用范圍外。
2. 潰堤型或混合型方案調(diào)整
對于半山坡上修筑了撇洪溝等工程措施的情況,則是以堤壩的潰口作為上游流域的出口斷面,這與上一種計算方法中以出山口作為出口斷面不同。如果下墊面情況相近或附近研究區(qū)域內(nèi)有相關(guān)項目計算結(jié)果,則可移用其潰口的出口流量過程作為本次堤壩的潰口出口流量過程。如果收集不到相關(guān)項目計算結(jié)果,則采用設(shè)計暴雨設(shè)計洪水的方法,假定潰口的參數(shù),來計算潰口的出口流量過程。從潰口到防災(zāi)對象范圍的區(qū)域應(yīng)用水力學(xué)的方法計算,計算方法同上,不再贅述。
洪水計算結(jié)束后,需要用歷史洪痕數(shù)據(jù)來率定。利用歷史洪水的發(fā)生時間、洪痕高程和洪水水面線、洪水漲落過程、河道過水?dāng)嗝婧秃哟膊诼?,推求歷史洪水的過程線,驗證模型參數(shù)的正確性。
一維水力學(xué)方法中,若假定河道水體為恒定流及恒定緩變流,可使用謝才公式,通過假定水位不斷試算的方法,計算各個斷面處的水位流量過程。若假定河道水體為非恒定流,可選用HEC模型的一維水動力學(xué)方法。二維水動力學(xué)方法可選用HEC模型的二維水動力學(xué)方法、MIKE模型方法等。
洪水計算結(jié)束后在沿河村落范圍內(nèi)繪制控制斷面,計算斷面的水位流量關(guān)系。技術(shù)路線如圖1所示。
圖1 技術(shù)路線
為滿足新疆某地區(qū)山洪災(zāi)害分析評價工作的總體變更需要,在開展山洪災(zāi)害防治區(qū)基本情況調(diào)查的基礎(chǔ)上,開展補充調(diào)查和野外測量工作。補充調(diào)查和野外測量工作要圍繞分析和評價工作的目的展開,需要體現(xiàn)山洪災(zāi)害重點防治區(qū)內(nèi)沿河村落、集鎮(zhèn)、城鎮(zhèn)等防災(zāi)對象的現(xiàn)狀防洪能力,根據(jù)實地調(diào)查情況進行危險區(qū)等級劃分,并科學(xué)合理地確定轉(zhuǎn)移路線和臨時安置地點,確定準備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移雨量預(yù)警指標,為不同的計算、分析和評價方法提供有力的調(diào)查和測量依據(jù)。
1. 山洪災(zāi)害補充調(diào)查和測量與原訂調(diào)查內(nèi)容的差異
補充調(diào)查和測量是對現(xiàn)有山洪災(zāi)害調(diào)查工作內(nèi)容的補充和增加。原山洪災(zāi)害調(diào)查工作內(nèi)容包括:
1) 防治區(qū)基本情況調(diào)查。開展山洪災(zāi)害防治區(qū)村落社會經(jīng)濟基本情況摸查、山洪災(zāi)害防治區(qū)村落危險區(qū)初查、小流域基本信息核查、歷史山洪災(zāi)害和涉水工程調(diào)查。
2) 水文氣象資料收集與整理。包括短歷時強降雨資料、小流域暴雨徑流資料和小流域產(chǎn)匯流資料的收集與整理。
3) 沿河村落河道水文調(diào)查??疾檠睾哟迓渌诤佣螝v史洪痕,對沿河村落附近河道地形地貌、河段斷面進行測量。
4) 社會經(jīng)濟情況調(diào)查。主要開展沿河村落居民戶人口調(diào)查及高程測量。
5) 歷史山洪災(zāi)害洪水調(diào)查。對歷史山洪災(zāi)害發(fā)生地洪痕及河道大斷面測量,收集歷史山洪災(zāi)害對應(yīng)的降水資料。
補充調(diào)查和測量除了以上工作外,還需重點收集防治區(qū)內(nèi)的線狀工程設(shè)施的技術(shù)資料,進行現(xiàn)場的核查、測量,并將調(diào)查結(jié)果標繪在工作底圖上,對影響防治區(qū)的最新地形地貌資料的收集和調(diào)查范圍擴大至整個沖-洪積扇平原,在防治區(qū)以外對影響沖-洪積扇平原的山洪溝口和涉水工程進行必要的控制斷面測量和現(xiàn)場調(diào)查。
2. 山洪災(zāi)害補充調(diào)查和測量的主要內(nèi)容
山洪災(zāi)害補充調(diào)查和測量內(nèi)容主要針對影響洪水的地形地貌、工程設(shè)施,以及影響所有沖-洪積扇平原的山洪溝口處的控制斷面資料。
(1) 地形地貌資料的收集和測量
1) 作業(yè)范圍:涉及評價對象所在地及以外的整個沖-洪積扇平原區(qū)域。
2) 資料收集內(nèi)容:較為精確的地形資料(DEM數(shù)據(jù)),包括當(dāng)?shù)刈钚碌?∶5000、1∶10 000、1∶50 000地形圖測量成果資料等。
3) 數(shù)據(jù)購買:在地形資料缺乏的地區(qū),購買World 10 m DEM數(shù)據(jù),經(jīng)過坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換,并與野外測量數(shù)據(jù)相結(jié)合,滿足山前沖洪積平原山洪災(zāi)害調(diào)查評價的要求。
4) 野外測量:在沒有收集到可靠的地形地貌資料的區(qū)域,對影響洪水演進的關(guān)鍵地區(qū)實施必要的地形測量工作,主要內(nèi)容包括控制測量和斷面測量。
(2) 工程設(shè)施的調(diào)查和測量
1) 作業(yè)范圍:防治區(qū)及其周邊區(qū)域。
2) 收集和調(diào)查資料內(nèi)容:評價對象所在區(qū)域內(nèi)的人工渠道、公路、鐵路、堤防,以及防治區(qū)以外主要影響地區(qū)所在地洪水演進的涉水工程的材質(zhì)和尺寸等技術(shù)資料。
3) 測量內(nèi)容:工程設(shè)施的平面分布位置、線狀工程設(shè)施的縱橫斷面測量結(jié)果。
(3) 山洪溝口處的控制斷面資料
1) 作業(yè)范圍:防治區(qū)以外影響所有沖-洪積扇平原的山洪溝口處。
2) 測量內(nèi)容:控制斷面測量。
(4) 控制測量
1) 作業(yè)范圍:工程設(shè)施的調(diào)查和測量區(qū)域附近及山洪溝口處需要進行山洪災(zāi)害調(diào)查評價的工作范圍。
2) 測量內(nèi)容:布設(shè)工作區(qū)域的四等GNSS基本控制網(wǎng),視工作區(qū)域范圍大小,可在四等GNSS基本控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展五等GNSS控制網(wǎng),以四等或五等GNSS控制點作為基準站(起算點),采用GPS RTK方法、全站儀方法等進行縱橫斷面測量。如果在工作范圍附近無法收集已知平面及高程控制點,且沒有建成連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations,CORS)系統(tǒng)的工作區(qū)域,可以采用精密單點定位(precise point positioning,PPP)技術(shù)解算不少于兩個點的平面及高程作為四等GNSS基本控制網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)。
通過對新疆某地區(qū)的實地查勘,本文探討了適合該區(qū)域特征的山洪災(zāi)害調(diào)查評價方案,制訂了合理的測量技術(shù)路線。結(jié)合評價對象的歷史洪水資料,分析了洪水來源處的暴雨洪水規(guī)律,通過該算法確定了評價對象的防洪現(xiàn)狀能力,在對評價對象構(gòu)成保護作用的水利設(shè)施上,以水位預(yù)警為主建立了預(yù)警指標,為特殊工況的山洪災(zāi)害分析評價奠定了基礎(chǔ)。
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The Measurement Scheme Discussion of Flood Disaster Survey and Assessment in Piedmont Alluvial-proluvial Plain Area——A Case Study of Xinjiang Flood Disaster Survey and Assessment
HUANG Kun,ZHANG Yunjiao,ZHU Wei
黃琨,張云姣,朱衛(wèi).山前沖洪積平原山洪災(zāi)害調(diào)查評價測量方案探討——以新疆某地區(qū)山洪災(zāi)害調(diào)查評價為例[J].測繪通報,2016(10):85-88.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0336.
2016-03-31
黃琨(1968—),女,高級工程師,主要研究方向為地理信息工程與制圖學(xué)。E-mail:HuangKun@126.com
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0494-0911(2016)10-0085-04