馮 琳

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110055)

1 研究背景

山洪災(zāi)害是我國防洪減災(zāi)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。遼寧省是山洪災(zāi)害高發(fā)的省份，特別是遼東區(qū)域，山高溝深，河谷縱橫，地勢起伏大，且處于我省的暴雨多發(fā)區(qū)，極易發(fā)生山洪災(zāi)害。近幾年，遼寧省相繼發(fā)生2010年“7·31”、2012年“8·04”、2013年“8·16”山洪災(zāi)害，東部地區(qū)均受到災(zāi)害。作為山洪災(zāi)害防治重點(diǎn)，2013年國家將遼東3市7縣作為遼寧省首批進(jìn)行山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)的地區(qū)。開展東部地區(qū)山洪災(zāi)害防御調(diào)查評價(jià)關(guān)鍵技術(shù)研究工作，總結(jié)科學(xué)合理的確定預(yù)警指標(biāo)是關(guān)鍵。近年來，國家高度重視，分批啟動(dòng)了各級山洪災(zāi)害防治縣級非工程措施建設(shè)，并發(fā)揮了明顯的防洪減災(zāi)效益。但在近年山洪災(zāi)害防御工作實(shí)踐中存在僅憑經(jīng)驗(yàn)確定預(yù)警指標(biāo)和危險(xiǎn)區(qū)域的問題，出現(xiàn)了預(yù)警范圍大、針對性不強(qiáng)、人員轉(zhuǎn)移安置難度大等問題。

2 存在的問題

做好山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)是有效開展災(zāi)害防治非工程措施建設(shè)的重要工作，它包括山洪災(zāi)害調(diào)查測量和山洪災(zāi)害分析評價(jià)。

(1)由于山洪災(zāi)害重點(diǎn)地區(qū)多處于無基站、無基點(diǎn)、無資料的偏遠(yuǎn)山村和溪河溝道，調(diào)查測量中需要的點(diǎn)位經(jīng)緯度和高程信息，在時(shí)間緊、人員及資金有限的情況下，傳統(tǒng)的測量技術(shù)和方法無法滿足測量要求。

(2)設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算是山洪災(zāi)害分析評價(jià)的重要基礎(chǔ)工作，小流域暴雨洪水計(jì)算，特別是無資料地區(qū)小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算問題，一直是國內(nèi)外水學(xué)科專家在不斷探索和研究的課題。

3 研究內(nèi)容與技術(shù)路線

針對存在的問題，本研究以小流域?yàn)閱卧?，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村屯、重點(diǎn)單位及涉水工程為節(jié)點(diǎn)，率先開展了山洪災(zāi)害情況、小流域特征、水文氣象、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、涉水工程、受威脅區(qū)域等調(diào)查評價(jià)研究。主要研究內(nèi)容包括：適合于山區(qū)無基礎(chǔ)情況的測量技術(shù)研究、適合遼寧東部區(qū)域特點(diǎn)的無資料小流域暴雨洪水計(jì)算方法研究、防洪特征指標(biāo)確定方法研究、防洪現(xiàn)狀評價(jià)分析研究。技術(shù)路線如圖1所示。

4 主要研究成果

4.1 測量技術(shù)研究

本次在山洪災(zāi)害調(diào)查測量中應(yīng)用CORS站網(wǎng)布設(shè)的RTK測量技術(shù)結(jié)合衛(wèi)星遙感和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)完成小流域溝道斷面等測量任務(wù)。

(1)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)移動(dòng)定位、三角組網(wǎng)技術(shù)

應(yīng)用3個(gè)參考站，組建三角形的參考站網(wǎng)，參考站的間距在50km左右，覆蓋范圍作業(yè)完成后，移動(dòng)其中1個(gè)參考站，再次組成三角站網(wǎng)，進(jìn)行其他范圍作業(yè)。以此類推，以較少的參考站進(jìn)行大覆蓋范圍的測量作業(yè)，精度達(dá)1～3cm。

圖1 研究技術(shù)路線圖

(2)測量數(shù)據(jù)綜合處理技術(shù)

基于RTK測量數(shù)據(jù)，結(jié)合遙感技術(shù)(RS)，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理。采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)移動(dòng)定位、三角組網(wǎng)技術(shù)及測量數(shù)據(jù)綜合處理技術(shù)，完成小流域溝道斷面等測量任務(wù)。工作效率是傳統(tǒng)測量的10～100倍。本項(xiàng)目基于科學(xué)合理的CORS站網(wǎng)布設(shè)的RTK測量技術(shù)的應(yīng)用，與傳統(tǒng)測量方法相比較，測量方式更加方便、測量時(shí)效性增強(qiáng)、測量成果精度大大提高。

4.2 小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水方法研究

設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算采用《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》進(jìn)行計(jì)算，典型歷時(shí)設(shè)計(jì)面暴雨計(jì)算公式為：

(1)

匯流時(shí)間歷時(shí)面雨量計(jì)算公式為：

τ≤1h，Pτp=P1p×τ1-n0p

1<τ≤6h，pτp=p24p×24n2p-1×6n1p-n2p×τ1-n1p

6<τ≤24h，pτp=p24p×24n2p-1×τ1-n1p

式中，τ—匯流歷時(shí)，h；pτp—τ歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨量，mm；P1P、P24P—1h、24h設(shè)計(jì)暴雨量，mm；n0p、n1p、n2p—暴雨衰減指數(shù)，如圖2所示。

圖2 遼東地區(qū)暴雨衰減指數(shù)查算圖

暴雨時(shí)程分配：現(xiàn)有的設(shè)計(jì)雨型時(shí)段長為3h，歷時(shí)達(dá)14個(gè)時(shí)段(42h)，遠(yuǎn)超過了山洪災(zāi)害分析評價(jià)所針對小流域的匯流時(shí)間/(時(shí)間長多在1～3h)，滿足不了山洪災(zāi)害分析評價(jià)的需要。所以，選取地區(qū)典型降雨場次資料分析確定12個(gè)時(shí)段長為1h的設(shè)計(jì)雨型，見表1。

表1 撫順市清原縣暴雨時(shí)程分配表

例如：撫順市清原縣代表站海陽河小流域(流域面積190km2)匯流歷時(shí)約為6h，根據(jù)表1的歷史數(shù)據(jù)，選取表1中的降雨排位最大值為查詢起點(diǎn)，匯流歷時(shí)(如6h)為選擇個(gè)數(shù)，盡可能以該值為中心，選擇包含該最大值的6個(gè)連續(xù)降雨排位所對應(yīng)的降雨量。然后根據(jù)各時(shí)段對應(yīng)的降雨量確定每個(gè)時(shí)段占匯流歷時(shí)降雨量的百分比。

設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算采用新安江三水源模型、TOPMODEL模型、推理公式遼寧法等進(jìn)行分析計(jì)算，對比多模型分析計(jì)算成果，選擇適合區(qū)域特點(diǎn)的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算模型，通過2010年以后實(shí)際發(fā)生洪水實(shí)測或調(diào)查資料，校正模型分析計(jì)算成果。

4.3 防洪特征指標(biāo)確定方法研究

主要包括防災(zāi)對象水位流量關(guān)系及臨界雨量研究。臨界雨量是指導(dǎo)致一個(gè)流域或區(qū)域發(fā)生的山溪洪水可能致災(zāi)時(shí)，即達(dá)到成災(zāi)水位時(shí)，降雨達(dá)到或超過的最小量級和強(qiáng)度。本項(xiàng)目水位流量關(guān)系曲線是在各個(gè)防災(zāi)對象控制斷面應(yīng)用曼寧公式確定的，同時(shí)建立遼東小流域平均水深-平均流速相關(guān)關(guān)系，并做點(diǎn)群外包線，確定遼東小流域最大平均流速閾值，用以校驗(yàn)水位-流量關(guān)系曲線，確?？刂茢嗝嫠涣髁筷P(guān)系的可靠性。臨界雨量計(jì)算是在確定各防災(zāi)對象成災(zāi)水位、預(yù)警時(shí)段的基礎(chǔ)上，選用水位流量反推法或臨界雨量曲線法進(jìn)行計(jì)算。以臨界雨量曲線法為例介紹計(jì)算過程。

(1)最小臨界雨量計(jì)算

最小臨界雨量由臨界水位對應(yīng)的流量值，通過水量平衡方程求得：

I最小臨界=3.6tQ臨/F

(2)

式中，I最小臨界—最小臨界雨量，mm；Q臨—河道相應(yīng)斷面的臨界流量，m3/s；F—河道斷面以上的集水面積，km2；t—計(jì)算時(shí)段。

以遼寧本溪縣彥家堡子村為例分析，臨界水位為222.35m，對應(yīng)的洪峰流量為454m3/s。時(shí)段為1h的最小臨界雨量I最小臨界=3.6×1×454/86.6=18.9mm。

(2)臨界雨力計(jì)算

雨力的計(jì)算公式為:

Sp=H24，p24n-1

(3)

式中，Sp—相應(yīng)頻率的雨力，mm；H24，p—年最大24h相應(yīng)頻率的設(shè)計(jì)暴雨量,mm；n—暴雨衰減指數(shù)。

以遼寧本溪縣彥家堡子村為例分析：河道安全泄量約為20年一遇暴雨對應(yīng)的設(shè)計(jì)洪峰流量。

Sp=170.6×240.60-1=170.6×0.28=47.8mm

(3)暴雨臨界曲線繪制

暴雨臨界曲線的表達(dá)式為：

I=(ax+b)/x

(4)

式中，I—時(shí)段的臨界雨量，mm；x—次降雨過程對應(yīng)的累積雨量，mm；a、b—參數(shù)。

對于最大臨界雨量點(diǎn)有：x=I最大臨界,I=I最大臨界,對于最小臨界雨量點(diǎn)有：x→∞，I=I最小臨界。代入上式可求出參數(shù)a、b。

以遼寧本溪縣彥家堡子村為例分析，村以上流域面積為86.6km2，河道安全泄量約為20年一遇暴雨對應(yīng)的設(shè)計(jì)洪峰流量，查水文手冊得暴雨衰減指數(shù)為n=0.60，暴雨臨界曲線相關(guān)參數(shù)見表2。

I最大臨界=47.8，I最小臨界=18.9

求得a=18.9，b=1381.4

彥家堡子村的暴雨臨界曲線方程為：

I=(ax+b)/x=(19.7x+1381.4)/x

表2 彥家堡子村暴雨臨界曲線參數(shù)表

以累計(jì)降雨量為橫坐標(biāo)，時(shí)段臨界雨量為縱坐標(biāo)，繪制時(shí)段暴雨臨界曲線，如圖3所示。

圖3 遼寧本溪縣彥家堡子村暴雨臨界曲線圖

4.4 防洪現(xiàn)狀評價(jià)分析研究

基于防災(zāi)對象的水位流量關(guān)系曲線、各特征水位及其對應(yīng)的洪峰流量的頻率以及各頻率洪水位以下的累計(jì)人口(戶數(shù))和房屋數(shù)，繪制防災(zāi)對象防洪現(xiàn)狀評價(jià)圖，本研究根據(jù)各類特性曲線制作防洪能力評價(jià)特性表臺(tái)賬，同時(shí)基于VB、VBA和TeeChart插件開發(fā)繪制防災(zāi)對象防洪現(xiàn)狀評價(jià)圖支持程序，實(shí)現(xiàn)了評價(jià)圖的批量自動(dòng)生成，如圖4所示。

圖4 海陽村防洪現(xiàn)狀評價(jià)圖

5 結(jié)語

以本項(xiàng)目研究成果為基礎(chǔ)，遼寧東部地區(qū)山洪災(zāi)害防御調(diào)查評價(jià)工作順利實(shí)施，為遼寧省防御山洪災(zāi)害工作奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。遼寧東部地區(qū)3市7縣，共有近5萬個(gè)測量點(diǎn)測量工作，771個(gè)沿河村落評價(jià)工作的成果已應(yīng)用到縣級監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)，在補(bǔ)充完善山洪災(zāi)害防御預(yù)案和為地方防汛決策提供支持方面發(fā)揮了重要作用。

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