胡昊天，王立權(quán)，劉 瑩，劉宏飛

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

近年來(lái)，城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，山區(qū)城市也不例外，快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了城市的繁榮，同時(shí)也致使防洪建設(shè)跟不上城市的發(fā)展。再加山區(qū)城市本身復(fù)雜的自然條件和非自然條件，其原有的防洪標(biāo)準(zhǔn)已不再適用，制定新的防洪標(biāo)準(zhǔn)所需的數(shù)據(jù)資料難以收集、測(cè)量、無(wú)法科學(xué)準(zhǔn)確的分析利用，同時(shí)，符合山區(qū)城市的徑流模型無(wú)法建立。為了促進(jìn)防洪標(biāo)準(zhǔn)的制定與徑流模型的建立，通過(guò)山區(qū)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展推動(dòng)相關(guān)防洪工作的開(kāi)展，在查閱與研究了大量文獻(xiàn)，總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，本文對(duì)山區(qū)城市制定防洪標(biāo)準(zhǔn)和建立徑流模型工作中的不利條件進(jìn)行了分析，并以山區(qū)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展為基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)對(duì)這些不利因素的對(duì)策進(jìn)行了研究。

1 山區(qū)城市防洪排澇工作中的不利因素

1.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1 人口增加導(dǎo)致防洪標(biāo)準(zhǔn)不適用

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)，城市防護(hù)區(qū)應(yīng)根據(jù)政治、經(jīng)濟(jì)地位的重要性、常住人口或當(dāng)前經(jīng)濟(jì)規(guī)模指標(biāo)分為四個(gè)防護(hù)等級(jí)。隨著山區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，打工者返鄉(xiāng)，當(dāng)?shù)氐母鞣N發(fā)展(例如：旅游業(yè)、餐飲業(yè)、和一些特產(chǎn)有關(guān)的工商業(yè)等)帶來(lái)大量人口，使山區(qū)的常駐人口增加，此外還會(huì)使山區(qū)城市規(guī)模擴(kuò)大并更加趨于現(xiàn)代化。隨著山區(qū)城市GDP的提高，其經(jīng)濟(jì)規(guī)模指數(shù)增大，之前的防洪標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于此時(shí)的山區(qū)城市不再適用，需根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)重新進(jìn)行確定[1]。

1.1.2 防洪標(biāo)準(zhǔn)制定原則

在確定防洪標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)分析受洪水威脅地區(qū)的洪水特征、地形條件，以及河流、堤防、道路及其他地物的分隔作用[2]。山區(qū)城市的地形較為復(fù)雜，不同等高面、山體陰陽(yáng)面的植物各有不同，土壤質(zhì)地也各有差異，從而導(dǎo)致山上降雨徑流的形成、下滲與匯集的具體數(shù)據(jù)難以收集和準(zhǔn)確測(cè)量，難以建立符合實(shí)際山區(qū)情況的徑流模型。隨著山區(qū)城市規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)于山區(qū)的地形將會(huì)有一定的改變。例如在山上修建的一些涼亭、盤山公路、信號(hào)基站、人行道等，都不可避免的會(huì)改變山區(qū)的地形條件與山體土壤的原始狀態(tài)。根據(jù)山區(qū)的氣候引入的一些經(jīng)濟(jì)作物，則會(huì)改變部分土壤性質(zhì)。部分山區(qū)城市會(huì)對(duì)堤防進(jìn)行重新的規(guī)劃整修——如山區(qū)有山谷、有河流且有較大的落差與充足的流量，也有可能修建水庫(kù)；若是發(fā)展旅游業(yè)，景區(qū)內(nèi)修建的上山路，開(kāi)鑿的信息與交易平臺(tái)以及一些排水溝、引水道等，都會(huì)對(duì)洪水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)生影響。一方面，水泥、瀝青等路面，雨水無(wú)法下滲會(huì)導(dǎo)致徑流量增大，即使小于之前防洪標(biāo)準(zhǔn)的洪水量時(shí)的降雨量，也有可能會(huì)引發(fā)洪災(zāi)。另一方面，部分植物種類的改變，可能增大植物截留的降雨量；修建水庫(kù)會(huì)增大降雨蓄水量，高于防洪標(biāo)準(zhǔn)的降雨量也不會(huì)引發(fā)洪災(zāi)。因此，防洪標(biāo)準(zhǔn)制定條件的變化使防洪標(biāo)準(zhǔn)的確定工作更加復(fù)雜。

1.2 徑流模型難以建立

1.2.1 產(chǎn)流過(guò)程數(shù)據(jù)測(cè)量困難

山區(qū)的植物種類繁多，土壤質(zhì)地不同，地形復(fù)雜，需要精密測(cè)量?jī)x器和先進(jìn)的測(cè)量手段收集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。降雨后山區(qū)的植物截留、表層土壤儲(chǔ)存的降雨量與下滲的降雨這些都是測(cè)量困難的數(shù)據(jù)。目前測(cè)量工作中存在測(cè)量數(shù)據(jù)考慮條件不足，誤差大，無(wú)法獲取建立徑流模型所需的長(zhǎng)時(shí)段的降雨數(shù)據(jù)的問(wèn)題。因此現(xiàn)有數(shù)據(jù)不能作為建立科學(xué)模型的依據(jù)，難以建立相應(yīng)的降雨數(shù)學(xué)模型。

各個(gè)山區(qū)的具體情況不同也導(dǎo)致不同地區(qū)的徑流模型難以進(jìn)行對(duì)照或參考。城區(qū)發(fā)展時(shí)對(duì)山區(qū)一些資源的利用(采石、伐樹(shù)、開(kāi)墾梯田等)和近期的一些保護(hù)山區(qū)生態(tài)環(huán)境的措施(植樹(shù)、人為的保護(hù)一些動(dòng)物或植物、建立一些生態(tài)保護(hù)區(qū)域等)都會(huì)在一段時(shí)間后改變山區(qū)的動(dòng)植物種類數(shù)量、土壤、地形條件。使產(chǎn)流階段初期的降雨數(shù)據(jù)發(fā)生變化，使已建立的徑流模型不再具有實(shí)用性，需重新收集新的數(shù)據(jù)，對(duì)山區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行徑流模型產(chǎn)流階段的模擬。因此在山區(qū)進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期之前需要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行多次修正。

1.2.2 匯流方式復(fù)雜

降雨產(chǎn)生的徑流，匯集到附近河網(wǎng)后，又從上游流向下游，最后全部流經(jīng)流域出口斷面，叫做河網(wǎng)匯流，這種河網(wǎng)匯流過(guò)程，即為匯流階段。而山區(qū)的河流大多流經(jīng)山區(qū)深處、陡峭的峽谷之中和密林深處，不易派遣人員進(jìn)行環(huán)境的實(shí)地考察，致使部分匯流情況僅能通過(guò)這些地方的下游匯流情況與流量改變進(jìn)行大致推斷，準(zhǔn)確性與可靠性低。山區(qū)的地形復(fù)雜，山區(qū)河網(wǎng)各處的匯流速度會(huì)有所不同；經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，修建的排水槽、排水溝等使進(jìn)入其中的降雨不再參與原始徑流的產(chǎn)匯流階段，可直接被人工收集利用或定向排出，被收集的雨水可減少?gòu)搅髁髁?；而直接排到河流里的雨水未?jīng)植物截留與土壤下滲，會(huì)增加徑流量，從而改變徑流匯流量，也可能加快徑流的匯集速度，加速河水的上漲。

2 對(duì) 策

2.1 優(yōu)化防洪預(yù)案

2.1.1 確定設(shè)計(jì)洪水，擬定防洪標(biāo)準(zhǔn)

在山區(qū)河流橋梁、上游、下游等處設(shè)置水文觀測(cè)站，收集近期的暴雨洪水資料。使用GIS技術(shù)[3]根據(jù)收集的暴雨洪水資料制定降雨圖和水庫(kù)地形數(shù)據(jù)，建立降雨模擬模型預(yù)測(cè)洪水水位，以供使用。確定目前城區(qū)主要道路和鐵路的建設(shè)等級(jí)和安全等級(jí)，確定設(shè)計(jì)洪水和防御洪水標(biāo)準(zhǔn)。

《防洪設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定： 城市防洪設(shè)計(jì)洪水，計(jì)算依據(jù)應(yīng)充分采用已有的實(shí)測(cè)暴雨、洪水資料和歷史暴雨、洪水調(diào)查資料。所依據(jù)的主要暴雨、洪水資料和流域資料應(yīng)保證可靠，必要時(shí)應(yīng)對(duì)有質(zhì)疑的數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)復(fù)核。在對(duì)山區(qū)的暴雨數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測(cè)時(shí)，可根據(jù)山區(qū)地形條件、植物覆蓋率、土壤下滲強(qiáng)度的變化程度考慮洪水資料和歷史暴雨資料的適用性。新建水庫(kù)、大壩、水電站等用于蓄水、引水、提水和分洪、滯洪等的水利工程，應(yīng)將具有可靠性的系列資料統(tǒng)一到同一基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行合理性檢查。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展致使山區(qū)地形、降雨、河流等發(fā)生較大程度的變化，而使先前的系列資料等缺乏一致性、可靠性和合理性，應(yīng)根據(jù)《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBT 50805—2012)中規(guī)定：城市所在地區(qū)洪水和暴雨資料均短缺時(shí)，可利用自然條件相似的鄰近地區(qū)實(shí)測(cè)或調(diào)查的暴雨、洪水資料進(jìn)行地區(qū)綜合分析、估算設(shè)計(jì)洪水，也可采用經(jīng)審批的省(市、區(qū))《暴雨洪水查算圖表》計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，根據(jù)這些確定設(shè)計(jì)洪水與對(duì)應(yīng)洪水的重現(xiàn)期。

以某山區(qū)城市為例：水位站洪峰流量頻率分析采用1956—2002年連續(xù)系列，并計(jì)入1932年歷史洪水，首位洪水重現(xiàn)期取71 a，按P-Ⅲ型理論頻率曲線初估統(tǒng)計(jì)參數(shù)，取Cs=2.25Cv，經(jīng)適線確定均值和Cv值。各站洪峰流量頻率計(jì)算如表1、表2所示。

表1 單站設(shè)計(jì)洪水成果比較

由表1可以看出，本次計(jì)算成果均等于或小于規(guī)劃成果[4]。分析原因主要是由于兩次計(jì)算采用的洪水系列不同造成的，本次延長(zhǎng)的系列中無(wú)大洪水發(fā)生。故從安全考慮，本次三個(gè)水文站設(shè)計(jì)洪水仍采用規(guī)劃成果，各站設(shè)計(jì)洪水成果如表2所示。

表2 單站設(shè)計(jì)洪水成果

做出P-Ⅲ型理論頻率曲線，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2000)確定城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20～50 a。

2.1.2 制定防洪標(biāo)準(zhǔn)

進(jìn)行人口調(diào)查，確定常駐人口與流動(dòng)人口，確定城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r與城市的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，以及主要交通網(wǎng)絡(luò)上的道路和鐵路的等級(jí)，初步擬定城市的防洪標(biāo)準(zhǔn)與超標(biāo)準(zhǔn)洪水[5]。再考慮以下條件確定山區(qū)城市的防洪標(biāo)準(zhǔn)：

(1)新修建的水庫(kù)大壩，考慮其滯洪與蓄洪能力對(duì)河流在洪水期的流量影響以及對(duì)洪峰到臨的推遲作用。

(2)河流上有橋梁，應(yīng)對(duì)橋梁的運(yùn)行情況進(jìn)行檢查，確定其損壞程度、使用年限、水位警戒線等。

(3)城區(qū)目前的排澇設(shè)施排澇方式、排澇設(shè)施的最大排澇能力、能承受的最大降雨量和發(fā)生多大的洪水時(shí)會(huì)產(chǎn)生城市內(nèi)澇。

2.1.3 采用集對(duì)分析法優(yōu)化防洪方案

在制定防洪標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)國(guó)家防洪標(biāo)準(zhǔn)、歷史特大洪水以及《防洪設(shè)計(jì)規(guī)劃》確定不同重現(xiàn)期洪水的防洪方案?？刹捎眉瘜?duì)分析法[6]選最佳方案。

(1)首先設(shè)定城市防洪標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。可以社會(huì)效果、經(jīng)濟(jì)效果、環(huán)境效果為基礎(chǔ)選定評(píng)價(jià)指標(biāo)(例如：對(duì)山區(qū)自然環(huán)境的影響、對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響程度、對(duì)社會(huì)治安的影響程度等)。

(2)建立城市防洪評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)立每個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的每級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的上下限。

(3)對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行符號(hào)化分類處理；將方案與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)元素進(jìn)行比較，定義差異等級(jí)，確定聯(lián)系度。

(4)進(jìn)行方案優(yōu)選。確定最優(yōu)防洪方案。

2.2 徑流模型建立

政府應(yīng)加大對(duì)山區(qū)防洪排澇工作的重視，增加用于山區(qū)防洪排澇工作的預(yù)算支出，大力支持防洪排澇工作中徑流模型建立系列工作的開(kāi)展。徑流模型的建立要點(diǎn)在于資料和數(shù)學(xué)模型的建立。所收集的資料要全面，測(cè)量的數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確，并在一段時(shí)間內(nèi)具有可靠性和合理性。徑流過(guò)程模型的數(shù)學(xué)模型要選擇精確度高、考慮全面、適用于山區(qū)城市具體情況的模型，并根據(jù)所分析的山區(qū)城市的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和修改；或者新建立一個(gè)符合該山區(qū)城市的徑流模型。

2.2.1 收集資料

為確保建立的徑流模型的準(zhǔn)確性，收集的資料數(shù)據(jù)應(yīng)全面覆蓋整個(gè)山區(qū)城市并具備準(zhǔn)確性、可靠性和合理性。經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展對(duì)產(chǎn)匯流條件影響較大，因此數(shù)據(jù)還應(yīng)具備時(shí)效性，需要重新收集建立徑流模型所需的降雨資料、植物截留降雨量、土壤下滲率、蒸發(fā)量等。具體措施如下：

(1)詳細(xì)勘察山區(qū)各區(qū)域的地形條件、植物種類和覆蓋率、土壤類別、溫度、氣候條件和水庫(kù)、堤壩等人工水利工程建筑物。在山區(qū)易于勘察地區(qū)可派遣工作人員進(jìn)行作業(yè)，對(duì)于深山、密林、峽谷等地可利用衛(wèi)星拍攝的地形圖或?qū)Ш较到y(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)。收集各降雨量級(jí)下的山區(qū)徑流產(chǎn)流區(qū)域的徑流產(chǎn)流量資料。

(2)測(cè)量降雨時(shí)植物截留降雨量、土壤降雨下滲和蒸發(fā)量時(shí)，應(yīng)在進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)的區(qū)域修建觀測(cè)站進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與各種實(shí)驗(yàn)，對(duì)于某些生長(zhǎng)在無(wú)法進(jìn)行勘察的險(xiǎn)峻地帶的植物，可根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況在實(shí)驗(yàn)室建立模型實(shí)驗(yàn)對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行勘測(cè)，使數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。

(3)對(duì)于收集到的數(shù)據(jù)采用GIS技術(shù)[3]進(jìn)行處理和分析，可建立降雨模擬模型和山區(qū)流域地形三維模型為徑流模型建立提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和一定的物理模型基礎(chǔ)。

2.2.2 建立模型

(1)可根據(jù)已有的一些方式進(jìn)行模擬。例如：洪峰洪量疊加法(在所有水力學(xué)設(shè)計(jì)模型中，是最簡(jiǎn)單的，同時(shí)也是最不準(zhǔn)確的，不考慮波的傳播時(shí)間和波的衰減)、流量過(guò)程線時(shí)間滯后相加法、NAM法和修正RRL法等，利用這些已有的方法和重新收集的新數(shù)據(jù)對(duì)徑流模型進(jìn)行模擬建立，用未參與模型建立的幾組降雨徑流數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證：輸入降雨量，驗(yàn)證輸出流域出口的流量過(guò)程與采集的數(shù)據(jù)是否吻合。若不相符，但相差不大，可對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，使其與數(shù)據(jù)相符；若不相符，且輸出流域出口的流量過(guò)程與實(shí)際相差較大，則該方式不適合該山區(qū)城市，采用其他方法再次試驗(yàn)直至建立的徑流模型與實(shí)際相符。

(2)不采用已有的一些模型，購(gòu)買專業(yè)的建模軟件，根據(jù)山區(qū)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)一個(gè)新的適用于該山區(qū)城市的徑流模型。根據(jù)山區(qū)城市的地形地貌、降雨的實(shí)際產(chǎn)匯流過(guò)程的數(shù)據(jù)、流域的河網(wǎng)分布、水庫(kù)、蒸發(fā)、地下水等情況自行根據(jù)《水力學(xué)》設(shè)計(jì)計(jì)算算式，推算流域出口的流量過(guò)程線，并建立徑流物理模型來(lái)輔助徑流模型的建立和檢驗(yàn)，進(jìn)而建立符合山區(qū)城市的徑流模型。

3 結(jié) 論

(1)防洪標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)于數(shù)據(jù)收集方面主要采用相關(guān)水文觀測(cè)站的數(shù)據(jù)資料；或依托城市發(fā)展規(guī)劃對(duì)觀測(cè)點(diǎn)、觀測(cè)站等重新進(jìn)行規(guī)劃，以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；也可對(duì)山區(qū)城市全境進(jìn)行數(shù)據(jù)的全面收集與測(cè)量；對(duì)數(shù)據(jù)的利用可采用GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和利用，用于防洪工作中的數(shù)據(jù)分析、洪水預(yù)測(cè)和防洪規(guī)劃。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)使用GIS技術(shù)處理后，根據(jù)《防洪設(shè)計(jì)規(guī)范》制定防洪標(biāo)準(zhǔn)，并采用集對(duì)分析法對(duì)防洪標(biāo)準(zhǔn)方案進(jìn)行優(yōu)選，確定最優(yōu)方案。

(2)建立徑流模型時(shí)先利用GIS技術(shù)建立降雨模擬模型與山區(qū)流域三維模型，為徑流模型建立提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和物理模型基礎(chǔ)，再選取方法進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的模擬，確定合適的徑流模型。