孫 桐，楊 坡，許澤星，王以逵，王協(xié)康

(四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都610065)

中都鎮(zhèn)位于四川省屏山縣西部的中都河流域，境內(nèi)山高坡陡，植被覆蓋度差，暴雨發(fā)生時極易導致山洪災害。2018年8月，中都河流域遭受大暴雨并誘發(fā)特大山洪，給中都鎮(zhèn)沿河居民帶來了巨大損失。為此，分析此次中都“8·16”暴雨山洪致災機理，探討符合該區(qū)域的山洪災害預警方法，對中都鎮(zhèn)乃至其他類似山洪災害頻發(fā)地區(qū)的防治具有積極意義。

針對山洪致災機理及其預警指標問題，國內(nèi)外學者展開了大量研究。例如，Marchi等[1]發(fā)現(xiàn)上游地區(qū)強降雨是歐洲部分暴雨山洪的主要誘因；Carles等[2]指出暴雨山洪突發(fā)成災常是水位上漲過快而無法及時啟動應急響應導致；謝和平[3]、劉興年[4]及王協(xié)康[5]等認為暴雨山洪過程中水沙耦合作用加劇使得河床淤積水位陡增，極易造成嚴重的山洪災害。從山洪災害防御角度來講，監(jiān)測預警系統(tǒng)研究是山洪災害防御的重要組成部分，孫東亞[6]、郭良[7]等系統(tǒng)介紹了中國在山洪災害監(jiān)測預警體系建設過程中取得的進展；張平倉等[8]基于山洪災害過程實時動態(tài)精準預報不高的現(xiàn)狀，提出了山洪災害監(jiān)測預警關(guān)鍵技術(shù)與集成示范的研究構(gòu)想。目前山洪災害預警主要包括臨界雨量法和水位預警法。Shi等[9]通過HECHMS模型計算設計洪水，以水位流量反推法計算臨界雨量；Yuan等[10]在此基礎上通過考慮設計雨型對預警雨量計算的影響以提高預警精度。許多研究因為暴雨洪水同頻率假定，使得計算的臨界雨量與實際成災雨量有一定出入，難以達到預期的預警精度。

圖1 中都河流域防災對象位置、水文站、雨量站及水系分布Fig.1 Distribution of disaster prevention area，hydrological station，precipitation stations and water system in Zhongdu River basin

本研究結(jié)合山洪災害實地調(diào)查與基礎資料分析，對2018年發(fā)生的中都河流域“8·16”山洪災害的形成原因及災害特征進行深入探討，通過考慮馬邊、中都兩地隸屬同一流域不同縣區(qū)這一特殊情況，分別以行政區(qū)劃模式下的水位流量反推法和以流域劃分模式的水位上漲率判定法計算防災對象的山洪災害預警指標，并對兩種方法的預警效果加以對比，旨在遴選適合該地區(qū)的山洪災害預警分析方法。

1 基礎資料

1.1 流域概況

中都河是金沙江下游北岸的一條支流，河流發(fā)源于馬邊縣黃連山與煙遮山結(jié)合處，東經(jīng)靛蘭壩、荍壩、老河壩3鄉(xiāng)至野貓溪口入屏山縣，進而流經(jīng)安全、中都、白塔、太平、平和、大橋、平寧至新市鎮(zhèn)注入金沙江。馬邊縣境內(nèi)河長16.2 km，境內(nèi)中都河流域面積221 km2；屏山縣境內(nèi)河長39 km，境內(nèi)中都河流域面積485 km2。流域水系及雨水情監(jiān)測站點分布見圖1。

1.2 野外調(diào)查分析

根據(jù)中都鎮(zhèn)“8·16”洪水損失嚴重程度，結(jié)合沿河居民住宅區(qū)位置，選取了3個受災較為嚴重沿河村落作為防災對象（見圖1）并劃分成災水位。其中：1#斷面位于黃桷村，“8·16”山洪發(fā)生時，洪水淹沒左岸公路30 cm，沖毀橋梁1座，可將左岸路基高程設為成災水位；2#、3#斷面分別位于莊子上村和龍?zhí)么澹鶠楹拥缽澢敍_段，山洪發(fā)生時兩村橋梁被沖毀，洪水陡漲致使左岸房屋淹沒成災，可將左岸離河道最近且地勢最低的房屋高程設為成災水位。中都河流域防災對象位置及“8·16”降雨等值線分布如圖1所示。

2 水文計算

2.1 中都河流域“8·16”洪水過程計算

基于實測雨量資料，采用運動波-地貌瞬時單位線模型（KW-GIUH）進行匯流計算[11]，主要思路為：依據(jù)河流級序定律劃分河網(wǎng)級序，并將每個i級序的次流域視為一個V形坡面流模型，將雨滴在此坡面流模型的運動分為坡面流與渠流兩部分，應用運動波理論，直接求解徑流時間概率密度函數(shù)的平均值，最終得出運動波-地貌瞬時單位歷線。山區(qū)小流域地形陡緩不一，河道溝系錯綜復雜，呈現(xiàn)多級河網(wǎng)同時產(chǎn)匯流特征，KW-GIUH模型根據(jù)各級河網(wǎng)匯流特征推求各級坡地河道最大匯流時間，能較為準確反映流域地形特征的水文響應時間。輸入模型的主要參數(shù)包括：流域有效降雨、地形地貌因子、流域出口河道寬度、坡面粗糙度no和河道粗糙度nc。以中都河水文站控制流域為例，其地形地貌參數(shù)如表1所示。

表1 水文站控制流域的地形地貌參數(shù)Tab.1 Topographic and geomorphic parameters of hydrological station basin

圖2 水文站與典型斷面流量過程模擬Fig.2 Flood hydrograph of hydrology station and typical sections

在KW-GIUH匯流模型中，選取不同no、nc的計算結(jié)果差異較大，在計算前需進行參數(shù)率定。以2018年8月3日中都河水文站的洪水過程作為率定，結(jié)果如圖2（a）所示，確定no、nc值分別為0.55和0.05，再應用于2018年8月16日水文站和典型斷面的洪水過程模擬，見圖2（b）和（c）。如圖2（b）所示，KW-GIUH匯流模型計算的水文站洪峰流量與實測值較為接近，洪水過程擬合較好，總體上看no和nc取值較為合理，該模型能夠準確模擬該流域山洪過程，由此可認為上游典型斷面的流量模擬過程也與實際相符。

2.2 水位流量關(guān)系計算

確定防災對象控制斷面水位流量關(guān)系是推求洪水位過程、成災流量及水位陡漲率等洪水要素的基礎?；谥卸己恿饔颉?·16”山洪災害實地調(diào)查，典型斷面在洪水發(fā)生后未有明顯沖淤變化。為此，根據(jù)防災對象所在河流的溝道形態(tài)、彎曲程度、床面粗糙度及植被生長等情況直接參照“天然河道糙率取值表”[12]確定河槽糙率，結(jié)合“8·16”洪痕水面線比降，采用曼寧公式計算典型斷面流量，繪制水位流量關(guān)系（圖3），相關(guān)參數(shù)列于表2。

由表2可知，曼寧公式計算的“8·16”洪水位與實際調(diào)查洪痕較為吻合，計算偏差小于2%，表明計算斷面水位流量關(guān)系符合實際，可用于該場次山洪致災過程分析。

圖3 典型斷面水位流量關(guān)系Fig.3 Stage-discharge relationship of typical sections

表2 典型斷面水力要素計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of hydraulic factors in typical sections

3 中都鎮(zhèn)“8 ·1 6 ”山洪災害機理分析

結(jié)合中都鎮(zhèn)山洪災害調(diào)查和實測資料，從地區(qū)降雨、洪水陡漲過程及人類活動3方面分析“8·16”山洪致災機理，初步認為此次洪災屬于局部區(qū)域強降雨與人類活動作用下的突發(fā)山洪災害。

1）局部地區(qū)強降雨是誘發(fā)山洪的主要原因之一

據(jù)屏山縣縣志記載：1937年中都區(qū)暴雨誘發(fā)山洪，會龍場全被沖毀，中都場大部被淹，損失慘重。1980年7月28至30日，中都鎮(zhèn)總降雨量達273.6 mm，中都河河水猛漲，淹沒農(nóng)田，沖毀房屋，造成3人死亡。“8·16”洪水當日中都河流域突降暴雨，其中上游會步站實測累積雨量達285 mm，中都鎮(zhèn)多地被淹。由此可見，地區(qū)強降雨為山洪形成提供了充足的水源條件，是中都河山洪頻發(fā)的激發(fā)因素。

圖4 2011年、2014年及2018年中都大橋區(qū)域圖Fig.4 Zhongdu Bridgearea in 2011，2014，2018

2）降雨時空分布不均及洪水陡漲過程是造成山洪災害人員傷亡的主要原因之一

中都河谷屬于屏山縣最少雨地區(qū)，常年平均降雨量802.3 mm，其中少于800 mm的年份占50%；而馬邊地區(qū)雨量充沛，年平均降雨量1044.3 mm，即上游地區(qū)降雨量普遍大于下游。由中都河流域“8·16”降雨等值線圖（圖1）可見，此次流域的暴雨中心位于馬邊屏山兩縣的交界地區(qū)，并逐漸向下游移動，這種降雨時空分布不均性，極易導致當上游降雨誘發(fā)的山洪抵達中都鎮(zhèn)時，下游沿河居民因不知上游降雨情況而未提前組織撤離，最終釀成洪災。因此，降雨時空分布不均是造成山洪災害人員傷亡的主要自然因素。

基于實地調(diào)查，3個典型斷面的洪水位變化過程從上漲到成災僅需幾小時甚至幾十分鐘，這種突發(fā)性陡漲洪水極大縮短了沿河居民的安全轉(zhuǎn)移時間，此次災害中，兩名正在河灘耕作的沿河居民因水位上漲過快來不及逃離而遇難。因此，洪水的陡漲過程是造成山洪災害人員傷亡的主要原因。

2) 平衡密封環(huán)有2個反向的U型金屬膨脹環(huán)(彈簧)，如圖1所示，開口方向1個向上、1個向下，該設計能確保介質(zhì)無論從閥前還是閥后進入，平衡密封環(huán)都能起到很好的密封作用。密封原理： 當高壓介質(zhì)進入U型環(huán)內(nèi)時撐開U型環(huán)密封，確保2個U型環(huán)中有1個能起到密封作用。

3）人類活動也是造成山洪災害的主要原因之一

近年來，人類經(jīng)濟活動逐漸向山區(qū)拓展，常改變山區(qū)流域的下墊面條件，加劇山洪暴發(fā)。圖4為2011年、2014年及2018年中都大橋區(qū)域人類活動變化圖。

由圖4可知，中都鎮(zhèn)河段堤防修建后，河道束窄使行洪面積減小，極易發(fā)生山洪災害。此外，沿河居民在堤防右岸圍灘造地，住宅區(qū)逐漸向河道擴展，致使易災區(qū)范圍擴大，洪水漫過堤頂時，灘地農(nóng)作物增大了水流阻力，導致水位壅高，泄洪不暢，增大了山洪淹沒范圍及災害損失。因此，人類活動是造成此次山洪災害損失主要原因之一。

4 山洪災害預警閾指標閾值計算與分析

預警指標一般包括雨量和水位預警指標2類，分為準備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移2級。雨量預警以不同時段臨界雨量為預警指標，水位預警則一般以防災對象上游一定距離內(nèi)典型地點的洪水位作為預警指標。目前中國建立的山洪預警體系多以行政區(qū)劃模式為主，馬邊、中都隸屬兩縣，若下游中都地區(qū)不能實時獲取馬邊地區(qū)降雨資料，計算預警指標時需按無（缺）資料地區(qū)處理；而以流域區(qū)劃模式建立的預警體系，則按有資料地區(qū)計算。鑒于此，基于兩種不同區(qū)劃模式分別采用不同方法計算防災對象的預警指標，并對其預警效果進行對比，旨在優(yōu)化適合中都流域的山洪預警計算方法。

4.1 水位流量反推法

圖5 典型斷面水位流量反推法計算結(jié)果Fig.5 Calculation of inversion on water level/flow for typical section

以行政區(qū)劃模式建立中都山洪預警體系，屬無資料地區(qū)情況，一般采用水位流量反推法計算臨界雨量，計算流程可參考文獻[13]。典型斷面臨界雨量計算結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：3#斷面在2018年8月16日13：30和13：51的實際累積雨量達到了計算的臨界雨量，可依次發(fā)布準備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移指令，其有效轉(zhuǎn)移時間為31 min，滿足《山洪災害分析評價技術(shù)要求》[14]中至少提前30 min的規(guī)定，表明該方法可用于3#斷面的山洪預警分析。1#、2#斷面計算的立即轉(zhuǎn)移雨量和準備轉(zhuǎn)移雨量均大于實測累積雨量，成災時起不到預警作用，屬于漏警。該方法基于暴雨洪水同頻率假定，由成災流量反算的時段雨量與形成該洪峰的實際雨量具有一定偏差，因此，由該方法獲得的預警信息存在不確定性。

4.2 基于洪水上漲率的預警水位計算法

河水猛漲是造成沿河居民人員傷亡、經(jīng)濟損失的主要原因，若以水位作為預警指標，則更直接有效。山區(qū)河流受地形地貌及降雨過程影響，具有明顯的陡漲陡落過程，且洪水位起漲與陡漲間的轉(zhuǎn)折位置具有較好的預警作用。

圖6 典型斷面預警水位計算結(jié)果Fig.6 Calculation resultsof early warning water level for typical sections

以1#斷面為例（圖6（a）），2018年8月16日14：40時洪水位為543.97 m，距成災水位（545.05 m）1.08 m，此刻陡漲率為2.0 m/h（圖7（a）），達到成災水位的預計時長為32 min，滿足《山洪災害分析評價技術(shù)要求》[14]中至少提前30 min的規(guī)定，則將該水位定為立即轉(zhuǎn)移水位；14：10時洪水位542.85 m，陡漲率1.88 m/h，上漲至立即轉(zhuǎn)移水位預計時長30 min，將該水位定為準備轉(zhuǎn)移水位。同理可得2#、3#斷面的立即轉(zhuǎn)移時長預計為39 min和18 min。“8·16”洪水典型斷面洪水位預警分析結(jié)果如表3所示。

圖7 典型斷面水位陡漲率變化過程Fig.7 Variation of stage rising rate in typical sections

表3 典型斷面洪水位預警分析結(jié)果Tab.3 Early warning analysis results of flood stage for typical sections

由表3可見：該方法在1#、2#斷面預警時長大于30 min，3#斷面相對較短，主要原因在于該斷面成災水位距洪水陡漲點較近（圖6（c）），當洪水上漲速度較大時，水位由陡漲點上漲至成災水位歷時偏小。因此，針對這類斷面需實時監(jiān)測各個時段的洪水陡漲率，一旦洪水臨近立即轉(zhuǎn)移水位且陡漲率大于1.0 m/h，沿河居民需立即快速轉(zhuǎn)移。總體上看，該方法的計算結(jié)果均未出現(xiàn)漏警，但考慮上漲率隨洪水特性變化而變化，針對不同的洪水過程，需根據(jù)實際資料依照該方法計算洪水位陡漲率變化過程來確定臨界水位。

4.3 預警結(jié)果比較分析

以預警方法可行性及預警時長對上述兩種方法的預警效果進行對比，如表4所示。

表4 不同方法預警效果Tab.4 Early warning effectsof different methods

由表4可知，以行政區(qū)劃模式建立預警體系的水位流量反推法預警精度較差，結(jié)果多出現(xiàn)漏警，而以流域區(qū)劃模式計算預警水位的洪水上漲率判定法，對每個控制斷面在洪水到達成災水位時均能提前發(fā)出預警，相比于水位流量反推法可延長預警期，預警結(jié)果更可靠。因此，建議中都地區(qū)建立基于流域劃分模式的馬邊屏山兩縣行政聯(lián)合山洪預警體系，可結(jié)合洪水位上漲率判定法和傳統(tǒng)的預警方法綜合考慮。

5 結(jié) 論

基于中都鎮(zhèn)“8·16”山洪災害實地調(diào)查，系統(tǒng)分析了此次山洪災害的致災機理，探討了以行政區(qū)劃和以流域劃分不同模式下預警指標計算方法在中都地區(qū)的可行性，主要結(jié)果如下：

1）降雨時空分布不均及洪水陡漲過程是造成山洪災害人員傷亡的主要原因，防治區(qū)控制流域需合理布置雨量監(jiān)測站，實時監(jiān)測降雨過程。

2）由于沿河居民圍灘造地，降低河道行洪能力，增大了山洪災害規(guī)模與經(jīng)濟損失，山洪防治區(qū)應確保山區(qū)河流具有足夠的行洪面積。

3）基于山區(qū)洪水陡漲特性和中都河流域特點，表明暴雨山洪采用水位上漲率判定法預警可獲得更長的預警期，且建議建立更可靠的以流域劃分模式的馬邊屏山兩縣行政聯(lián)合山洪預警體系更為可靠。