顧 丹

(大連市普蘭店區(qū)水務事務服務中心,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害,山洪災害頻發(fā)逐漸成為當前亟待解決的重要問題[1]。我國對山洪災害預警平臺建設、內業(yè)分析與計算及野外調查等工作提出了科學詳細的要求和安排,推動了山洪災害評價和分析的規(guī)范化發(fā)展。其中,山洪預警及風險評估可以有效減少災害損失,這也是防洪減災的重點[2]。目前,常用的評價方法主要有主成分分法、機器學習法、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能力;馮快樂等以湖北省為例,運用BP網(wǎng)絡模型分析了區(qū)域山洪風險;崔洋等綜合應用Arc GIS技術和Flood Area模型評定了賀蘭山銀川段的山洪風險水平[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、降水等致災因素轉變成特定的指標,通過權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險明顯不足,無法定量給出預警雨量和防洪能力[9-10]。

因此,文章通過對小流域參數(shù)進行實地調查和測量,獲得用于預測山洪災害的相關數(shù)據(jù),包括成災水位、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)內計算和成災水位、設計洪水位的對比分析確定小流域防洪能力,然后參照暴雨預警等級標準定量描述風險響應程度,利用水位流量反推法探究前期土壤含水量對山洪預警雨量的影響,以期為更準確地評估山洪災害風險,并為預警工作提供指導和參考。

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。全流域屬暖溫帶季風氣候,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)進行對比,從而評估量算的準確性和誤差情況,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)時間進行設計點暴雨量的確定,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)設計點暴雨量按一定的時間間隔內分配雨量?？紤]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,計算出相應的設計洪峰流量,各個斷面的水位流量關系按照曼寧公式進行推算,進而計算確定設計洪峰流量的洪水位[11-12]。

2)預警級別響應。沿河村落的成災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,通過比較成災水位與各頻率設計水位判定是否成災,若成災則繪制關系線并換算洪峰,各頻率利用插值法進行計算,在此基礎上評定防洪能力不同降雨歷時和降雨量情況下的預警級別劃分標準見表1。

表1 暴雨預警級別標準

2.2.2 確定預警指標

1)預警時段。該指標主要受植被條件、雨強、地貌形態(tài)和上游集水面積的影響,結合普蘭店區(qū)實際情況合理設定預警時段為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進行界定,代表較濕。準備和立即轉移雨量是主要臨界指標,其中后者就是利用試算確定的預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,其成災頻率按照水位流量反推確定。

3 實例應用

3.1 設計面暴雨量

根據(jù)上述研究方法和內業(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害風險,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系數(shù)如表2所示。

表2 不同設計面暴雨量

3.2 設計洪水位分析

對面雨量按照概化雨型和表2中的計算結果進行時程分配,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系,以確定洪水特征和規(guī)律如圖2所示,計算結果如表3所示。

表3 不同頻率的設計洪水量

圖2 水位流量關系線

結合沿河村落設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,計算結果能夠反映小流域洪峰流量實際情況[15-17]。

3.3 暴雨預警響應級別

邊界條件為控制斷面的洪峰流量及設計洪水位,結合表3中的計算結果在HEC RAS軟件中輸入內業(yè)和外業(yè)測量的重要參數(shù),如河道比降、糙率值等,進一步推求出洪水的水面線。然后,比較各頻率的成災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中分級標準確定徐溝河小流域為Ⅲ級黃色暴雨預警響應。

表4 徐溝河小流域現(xiàn)狀防洪的設計面雨量

結合沿河村落暴雨預警響應等級分布情況可知,徐溝河小流域沿河村落均達到Ⅲ級黃色暴雨預警響應。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位置對于暴雨洪水的影響。當宅基地高程相差很小或有河道內建有房屋時,暴雨洪水發(fā)生可能會危及當?shù)鼐用癜踩?。這是因為宅基地高程相差很小時,房屋建設較接近河道,如果發(fā)生洪水,房屋很容易被水淹沒,而有房屋建設在河道內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)劃應該考慮到宅基地高程,避免將房屋建設在易受洪水影響的區(qū)域,以確保居民的安全。

3.4 預警雨量

根據(jù)不同土壤含水條件和臨界洪峰流量對應的臨界頻率推算出相應的降雨過程,考慮到徐溝河小流域預警時段選擇為1h、2h、3h的實際情況,故立即轉移雨量取1h、2h、3h降雨量,準備轉移雨量就就是推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)徐溝河小流域準備和立即轉移雨量分布情況可知,在成災流量相同的條件下,前期土壤濕度不同會導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,達到穩(wěn)定下滲率所需降雨量就越小,因此土壤較濕時達到相同成災流量所需的降雨量較小;相反,當土壤較干時,達到相同成災流量所需的降雨量較大。

下游村落的立即與準備轉移雨量相差較小,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計算得到的準備轉移雨量較小;而下游比降小,所形成的洪水過程矮胖,導致前推0.5計算得到的準備與立即轉移流量相近。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,以此保證預警結果的科學合理性。

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行驗證,發(fā)現(xiàn)實測洪水驗證與計算結果基本一致。通過對設計洪峰流量進行對比分析,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,導致下游洪水的增加。因此,設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,為了達到同一成災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,在洪災防治工作中,需要及時對這些變化進行監(jiān)測和評估,并相應地調整防洪措施。隨著科技的進步,新興技術的應用為山洪災害研究提供更精確和全面的數(shù)據(jù)支持,提升預報預警系統(tǒng)的精度和完善防治體系建設,能夠有效應對洪災風險的不確定性和變化,與此同時實時關注下墊面條件的變化,可以為洪災預警和應對提供更準確的信息支持。因此,未來山洪災害的研究重點包括應用大數(shù)據(jù)等新興技術、提升預報預警精度、完善山洪災害防治體系以及關注下墊面條件變化等。

4 結 論

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

2)在成災流量相同的條件下,前期土壤濕度不同會導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,達到穩(wěn)定下滲率所需降雨量就越小,故土壤較濕時達到相同成災流量所需的降雨量較小;相反,當土壤較干時達到相同成災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,洪水的發(fā)生會對河道和下墊面造成沖刷和變形等影響,進而改變流域的臨界條件、洪量和產(chǎn)匯流等參數(shù),當發(fā)生較大洪水災害后會增加洪災防治的不確定性,,對此應高度重視。