澤州縣山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)檢驗(yàn)及復(fù)核分析

邢靜芳

(晉城市水務(wù)局，山西 晉城 048000)

0 引言

山洪廣義上指山區(qū)溪溝中發(fā)生的洪水暴漲，包括暴雨山洪、融雪山洪等[1]。山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)檢驗(yàn)復(fù)核工作是在已開展山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作的基礎(chǔ)上，利用新近發(fā)生的洪水和歷史洪水資料，對(duì)防災(zāi)對(duì)象的預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)復(fù)核[2]。本文以澤州縣下町村圪套和南街村山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)檢驗(yàn)和復(fù)核工作為例，對(duì)指標(biāo)檢驗(yàn)方法進(jìn)行了分析，為山洪預(yù)警工作提供更為科學(xué)的信息基礎(chǔ)。

1 項(xiàng)目區(qū)基本情況

澤州縣南北長(zhǎng)約58.85 km，東西寬約62.75 km，全縣國(guó)土面積2023 km2。澤州縣下轄14個(gè)鎮(zhèn)和3個(gè)鄉(xiāng)，總?cè)丝?2.6萬。域內(nèi)東、西、南三面環(huán)山，山嶺陡峻，傾向中央，北中部為丘陵地帶。地貌呈黃土高原和褶皺山板相間分布，具有山地、丘陵、平川區(qū)等多種地貌類型，構(gòu)成了北高南低波浪式的地貌景觀。在選取復(fù)核對(duì)象過程中，遵循在已完成的澤州縣《山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)報(bào)告》的基礎(chǔ)上，根據(jù)近期發(fā)生的山洪災(zāi)害事件、較大洪水資料確定檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象的原則，選定了下町村圪套和南街村，分布見圖1。

圖1 復(fù)核對(duì)象位置分布圖

2 雨量預(yù)警指標(biāo)復(fù)核

主要通過復(fù)核控制斷面河道糙率、比降及斷面水力要素，采用HEC-RAS軟件，對(duì)水位流量關(guān)系進(jìn)行復(fù)核。

2.1 水位流量關(guān)系復(fù)核方法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查的河道糙率，不同橫斷面位置及相應(yīng)河底高程，假定不同流量，推求河道水面線，確定控制斷面相應(yīng)水位，建立水位流量關(guān)系。

HEC-RAS軟件是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)工程水文中心Center)研發(fā)的一種多用途，可在多用戶網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中交互使用的河流分析系統(tǒng)。HEC-RAS軟件水面線計(jì)算的原理基于伯努利方程，逐斷面采用標(biāo)準(zhǔn)步推法(STM)推求水面線，計(jì)算示意見圖1，基本公式：

(1)

Δz=z1-z2=hr+hj+Δhv

(2)

式中：z1、z2分別為上、下游斷面相應(yīng)水位；a1、a2分別為上、下游斷面流速系數(shù)；v1、v2分別為上、下游斷面平均流速；hr、hj分別為上下游斷面之間的沿程水頭損失、局部水頭損失；hv為上、下游斷面的流速水頭之差。

圖2 伯努利方程計(jì)算示意圖

2.2 水位流量關(guān)系復(fù)核

2.2.1 下町村圪套

下町村圪套隸屬周村鎮(zhèn)，位于長(zhǎng)河流域。控制斷面以上流域面積204.6 km2，其中產(chǎn)流地類為砂頁巖灌叢山地、砂頁巖森林山地、黃土丘陵階地和灰?guī)r灌叢山地的綜合地類，單地面積分別為45.2 km2、7.4 km2、123.5 km2、28.5 km2，匯流地類為森林山地、草坡山地、灌叢山地和黃土丘陵綜合地類，單地面積分別為7.5 km2、41.5 km2、33.0 km2、122.7 km2，河長(zhǎng)23.3 km，流域平均縱坡6.4‰。居民戶位于河道右岸，臨河低洼處居民戶易受災(zāi)。

下町村圪套段河道較規(guī)整、順直，兩側(cè)均建有漿砌石堤防，由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，且長(zhǎng)期受水流沖刷，堤防表面有明顯剝落，河床為黏土和卵石，河道內(nèi)生長(zhǎng)有雜草，右側(cè)堤腳有棄土棄渣和垃圾侵占河道。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)勘河道、河勢(shì)情況，綜合分析，復(fù)核河道糙率取0.028，與《評(píng)價(jià)報(bào)告》一致。

《評(píng)價(jià)報(bào)告》中的成災(zāi)戶位于河道右岸，該戶房屋基礎(chǔ)略高于河道，最易受災(zāi)，成災(zāi)戶確定基本合理。成災(zāi)水位根據(jù)成災(zāi)戶高程確定，為716.50 m，根據(jù)成災(zāi)水位確定成災(zāi)流量為160 m3/s，現(xiàn)狀防洪能力為小于5 a一遇。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析確定的河道糙率、《評(píng)價(jià)報(bào)告》中實(shí)測(cè)的斷面，采用HEC-RAS軟件，計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表1，推算的控制斷面水位流量關(guān)系見圖3。

圖3 復(fù)核后下町村圪套水位流量關(guān)系圖

表1 下町村圪套計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

復(fù)核計(jì)算的成災(zāi)流量為162.5 m3/s，與《評(píng)價(jià)報(bào)告》成災(zāi)流量相比，偏離度為1.56%，《評(píng)價(jià)報(bào)告》水位流量關(guān)系基本合理。

2.2.2 南街村

南街村隸屬高都鎮(zhèn)，位于巴公河流域，控制斷面以上流域面積211.3 km2，產(chǎn)流地類為黃土丘陵階地、灰?guī)r灌叢山地，面積分別為201.9 km2、9.4 km2。匯流地類為草坡山地、灌叢山地、黃土丘陵，面積分別為2.5 km2、7.1 km2、201.7 km2。河長(zhǎng)18.4 km，流域平均縱坡為3.8‰，居民戶位于河道兩岸，臨河低洼處居民戶最先受災(zāi)。

南街村河道寬闊順直且規(guī)整，主河槽有水，河床主要由砂土組成。河道兩岸均為鉛絲籠塊石河堤，左右岸外側(cè)均為鄉(xiāng)村道路，且堤頂與路面齊平。村莊主要分布于河道左岸。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)勘河道、河勢(shì)情況綜合分析，復(fù)核河道糙率取0.025，《評(píng)價(jià)報(bào)告》中河道糙率取0.028?！对u(píng)價(jià)報(bào)告》中的成災(zāi)戶位于河道左岸，該戶高程為742.32 m，成災(zāi)水位根據(jù)成災(zāi)戶高程確定，為742.32 m，根據(jù)成災(zāi)水位確定成災(zāi)流量為385 m3/s，現(xiàn)狀防洪能力為小于5 a一遇。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析確定的河道糙率、《評(píng)價(jià)報(bào)告》中實(shí)測(cè)的斷面，采用HEC-RAS軟件參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表2，推算的控制斷面水位流量關(guān)系見圖4。復(fù)核計(jì)算的成災(zāi)流量為189.4 m3/s，與《評(píng)價(jià)報(bào)告》成災(zāi)流量相比，偏離度為50.8%，《評(píng)價(jià)報(bào)告》中20%、10%、5%、2%、1%頻率下的洪峰流量為772 m3/s、1185 m3/s、1675 m3/s、2294 m3/s、2757 m3/s。由于澤州縣高都鎮(zhèn)澤源河環(huán)境綜合整治，使南街村河道發(fā)生改變，對(duì)南街村不同頻率下的洪峰流量與河床糙率進(jìn)行復(fù)核，計(jì)算得到20%、10%、5%、2%、1%頻率下的洪峰流量分別為44.9 m3/s、82.3 m3/s、138.8 m3/s、233.1 m3/s、319.5 m3/s。河床糙率為0.025，故計(jì)算的成災(zāi)流量與《評(píng)價(jià)報(bào)告》偏離較大，從實(shí)際安全出發(fā)，成災(zāi)流量采用189.4 m3/s。

表2 南街村計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

圖4 復(fù)核后南街村水位流量關(guān)系圖

2.3 臨界雨量合理性分析

采用特征雨量法分析臨界雨量合理性，即統(tǒng)計(jì)近年來發(fā)生的不同時(shí)段暴雨量與計(jì)算的相同時(shí)段、相同土壤含水量的臨界雨量進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)暴雨洪水是否成災(zāi)，分析判斷臨界雨量的合理性。

2.3.1 計(jì)算特征雨量及前期影響雨量

根據(jù)已發(fā)生的洪水，分析確定成災(zāi)時(shí)間。滑動(dòng)統(tǒng)計(jì)成災(zāi)時(shí)間之前復(fù)核對(duì)象不同時(shí)段的最大雨量作為該時(shí)段的特征雨量。若流域內(nèi)有多個(gè)雨量站，應(yīng)按面雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。

2.3.2 偏離度計(jì)算

按式3計(jì)算偏離度，結(jié)果見表3。

(3)

2.3.3 合理性分析

根據(jù)表1可知下町村圪套特征雨量與《評(píng)價(jià)報(bào)告》臨界雨量偏離度為7.86%，小于10%，故臨界雨量設(shè)置方法合理。由于南街村段巴公河進(jìn)行了環(huán)境綜合整治，使南街村河道發(fā)生改變，水位流量關(guān)系、成災(zāi)水位、成災(zāi)流量均發(fā)生了變化，導(dǎo)致臨界雨量與特征雨量偏離度較大。

2.4 預(yù)警指標(biāo)時(shí)段合理性分析

預(yù)警時(shí)段的長(zhǎng)短對(duì)預(yù)警效果有直接的影響，一般情況流域面積較大、匯流時(shí)間較長(zhǎng)，最小預(yù)警時(shí)段可適當(dāng)加長(zhǎng)；流域面積較小、匯流時(shí)間較短，最小預(yù)警時(shí)段可取適當(dāng)減短。預(yù)警時(shí)段還要考慮群眾的轉(zhuǎn)移時(shí)間和暴雨過程。預(yù)警時(shí)段合理性分析主要根據(jù)實(shí)測(cè)大暴雨過程、流域匯流時(shí)間、預(yù)警時(shí)段、預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行模擬預(yù)警。

2.4.1 下町村圪套預(yù)警指標(biāo)時(shí)段合理性

下町村圪套的匯流時(shí)間為1 h，本次采用東溝雨量站數(shù)據(jù)2016年6月7日、2016年7月19日和2018年7月14日3場(chǎng)暴雨資料進(jìn)行模擬分析，降雨過程見圖6～圖7。

圖5 2016年6月7日?qǐng)龃?/p>

圖6 2016年7月19日?qǐng)龃?/p>

圖7 2018年7月14日?qǐng)龃?/p>

圖4下町村圪套當(dāng)降雨過程達(dá)到10:00時(shí)，1 h最大降雨量為24.6 mm，達(dá)到立即轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)(23 mm)。圖5當(dāng)降雨過程達(dá)到12:00時(shí)，1 h最大降雨量為43.2 mm，達(dá)到立即轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)(19 mm)。圖7當(dāng)降雨過程達(dá)到4:00時(shí)，1 h最大降雨量為28.4 mm，達(dá)到立即轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)(19 mm)。

2.4.2 南街村預(yù)警指標(biāo)時(shí)段合理性

南街村的匯流時(shí)間為1 h，采用東屯雨量站數(shù)據(jù)2016年6月4日、2016年7月19日和2016年7月27日3場(chǎng)暴雨資料進(jìn)行模擬分析。降雨過程見圖8～圖10。

圖8南街村當(dāng)降雨過程達(dá)到22:00時(shí)，1 h最大降雨量為26 mm，達(dá)到立即轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)(18 mm)。圖9當(dāng)降雨過程達(dá)到13:00時(shí)，1 h最大降雨量為23.6 mm，達(dá)到立即轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)(17 mm)。圖10當(dāng)降雨過程達(dá)到9:00時(shí)，1 h最大降雨量為14.2 mm，達(dá)到準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)(13 mm)。

圖8 2016年6月4日?qǐng)龃?/p>

圖9 2016年7月19日?qǐng)龃?/p>

圖10 2016年7月27日?qǐng)龃?/p>

2.4.3 預(yù)警指標(biāo)時(shí)段合理性復(fù)核成果分析

下町村圪套和南街村匯流時(shí)間均為1 h，預(yù)警時(shí)段為1 h時(shí)模擬過程中均直接達(dá)到立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)(南街村有一次接收準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo))，接收立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)距洪峰到達(dá)時(shí)間間隔為1 h，村民有1 h的轉(zhuǎn)移時(shí)間，故最小預(yù)警時(shí)段為0.5 h可以發(fā)揮雨量預(yù)警作用。

3 結(jié)語

山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)的檢驗(yàn)復(fù)核是一項(xiàng)長(zhǎng)期工作，應(yīng)根據(jù)新發(fā)生的洪水資料，定期復(fù)核校正預(yù)警指標(biāo)，使其趨于完善，提高預(yù)警指標(biāo)的精準(zhǔn)度。

本文對(duì)復(fù)核對(duì)象進(jìn)行了水位流量關(guān)系、臨界雨量、預(yù)警時(shí)段合理性分析，利用近期發(fā)生洪災(zāi)的暴雨洪水資料對(duì)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核。通過開展預(yù)警指標(biāo)的檢驗(yàn)復(fù)核工作，為山西省山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)復(fù)核工作提供規(guī)范化流程和技術(shù)樣板。