山前沖洪積平原山洪災害調查評價測量方案探討——以新疆某地區山洪災害調查評價為例

黃　琨，張云姣，朱　衛

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

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山前沖洪積平原山洪災害調查評價測量方案探討
——以新疆某地區山洪災害調查評價為例

黃琨，張云姣，朱衛

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

依據《全國中小河流治理和病險水庫除險加固、山洪地質災害防御和綜合治理總體規劃》《全國山洪災害防治項目實施方案》(2013—2015年)，對新疆某地區進行了山洪災害調查評價工作。通過實地查勘，針對該地區所處位置、地形條件、致災因素展開了分析，確定了該地區山洪災害形式屬于項目部制訂的分析評價方案中的特殊工況。探討了特殊工況條件下的山洪災害調查評價測量方案，為后續特殊工況的分析評價工作提供了思路。

山洪災害調查；山洪災害評價；一維水動力學；二維水動力學；危險區

山洪災害調查評價包括山洪災害調查、山洪災害分析評價，旨在通過開展山洪災害調查評價，深入調查分析山洪災害防治區暴雨特性、小流域特征、社會經濟和歷史山洪災害情況，分析小流域洪水規律，評價山洪災害重點防治區內沿河村落、集鎮、城鎮的現狀防洪能力，科學劃定危險區、合理確定預警指標，為及時準確發布預警信息、安全轉移人員提供基礎支撐，實現山洪災害綜合防治目標。

由于各地水文氣象和自然地理特征存在較大差異，應針對本地實際，通過研究提出適合本地區特征的調查評價方案。

一、項目概述

研究范圍涉及新疆某地區范圍內從北向南分布于阿爾泰山山區、準噶爾盆地及以西山地、天山山區、塔里木盆地和昆侖山山區。通過全面、準確地查清山洪災害防治區內的人口分布情況，摸清評價對象范圍內山洪災害的區域分布，掌握山洪災害防治區內的水文氣象、地形地貌、社會經濟、歷史山洪災害、涉水工程，以及山洪災害防治現狀等基礎信息，為山洪災害分析評價和防治提供基礎數據；以前期基礎工作、山洪災害調查和地形測量為基礎，分析小流域洪水規律，采用設計暴雨洪水計算方法和水文模型、水動力學模型等分析計算方法，綜合分析評價防治區自然村落防洪現狀，進行山洪災害評價。

通過實地查勘發現，評價對象所處位置、地形條件、致災因素等與傳統意義上的小流域有較大區別。評價對象多處于山前沖-洪積形成的扇形地中下部或扇形前緣或坡積斜平原中下部，地形平坦，內部溝道經人為平整改造，已不具備小流域特征和沿河村落定義，且山洪災害的威脅主要來自山前沖洪積平原以上降水相對較多的山區。洪水經山前突口下瀉，或以潰壩、決堤的形式對下游居民財產形成威脅。

鑒于上述調查，部分區域的山洪災害調查評價應屬于特殊工況。因此，有必要在全國山洪災害調查評價相關標準規范的基礎上，結合本次評價對象的實地情況對調查評價方案進行調整。

分析評價方案的調整主要在評價對象及上游地區不同地形、工程設施條件下，制訂設計暴雨洪水計算解決方案：采用水文分析方法計算出山口斷面的流量過程，采用水力學方法計算出山口下游到防災對象區域洪水淹沒范圍；對由于潰堤造成的洪水淹沒除采用上述方法外可考慮利用已有的區域相關項目計算結果?，F狀防洪能力評價擬采用假定洪峰流量試算的方法推求達到成災水位的洪水頻率，制作防洪現狀評圖；危險區的劃定也通過假定洪峰流量試算的方法，推求各級危險區洪水位所對應的洪峰流量及頻率，制作危險區圖；預警指標的確定采用可能對防災對象造成影響的工程設施上游、臨近潰口的位置的水位站，進行水位預警。

外業調查方案的調整內容主要針對特殊工況，對所涉及的相關水文氣象資料收集提出要求；對評價對象所在地及以外的整個山前平原區域，收集精確的地形資料，包括當地最新的1∶5000、1∶10 000、1∶50 000的地形圖測量成果等；收集防治區內所有工程設施資料并現場核查、測量和底圖標繪；對防治區以外的山洪溝口和涉水工程進行必要的控制斷面測量和現場調查。

二、分析評價方法研究

1. 洪水淹沒形式分析

前期實地查勘發現部分調查區域的特殊實情如下：

1) 評價對象范圍多處于山前沖-洪-坡積形成的扇形地中下部或扇形前緣，經多年墾殖，溝道已干涸，甚至被填田、筑路、修渠。橫縱斷均不具溝道形態，不是典型具有明顯山谷地形特點的沿河村落。

2) 所處區域地形平坦，地面坡度﹤3°，干燥少雨。面積小、比降大、洪水歷時短的小流域特點也不具備。

3) 溫帶大陸性氣候形成干旱的區域氣候環境特點，山洪災害的威脅除本區域的降雨外，主要源于沖-洪-坡積平原以上集水面積廣大、降水相對豐富的山區。汛期洪水經山前突口而出，或以潰壩、決堤的形式對下游居民財產形成威脅。

基于此，部分評價對象的山洪災害調查評價屬于特殊工況。通過小流域暴雨洪水確定預警指標的方案明顯不適應實際，應作補充完善。

根據中央下發的小流域DLG數據、影像、土壤數據，以及收集的地圖集、水文圖集等基礎資料，結合評價對象的分布位置及其所在區域的地形、水工設施等情況，對新疆某地區的小流域采用以下4種方式進行山洪災害評價方式分析：潰堤形式、坡面水方式、潰堤和坡面水相結合的方式、常規山洪分析。

2. 洪水類型

新疆某地區處在山間平原，受流域氣候與下墊面等自然地理條件的影響，洪水有多種類型。

(1) 冰川融雪型洪水

此類洪水主要為季節性積雪融雪洪水和冰川、永久性積雪融雪洪水。每年汛期，隨著氣溫上升，雪冰消融補給河流。每次大的升溫過程，必伴隨著消融洪水的發生。這類洪水是一些河流的主要洪水類型。

(2) 冰川潰壩型洪水

又稱冰川湖突發洪水。河流上游的山谷冰川發育，是形成該型洪水的前提條件。冰川前進或崩塌，阻塞河流，形成堰塞湖。一旦堰塞湖潰決，也會形成類似的洪水。潰壩型洪水漲落迅速，過程較短，破壞力大，其時空分布主要取決于冰川的動態變化。

(3) 暴雨型洪水

暴雨型洪水是最常見的威脅最大的洪水。多發生在6～8月，中低山區，此類洪水暴雨歷時短、范圍小，洪水規模一般較小，且量級有限。呈現洪水過程單一、陡漲陡落的特點。

(4) 混合型洪水

任兩類以上不同類型的洪水在出口斷面遭遇，產生洪水過程的疊加，就會形成成因較復雜的洪水過程，也即混合型洪水。主要存在兩種混合型洪水：一為暴雨洪水與消融洪水遭遇形成；二為潰壩型洪水與消融型洪水遭遇而成。

三、分析評價方案的調整

1. 坡面水類型方案調整

對于坡面水匯流，中間有山洪溝的情況，擬分成兩個階段來計算。

在出山口上游采用水文分析的方法來計算。在出山口繪制斷面，將出山口上游流域作為計算區域，通過設計暴雨設計洪水的方法計算出山口斷面的流量過程。設計暴雨設計洪水的方法仍參考《山洪災害分析評價方法指南》。

從出山口開始到防災對象區域，采用水力學方法計算洪水淹沒范圍。選擇資料豐富，面積較小的行政區同時采用一維水動力學和二維水動力學的方法進行計算。將二維水動力學方法的計算結果和一維水動力學方法的計算結果進行比較，并率定一維水力學方法的參數，使其計算結果越來越接近二維水動力學方法的結果。參數率定完畢后，將計算區域的一維水力學方法計算的參數應用在相同流域，地形地貌條件相似、河道形態相似的待評價的行政區域，采用一維水動力學的方法進行洪水淹沒計算。對于采用一維水力學方法洪水計算結果不理想的行政區域，為確保計算精度，仍將采用二維水力學模型進行計算。

對于出山口下游是沖積扇，沖積扇上游的地形容易被洪水波沖擊而影響甚至破壞的地形地貌，在應用水動力學方法計算之前，可對出山口和沖積扇周邊可能被影響區域的地形情況進行分析。初步確定水流的流向及水量分配，或將水流完全不可能流到的區域排除在水力學模型的應用范圍外。

2. 潰堤型或混合型方案調整

對于半山坡上修筑了撇洪溝等工程措施的情況，則是以堤壩的潰口作為上游流域的出口斷面，這與上一種計算方法中以出山口作為出口斷面不同。如果下墊面情況相近或附近研究區域內有相關項目計算結果，則可移用其潰口的出口流量過程作為本次堤壩的潰口出口流量過程。如果收集不到相關項目計算結果，則采用設計暴雨設計洪水的方法，假定潰口的參數，來計算潰口的出口流量過程。從潰口到防災對象范圍的區域應用水力學的方法計算，計算方法同上，不再贅述。

洪水計算結束后，需要用歷史洪痕數據來率定。利用歷史洪水的發生時間、洪痕高程和洪水水面線、洪水漲落過程、河道過水斷面和河床糙率，推求歷史洪水的過程線，驗證模型參數的正確性。

一維水力學方法中，若假定河道水體為恒定流及恒定緩變流，可使用謝才公式，通過假定水位不斷試算的方法，計算各個斷面處的水位流量過程。若假定河道水體為非恒定流，可選用HEC模型的一維水動力學方法。二維水動力學方法可選用HEC模型的二維水動力學方法、MIKE模型方法等。

洪水計算結束后在沿河村落范圍內繪制控制斷面，計算斷面的水位流量關系。技術路線如圖1所示。

圖1　技術路線

四、外業調查方案的調整

為滿足新疆某地區山洪災害分析評價工作的總體變更需要，在開展山洪災害防治區基本情況調查的基礎上，開展補充調查和野外測量工作。補充調查和野外測量工作要圍繞分析和評價工作的目的展開，需要體現山洪災害重點防治區內沿河村落、集鎮、城鎮等防災對象的現狀防洪能力，根據實地調查情況進行危險區等級劃分，并科學合理地確定轉移路線和臨時安置地點，確定準備轉移和立即轉移雨量預警指標，為不同的計算、分析和評價方法提供有力的調查和測量依據。

1. 山洪災害補充調查和測量與原訂調查內容的差異

補充調查和測量是對現有山洪災害調查工作內容的補充和增加。原山洪災害調查工作內容包括：

1) 防治區基本情況調查。開展山洪災害防治區村落社會經濟基本情況摸查、山洪災害防治區村落危險區初查、小流域基本信息核查、歷史山洪災害和涉水工程調查。

2) 水文氣象資料收集與整理。包括短歷時強降雨資料、小流域暴雨徑流資料和小流域產匯流資料的收集與整理。

3) 沿河村落河道水文調查。考查沿河村落所在河段歷史洪痕，對沿河村落附近河道地形地貌、河段斷面進行測量。

4) 社會經濟情況調查。主要開展沿河村落居民戶人口調查及高程測量。

5) 歷史山洪災害洪水調查。對歷史山洪災害發生地洪痕及河道大斷面測量，收集歷史山洪災害對應的降水資料。

補充調查和測量除了以上工作外，還需重點收集防治區內的線狀工程設施的技術資料，進行現場的核查、測量，并將調查結果標繪在工作底圖上，對影響防治區的最新地形地貌資料的收集和調查范圍擴大至整個沖-洪積扇平原，在防治區以外對影響沖-洪積扇平原的山洪溝口和涉水工程進行必要的控制斷面測量和現場調查。

2. 山洪災害補充調查和測量的主要內容

山洪災害補充調查和測量內容主要針對影響洪水的地形地貌、工程設施，以及影響所有沖-洪積扇平原的山洪溝口處的控制斷面資料。

(1) 地形地貌資料的收集和測量

1) 作業范圍：涉及評價對象所在地及以外的整個沖-洪積扇平原區域。

2) 資料收集內容：較為精確的地形資料(DEM數據)，包括當地最新的1∶5000、1∶10 000、1∶50 000地形圖測量成果資料等。

3) 數據購買：在地形資料缺乏的地區，購買World 10 m DEM數據，經過坐標系統和高程系統轉換，并與野外測量數據相結合，滿足山前沖洪積平原山洪災害調查評價的要求。

4) 野外測量：在沒有收集到可靠的地形地貌資料的區域，對影響洪水演進的關鍵地區實施必要的地形測量工作，主要內容包括控制測量和斷面測量。

(2) 工程設施的調查和測量

1) 作業范圍：防治區及其周邊區域。

2) 收集和調查資料內容：評價對象所在區域內的人工渠道、公路、鐵路、堤防，以及防治區以外主要影響地區所在地洪水演進的涉水工程的材質和尺寸等技術資料。

3) 測量內容：工程設施的平面分布位置、線狀工程設施的縱橫斷面測量結果。

(3) 山洪溝口處的控制斷面資料

1) 作業范圍：防治區以外影響所有沖-洪積扇平原的山洪溝口處。

2) 測量內容：控制斷面測量。

(4) 控制測量

1) 作業范圍：工程設施的調查和測量區域附近及山洪溝口處需要進行山洪災害調查評價的工作范圍。

2) 測量內容：布設工作區域的四等GNSS基本控制網，視工作區域范圍大小，可在四等GNSS基本控制網的基礎上發展五等GNSS控制網，以四等或五等GNSS控制點作為基準站(起算點)，采用GPS RTK方法、全站儀方法等進行縱橫斷面測量。如果在工作范圍附近無法收集已知平面及高程控制點，且沒有建成連續運行參考站(continuously operating reference stations，CORS)系統的工作區域，可以采用精密單點定位(precise point positioning，PPP)技術解算不少于兩個點的平面及高程作為四等GNSS基本控制網的起算數據。

五、結束語

通過對新疆某地區的實地查勘，本文探討了適合該區域特征的山洪災害調查評價方案，制訂了合理的測量技術路線。結合評價對象的歷史洪水資料，分析了洪水來源處的暴雨洪水規律，通過該算法確定了評價對象的防洪現狀能力,在對評價對象構成保護作用的水利設施上，以水位預警為主建立了預警指標，為特殊工況的山洪災害分析評價奠定了基礎。

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The Measurement Scheme Discussion of Flood Disaster Survey and Assessment in Piedmont Alluvial-proluvial Plain Area——A Case Study of Xinjiang Flood Disaster Survey and Assessment

HUANG Kun，ZHANG Yunjiao，ZHU Wei

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2016-03-31

黃琨(1968—)，女，高級工程師，主要研究方向為地理信息工程與制圖學。E-mail：HuangKun@126.com

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