遼東地區山洪災害防御調查評價關鍵技術研究

馮 琳

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110055)

1 研究背景

山洪災害是我國防洪減災工作的重點和難點。遼寧省是山洪災害高發的省份，特別是遼東區域，山高溝深，河谷縱橫，地勢起伏大，且處于我省的暴雨多發區，極易發生山洪災害。近幾年，遼寧省相繼發生2010年“7·31”、2012年“8·04”、2013年“8·16”山洪災害，東部地區均受到災害。作為山洪災害防治重點，2013年國家將遼東3市7縣作為遼寧省首批進行山洪災害調查評價的地區。開展東部地區山洪災害防御調查評價關鍵技術研究工作，總結科學合理的確定預警指標是關鍵。近年來，國家高度重視，分批啟動了各級山洪災害防治縣級非工程措施建設，并發揮了明顯的防洪減災效益。但在近年山洪災害防御工作實踐中存在僅憑經驗確定預警指標和危險區域的問題，出現了預警范圍大、針對性不強、人員轉移安置難度大等問題。

2 存在的問題

做好山洪災害調查評價是有效開展災害防治非工程措施建設的重要工作，它包括山洪災害調查測量和山洪災害分析評價。

(1)由于山洪災害重點地區多處于無基站、無基點、無資料的偏遠山村和溪河溝道，調查測量中需要的點位經緯度和高程信息，在時間緊、人員及資金有限的情況下，傳統的測量技術和方法無法滿足測量要求。

(2)設計暴雨洪水計算是山洪災害分析評價的重要基礎工作，小流域暴雨洪水計算，特別是無資料地區小流域設計暴雨洪水計算問題，一直是國內外水學科專家在不斷探索和研究的課題。

3 研究內容與技術路線

針對存在的問題，本研究以小流域為單元，以鄉鎮、村屯、重點單位及涉水工程為節點，率先開展了山洪災害情況、小流域特征、水文氣象、社會經濟、涉水工程、受威脅區域等調查評價研究。主要研究內容包括：適合于山區無基礎情況的測量技術研究、適合遼寧東部區域特點的無資料小流域暴雨洪水計算方法研究、防洪特征指標確定方法研究、防洪現狀評價分析研究。技術路線如圖1所示。

4 主要研究成果

4.1 測量技術研究

本次在山洪災害調查測量中應用CORS站網布設的RTK測量技術結合衛星遙感和地理信息系統等技術完成小流域溝道斷面等測量任務。

(1)實時動態移動定位、三角組網技術

應用3個參考站，組建三角形的參考站網，參考站的間距在50km左右，覆蓋范圍作業完成后，移動其中1個參考站，再次組成三角站網，進行其他范圍作業。以此類推，以較少的參考站進行大覆蓋范圍的測量作業，精度達1～3cm。

圖1 研究技術路線圖

(2)測量數據綜合處理技術

基于RTK測量數據，結合遙感技術(RS)，應用地理信息系統(GIS)，對測量數據進行綜合處理。采用實時動態移動定位、三角組網技術及測量數據綜合處理技術，完成小流域溝道斷面等測量任務。工作效率是傳統測量的10～100倍。本項目基于科學合理的CORS站網布設的RTK測量技術的應用，與傳統測量方法相比較，測量方式更加方便、測量時效性增強、測量成果精度大大提高。

4.2 小流域設計暴雨洪水方法研究

設計暴雨計算采用《遼寧省中小河流(無資料地區)設計暴雨洪水計算方法》進行計算，典型歷時設計面暴雨計算公式為：

(1)

匯流時間歷時面雨量計算公式為：

τ≤1h，Pτp=P1p×τ1-n0p

1<τ≤6h，pτp=p24p×24n2p-1×6n1p-n2p×τ1-n1p

6<τ≤24h，pτp=p24p×24n2p-1×τ1-n1p

式中，τ—匯流歷時，h；pτp—τ歷時設計暴雨量，mm；P1P、P24P—1h、24h設計暴雨量，mm；n0p、n1p、n2p—暴雨衰減指數，如圖2所示。

圖2 遼東地區暴雨衰減指數查算圖

暴雨時程分配：現有的設計雨型時段長為3h，歷時達14個時段(42h)，遠超過了山洪災害分析評價所針對小流域的匯流時間/(時間長多在1～3h)，滿足不了山洪災害分析評價的需要。所以，選取地區典型降雨場次資料分析確定12個時段長為1h的設計雨型，見表1。

表1 撫順市清原縣暴雨時程分配表

例如：撫順市清原縣代表站海陽河小流域(流域面積190km2)匯流歷時約為6h，根據表1的歷史數據，選取表1中的降雨排位最大值為查詢起點，匯流歷時(如6h)為選擇個數，盡可能以該值為中心，選擇包含該最大值的6個連續降雨排位所對應的降雨量。然后根據各時段對應的降雨量確定每個時段占匯流歷時降雨量的百分比。

設計洪水的計算采用新安江三水源模型、TOPMODEL模型、推理公式遼寧法等進行分析計算，對比多模型分析計算成果，選擇適合區域特點的設計洪水計算模型，通過2010年以后實際發生洪水實測或調查資料，校正模型分析計算成果。

4.3 防洪特征指標確定方法研究

主要包括防災對象水位流量關系及臨界雨量研究。臨界雨量是指導致一個流域或區域發生的山溪洪水可能致災時，即達到成災水位時，降雨達到或超過的最小量級和強度。本項目水位流量關系曲線是在各個防災對象控制斷面應用曼寧公式確定的，同時建立遼東小流域平均水深-平均流速相關關系，并做點群外包線，確定遼東小流域最大平均流速閾值，用以校驗水位-流量關系曲線，確保控制斷面水位流量關系的可靠性。臨界雨量計算是在確定各防災對象成災水位、預警時段的基礎上，選用水位流量反推法或臨界雨量曲線法進行計算。以臨界雨量曲線法為例介紹計算過程。

(1)最小臨界雨量計算

最小臨界雨量由臨界水位對應的流量值，通過水量平衡方程求得：

I最小臨界=3.6tQ臨/F

(2)

式中，I最小臨界—最小臨界雨量，mm；Q臨—河道相應斷面的臨界流量，m3/s；F—河道斷面以上的集水面積，km2；t—計算時段。

以遼寧本溪縣彥家堡子村為例分析，臨界水位為222.35m，對應的洪峰流量為454m3/s。時段為1h的最小臨界雨量I最小臨界=3.6×1×454/86.6=18.9mm。

(2)臨界雨力計算

雨力的計算公式為:

Sp=H24，p24n-1

(3)

式中，Sp—相應頻率的雨力，mm；H24，p—年最大24h相應頻率的設計暴雨量,mm；n—暴雨衰減指數。

以遼寧本溪縣彥家堡子村為例分析：河道安全泄量約為20年一遇暴雨對應的設計洪峰流量。

Sp=170.6×240.60-1=170.6×0.28=47.8mm

(3)暴雨臨界曲線繪制

暴雨臨界曲線的表達式為：

I=(ax+b)/x

(4)

式中，I—時段的臨界雨量，mm；x—次降雨過程對應的累積雨量，mm；a、b—參數。

對于最大臨界雨量點有：x=I最大臨界,I=I最大臨界,對于最小臨界雨量點有：x→∞，I=I最小臨界。代入上式可求出參數a、b。

以遼寧本溪縣彥家堡子村為例分析，村以上流域面積為86.6km2，河道安全泄量約為20年一遇暴雨對應的設計洪峰流量，查水文手冊得暴雨衰減指數為n=0.60，暴雨臨界曲線相關參數見表2。

I最大臨界=47.8，I最小臨界=18.9

求得a=18.9，b=1381.4

彥家堡子村的暴雨臨界曲線方程為：

I=(ax+b)/x=(19.7x+1381.4)/x

表2 彥家堡子村暴雨臨界曲線參數表

以累計降雨量為橫坐標，時段臨界雨量為縱坐標，繪制時段暴雨臨界曲線，如圖3所示。

圖3 遼寧本溪縣彥家堡子村暴雨臨界曲線圖

4.4 防洪現狀評價分析研究

基于防災對象的水位流量關系曲線、各特征水位及其對應的洪峰流量的頻率以及各頻率洪水位以下的累計人口(戶數)和房屋數，繪制防災對象防洪現狀評價圖，本研究根據各類特性曲線制作防洪能力評價特性表臺賬，同時基于VB、VBA和TeeChart插件開發繪制防災對象防洪現狀評價圖支持程序，實現了評價圖的批量自動生成，如圖4所示。

圖4 海陽村防洪現狀評價圖

5 結語

以本項目研究成果為基礎，遼寧東部地區山洪災害防御調查評價工作順利實施，為遼寧省防御山洪災害工作奠定了技術基礎。遼寧東部地區3市7縣，共有近5萬個測量點測量工作，771個沿河村落評價工作的成果已應用到縣級監測預警平臺，在補充完善山洪災害防御預案和為地方防汛決策提供支持方面發揮了重要作用。

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