小流域山洪災害預警指標應用探析

2020-08-31 02:48:42趙智敏廖文來

廣東水利水電 2020年8期

趙智敏，廖文來

(1.韶關市曲江區小坑水庫管理處,廣東韶關 512100；2.廣東省水利水電科學研究院,廣東廣州 510635；3.廣東省山洪災害防治工程技術研究中心,廣東廣州 510635；4.廣東省山洪災害突發事件應急技術研究中心,廣東廣州 510635)

1 概述

我國主要處于東亞季風區，地貌類型復雜多樣，山丘區分布廣泛，暴雨及山洪災害頻發，山洪災害成為我國致人傷亡的主要災種。2010年至今，國家投入大量資金開展山洪災害調查評價、非工程措施建設、洪水風險圖編制和山洪溝防洪治理，提高沿河村落山洪災害防御能力。其中，山洪災害分析評價是基于山洪災害調查成果、DOM工作底圖、小流域基礎數據和以小流域為單元的水文、地形地貌等基礎信息，充分運用GIS、衛星遙感、水文分析計算等技術，分析山丘區小流域暴雨洪水特征，評價沿河村落的現狀防洪能力，科學劃分沿河村落危險區，分析擬定分級預警指標等。山洪災害分析評價成果可為山洪災害預警、預案編制、人口轉移、臨時安置、防災意識普及和群測群防等工作提供科學、全面、詳細的信息支撐[1]。

在做好山洪災害調查評價，積累數據資料的同時，更應重視山洪災害調查評價成果的應用。下面以三亞市天涯區寧遠河流域某沿河村落的山洪災害分析評價成果，探析成果在山洪災害預警和人員撤離等方面的應用。該沿河村落集雨面積為16.03 km2，河流比降為17.3‰，成災水位為181.08 m，總人口為313人。

2 暴雨洪水

該沿河村落為無實測雨量洪水資料地區，根據地區水文手冊和暴雨統計參數等值線圖等資料，分析計算沿河村落所在小流域的設計暴雨參數、暴雨量及雨量時程分配，得到不同歷時條件下的5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇以及100年一遇等5種典型頻率的設計暴雨成果(見表1)[2-3]。

表1 沿河村落所在小流域設計暴雨成果 mm

假定暴雨與洪水同頻率，基于設計暴雨成果，根據流域集雨面積、河長、比降和河槽斷面形態等幾何特征和植被、土壤和水文地質等下墊面特性，選擇推理公式法和瞬時單位線法等方法[4-5]計算分析沿河村落河道控制斷面的各頻率設計洪水。根據上下游氣候和地形等條件相似時，洪峰流量均值由上游向下游遞增，洪峰模數則遞減，綜合單位線法與推理公式法成果相差均在20%以內等原則來進行成果的合理性分析[6]，選擇最優成果或者綜合處理后，得到該沿河村落河道控制斷面的洪峰流量和洪峰水位等洪水要素成果(見表2)。

表2 沿河村落河道控制斷面設計洪水成果

3 現狀防洪能力

該沿河村落無歷史洪痕或實測水面線成果可利用，因此采用沿河村落實測河床比降確定水面線比降。根據沿河村落所在河流的溝道形態、河床底部情況、植被生長狀況、彎曲程度以及建筑物等因素確定河道糙率。結合山洪災害調查成果，計算該沿河村落控制斷面處的水位—流量關系，確定成災水位，并繪制人口高程水位流量關系圖(見圖1)。根據設計洪水成果，分析沿河村落成災水位對應的洪峰流量頻率，運用特征水位比較法，統計確定成災水位和各頻率設計洪水位下的人口和房屋高程分布，綜合評價沿河村落的現狀防洪能力。經分析評價，該沿河村落的現狀防洪能力為2年一遇(見圖2)。采用頻率法進行危險區等級劃分，將沿河村落小于5年一遇的區域劃分為極高危險區、5—20年一遇的區域劃分為高危險區、20—100年一遇的區域劃分危險區等3個等級區域。

圖1 人口高程水位流量關系示意

圖2 沿河村落現狀防洪能力評價示意

4 預警指標

根據沿河村落所在地區暴雨特性、流域面積、平均比降、形狀系數和下墊面等因素，結合控制斷面處水位—流量關系，確定該沿河村落成災水位對應的臨界流量，并以推理公式法或瞬時單位線法構建反推臨界雨量模型[7]，獲得在土壤較干(0.3Wm)、一般情況(0.6Wm)以及較濕(0.9Wm)3種情況下各個典型預警時段的臨界雨量。成災水位對應的臨界雨量為立即轉移指標，準備轉移指標是在臨界雨量基礎上根據準備轉移時間(漲洪歷時在5 h以上，準備轉移時間Δt=1 h；反之，定為Δt=0.5 h)及洪水過程線綜合進行“折減”處理來確定。該沿河村落較干、一般和較濕狀態下的臨界雨量(立即轉移指標)成果見表3。

表3 沿河村落較干、一般和較濕狀態下的臨界雨量 mm

根據鄉鎮區域內各分析評價對象的計算成果為樣本，概化統計出不同土壤含水量情形下1 h、3 h和6 h臨界雨量的最大值、最小值、平均值等特征值。根據區域內樣本數量情況，參考該鄉鎮所有沿河村落預警指標的小值均值推薦鄉鎮級預警指標，如鄉鎮區域內沒有樣本或樣本量小，則參考附近鄉鎮的成果。該沿河村落所在區域鄉鎮級預警指標成果見表4。

表4 沿河村落所在鄉鎮級預警指標推薦成果 mm

5 預警應用探析

根據國家氣象局頒布的降水強度等級劃分標準，確定并劃分不同時段降雨量的降水強度等級(見表5)。充分關注氣象部門發出的天氣預報信息，根據預報的降雨強度、前期降雨和土壤含水量信息，結合沿河村落的現狀防洪能力、臨界雨量、成災水位等山洪災害分析評價成果，判斷該沿河村落發生山洪災害的可能性，從而重點關注該區域雨量站和水位站的監測。實時監測區域雨量和相關河道水位，若時段雨量達到該沿河村落或該鄉鎮相應時段的預警閾值，則結合雨量監測、水位監測和預警指標成果，確定是否給該沿河村落或相應鄉鎮發出預警和撤離人員。

表5 降水強度等級劃分標準

根據調查成果，該沿河村落所在區域1986年發生了一場暴雨，降雨持續30 h，總降雨量為365.5 mm，最大雨強為51.6 mm/h。以該場暴雨為例，探析山洪災害預警指標的應用。沿河村落前期有斷斷續續的降雨，區域土壤含水量高，處于較濕狀態(0.9Wm)。根據天氣預報信息和山洪災害分析評價成果，判斷該沿河村落發生山洪災害的可能性很大，因此重點開展區域內的雨量監測和河道水位監測。

根據區域內雨量站的降雨監測成果，結合山洪災害分析評價時已確定土壤含水量較濕狀態下不同時段的預警值，繪制1～6 h時段累積雨量過程及相應時段預警值圖(見圖3～8)，以判斷是否發出預警，并統計不同時段雨量及預警啟動情況(見表6)。

表6 不同時段雨量預警情況 mm

圖3 1 h時段雨量過程及相應時段預警值示意

成果顯示：

① 按1 h時段雨量，雨量達不到預警值；

② 按2 h時段累積雨量，則在第19 h發出預警；

③ 按3 h時段累積雨量，則在第4 h和第20～21 h時段發出預警；

④ 按4 h時段累積雨量，則在第19～22 h時段發出預警；

⑤ 按5 h時段累積雨量，則在第19～23 h時段發出預警；

⑥ 按6 h時段累積雨量，則在第19～24 h時段發出預警。

綜合分析該沿河村落應在降雨至第4小時發出預警，預警時段為第4～5 h降雨期間，降雨至第19 h發出第2次預警，預警時段第19～24 h期間。

根據雨量監測成果，對比表1沿河村落所在小流域設計暴雨成果，該場暴雨1 h降雨強度重現期小于5年一遇，3 h和6 h降雨強度間于5年一遇～10年一遇之間，24 h降雨強度稍大于20年一遇。暴雨等級已超過該村落2年一遇的現狀防洪能力，則應發出預警，按極高危險區、高危險區和危險區分批撤離人員。首先在第4小時第一次發出預警時撤離極高危險區(居住高程低于181.36 m)人員，第二次發出預警時撤離高危險區(居住高程在181.36～181.75 m之間)的人員。