山洪灾害分析评价要点及流程

主讲人：李昌志

一 山洪灾害防御基本情况

山洪灾害点多面广、发生频繁，每年都造成重大人员伤亡和基础设施、生态环境的毁灭性破坏，是世界各国山丘区经济社会发展都面临的实际问题，加快山洪灾害防御、减少人员伤亡已成为山丘区防灾减灾与经济社会发展的迫切需求。为此，许多国家都针对山洪展开了大量防御工作。对于山洪灾害分析评价，很多国家虽然没有明确提出系统概念和项目，但也开展了大量实质性工作。例如，美国研发了极具代表性的山洪预警指标确定方法及平台，在欧美国家和地区广泛应用，在东南亚和南美等地区也逐渐推广；日本提出土壤雨量指数法、实效雨量法、汇流时间与降雨强度法、多重判别分析统计法等方法，确定滑坡及泥石流的临界雨量；澳大利亚也在充分调研世界各国山洪预警成果，准备建立自己的预警平台；基于对山丘区山洪与泥石流危险性等级的分析评价，奥地利将山丘区划分为红色、黄色、蓝色、棕色和紫色5种区域，对土地利用进行限制。

我国在山洪灾害防治方面开展了大量工作，2006年制定了《全国山洪灾害防治规划》，2007—2009年开展了全国103个县非工程措施建设试点工作，在此基础上，2010—2012年开展了3年非工程措施建设，明确提出了系统开展山洪灾害调查评价工作，2013—2015年编制了 《山洪灾害分析评价技术要求》（下称《技术要求》）和《山洪灾害分析评价方法指南》（下称《方法指南》），并在工作中实施。事实上，此前国内也对山洪灾害进行了一些研究，如在全国洪水风险图编制试点项目中，以湖南涔水南支、湖北咸宁厦铺河为例，对山丘区重点城集镇山洪危险区等级划分和防洪能力进行了探讨；对山洪预警指标确定方法进行了更多探索，如实测雨量统计法、水位/流量反推法、暴雨临界曲线法、水动力学计算方法等；采用降雨驱动指标值建立泥石流发生可能性的降雨警戒模式，将降雨警戒图划分为低可能发生、中可能发生以及高可能发生3个区域进行预警；为了适用于多个小流域，目前亦有将分布式水文模型应用于临界雨量的研究。但在实际应用层面，各地常根据经验方法确定山洪灾害预警指标，使得指标的准确性和预警效果存在很大的不确定性。

目前我国正在紧张地开展全国性的山洪灾害分析评价，拟通过此项工作，摸清全国山洪灾害危险区分布、各级危险区人口与房屋分布、沿河村落（城集镇）的现状防洪能力、山洪灾害预警指标等关键信息，切实为下一步山洪灾害防治和山丘区经济社会发展提供支撑。鉴于此，以湖南省浏阳市为例，简单介绍目前山洪灾害分析评价的要点与流程以及相应的内容与成果。

二 山洪灾害分析评价基本思路

本次山洪灾害分析评价主要针对面积在200 km2范围内的山丘区小流域溪河洪水进行，小流域暴雨洪水分析计算是分析评价的学科基础。山洪因强降雨形成，具有短历时、强降雨、大比降、小面积等特点，涉及降雨、产流、汇流以及洪水演进等关键环节，因此，在分析评价中应当注意小流域暴雨洪水分析计算在这些环节中应关注的问题及其主要解决思路。具体而言，针对山丘区暴雨山洪的特点，对暴雨洪水计算中的蒸散发、洼蓄、基流等因素，应进行简化甚至省略，但对设计暴雨洪水计算中流域土壤含水量、前期降雨、土壤下渗动态变化等通常被简化的因素，又应进行细化或者较为详细的考虑。山洪灾害分析评价对于暴雨洪水的主要考虑，总体上介于传统的工程设计洪水计算与水文洪水预报之间。

山洪灾害分析评价主要基于山洪灾害调查评价基础数据、工作底图以及各地山洪灾害调查成果等3个主要方面的资料开展，分析评价的关键是沿河村落控制断面水位—流量关系和高程—人口对应关系的确定，评价要点包括小流域暴雨洪水特性分析、沿河村落（城集镇）现状防洪能力确定、危险区等级划分以及山洪灾害预警指标分析4项，按工作准备、暴雨洪水计算、分析评价、成果整理4个阶段进行。其中，工作准备主要包括分析评价名录编制、资料评估与方法选择、设计暴雨洪水试算、流域汇流时间分析等；设计暴雨洪水计算主要工作包括设计暴雨计算、设计洪水计算、水位流量关系分析以及成果合理性分析等；分析评价基于小流域设计暴雨洪水计算成果进行，主要包括防灾对象的现状防洪能力评价、危险区等级划分、预警指标分析等；成果整理阶段主要包括汇总整理分析计算成果、编制成果表、绘制成果图、撰写分析评价成果报告等。

三 分析评价具体流程（以浏阳市为案例）

浏阳市是湖南省直辖、长沙市代管县级市，土地总面积5 007 km2，辖4个街道、26个镇、7个乡；地处幕阜—罗霄山系北段，属幕阜连云山丘区，由大围山、连云山和九岭山脉组成，另有丘陵、岗地和部分平原，山地占土地面积52.6%，丘陵占25.1%，岗地占7.9%，平原仅占13.1%，水面约占1%；浏阳河、捞刀河、南川河3条主要河流发源并贯穿全市，有支流139条；属近海内陆地区，亚热带季风气候，四季分明，春夏潮湿多雨，秋冬寒冷干爽，夏季多为东南风，冬季转偏北风，热量充足，雨量充沛，年降水量1457～2247mm，降雨量多集中在东北部山区，中部河谷盆地次之，西部盆地平原最小；土壤以壤土和黏土为主，含有少量沙土；有林地面积较大，大围、连云、九岭3个主要山脉为植被覆盖，且覆盖程度较高，约72%；暴雨形成山洪灾害频率很大，每2～3年一次小洪灾，每4～5年一次大洪灾，50年左右即可出现一次特大洪涝灾害，具有发生频次高、地区分布广等特点。山洪灾害已成为影响浏阳市山丘区人民生命财产安全和经济社会发展的重要因素之一，山洪灾害防治任务非常迫切和重要。

1.准备工作

首先，在湖南省山洪灾害防治项目组和浏阳市当地防汛部门指导下，充分考虑浏阳市防洪减灾、地区发展规划等实际需求的基础上，筛选和确定了98个重要沿河村落为分析评价对象，该98个防灾对象分布于浏阳市的19个乡镇（街道），共有 4217人，1 161户。

接着，对浏阳市山洪灾害调查评价基础数据、工作底图以及山洪灾害调查成果3个主要方面的资料进行评估，评估资料完整性、可靠性、一致性和可用性，并根据山洪灾害分析评价关于水位—流量关系曲线及高程—人口关系曲线的要求，重点对沿河村落成灾水位、控制断面、纵断面、糙率取值依据、高程—人口关系等关键资料进行相应处理，得到了涉及计算的43个小流域和98个村落的全套资料。

然后，考虑历史山洪发生情况、地理位置分布相对均匀、下垫面代表类型等因素，选择了4个典型小流域及沿河村落，按照当地习惯采用的推理公式法、纳希瞬时单位线法、经验单位线法及其参数，以及分布式流域水文模型法等进行试算，确定计算方法。根据实际调查收集到的水文资料和历史洪水资料，进行试算和对比分析。结果表明，设计洪水部分可采用推理公式法进行，预警指标分析部分由于面临很多复杂情况，且适时性要求较高，具体分析中采用了具有物理机理的分布式流域水文模型法，包含降雨、产汇、汇流以及演进四个环节的完整过程，以便合理地对山洪过程进行模拟，进而反推雨量预警指标。

最后，根据推理公式、坡面汇流+沟道汇流等方法，推算了每一个小流域的汇流时间。

2.设计暴雨洪水分析

设计暴雨分析针对小流域进行。根据《技术要求》，依据《湖南省暴雨洪水查算手册》（下称《查算手册》，湖南省水文局，2013），查算四种标准历时（10分钟、1小时、6小时和 24小时）的暴雨均值、Cv值及相应的点面折减系数，求出5种典型频率在标准历时的设计面暴雨量，采用暴雨公式推算非标准历时（主要指流域汇流时间）的暴雨；在此基础上，参照《查算手册》中提供的雨型分布信息，得到各小流域5种典型频率以汇流时间为历时的时程分布。根据《技术要求》，5种典型频率为5年、10年、20年、50年和100年一遇。

设计洪水分析针对具体的沿河村落进行。其内容主要包括净雨计算、典型频率设计洪水洪峰流量计算、洪峰水位计算及合理性分析等。净雨分析中，充分考虑了山洪灾害强降雨、短历时的特点，在分析浏阳市暴雨洪水特征及下垫面条件的基础上，考虑以下因素进行：①安全，根据山洪影响范围最大危险区能达到的范围考虑；②前期降雨较为饱和；③逐时段扣除降雨损失；④流域植被覆盖、土壤类型及其下渗特性以及土壤分布情况；⑤各时段扣除量与其雨强相关。求得净雨后，主要采用推理公式计算典型频率设计洪水洪峰流量，进而根据调查所得的河道纵横断面地形资料，采用曼宁公式，并考虑了评价对象所处河段附近上下游微地形地貌、滩槽扩宽与束窄、滩地死水区等因素对控制断面有效过流面积的影响，推算相应的洪峰水位。采用与历史洪水资料或本地区调查大洪水资料比较、与区域洪峰模数/洪水流速比较、同一条河流上下游不同地点成果比较等方式进行成果合理性分析。

通过分析所选择4个典型小流域以汇流时间为历时的5年、10年、20年、50年、100年一遇频率暴雨强度，得知，常规频率（P=20%，10%）下，以汇流时间为历时的暴雨平均强度主要在25～35mm/h之间，中等频率（P=5%）下，以汇流时间为历时的暴雨平均强度主要在30～50mm/h之间，稀遇频率（P=2%，1%）下，以汇流时间为历时的暴雨平均强度主要在40～60mm/h之间。据此，采用推理公式简单推算，可知相应的洪峰模数大致范围在 7～9.5，8～14 以及 11～16。

根据设计洪水成果分析，就洪峰模数统计分析而言，针对100年一遇洪水，最大值和最小值分别为17.7和5.1，在8以下的为14个，占总村落数的14.3%；在8～12之间的为73个，占总村落数的74.5%；大于12的为11个，占总村落数的11.2%。针对50年一遇洪水，最大值和最小值分别为15.5和4.4，在8以下的为44个，占总村落数的44.9%；在8～12之间的为49个，占总村落数的50.0%；大于12的为5个，占总村落数的5.1%。这些成果有助于加深对小流域暴雨洪水特性的认识。

3.现状防洪能力评价

图1 浏阳市沿河村落雨量预警指标分析成果（示例）

现状防洪能力分析针对沿河村落进行，包括现状防洪能力确定和危险区划分两方面内容。现状防洪能力确定需要分析成灾水位对应的洪水频率和统计各频率洪水的淹没人口、房屋等。现状防洪能力分析是基于防洪对象控制断面进行的，因此，控制断面水位流量关系的准确性对计算结果有重要影响，另外，在分析各频率洪水的淹没人口时，应将沿河村落分散的居民户，按一定的方法统一投影到控制断面，然后才能统计各频率洪水的淹没损失。

结合统计分析得知，98个沿河村落中，约56个沿河村落的现状防洪能力非常高，达100年一遇以上，受山洪灾害影响的概率不大；现状防洪能力在5年一遇以下的有24个，在5～20年一遇的有7个，在20～100年一遇的有11个。极高危险区为184人，高危险区人口为169人，危险区152人，分别占总人口的4.36%、4.01%和3.6%。

4.预警指标分析

预警指标包括雨量预警指标和水位预警指标，根据浏阳市防灾体系的特点和98个沿河村落与水文（位）站点的关系，确定以雨量预警指标分析为主。山洪灾害雨量预警指标分析需要根据沿河村落成灾水位确定临界流量，进而反推村落以上集水区的降雨量，是一项相对繁琐的工作，需要不断试算，最终求得洪峰流量正好与成灾流量相等时的降雨，作为最后求得的临界雨量。分析中采用分布式流域水文模型法进行分析计算，具体包括预警时段确定、土壤含水量计算、临界雨量计算、预警指标综合确定及合理性分析等内容。分析时，首先根据沿河村落所在流域的植被特点和土壤分布情况，参考《山洪灾害分析评价指南》相关规定，确定了不同的土壤含水量条件；然后计算各种土壤含水量条件下的临界雨量；最后，根据计算得到的临界雨量，充分考虑山洪灾害强降雨、短历时的特点，综合给出2～3个典型时段的雨量预警指标。图1给出了土壤含水量一般和较湿情况下沿河村落雨量预警指标分析的示例性成果。

从本次计算的临界雨量成果看，根据土壤含水量一般情况 （前期含水量约50 mm），1小时的临界雨量最小的只有16 mm，最大的90 mm，大部分位于30～40 mm之间；3小时的临界雨量最小的只有26 mm，最大的161 mm，大部分位于50～70 mm之间。另据《全国山洪灾害防治非工程措施建设实施方案统计汇总成果》（2012年8月），湖南省浏阳市37个乡镇山洪灾害预警区域的预警指标如下：立即转移——前期降雨（前3天）50 mm、40 mm/h、60 mm/3 h、75 mm/6 h、90 mm/12 h、150 mm/24 h。 本次分析成果与以上成果基本吻合。与以往预警指标不同的是，针对每一个具体预警时段，本次预警指标到达具体的沿河村落，不是区域级别的预警指标，区域级别的预警指标可以理解为该区域内某一具体时段中最低或者较低值，需要在县级平台工作完善中进一步处理。

四 山洪灾害分析评价成果展望

由该实例可以看出，山洪灾害分析评价工作有助于深入理解小流域的暴雨山洪特性，可以提供不同行政级别地区各重要沿河村落山洪灾害危险区人口分布情况、现状防洪能力、危险区分布和预警指标等核心信息，对各级行政单位山洪灾害防治预案修正和改进、山洪灾害预警系统及山洪监测系统和网络的改进与完善、未来山洪灾害防御重点村落的识别等，都可以提供有效的信息支撑。

可以预见，随着山洪灾害分析评价工作的进一步深入和拓展，全国山洪灾害分析评价成果必将以飞跃式增加，将在更大尺度上、更深技术与信息层面为山洪灾害防治工作提供强有力的支撑。进一步深入分析山洪灾害分析评价成果的区域性分布规律、广泛而深入地比较和吸收国内外山洪灾害分析评价与实际应用的成果与经验，对于切实提高山洪灾害防治能力和保障山丘区经济社会持续发展是非常重要而又迫切的工作。