山洪灾害分析评价计算方法验证

□陈 楠（河南省水文水资源局）

0 引言

河南省处于南北气候和山区向平原两个过渡带，年平均降水量约为500～900 mm。全年降水的50%集中在夏季，具有强度大、年内分配不均、年际变化大等特点。特殊的地理位置和自然条件，致全省山洪灾害易发，不仅严重威胁人民群众的生命安全，还制约了社会经济发展。因此，2010-2012年，按照上级部门的统一部署和要求，河南省开展了山洪灾害防治非工程措施建设工作，该项目完工后，发挥了良好的防灾减灾效益。但在开展非工程措施项目建设过程中，因受主、客观因素影响，工作深度尚未达到科学防御的要求。2012年“全国中小河流治理、病险水库除险加固、山洪地质灾害防御及综合治理总体规划”发布，明确于2013-2015年度继续开展山洪灾害防治项目建设，以进一步提高山洪灾害防御水平。河南省按照水利部和财政部的安排部署，依据相关要求，编制相关方案，明确建设原则、目标及内容。山洪灾害分析评价工作是河南省山洪灾害防治项目2015年度主要工作内容之一，由于山洪灾害防治区范围广、各流域单元的气象、水文、地理情况均不相同；一些小流域，属流量资料空白区；部分沿河村落所在河段河势变化，测量断面选择困难；部分断面主河槽、漫滩泥沙质、糙率选择等原因，均会对分析评价结果的准确性造成一定影响，因此，需要对分析评价采用方法进行验证。

文章采用两种方法进行验证，主要使用条件如下。

在有资料地区，根据水文站的实测断面资料对水位流量关系计算方法进行验证；

无资料地区，在洪水模拟方法调查比较的基础上，对采用的产流和汇流的计算方法进行验证。

1 水位流量关系计算方法验证

1.1 计算方法

采用曼宁公式等水力学方法，绘制水位流量关系曲线。主要做法为：依据河道断面测绘资料得出河道坡降及相关参数，带入曼宁公式计算控制断面水位-流量关系，公式如下：

式中：J—水力坡降；A—相应水位过水断面面积（m2）；n—河床糙率；R—水力半径（m）；R＝A/X，Q—流量（m3/s）；X—湿周（m）。

根据该方法可以分析计算出每个断面的水位流量关系曲线。由于山洪灾害分析评价的河道都是较小流域，没有水面线的测量记录，因此采用水面高程或河底高程的高差来计算比降。

考虑到不同的河道纵断面形态，其比降的计算可采用不同的方案：

方案一：

当河段纵断面近于直线时，比降计算公式为：

式中:J-河段的比降；h1、h0—河段上、下断面水面高程或者河底高程，m；l—河段长度，m。

方案二：

当河底高程沿程变化时，比降计算公式为：

式中：h0，...，hn—自下游到上游沿程各点河底高程，m；l1，...，ln—相邻两点间的距离，m；L—河段的全长，m。

1.2 验证实例

1.2.1 马家畈站

根据断面测绘数据及计算公式，马家畈纵断面比降以往计算结果为0.06×10-2，根据1.1计算方法介绍的两种计算方案，方案一计算结果为2.88×10-3，方案二计算结果为0.63×10-3。

根据马家畈计算方案水位流量关系计算对比分析见表1，不同计算方案水位流量关系曲线比较图见图1。

表1 马家畈结果对比分析表

图1 马家畈不同计算方案水位流量关系曲线比较图

从表1和图1中可以看出，方案二的计算结果与以往成果比较接近。

1.2.2 马市坪站

根据断面测绘数据及计算公式，马市坪纵断面比降以往计算结果为0.99×10-2，根据1.1计算方法介绍的两种计算方案，方案一计算结果为1.12×10-2，方案二计算结果为0.12×10-1。

马市坪不同计算方案水位流量关系计算对比分析见表2，不同计算方案水位流量关系曲线比较见图2。

表2 马市坪结果对比分析表

图2 马市坪不同计算方案水位流量关系曲线比较图

从表2中和图2中可以看出，高水位状况下，方案一和方案二的成果都偏离以往的成果，但方案一的计算结果与以往成果更接近。

2 暴雨洪水模拟方法验证

2.1 计算方法

2.1.1 产流计算

API模型：前期雨量指数模型。模型以流域降雨产流物理机理作为基础，将主要影响因素作为参变量，建立降雨与产流之间的定量关系。具有计算参数少，适应性强等特点。

该方法使用步骤如下：根据河南省中小流域设计暴雨洪水图集，全省山丘区有6个分区；按工程所在位置的汇水面积确定所属水文分区、选用水文参数。如果地表特征与地区实际情况差别较大时，也可跨区（要求条件相似）选用参数。如确无可移用水文预报方案时，可采用《河南省暴雨图集》中介绍的产流方案进行计算：从相应分区中利用特征相似的水文站的产流方案进行产流计算。

2.1.2 汇流计算

流域山洪特性取决于其本身的特性。其特性主要包括流域周长、面积、高程、坡度以及土壤类型、植被情况等。流域汇流单位线是流域特性综合作用的结果。因此汇流单位线也是是流域山洪特性的体现。

参与分析评价的流域大部分没有水文资料，因此，基于现有水文资料的单位线计算方法不具备施用条件。宜采用一种基于流域地形、地貌、植被情况的单位线计算方法。该方法的基本思路为：第一步，要计算小流域内每个栅格中径流滞留时间；第二步，根据汇流路径，得到各径流到达小流域出口的时间；第三步，计算汇流时间的地貌单位线及概率密度分布。最后，完成汇流计算，得到洪水过程线［3］。

2.2 验证实例

根据上述的原理和方法，以新县的裴河水文站降雨资料和实测流量资料，对采用的暴雨洪水模拟方法进行验证。

斐河水文站所在流域年降雨量丰沛，植被良好，多水稻田。土壤以粘性土为主，坡面和河道的调蓄能力较大，属于淮河干流、淮南山区分区，其暴雨洪水的模拟可以借用新县的产流方案。表3列出了裴河水文站暴雨洪水过程模拟验证的相关性能指标。

根据表3的结果，依据《水文情报预报规范》可得出：

裴河水文站检验的17场洪水中，峰值相对误差有13场合格，合格率是76.47%。场次洪水总量相对误差有13场合格，合格率是76.47%。峰现时间有16场合格，合格率是94.12%。

表3 裴河水文站暴雨洪水过程模拟验证的相关性能指标一览表

3 结论

随着城市化进程的推进，流域下垫面发生了巨大的变化，原有的水文规律也随之改变。即使在有资料地区，因天然河道地形复杂，采用曼宁公式处理时也会不可避免地产生误差。且部分地区兴建了不少工程，水文资料一致性遭到不同程度的破坏，利用有效方法对分析评价结果进行比对及验证，是分析评价工作不可或缺的步骤。

文章根据河南省山洪灾害分析评价工作方案列出的关键技术方法：水位流量关系曲线、暴雨洪水过程模拟，详细地给出了马家畈、马市坪等水文站的相关资料对山洪灾害评价工作中采用的水位流量关系计算方法的对比分析结果，将水文站降雨资料洪水过程模拟与实测洪水过程性能指标的统计分析结果，以期为河南省山洪灾害分析评价工作方案实施提供有益的借鉴。

［1］王文川，邱林，徐冬梅，等.工程水文学［M］.北京：中国水利水电出版社，2013：39-40.

［2］包为民，张建云，等.水文预报［M］.北京：中国水利水电出版社，2013：11-50.

［3］王有振，王文川，等.河南省山洪灾害分析评价工作实施方案［R］.郑州：河南省水文水资源局，2014：50-51.