普兰店区徐沟河小流域山洪灾害风险评价

顾 丹

(大连市普兰店区水务事务服务中心,辽宁 普兰店 116200)

小流域山洪是指由降雨引起的危及居民安全的一种灾害,山洪灾害频发逐渐成为当前亟待解决的重要问题[1]。我国对山洪灾害预警平台建设、内业分析与计算及野外调查等工作提出了科学详细的要求和安排,推动了山洪灾害评价和分析的规范化发展。其中,山洪预警及风险评估可以有效减少灾害损失,这也是防洪减灾的重点[2]。目前,常用的评价方法主要有主成分分法、机器学习法、可变模糊法、模型模拟法和GSI分析法等,如王一新等以我国21个城市为例,采用主成分法综合评价了其防洪减灾能力;冯快乐等以湖北省为例,运用BP网络模型分析了区域山洪风险;崔洋等综合应用Arc GIS技术和Flood Area模型评定了贺兰山银川段的山洪风险水平[3-8]。这些研究主要是将河网密度、植被覆盖、产汇流参数、比降、坡度、降水等致灾因素转变成特定的指标,通过权重计算定性评价危险区的分布情况及危险程度分区。对于情况复杂、居住零散且资料缺乏的沿河村落,按照以上方法分析山洪风险明显不足,无法定量给出预警雨量和防洪能力[9-10]。

因此,文章通过对小流域参数进行实地调查和测量,获得用于预测山洪灾害的相关数据,包括成灾水位、宅基地高程、下垫面参数及河道断面等数据信息。通过业内计算和成灾水位、设计洪水位的对比分析确定小流域防洪能力,然后参照暴雨预警等级标准定量描述风险响应程度,利用水位流量反推法探究前期土壤含水量对山洪预警雨量的影响,以期为更准确地评估山洪灾害风险,并为预警工作提供指导和参考。

1 流域概况

徐沟河小流域位于普兰店区沙包街道,属大沙河流域,海拔高程66～153m之间。流域内良田主要是山间谷地、河漫阶地、山前洪积扇等,地貌为低山丘陵,土层较薄,土壤砂性大,涵养水源能力差。全流域属暖温带季风气候,年均降雨量660mm,年际差异很大,季节分配也不均,多集中在7、8 月份,汛期雨量占全年的53%,为350mm。由于徐沟河小流域雨强大、植被稀疏,洪水来势猛极易形成山洪灾害。

2 材料与方法

2.1 数据来源

外业数据主要来源于徐沟河小流域下野外实测数据,沿河房屋及其宅基地高程和历时山洪等数据,内业数据来源于普兰店区1971—2020年强降雨、短历时暴雨和小流域土壤植被资料,通过使用Google Earth等工具获取主河沟的一些重要参数,比如纵坡比降J、长度L和积水区F等。此外,对使用外业实测获取的数据与使用工具测算的数据进行对比,从而评估量算的准确性和误差情况,以分析雨洪特性规律以及降雨自然特点。

2.2 评价方法

2.2.1 防洪现状评价

1)洪水位的确定。首先,根据水文手册中提供的频率曲线和持续时间进行设计点暴雨量的确定,并考虑流域各个点的降雨量分布情况,并将其转化为整个流域的面雨量。然后,通过概化雨型时程分配表,根据设计点暴雨量按一定的时间间隔内分配雨量。考虑流域特性,选择合适的产流模式,包括水库线性法、单位线法、三参数和五参数的半参数法等。将面雨量和选定的产流模式输入到产汇流模型中,模拟流域内的产流过程,并计算出泛滥洪水的量和汇流历时。最后,根据不同频率的汇流历时,计算出相应的设计洪峰流量,各个断面的水位流量关系按照曼宁公式进行推算,进而计算确定设计洪峰流量的洪水位[11-12]。

2)预警级别响应。沿河村落的成灾水位可利用野外测量的河道断面和居民宅地基高程数据确定,通过比较成灾水位与各频率设计水位判定是否成灾,若成灾则绘制关系线并换算洪峰,各频率利用插值法进行计算,在此基础上评定防洪能力不同降雨历时和降雨量情况下的预警级别划分标准见表1。

表1 暴雨预警级别标准

2.2.2 确定预警指标

1)预警时段。该指标主要受植被条件、雨强、地貌形态和上游集水面积的影响,结合普兰店区实际情况合理设定预警时段为1h、2h和3h。

2)临界雨量。考虑到普兰店区主要是“超渗产流”,故选用水位流量反推法确定临界参数[13-14]。徐沟河小流域的最大蓄水容量Im=100。根据前期降雨情况的不同,可以按照以下方式估算土壤含水量:前期降雨较少,利用前期影响雨量Pa=0.2Im进行界定,代表较干;前期降雨一般,利用前期影响雨量Pa=0.5Im进行界定,代表一般;前期降雨较多,利用前期影响雨量Pa=0.8Im进行界定,代表较湿。准备和立即转移雨量是主要临界指标,其中后者就是利用试算确定的预警时段降雨过程的雨量,而前者就是将上述过程前推0.5h的雨量,其成灾频率按照水位流量反推确定。

3 实例应用

3.1 设计面暴雨量

根据上述研究方法和内业收集、外业测量的数据资料评价徐沟河小流域山洪灾害风险,该小流域位于普兰店区沙包街道,流域与住户的位置关系及其河道形状如图1所示,该河道比降12.6%,沟长9250m,集水面积19.52km2,糙率0.028,成灾水位30.61m。

图1 徐沟河小流域与村民位置图

研究使用点面转化系数和模比系数来计算不同历时的Cv的均值与点暴雨量,不同历时下的暴雨量及相关系数如表2所示。

表2 不同设计面暴雨量

3.2 设计洪水位分析

对面雨量按照概化雨型和表2中的计算结果进行时程分配,通过汇流计算确定超渗产流模式下的净雨量及Qm-t、Qm-σ曲线,以H1%(100a)为例,通过计算法恩熙洪水的发展过程、峰值流量大小以及洪水的水位与流量之间的关系,以确定洪水特征和规律如图2所示,计算结果如表3所示。

表3 不同频率的设计洪水量

图2 水位流量关系线

结合沿河村落设计洪水分布情况可知,下游的断面流量和汇水面积较大,所以从上游到下游的洪峰流量逐渐增加大,计算结果能够反映小流域洪峰流量实际情况[15-17]。

3.3 暴雨预警响应级别

边界条件为控制断面的洪峰流量及设计洪水位,结合表3中的计算结果在HEC RAS软件中输入内业和外业测量的重要参数,如河道比降、糙率值等,进一步推求出洪水的水面线。然后,比较各频率的成灾水位和水面线高程来评定防洪能力。最后,根据概化雨型进行时程反算,得出暴雨量及不同历时降雨量如表4所示,参照表1中分级标准确定徐沟河小流域为Ⅲ级黄色暴雨预警响应。

表4 徐沟河小流域现状防洪的设计面雨量

结合沿河村落暴雨预警响应等级分布情况可知,徐沟河小流域沿河村落均达到Ⅲ级黄色暴雨预警响应。通过分析沿河村落宅基地高程数据发现,村民宅基地高程以及房屋建设位置对于暴雨洪水的影响。当宅基地高程相差很小或有河道内建有房屋时,暴雨洪水发生可能会危及当地居民安全。这是因为宅基地高程相差很小时,房屋建设较接近河道,如果发生洪水,房屋很容易被水淹没,而有房屋建设在河道内更是直接将生命和财产置于洪水的危险之中。因此,对于村落防洪能力的评估和规划应该考虑到宅基地高程,避免将房屋建设在易受洪水影响的区域,以确保居民的安全。

3.4 预警雨量

根据不同土壤含水条件和临界洪峰流量对应的临界频率推算出相应的降雨过程,考虑到徐沟河小流域预警时段选择为1h、2h、3h的实际情况,故立即转移雨量取1h、2h、3h降雨量,准备转移雨量就就是推0.5h的雨量,临界雨量值如表5所示。

表5 徐沟河小流域的临界雨量

依据徐沟河小流域准备和立即转移雨量分布情况可知,在成灾流量相同的条件下,前期土壤湿度不同会导致临界雨量大小的排序不同。具体来说,土壤含水量越高(较湿),下渗能力就越强,达到稳定下渗率所需降雨量就越小,因此土壤较湿时达到相同成灾流量所需的降雨量较小;相反,当土壤较干时,达到相同成灾流量所需的降雨量较大。

下游村落的立即与准备转移雨量相差较小,而位于上游的村落相差较大,这是由于上游水流速度快易形成尖廋的洪水过程,因此根据前推0.5h计算得到的准备转移雨量较小;而下游比降小,所形成的洪水过程矮胖,导致前推0.5计算得到的准备与立即转移流量相近。因此,河流的位置和下垫面条件会影响临界雨量的计算结果,必须考虑河流的位置、土壤含水量和防洪能力因素,以此保证预警结果的科学合理性。

3.5 验证分析

文章采用超渗产流模型、瞬时单位线法和推理公式法等不同计算模型和方法进行验证,发现实测洪水验证与计算结果基本一致。通过对设计洪峰流量进行对比分析,发现下游村落的洪峰流量较小,而上游村落的洪峰流量较大,这是因为上游区域的水源更为丰富,雨水集中并流向下游,导致下游洪水的增加。因此,设计洪峰流量的变化趋势在地理上也是合理的。

另外,土壤含水量的不同会直接影响沿河村落的临界雨量大小,这是因为在超渗产流模式下土壤含水量越低,下渗量越大,为了达到同一成灾流量所需的降雨量也就越多。因此,在分析洪水发生时的土壤含水量和下垫面条件时,需要综合考虑对洪水形成过程的影响。

小流域发生较大洪水灾害后,沿河防洪工程、河道以及下垫面条件都会发生变化,从而增加洪灾防治的不确定性。这是因为洪水的发生会对河道和下垫面造成冲刷和变形等影响,进而改变了流域的临界条件、洪量和产汇流等参数。因此,在洪灾防治工作中,需要及时对这些变化进行监测和评估,并相应地调整防洪措施。随着科技的进步,新兴技术的应用为山洪灾害研究提供更精确和全面的数据支持,提升预报预警系统的精度和完善防治体系建设,能够有效应对洪灾风险的不确定性和变化,与此同时实时关注下垫面条件的变化,可以为洪灾预警和应对提供更准确的信息支持。因此,未来山洪灾害的研究重点包括应用大数据等新兴技术、提升预报预警精度、完善山洪灾害防治体系以及关注下垫面条件变化等。

4 结 论

1)徐沟河小流域沿河村落均达到Ⅲ级黄色暴雨预警响应,研究发现当宅基地高程相差很小或有河道内建有房屋时,暴雨洪水可能会危及当地居民安全,当暴雨橙色预警时需要做出响应。

2)在成灾流量相同的条件下,前期土壤湿度不同会导致临界雨量大小的排序不同,土壤含水量越高(较湿),下渗能力就越强,达到稳定下渗率所需降雨量就越小,故土壤较湿时达到相同成灾流量所需的降雨量较小;相反,当土壤较干时达到相同成灾流量所需的降雨量较大。

河流位置、土壤含水量、村落防洪能力与临界雨量大小有关,洪水的发生会对河道和下垫面造成冲刷和变形等影响,进而改变流域的临界条件、洪量和产汇流等参数,当发生较大洪水灾害后会增加洪灾防治的不确定性,,对此应高度重视。