山前沖洪積平原山洪災(zāi)害調(diào)查評價測量方案探討——以新疆某地區(qū)山洪災(zāi)害調(diào)查評價為例

黃　琨，張?jiān)奇臁⌒l(wèi)

(中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

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山前沖洪積平原山洪災(zāi)害調(diào)查評價測量方案探討
——以新疆某地區(qū)山洪災(zāi)害調(diào)查評價為例

黃琨，張?jiān)奇煨l(wèi)

(中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

依據(jù)《全國中小河流治理和病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固、山洪地質(zhì)災(zāi)害防御和綜合治理總體規(guī)劃》《全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目實(shí)施方案》(2013—2015年)，對新疆某地區(qū)進(jìn)行了山洪災(zāi)害調(diào)查評價工作。通過實(shí)地查勘，針對該地區(qū)所處位置、地形條件、致災(zāi)因素展開了分析，確定了該地區(qū)山洪災(zāi)害形式屬于項(xiàng)目部制訂的分析評價方案中的特殊工況。探討了特殊工況條件下的山洪災(zāi)害調(diào)查評價測量方案，為后續(xù)特殊工況的分析評價工作提供了思路。

山洪災(zāi)害調(diào)查；山洪災(zāi)害評價；一維水動力學(xué)；二維水動力學(xué)；危險(xiǎn)區(qū)

山洪災(zāi)害調(diào)查評價包括山洪災(zāi)害調(diào)查、山洪災(zāi)害分析評價，旨在通過開展山洪災(zāi)害調(diào)查評價，深入調(diào)查分析山洪災(zāi)害防治區(qū)暴雨特性、小流域特征、社會經(jīng)濟(jì)和歷史山洪災(zāi)害情況，分析小流域洪水規(guī)律，評價山洪災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)內(nèi)沿河村落、集鎮(zhèn)、城鎮(zhèn)的現(xiàn)狀防洪能力，科學(xué)劃定危險(xiǎn)區(qū)、合理確定預(yù)警指標(biāo)，為及時準(zhǔn)確發(fā)布預(yù)警信息、安全轉(zhuǎn)移人員提供基礎(chǔ)支撐，實(shí)現(xiàn)山洪災(zāi)害綜合防治目標(biāo)。

由于各地水文氣象和自然地理特征存在較大差異，應(yīng)針對本地實(shí)際，通過研究提出適合本地區(qū)特征的調(diào)查評價方案。

一、項(xiàng)目概述

研究范圍涉及新疆某地區(qū)范圍內(nèi)從北向南分布于阿爾泰山山區(qū)、準(zhǔn)噶爾盆地及以西山地、天山山區(qū)、塔里木盆地和昆侖山山區(qū)。通過全面、準(zhǔn)確地查清山洪災(zāi)害防治區(qū)內(nèi)的人口分布情況，摸清評價對象范圍內(nèi)山洪災(zāi)害的區(qū)域分布，掌握山洪災(zāi)害防治區(qū)內(nèi)的水文氣象、地形地貌、社會經(jīng)濟(jì)、歷史山洪災(zāi)害、涉水工程，以及山洪災(zāi)害防治現(xiàn)狀等基礎(chǔ)信息，為山洪災(zāi)害分析評價和防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；以前期基礎(chǔ)工作、山洪災(zāi)害調(diào)查和地形測量為基礎(chǔ)，分析小流域洪水規(guī)律，采用設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法和水文模型、水動力學(xué)模型等分析計(jì)算方法，綜合分析評價防治區(qū)自然村落防洪現(xiàn)狀，進(jìn)行山洪災(zāi)害評價。

通過實(shí)地查勘發(fā)現(xiàn)，評價對象所處位置、地形條件、致災(zāi)因素等與傳統(tǒng)意義上的小流域有較大區(qū)別。評價對象多處于山前沖-洪積形成的扇形地中下部或扇形前緣或坡積斜平原中下部，地形平坦，內(nèi)部溝道經(jīng)人為平整改造，已不具備小流域特征和沿河村落定義，且山洪災(zāi)害的威脅主要來自山前沖洪積平原以上降水相對較多的山區(qū)。洪水經(jīng)山前突口下瀉，或以潰壩、決堤的形式對下游居民財(cái)產(chǎn)形成威脅。

鑒于上述調(diào)查，部分區(qū)域的山洪災(zāi)害調(diào)查評價應(yīng)屬于特殊工況。因此，有必要在全國山洪災(zāi)害調(diào)查評價相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合本次評價對象的實(shí)地情況對調(diào)查評價方案進(jìn)行調(diào)整。

分析評價方案的調(diào)整主要在評價對象及上游地區(qū)不同地形、工程設(shè)施條件下，制訂設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算解決方案：采用水文分析方法計(jì)算出山口斷面的流量過程，采用水力學(xué)方法計(jì)算出山口下游到防災(zāi)對象區(qū)域洪水淹沒范圍；對由于潰堤造成的洪水淹沒除采用上述方法外可考慮利用已有的區(qū)域相關(guān)項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果。現(xiàn)狀防洪能力評價擬采用假定洪峰流量試算的方法推求達(dá)到成災(zāi)水位的洪水頻率，制作防洪現(xiàn)狀評圖；危險(xiǎn)區(qū)的劃定也通過假定洪峰流量試算的方法，推求各級危險(xiǎn)區(qū)洪水位所對應(yīng)的洪峰流量及頻率，制作危險(xiǎn)區(qū)圖；預(yù)警指標(biāo)的確定采用可能對防災(zāi)對象造成影響的工程設(shè)施上游、臨近潰口的位置的水位站，進(jìn)行水位預(yù)警。

外業(yè)調(diào)查方案的調(diào)整內(nèi)容主要針對特殊工況，對所涉及的相關(guān)水文氣象資料收集提出要求；對評價對象所在地及以外的整個山前平原區(qū)域，收集精確的地形資料，包括當(dāng)?shù)刈钚碌?∶5000、1∶10 000、1∶50 000的地形圖測量成果等；收集防治區(qū)內(nèi)所有工程設(shè)施資料并現(xiàn)場核查、測量和底圖標(biāo)繪；對防治區(qū)以外的山洪溝口和涉水工程進(jìn)行必要的控制斷面測量和現(xiàn)場調(diào)查。

二、分析評價方法研究

1. 洪水淹沒形式分析

前期實(shí)地查勘發(fā)現(xiàn)部分調(diào)查區(qū)域的特殊實(shí)情如下：

1) 評價對象范圍多處于山前沖-洪-坡積形成的扇形地中下部或扇形前緣，經(jīng)多年墾殖，溝道已干涸，甚至被填田、筑路、修渠。橫縱斷均不具溝道形態(tài)，不是典型具有明顯山谷地形特點(diǎn)的沿河村落。

2) 所處區(qū)域地形平坦，地面坡度﹤3°，干燥少雨。面積小、比降大、洪水歷時短的小流域特點(diǎn)也不具備。

3) 溫帶大陸性氣候形成干旱的區(qū)域氣候環(huán)境特點(diǎn)，山洪災(zāi)害的威脅除本區(qū)域的降雨外，主要源于沖-洪-坡積平原以上集水面積廣大、降水相對豐富的山區(qū)。汛期洪水經(jīng)山前突口而出，或以潰壩、決堤的形式對下游居民財(cái)產(chǎn)形成威脅。

基于此，部分評價對象的山洪災(zāi)害調(diào)查評價屬于特殊工況。通過小流域暴雨洪水確定預(yù)警指標(biāo)的方案明顯不適應(yīng)實(shí)際，應(yīng)作補(bǔ)充完善。

根據(jù)中央下發(fā)的小流域DLG數(shù)據(jù)、影像、土壤數(shù)據(jù)，以及收集的地圖集、水文圖集等基礎(chǔ)資料，結(jié)合評價對象的分布位置及其所在區(qū)域的地形、水工設(shè)施等情況，對新疆某地區(qū)的小流域采用以下4種方式進(jìn)行山洪災(zāi)害評價方式分析：潰堤形式、坡面水方式、潰堤和坡面水相結(jié)合的方式、常規(guī)山洪分析。

2. 洪水類型

新疆某地區(qū)處在山間平原，受流域氣候與下墊面等自然地理?xiàng)l件的影響，洪水有多種類型。

(1) 冰川融雪型洪水

此類洪水主要為季節(jié)性積雪融雪洪水和冰川、永久性積雪融雪洪水。每年汛期，隨著氣溫上升，雪冰消融補(bǔ)給河流。每次大的升溫過程，必伴隨著消融洪水的發(fā)生。這類洪水是一些河流的主要洪水類型。

(2) 冰川潰壩型洪水

又稱冰川湖突發(fā)洪水。河流上游的山谷冰川發(fā)育，是形成該型洪水的前提條件。冰川前進(jìn)或崩塌，阻塞河流，形成堰塞湖。一旦堰塞湖潰決，也會形成類似的洪水。潰壩型洪水漲落迅速，過程較短，破壞力大，其時空分布主要取決于冰川的動態(tài)變化。

(3) 暴雨型洪水

暴雨型洪水是最常見的威脅最大的洪水。多發(fā)生在6～8月，中低山區(qū)，此類洪水暴雨歷時短、范圍小，洪水規(guī)模一般較小，且量級有限。呈現(xiàn)洪水過程單一、陡漲陡落的特點(diǎn)。

(4) 混合型洪水

任兩類以上不同類型的洪水在出口斷面遭遇，產(chǎn)生洪水過程的疊加，就會形成成因較復(fù)雜的洪水過程，也即混合型洪水。主要存在兩種混合型洪水：一為暴雨洪水與消融洪水遭遇形成；二為潰壩型洪水與消融型洪水遭遇而成。

三、分析評價方案的調(diào)整

1. 坡面水類型方案調(diào)整

對于坡面水匯流，中間有山洪溝的情況，擬分成兩個階段來計(jì)算。

在出山口上游采用水文分析的方法來計(jì)算。在出山口繪制斷面，將出山口上游流域作為計(jì)算區(qū)域，通過設(shè)計(jì)暴雨設(shè)計(jì)洪水的方法計(jì)算出山口斷面的流量過程。設(shè)計(jì)暴雨設(shè)計(jì)洪水的方法仍參考《山洪災(zāi)害分析評價方法指南》。

從出山口開始到防災(zāi)對象區(qū)域，采用水力學(xué)方法計(jì)算洪水淹沒范圍。選擇資料豐富，面積較小的行政區(qū)同時采用一維水動力學(xué)和二維水動力學(xué)的方法進(jìn)行計(jì)算。將二維水動力學(xué)方法的計(jì)算結(jié)果和一維水動力學(xué)方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，并率定一維水力學(xué)方法的參數(shù)，使其計(jì)算結(jié)果越來越接近二維水動力學(xué)方法的結(jié)果。參數(shù)率定完畢后，將計(jì)算區(qū)域的一維水力學(xué)方法計(jì)算的參數(shù)應(yīng)用在相同流域，地形地貌條件相似、河道形態(tài)相似的待評價的行政區(qū)域，采用一維水動力學(xué)的方法進(jìn)行洪水淹沒計(jì)算。對于采用一維水力學(xué)方法洪水計(jì)算結(jié)果不理想的行政區(qū)域，為確保計(jì)算精度，仍將采用二維水力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。

對于出山口下游是沖積扇，沖積扇上游的地形容易被洪水波沖擊而影響甚至破壞的地形地貌，在應(yīng)用水動力學(xué)方法計(jì)算之前，可對出山口和沖積扇周邊可能被影響區(qū)域的地形情況進(jìn)行分析。初步確定水流的流向及水量分配，或?qū)⑺魍耆豢赡芰鞯降膮^(qū)域排除在水力學(xué)模型的應(yīng)用范圍外。

2. 潰堤型或混合型方案調(diào)整

對于半山坡上修筑了撇洪溝等工程措施的情況，則是以堤壩的潰口作為上游流域的出口斷面，這與上一種計(jì)算方法中以出山口作為出口斷面不同。如果下墊面情況相近或附近研究區(qū)域內(nèi)有相關(guān)項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果，則可移用其潰口的出口流量過程作為本次堤壩的潰口出口流量過程。如果收集不到相關(guān)項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果，則采用設(shè)計(jì)暴雨設(shè)計(jì)洪水的方法，假定潰口的參數(shù)，來計(jì)算潰口的出口流量過程。從潰口到防災(zāi)對象范圍的區(qū)域應(yīng)用水力學(xué)的方法計(jì)算，計(jì)算方法同上，不再贅述。

洪水計(jì)算結(jié)束后，需要用歷史洪痕數(shù)據(jù)來率定。利用歷史洪水的發(fā)生時間、洪痕高程和洪水水面線、洪水漲落過程、河道過水?dāng)嗝婧秃哟膊诼剩魄髿v史洪水的過程線，驗(yàn)證模型參數(shù)的正確性。

一維水力學(xué)方法中，若假定河道水體為恒定流及恒定緩變流，可使用謝才公式，通過假定水位不斷試算的方法，計(jì)算各個斷面處的水位流量過程。若假定河道水體為非恒定流，可選用HEC模型的一維水動力學(xué)方法。二維水動力學(xué)方法可選用HEC模型的二維水動力學(xué)方法、MIKE模型方法等。

洪水計(jì)算結(jié)束后在沿河村落范圍內(nèi)繪制控制斷面，計(jì)算斷面的水位流量關(guān)系。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1　技術(shù)路線

四、外業(yè)調(diào)查方案的調(diào)整

為滿足新疆某地區(qū)山洪災(zāi)害分析評價工作的總體變更需要，在開展山洪災(zāi)害防治區(qū)基本情況調(diào)查的基礎(chǔ)上，開展補(bǔ)充調(diào)查和野外測量工作。補(bǔ)充調(diào)查和野外測量工作要圍繞分析和評價工作的目的展開，需要體現(xiàn)山洪災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)內(nèi)沿河村落、集鎮(zhèn)、城鎮(zhèn)等防災(zāi)對象的現(xiàn)狀防洪能力，根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)等級劃分，并科學(xué)合理地確定轉(zhuǎn)移路線和臨時安置地點(diǎn)，確定準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移雨量預(yù)警指標(biāo)，為不同的計(jì)算、分析和評價方法提供有力的調(diào)查和測量依據(jù)。

1. 山洪災(zāi)害補(bǔ)充調(diào)查和測量與原訂調(diào)查內(nèi)容的差異

補(bǔ)充調(diào)查和測量是對現(xiàn)有山洪災(zāi)害調(diào)查工作內(nèi)容的補(bǔ)充和增加。原山洪災(zāi)害調(diào)查工作內(nèi)容包括：

1) 防治區(qū)基本情況調(diào)查。開展山洪災(zāi)害防治區(qū)村落社會經(jīng)濟(jì)基本情況摸查、山洪災(zāi)害防治區(qū)村落危險(xiǎn)區(qū)初查、小流域基本信息核查、歷史山洪災(zāi)害和涉水工程調(diào)查。

2) 水文氣象資料收集與整理。包括短歷時強(qiáng)降雨資料、小流域暴雨徑流資料和小流域產(chǎn)匯流資料的收集與整理。

3) 沿河村落河道水文調(diào)查。考查沿河村落所在河段歷史洪痕，對沿河村落附近河道地形地貌、河段斷面進(jìn)行測量。

4) 社會經(jīng)濟(jì)情況調(diào)查。主要開展沿河村落居民戶人口調(diào)查及高程測量。

5) 歷史山洪災(zāi)害洪水調(diào)查。對歷史山洪災(zāi)害發(fā)生地洪痕及河道大斷面測量，收集歷史山洪災(zāi)害對應(yīng)的降水資料。

補(bǔ)充調(diào)查和測量除了以上工作外，還需重點(diǎn)收集防治區(qū)內(nèi)的線狀工程設(shè)施的技術(shù)資料，進(jìn)行現(xiàn)場的核查、測量，并將調(diào)查結(jié)果標(biāo)繪在工作底圖上，對影響防治區(qū)的最新地形地貌資料的收集和調(diào)查范圍擴(kuò)大至整個沖-洪積扇平原，在防治區(qū)以外對影響沖-洪積扇平原的山洪溝口和涉水工程進(jìn)行必要的控制斷面測量和現(xiàn)場調(diào)查。

2. 山洪災(zāi)害補(bǔ)充調(diào)查和測量的主要內(nèi)容

山洪災(zāi)害補(bǔ)充調(diào)查和測量內(nèi)容主要針對影響洪水的地形地貌、工程設(shè)施，以及影響所有沖-洪積扇平原的山洪溝口處的控制斷面資料。

(1) 地形地貌資料的收集和測量

1) 作業(yè)范圍：涉及評價對象所在地及以外的整個沖-洪積扇平原區(qū)域。

2) 資料收集內(nèi)容：較為精確的地形資料(DEM數(shù)據(jù))，包括當(dāng)?shù)刈钚碌?∶5000、1∶10 000、1∶50 000地形圖測量成果資料等。

3) 數(shù)據(jù)購買：在地形資料缺乏的地區(qū)，購買World 10 m DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)過坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，并與野外測量數(shù)據(jù)相結(jié)合，滿足山前沖洪積平原山洪災(zāi)害調(diào)查評價的要求。

4) 野外測量：在沒有收集到可靠的地形地貌資料的區(qū)域，對影響洪水演進(jìn)的關(guān)鍵地區(qū)實(shí)施必要的地形測量工作，主要內(nèi)容包括控制測量和斷面測量。

(2) 工程設(shè)施的調(diào)查和測量

1) 作業(yè)范圍：防治區(qū)及其周邊區(qū)域。

2) 收集和調(diào)查資料內(nèi)容：評價對象所在區(qū)域內(nèi)的人工渠道、公路、鐵路、堤防，以及防治區(qū)以外主要影響地區(qū)所在地洪水演進(jìn)的涉水工程的材質(zhì)和尺寸等技術(shù)資料。

3) 測量內(nèi)容：工程設(shè)施的平面分布位置、線狀工程設(shè)施的縱橫斷面測量結(jié)果。

(3) 山洪溝口處的控制斷面資料

1) 作業(yè)范圍：防治區(qū)以外影響所有沖-洪積扇平原的山洪溝口處。

2) 測量內(nèi)容：控制斷面測量。

(4) 控制測量

1) 作業(yè)范圍：工程設(shè)施的調(diào)查和測量區(qū)域附近及山洪溝口處需要進(jìn)行山洪災(zāi)害調(diào)查評價的工作范圍。

2) 測量內(nèi)容：布設(shè)工作區(qū)域的四等GNSS基本控制網(wǎng)，視工作區(qū)域范圍大小，可在四等GNSS基本控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展五等GNSS控制網(wǎng)，以四等或五等GNSS控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)站(起算點(diǎn))，采用GPS RTK方法、全站儀方法等進(jìn)行縱橫斷面測量。如果在工作范圍附近無法收集已知平面及高程控制點(diǎn)，且沒有建成連續(xù)運(yùn)行參考站(continuously operating reference stations，CORS)系統(tǒng)的工作區(qū)域，可以采用精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP)技術(shù)解算不少于兩個點(diǎn)的平面及高程作為四等GNSS基本控制網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)。

五、結(jié)束語

通過對新疆某地區(qū)的實(shí)地查勘，本文探討了適合該區(qū)域特征的山洪災(zāi)害調(diào)查評價方案，制訂了合理的測量技術(shù)路線。結(jié)合評價對象的歷史洪水資料，分析了洪水來源處的暴雨洪水規(guī)律，通過該算法確定了評價對象的防洪現(xiàn)狀能力,在對評價對象構(gòu)成保護(hù)作用的水利設(shè)施上，以水位預(yù)警為主建立了預(yù)警指標(biāo)，為特殊工況的山洪災(zāi)害分析評價奠定了基礎(chǔ)。

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The Measurement Scheme Discussion of Flood Disaster Survey and Assessment in Piedmont Alluvial-proluvial Plain Area——A Case Study of Xinjiang Flood Disaster Survey and Assessment

HUANG Kun，ZHANG Yunjiao，ZHU Wei

黃琨，張?jiān)奇煨l(wèi).山前沖洪積平原山洪災(zāi)害調(diào)查評價測量方案探討——以新疆某地區(qū)山洪災(zāi)害調(diào)查評價為例[J].測繪通報(bào)，2016(10)：85-88.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0336.

2016-03-31

黃琨(1968—)，女，高級工程師，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⒐こ膛c制圖學(xué)。E-mail：HuangKun@126.com

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0494-0911(2016)10-0085-04