山洪災害分析評價計算方法驗證

□陳 楠（河南省水文水資源局）

0 引言

河南省處于南北氣候和山區向平原兩個過渡帶，年平均降水量約為500～900 mm。全年降水的50%集中在夏季，具有強度大、年內分配不均、年際變化大等特點。特殊的地理位置和自然條件，致全省山洪災害易發，不僅嚴重威脅人民群眾的生命安全，還制約了社會經濟發展。因此，2010-2012年，按照上級部門的統一部署和要求，河南省開展了山洪災害防治非工程措施建設工作，該項目完工后，發揮了良好的防災減災效益。但在開展非工程措施項目建設過程中，因受主、客觀因素影響，工作深度尚未達到科學防御的要求。2012年“全國中小河流治理、病險水庫除險加固、山洪地質災害防御及綜合治理總體規劃”發布，明確于2013-2015年度繼續開展山洪災害防治項目建設，以進一步提高山洪災害防御水平。河南省按照水利部和財政部的安排部署，依據相關要求，編制相關方案，明確建設原則、目標及內容。山洪災害分析評價工作是河南省山洪災害防治項目2015年度主要工作內容之一，由于山洪災害防治區范圍廣、各流域單元的氣象、水文、地理情況均不相同；一些小流域，屬流量資料空白區；部分沿河村落所在河段河勢變化，測量斷面選擇困難；部分斷面主河槽、漫灘泥沙質、糙率選擇等原因，均會對分析評價結果的準確性造成一定影響，因此，需要對分析評價采用方法進行驗證。

文章采用兩種方法進行驗證，主要使用條件如下。

在有資料地區，根據水文站的實測斷面資料對水位流量關系計算方法進行驗證；

無資料地區，在洪水模擬方法調查比較的基礎上，對采用的產流和匯流的計算方法進行驗證。

1 水位流量關系計算方法驗證

1.1 計算方法

采用曼寧公式等水力學方法，繪制水位流量關系曲線。主要做法為：依據河道斷面測繪資料得出河道坡降及相關參數，帶入曼寧公式計算控制斷面水位-流量關系，公式如下：

式中：J—水力坡降；A—相應水位過水斷面面積（m2）；n—河床糙率；R—水力半徑（m）；R＝A/X，Q—流量（m3/s）；X—濕周（m）。

根據該方法可以分析計算出每個斷面的水位流量關系曲線。由于山洪災害分析評價的河道都是較小流域，沒有水面線的測量記錄，因此采用水面高程或河底高程的高差來計算比降。

考慮到不同的河道縱斷面形態，其比降的計算可采用不同的方案：

方案一：

當河段縱斷面近于直線時，比降計算公式為：

式中:J-河段的比降；h1、h0—河段上、下斷面水面高程或者河底高程，m；l—河段長度，m。

方案二：

當河底高程沿程變化時，比降計算公式為：

式中：h0，...，hn—自下游到上游沿程各點河底高程，m；l1，...，ln—相鄰兩點間的距離，m；L—河段的全長，m。

1.2 驗證實例

1.2.1 馬家畈站

根據斷面測繪數據及計算公式，馬家畈縱斷面比降以往計算結果為0.06×10-2，根據1.1計算方法介紹的兩種計算方案，方案一計算結果為2.88×10-3，方案二計算結果為0.63×10-3。

根據馬家畈計算方案水位流量關系計算對比分析見表1，不同計算方案水位流量關系曲線比較圖見圖1。

表1 馬家畈結果對比分析表

圖1 馬家畈不同計算方案水位流量關系曲線比較圖

從表1和圖1中可以看出，方案二的計算結果與以往成果比較接近。

1.2.2 馬市坪站

根據斷面測繪數據及計算公式，馬市坪縱斷面比降以往計算結果為0.99×10-2，根據1.1計算方法介紹的兩種計算方案，方案一計算結果為1.12×10-2，方案二計算結果為0.12×10-1。

馬市坪不同計算方案水位流量關系計算對比分析見表2，不同計算方案水位流量關系曲線比較見圖2。

表2 馬市坪結果對比分析表

圖2 馬市坪不同計算方案水位流量關系曲線比較圖

從表2中和圖2中可以看出，高水位狀況下，方案一和方案二的成果都偏離以往的成果，但方案一的計算結果與以往成果更接近。

2 暴雨洪水模擬方法驗證

2.1 計算方法

2.1.1 產流計算

API模型：前期雨量指數模型。模型以流域降雨產流物理機理作為基礎，將主要影響因素作為參變量，建立降雨與產流之間的定量關系。具有計算參數少，適應性強等特點。

該方法使用步驟如下：根據河南省中小流域設計暴雨洪水圖集，全省山丘區有6個分區；按工程所在位置的匯水面積確定所屬水文分區、選用水文參數。如果地表特征與地區實際情況差別較大時，也可跨區（要求條件相似）選用參數。如確無可移用水文預報方案時，可采用《河南省暴雨圖集》中介紹的產流方案進行計算：從相應分區中利用特征相似的水文站的產流方案進行產流計算。

2.1.2 匯流計算

流域山洪特性取決于其本身的特性。其特性主要包括流域周長、面積、高程、坡度以及土壤類型、植被情況等。流域匯流單位線是流域特性綜合作用的結果。因此匯流單位線也是是流域山洪特性的體現。

參與分析評價的流域大部分沒有水文資料，因此，基于現有水文資料的單位線計算方法不具備施用條件。宜采用一種基于流域地形、地貌、植被情況的單位線計算方法。該方法的基本思路為：第一步，要計算小流域內每個柵格中徑流滯留時間；第二步，根據匯流路徑，得到各徑流到達小流域出口的時間；第三步，計算匯流時間的地貌單位線及概率密度分布。最后，完成匯流計算，得到洪水過程線［3］。

2.2 驗證實例

根據上述的原理和方法，以新縣的裴河水文站降雨資料和實測流量資料，對采用的暴雨洪水模擬方法進行驗證。

斐河水文站所在流域年降雨量豐沛，植被良好，多水稻田。土壤以粘性土為主，坡面和河道的調蓄能力較大，屬于淮河干流、淮南山區分區，其暴雨洪水的模擬可以借用新縣的產流方案。表3列出了裴河水文站暴雨洪水過程模擬驗證的相關性能指標。

根據表3的結果，依據《水文情報預報規范》可得出：

裴河水文站檢驗的17場洪水中，峰值相對誤差有13場合格，合格率是76.47%。場次洪水總量相對誤差有13場合格，合格率是76.47%。峰現時間有16場合格，合格率是94.12%。

表3 裴河水文站暴雨洪水過程模擬驗證的相關性能指標一覽表

3 結論

隨著城市化進程的推進，流域下墊面發生了巨大的變化，原有的水文規律也隨之改變。即使在有資料地區，因天然河道地形復雜，采用曼寧公式處理時也會不可避免地產生誤差。且部分地區興建了不少工程，水文資料一致性遭到不同程度的破壞，利用有效方法對分析評價結果進行比對及驗證，是分析評價工作不可或缺的步驟。

文章根據河南省山洪災害分析評價工作方案列出的關鍵技術方法：水位流量關系曲線、暴雨洪水過程模擬，詳細地給出了馬家畈、馬市坪等水文站的相關資料對山洪災害評價工作中采用的水位流量關系計算方法的對比分析結果，將水文站降雨資料洪水過程模擬與實測洪水過程性能指標的統計分析結果，以期為河南省山洪災害分析評價工作方案實施提供有益的借鑒。

［1］王文川，邱林，徐冬梅，等.工程水文學［M］.北京：中國水利水電出版社，2013：39-40.

［2］包為民，張建云，等.水文預報［M］.北京：中國水利水電出版社，2013：11-50.

［3］王有振，王文川，等.河南省山洪災害分析評價工作實施方案［R］.鄭州：河南省水文水資源局，2014：50-51.