典型平原區(qū)農(nóng)村基層防汛體系洪澇災(zāi)害評價及預(yù)警指標(biāo)研究與實踐

石 磊

(遼寧省阜新水文局， 遼寧 阜新 123000)

當(dāng)前隨著國家防汛指揮措施的日益完善，大江大河、中小河流以及山區(qū)洪水災(zāi)害基層地區(qū)的防御能力顯著提升[1]。 但在平原區(qū)農(nóng)村基層體系建設(shè)中還存在明顯的薄弱環(huán)節(jié)[2]。為此水利部聯(lián)合國家相關(guān)部委在2017年5月出臺關(guān)于加強農(nóng)村基層體系防御能力提升的建設(shè)方案，力爭到“十三五”末基本完成各項建設(shè)任務(wù)，加快補齊短板，提升防汛抗洪和防災(zāi)減災(zāi)能力[3]。遼寧省防汛預(yù)報預(yù)警措施主要集中在山洪災(zāi)害頻繁發(fā)生的東部山區(qū)和西部低山丘陵區(qū)，使得項目建設(shè)地區(qū)的防汛預(yù)報預(yù)警能力顯著增強[4- 13]。與此相對，位于中部的平原區(qū)就成為了防汛預(yù)報預(yù)警建設(shè)的薄弱地區(qū)，主要分布在沈陽、鞍山、遼陽、營口、大連、錦州、盤錦等市[14]。縱觀1949年后遼寧典型暴雨洪水，尤其是像1995年大洪水、2010年大洪水等，平原區(qū)依然是受洪澇災(zāi)害威脅較重的地區(qū)，同時受人們居住相對集中的影響，洪澇災(zāi)害一旦發(fā)生造成的經(jīng)濟損失較為嚴(yán)重[15]。為此開展典型平原區(qū)農(nóng)村基層防汛體系洪澇災(zāi)害評價及預(yù)警指標(biāo)構(gòu)建十分必要。本文對農(nóng)村基層防汛預(yù)報預(yù)警體系中洪澇災(zāi)害評價技術(shù)難點進(jìn)行系統(tǒng)歸納和總結(jié)，并提出適合于平原區(qū)特點的洪澇災(zāi)害評價新技術(shù)和預(yù)警指標(biāo)構(gòu)建新方法，成果對于平原區(qū)農(nóng)村基層防汛體系洪澇災(zāi)害評價及預(yù)警指標(biāo)構(gòu)建具有重要的參考價值。

1 平原區(qū)農(nóng)村基層防汛預(yù)報預(yù)警體系中洪澇災(zāi)害評價難點

目前在平原區(qū)洪澇災(zāi)害防御中大都根據(jù)經(jīng)驗對可能受到洪澇威脅的村落及其區(qū)域進(jìn)行預(yù)警指標(biāo)的分析，對區(qū)域暴雨洪水特點分析研究較少，未能對暴雨和洪水對應(yīng)的頻率關(guān)系進(jìn)行危險區(qū)的劃定。危險區(qū)劃分范圍過大使得所有居民點預(yù)警針對性較低，人員轉(zhuǎn)移難度大。

(1) 平原區(qū)村屯危險等級不明、社會經(jīng)濟分布狀況不清、河道和村屯基礎(chǔ)特性不全。獲取洪澇災(zāi)害評價和預(yù)報預(yù)警的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)十分困難。

(2) 平原區(qū)河流多樣，產(chǎn)匯流關(guān)系十分復(fù)雜。平原區(qū)設(shè)計洪水簡單、高效的計算方法現(xiàn)在還未進(jìn)行研究。

(3) 平原區(qū)農(nóng)村基層防汛體系重點危險、一般危險的危險等級標(biāo)準(zhǔn)劃分較難，村屯的防洪能力依靠傳統(tǒng)方法很難進(jìn)行洪澇災(zāi)害的評價。

(4) 目前洪澇災(zāi)害防御大多憑經(jīng)驗，導(dǎo)致預(yù)警范圍大、針對性不強。如何實現(xiàn)平原區(qū)具體防災(zāi)對象的預(yù)警指標(biāo)的精準(zhǔn)評價是當(dāng)前防汛研究的難點。

2 研究方法

2.1 洪澇災(zāi)害分析方法

(1) 低洼易澇村落危險區(qū)劃分方法。對區(qū)域暴雨洪水和歷史洪水淹沒的范圍進(jìn)行分析，按照重點危險和一般危險對低洼易澇村落的危險程度進(jìn)行劃分，按照設(shè)計暴雨頻率分析方法，確定雨量預(yù)警指標(biāo)時段和閾值。

(2) 外洪威脅村落分析評價。分析中小河流防洪規(guī)劃和防洪工程設(shè)計資料，根據(jù)設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)，推算外洪威脅村落河道控制斷面的防洪標(biāo)準(zhǔn)，劃分外洪威脅村落的危險等級(重點危險和一般危險2級)，確定水位(流量)預(yù)警指標(biāo)。

(3) 平原區(qū)排澇洪水計算。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田分布特點分別劃分從上游至下游的旱田、水田和葦田的排水面積，根據(jù)《遼寧省治澇規(guī)劃》中遼寧中部平原澇區(qū)農(nóng)田排水計算成果，采用平均排除法，排澇標(biāo)準(zhǔn)取最大20a一遇。旱田的洪澇按照24h以及2d降水進(jìn)行田間積水排出設(shè)計；水田按照3～5d降水不同水稻生長階段進(jìn)行水層滯蓄設(shè)計；葦田區(qū)在秋季排水時期按立秋(8 月8 日)以后一周內(nèi)將田間水位排干至地表以下20～30cm 設(shè)計。排澇流量按其控制面積乘以相應(yīng)的排水模數(shù)計算：

Q=M·F

(1)

式中，Q—排澇流量的設(shè)計值，m3/s；M—水田的排澇模數(shù)，m3/s/km2；F—設(shè)計斷面的集水面積，km2。各區(qū)不同頻率排水模數(shù)采用《遼寧省治澇規(guī)劃》中計算成果，詳細(xì)的農(nóng)田面積劃分情況、采用的各頻率排水模數(shù)以及按照上述公式計算的農(nóng)田排水流量成果見表1。

2.2 預(yù)警指標(biāo)新方法

(1)場次洪澇災(zāi)害的頻率分析方法。對歷史洪澇災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查，分析其發(fā)生災(zāi)害的頻次，例如某一區(qū)域從1960年以來洪澇災(zāi)害出現(xiàn)的次數(shù)為6次，則對其洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻次進(jìn)行計算：P=6/(2019-1960+1)=10%。與洪澇災(zāi)害相同頻率的降雨值為雨量預(yù)警指標(biāo)的初值，但通過數(shù)據(jù)分析雨量和洪澇頻率不同步，則需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對于洪澇災(zāi)害對應(yīng)頻率的降水概率進(jìn)行確定，將該降水初值作為初始時段雨量預(yù)警指標(biāo)值。

(2)雨量預(yù)警指標(biāo)綜合確定。鑒于洪澇災(zāi)害區(qū)域村屯下墊面與降雨時空分布特征有所差別，確定雨量預(yù)警指標(biāo)需要考慮的要素包含洪澇淹沒速率、預(yù)警發(fā)生的等級、人口轉(zhuǎn)移所需要的時間以及區(qū)域農(nóng)田排澇速率，對預(yù)警指標(biāo)的時段進(jìn)行劃分，設(shè)定為告知和警戒2個預(yù)警指標(biāo)等級，將頻率為2%的雨量設(shè)計值作為預(yù)警指標(biāo)的一般值進(jìn)行告知預(yù)警，出現(xiàn)警戒時候的預(yù)警指標(biāo)的雨量臨界值大于雨量設(shè)計值。

(3)臨界水位計算。當(dāng)選擇河道(預(yù)警對象)控制斷面處有堤防或水利工程設(shè)計成果時(或設(shè)計水面線)，河道兩側(cè)堤防設(shè)計與建設(shè)情況通過對河道大斷面地形測量進(jìn)行分析得到，控制斷面(預(yù)警對象)位置處可直接采用已有設(shè)計洪水成果。堤防設(shè)計達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時候的保證水位作為其斷面預(yù)警水位，若設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)未達(dá)到，為保證堤防汛期的防汛安全，則需要降低堤防高程到堤防超高后對堤防質(zhì)量進(jìn)行評估而后適當(dāng)降低作為其水位臨界值。

3 實例分析

3.1 實例概況

本文以盤錦地區(qū)為研究區(qū)域，該區(qū)域?qū)儆谶|寧省典型平原區(qū)，盤錦涉及平原地區(qū)的村屯共有435個行政村落，該區(qū)域洪澇災(zāi)害存在以下特點：洪水漲落速率較慢、以外洪和內(nèi)澇為主要災(zāi)害、居住的人口區(qū)域較為集中、交通以及電力的條件較為適宜、基礎(chǔ)監(jiān)測設(shè)施條件較好、洪澇災(zāi)害一旦發(fā)生人員傷亡以及財產(chǎn)損失較大。為降低平原地區(qū)農(nóng)村洪澇災(zāi)害的影響程度，以盤錦典型平原區(qū)為研究實例，對其洪澇災(zāi)害發(fā)生程度進(jìn)行評估，并分析其具體預(yù)警指標(biāo)，對平原地區(qū)洪澇災(zāi)害的預(yù)警能力進(jìn)行提升。

3.2 平原區(qū)地形測量

由于平原區(qū)地形測量儀器信號干擾較大且測量范圍較廣，將地形測量數(shù)據(jù)和91衛(wèi)圖進(jìn)行套合解決上述2個難點。對該軟件的7個參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，需要對現(xiàn)場各特征點進(jìn)行測量處理，在將各特點數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對村莊、道路、水系的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行展點處理，即節(jié)省了測量效率，又降低了測量強度。

表1 平原澇區(qū)農(nóng)田(旱田、水田及葦田)排水流量成果

在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)91衛(wèi)圖助手軟件中顯示的高程與實際測量高程存在一定的誤差，軟件中生成的等高線與實際測量繪制的等高線也存在偏差，并且軟件中沒有設(shè)置在圖上直接勾畫等高線的功能。地理信息軟件較好地解決了上述問題，保證了等高線的精度要求。首先將實際測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入地理信息軟件中，進(jìn)行等高線的勾繪，然后將勾繪好的等高線數(shù)據(jù)導(dǎo)入91衛(wèi)圖助手軟件中生成等高線。這樣將高精度的等高線導(dǎo)入91衛(wèi)圖助手軟件，使實際測量數(shù)據(jù)和91衛(wèi)圖助手軟件本身具有的高清晰影像耦合在一起，實現(xiàn)影像和矢量完美套合。

3.3 水下測量處理

由于平原區(qū)河流常年有水且水較深，采用LNCORSRTK水下部分無法進(jìn)行正常測量，因此，斷面測量陸域部分采用LNCORSRTK法進(jìn)行測量，測至兩岸水邊;水域部分采用ADCP流量測驗方法進(jìn)行測量，用LNCORSRTK法測量的水邊高程平均值與ADCP測量的斷面水深之差，做為水下部分河底高程，然后進(jìn)行斷面資料整合，最終形成完整的斷面資料。解決了LNCORSRTK無法進(jìn)行水下測量的難題。斷面測量(整合)成果見表2。

表2 新生總干斷面測量(整合)成果表 單位：m

3.4 外洪威脅村落洪澇評價

結(jié)合平原區(qū)地形測量和分析數(shù)據(jù)，對外洪威脅村落的淹沒面積和對應(yīng)的水位建立相關(guān)曲線，結(jié)合雨量綜合預(yù)警分析成果對低洼易澇村落重點、一般危險區(qū)范圍進(jìn)行認(rèn)定。

(1)在村落等高線圖上，分別量算等高線包括的面積。建立H—F關(guān)系曲線圖，以盤錦大洼區(qū)新興鎮(zhèn)后尾壩、育新五連為例，如圖1所示。

圖1 后尾壩、育新五連高程與面積關(guān)系

(2)累積計算2個等高線間的容積△V，建立H—V關(guān)系曲線，以盤錦西市區(qū)濱海辦事處大水塘村興隆屯、大洼區(qū)新興鎮(zhèn)后尾壩、育新五連為例，如圖2所示。

(3)當(dāng)流域(區(qū)域)包氣帶蓄水量達(dá)到飽和時，在不考慮雨期蒸發(fā)和滲漏的情況下，根據(jù)時段暴雨(P)所產(chǎn)生的淹沒水位(h)，建立水位—人口關(guān)系曲線，如圖3所示。

4 預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建

4.1 預(yù)警時段的劃分

防災(zāi)對象上游集雨面積大小、降雨強度、流域形狀及其地形條件、地貌特征、土地覆被以及土壤含水分布等要素影響預(yù)警指標(biāo)時段的劃分。根據(jù)雨量監(jiān)測儀器和信號傳輸?shù)姆绞剑梢源_定防災(zāi)預(yù)警對象的時段。

4.2 預(yù)警結(jié)果

結(jié)合綜合預(yù)警方法，對6個時段的預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行確定，劃分為告知和警戒2個等級的雨量預(yù)警指標(biāo)，內(nèi)澇村屯和外洪威脅預(yù)警指標(biāo)結(jié)果見表3—4。

圖2 尾壩、育新五連水位與庫容關(guān)系

圖3 尾壩、育新五連水位與人口關(guān)系

表3 低洼易澇村落雨量預(yù)警指標(biāo)表

表4 外洪威脅預(yù)警指標(biāo)表

4.3 預(yù)警措施

(1)告知預(yù)警主要措施。根據(jù)防汛部門的氣象信息對預(yù)警進(jìn)行發(fā)布，成立巡邏小組。當(dāng)降雨發(fā)生后，對可能出現(xiàn)的異常情況，馬上采取相關(guān)措施向群眾發(fā)出預(yù)警，并立即向主要行政領(lǐng)導(dǎo)報告相關(guān)情況。

(2)警戒性預(yù)警實施措施。防汛部門根據(jù)氣象預(yù)警信息發(fā)布警戒預(yù)警，并通知鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政主要領(lǐng)導(dǎo)在告知預(yù)警的基礎(chǔ)上，降雨開始后進(jìn)行巡邏，頻次為1次/h。向值班領(lǐng)導(dǎo)報告巡查情況，并落實相關(guān)報告。若未巡查出問題，也需要進(jìn)行定時聯(lián)系。發(fā)生汛情，應(yīng)立即啟動相關(guān)預(yù)案向周圍群眾進(jìn)行預(yù)警，并立即做好相關(guān)轉(zhuǎn)移和向安全區(qū)撤離準(zhǔn)備，并向防汛部門主要領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行情況的報告。鄉(xiāng)鎮(zhèn)領(lǐng)導(dǎo)立即指揮救災(zāi)和搶險。

(3)緊急性預(yù)警實施措施。防汛部門根據(jù)氣象預(yù)警信息進(jìn)行緊急預(yù)警的發(fā)布，鄉(xiāng)鎮(zhèn)防汛主要領(lǐng)導(dǎo)采用分包責(zé)任制的方式到達(dá)責(zé)任區(qū)域，暴雨發(fā)生后進(jìn)行巡查，頻次為半小時一次。并向指揮部報告相關(guān)情況，發(fā)現(xiàn)異常汛情，應(yīng)立即啟動相關(guān)預(yù)案向周圍群眾預(yù)警，向預(yù)案指定地點進(jìn)行人員的安全轉(zhuǎn)移，并立即向相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)報告有關(guān)情況，防汛指揮部成員立即組織防汛技術(shù)人員趕往洪澇區(qū)，指揮救災(zāi)和搶險工作，同時相關(guān)市政、電力及交通部門按照各自防汛責(zé)任進(jìn)行救災(zāi)和搶險工作。

5 結(jié)論

(1) 平原區(qū)臨界水位確定的控制斷面若已達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，堤防設(shè)計達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時候的保證水位作為其斷面預(yù)警水位，反之，需對堤防安全進(jìn)行評估，適當(dāng)降低其安全超高后作為水位預(yù)警臨界值。

(2)將實際測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入地理信息軟件中，進(jìn)行等高線的勾繪，然后將勾繪好的等高線數(shù)據(jù)導(dǎo)入91衛(wèi)圖助手軟件中生成等高線，這樣可實現(xiàn)平原區(qū)高精度的等高線繪制工作。

(3)洪澇淹沒分析將會是平原區(qū)農(nóng)村基層防汛體系洪澇防御的重要決策依據(jù)，在以后的研究中還需要結(jié)合水力學(xué)模型完成平原區(qū)洪澇淹沒模擬分析。