丹江口市山洪災害調查評價成果水位流量關系檢驗復核

申邵洪，曹 浩，陳希熾，王 瑩，肖 瀟

（1.長江科學院科研計劃處，湖北武漢 430010；2.長江科學院空間信息技術應用研究所，湖北武漢 430010）

山洪災害是造成人員傷亡的主要自然災害之一，調查評價成果是實施山洪預警的一項重要基礎數據。山洪發生地大多位于缺乏暴雨洪水實測資料的小流域，我國山洪災害分析評價技術不夠成熟，山洪災害調查評價成果，特別是分析成果有待檢驗和完善。章彩霞等［1］梳理了安徽歙縣霞坑鎮的山洪災害調查成果，利用獲取的暴雨洪水資料，檢驗了華源河兩岸村落的歷史山洪調查成果的可靠性，復核山洪災害評價主要成果預警雨量閾值的合理性。蔣星月［2］對小流域山洪災害預警指標檢驗復核方法及應用進行了深入研究。盧曉鵬等［3］對云南省典型區域山洪災害預警指標進行了檢驗復核分析。

本文選擇湖北省十堰市丹江口市為典型區域，基于前期獲取的山洪災害調查評價成果，重點對水位流量關系進行檢驗復核分析，對原山洪災害評價成果進行了完善，為山洪災害預警提供了可靠依據。

1 研究區概況

1.1 地理位置

丹江口市位于湖北省西北部，是漢江中上游重要的水利樞紐丹江口大壩和國家南水北調中線水源工程所在地，地處鄂西北秦巴山脈東南緣，東北與河南省淅川縣相鄰，東南接老河口市，西北及西南部與十堰市鄖縣及房縣相連。漢江橫貫丹江口市境，是南、西、北三面環山東面開口不完整盆地，地跨東經110°47.8′～111°34.8′，北緯32°13.8′～32°58.5′，總面積3 121 km2。

1.2 河流水系

丹江口市水系發達，河流眾多。河流均由北向南流向丹江口水庫，主要河流有丹江、鸛河、淇河、滔河等，大部分河道深、坡降大、水流湍急。部分小河道屬于季節性河流，汛期洪水陡漲陡落，春季則枯水甚至斷流。丹江口市水系圖見圖1。

圖1 丹江口市河流水系

2 檢驗復核對象名錄確定

2.1 篩選方法和步驟

（1）選取丹江口市已有山洪災害調查評價成果的相關流域/河流上的水文站和雨量站，收集其在2016～2017年發生較大場次洪水的降雨過程、洪水水位實測資料。

（2）調出2016～2017年發生的山洪災害事件或較大洪水情況，統計在已經完成調查評價名錄中發生了山洪災害事件或轉移了群眾的村落/集鎮，以及發布了山洪預警指令的村落/集鎮，結果見表1。

（3）對于表1中發生了山洪災害事件或轉移了群眾的村落/集鎮進行洪痕測量及現場洪水調查。

（4）若（2）和（3）項工作確定的每個縣的典型名錄不足6個，則從2016～2017年發生了較大洪水的河流水文站上游補充選擇1～2個已經開展了調查評價的村落，總名錄數達到6～8個。

（5）對所選檢驗復核對象，在外業資料收集和調查過程中開展洪痕調查和測量，進一步確定復核對象。如果出現個別檢驗復核對象的信息和資料難以滿足檢驗復核工作需要，可以按照（3）～（5）步驟所述原則選擇新的名錄進行替換。

（6）根據檢驗復核對象篩選方法和步驟，獲取了檢驗復核對象名錄，見表2。

表1 山洪災害調查評價成果檢驗復核對象篩選

2.2 資料收集及處理

2.2.1 內業資料收集

首先收集復核對象所在小流域的基本情況（面積、河長、比降、匯流時間等）、縱橫斷面信息（縱橫斷面圖、照片、經緯坐標）、河道糙率及比降等。然后檢驗復核對象的成災水位、現狀防洪能力，設計暴雨洪水計算方法、參數及結果，雨量預警指標等信息，為下一步檢驗復核提供基礎依據。

表2 檢驗復核對象名錄

2.2.2 外業資料收集

為使建模更加準確，開展現場調查測量，共補充測量河道斷面12個。為了更準確地模擬河道上橋梁的阻水信息，外業調查補測了檢驗復核對象范圍內橋梁信息。根據收集到的洪水場次信息，調查成災水位信息以及災情，對于沒有房屋受災的村落，以前期成災水位作為本次成災水位，根據復核后的水位流量關系推算成災流量，進行復核。

2.2.3 河道糙率、比降

原河道主槽與左右灘地糙率值一致，這顯然是不合理的，此次復核區分主槽與左右灘地的糙率值，拍照并留檔河道現場照片。原河道比降采用流域比降的方式顯然也是不合理的，此次復核采用現場測量的洪痕比降，對于洪痕描述有很大差異的村落，對比歷史洪痕比降和測時水面線比降，合理選取。

2.2.4 水文降雨資料

在丹江口市山洪災害監測預警系統中的42個山洪雨量站中，選擇檢驗復核對象所在流域相關的雨量站在2017年逐時段降雨資料（時段為5 min）。

3 水位流量關系檢驗復核

3.1 河道縱橫斷面及成災水位

選擇六里坪鎮油坊坪村復核對象開展水位流量關系復核計算分析，其斷面分布見圖2。控制斷面成災限制水位斷面見圖3。

圖2 六里坪鎮油坊坪村斷面分布

3.2 防洪能力復核計算

3.2.1 參數選取

經計算，洪痕比降為19.4‰，河底比降為14.3‰，本次計算復核選取測時洪痕比降19.4‰（洪痕比降較河底比降而言更接近洪水時水面比降）；對照《水力學計算手冊》（第二版）表8.1-5糙率表［4］，選取控制斷面主河槽復核糙率為0.03［4］。

圖3 控制斷面成災水位

3.2.2 算例計算結果

（1）水位流量關系結果。從HEC-RAS模型可以直接查看和導出河道任何實測和插值斷面的水位流量關系曲線（見圖4），以及不同工況下的水面線及相關統計數據表格等。

圖4 六里坪鎮油坊坪村HEC-RAS水位流量關系

（2）成災水位和成災流量計算結果。通過HEC-RAS模型試算流量，獲得六里坪鎮油坊坪村控制斷面上的成災水位為199.17 m，對應的成災流量為76 m3/s，見表3。

表3 六里坪鎮油坊坪村三組控制斷面水位流量關系復核

表4為成災水位和成災流量復核結果。由表4可知，復核后的成災流量值比原值大的村落是六里坪鎮油坊坪村，可能是成災水位選取的不同導致成災流量差異較大。前期分析評價成果中的成災水位只是限制成災水位，超過該水位未必會淹沒房屋；復核的成災水位是最低點房屋的水位，超過該水位，必然會淹沒房屋。其余5個典型村落復核后的成災流量值均小于前期調查評價結果，這是由于復核后的比降取值小，糙率取值大。

表4 成災水位和成災流量復核結果

復核后的成災水位整體比前期成果中的成災水位高，其中與原值相差較大的是靈寶山村木耳溝，偏差超過10%。但是該村落復核后的成災流量比原值小，可能是原成災水位未投影到控制斷面。鹽池河鎮吳家河村復核后的成災水位仍然采用前期的成災水位，因為在本次實地調查中，鹽池河鎮吳家河村草坪村僅莊稼和道路受淹，并未淹沒房屋。

（3）水位流量關系及成災流量復核結果。采用和以上算例相同的方法為所有檢驗復核對象構建HEC-RAS河道水力學模型，就能獲得所有檢驗復核對象所在河道任何斷面的水位流量關系HQ曲線，表5為6個復核對象各自控制斷面以設計洪水為特征點的水位流量關系。表6為控制斷面水位流量關系參數復核表。由表6可知，前期的比降比本次測得比降普遍偏高，部分差異過大。比如草坪村原來的比降為62.9‰；根據實際測量的數據計算，河底高程數據算出的比降為14.97‰；根據水面線算出的比降為14.97‰；根據洪痕算出的比降為16.3‰。本次復核采用洪痕比降比前期成果中采用流域綜合比降62.9‰更為合理。

關于糙率，原調查成果中所有村落斷面糙率取值均取為0.03，但是針對淹沒區房區和農田取值偏小。本次研究根據現場調查以及結合谷歌影像圖，對相關取值進行了修正，并將糙率沿橫斷面的變化值輸入到HEC-RAS模型里面，更能代表實際情況。

（4）各檢驗復核對象經復核的防洪能力成果見表7。

表5 控制斷面設計洪水及水位流量HQ關系

表6 控制斷面水位流量關系及成災流量復核成果

表7 防洪能力復核成果

4 結語

計算水位流量關系時，優先推薦采用HECRAS模型方法。HEC-RAS模型軟件模擬真實，操作簡便，且適用河段類型較廣，能夠充分利用河道測量成果，考慮上下游河道擴寬與束窄及死水區域對過水能力的影響，同時考慮了橋梁、堰壩等急變流態，計算結果準確可靠。

糙率是計算成災流量的重要參數。若村落上下游設有水文站，應對糙率進行率定；若無實測資料，可根據河道河床粗糙程度、兩岸植物現狀參照糙率表選定；若淹沒區范圍較大時，應考慮糙率橫向的變化。

比降是計算成災流量的重要參數。根據經驗，優先選擇沿河村落河道洪痕比降，或選取測時水面比降，兩者都沒有的情況下，可選擇河底比降。獲取沿河村落河道洪痕比降難度較大，故一般采用測時水面線比降。

在計算成災流量時，需要考慮橫斷面中堤防地形的影響，引入“成災限制水位”這一概念。成災限制水位一般選取堤頂高程，當水位低于成災限制水位時，不發生災害；當水位高于成災限制水位時，再將水位與住房高程做對比確定是否成災。