山洪災害調查評價技術在無資料小流域洪水預警中的應用

程 曌

(黃山水文水資源局，安徽 黃山 245000)

隨著中小河流水文監測系統建設項目的實施，全國各地新設了大量的水文站、水位站。為了更好地為中小河流防災減災服務，要求編制新設水文站、水位站洪水預報方案或預警方案。但新建設的水文站、水位站大都缺乏水文資料，傳統的預報方案編制方法在這些流域無法應用。為解決無資料小流域預警方案編制問題，嘗試將山洪災害分析評價技術應用于無資料小流域預警方案編制。以漳河黟縣水位站為例對其可行性進行研究。

1 概 況

1.1 流域自然地理概況

黟縣水位站地處皖南山區黟縣碧陽鎮，位于漳河中上游。漳河順城而過，流域面積為40.6km2，該流域幾何特征見表1。流域內的洪水由降水產生，洪水的時空分布特點與降水基本一致。本地區降水多集中在4—7月，年內分配不均，多年平均降水量為1800mm左右。黟縣水位站為中小河流水文監測系統建設項目新建水位站，2013年5月28日安裝水位自動測報設備，設站目的是為黟縣城區防洪提供監測預警服務。漳河是一條源短、流急的山溪性河流，河道坡度大，洪水漲落快、歷時短。流域內突發性山洪災害多，漳河沿岸在1954年、1969年、1996年曾遭受較大洪災，損失慘重。

表1 流域幾何特征

1.2 流域及測驗河段基本情況

該站址所處河道順直、河床規則、河岸穩定，地形條件符合水位變幅要求。斷面上下游河道順直，兩岸建有漿砌塊石護岸，河床由砂、卵石組成，斷面下游360m有翻板壩。測驗河段縱斷面及基本水尺橫斷面見圖1、圖2。

圖1 黟縣水位站測驗河段縱斷面

圖2 黟縣水位站水尺橫斷面

2 水位-流量關系分析

黟縣水位站測驗河段沒有洪水調查資料，洪水比降用水尺斷面上下游的河底比降2.2‰代替，糙率取0.035。用曼寧公式推算黟縣站水位-流量關系，見圖3。

圖3 黟縣水位站水位-流量關系

3 方案構建

黟縣水位站為新設站，僅流域出口斷面附近有黟縣雨量站，無徑流資料。黟縣水位站流域面積40.6km2，根據流域幾何特征及《黃山水文手冊》提供的暴雨參數等值線圖和經驗公式，初步計算得知黟縣水位站匯流歷時約4h，洪峰滯時約1.5h。對于既缺乏實測水文資料、面積小、漲水歷時及洪峰滯時很短的流域，用移植方案作水文預報既難以保證作業預報成果精度，又因受預見期所限對防洪決策意義不大。因此，擬選擇雨量預警方案。通過對漳河及兩岸防洪對象的分析確定成災水位，利用水位-流量關系將成災水位轉換為成災流量，推算成災流量相應的頻率，用無資料流域災害與降雨同頻率的方法確定預警臨界雨量。

3.1 設計暴雨

黟縣水位站出口斷面處設有黟縣雨量站，該站雖然設立較早，雨量資料系列較長，但短歷時暴雨資料卻只有20年且有間斷不連續，不宜用來分析計算設計暴雨。采用《黃山水文手冊》暴雨參數圖集查詢該流域匯流歷時內最大1h、3h，常規時段最大6h、12h、24h暴雨參數，Cs取3.5Cv。

設計暴雨計算采用公式：

式中：Xp為某一頻率的時段最大降水量，mm；Kp為皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數；X為時段降雨均值,mm。

設計暴雨成果見表2。

表2 設計暴雨計算成果 單位：mm

3.2 匯流歷時計算

根據《黃山水文手冊》中提供的經驗公式，由流域下墊面幾何特征及暴雨參數，計算流域匯流時間，結果見表3。

表3 黟縣流域匯流時間成果

3.3 設計洪水計算

設計洪水計算常用的方法有經驗公式法、頻率分析法、推理公式法、單位線法、模型法等。由于設計洪峰流量的計算結果直接影響預警閾值的合理性，設計洪水應采用多種途徑進行分析計算，謹慎選擇成果，保證成果的合理性?？紤]到黟縣地區缺乏水文資料的現狀，本次計算分別采用經驗公式法、推理公式法及模型法計算不同頻率下的設計洪峰流量。

3.3.1 經驗公式法推求洪峰流量

經驗公式法是根據有實測水文資料的水文站年最大流量頻率計算的成果和流域幾何特征參數，建立設計洪峰流量與流域面積和河道坡度的相關關系，得出經驗公式，供無資料地區設計洪水計算用。利用該方法推算洪峰流量的過程簡單便捷，將設計流域參數代入公式直接計算即可?！饵S山水文手冊》中的流域面積200km2以下地區的計算公式如下：

多年平均值：

Q=-0.0049F2+3.0771F+10.843

(1)

1%：Q=-0.0188F2+11.751F+21.095

(2)

2%：Q=-0.0163F2+10.179F+19.438

(3)

5%：Q=-0.0128F2+8.0506F+17.631

(4)

10%：Q=-0.0102F2+6.4218F+15.927

(5)

式中：F為流域面積，km2。

根據式(1)～式(5)，頻率為1%、2%、5%、10%和20%的設計洪峰流量分別為467m3/s、406m3/s、323m3/s、260m3/s和204m3/s。

3.3.2 推理公式法推求洪峰流量

推理公式法是由暴雨間接推求設計洪水的方法之一，由于它存在對降水徑流成因的一些假定和概化因素，只適用于小流域。黟縣水位站集水面積40.6km2，所以該種方法適用。

推理公式法洪峰流量計算公式為

Q=0.278Ψ(S/τn)F

(6)

(7)

(8)

式中：Q為最大流量，m3/s；Ψ為洪峰徑流系數；S為暴雨雨力，mm/h；τ為流域匯流時間，h；n為暴雨衰減指數；F為流域面積，km2。

根據式(6)～式(8)，頻率為1%、2%、5%、10%和20%的設計洪峰流量分別為431m3/s、381m3/s、314m3/s、264m3/s和213m3/s。

3.3.3 模型法推求洪峰流量

新安江模型在無資料地區，流域參數根據流域大小及河道坡度、雨量點距離出口斷面的距離等情況確定，流域平均演算段數可根據流域面積取經驗值。由于產流參數、單元面積的河道匯流對設計洪水計算影響較小，黃山地區可采用模型參數經驗值。在匯流參數中Cs0最為敏感，它有隨流域面積增大而增大的趨勢，可參考有資料流域分析成果選用，Cs0+α1≈1(α1是用于調節Cs值的相關參數)。

根據水文模型計算，頻率為1%、2%、5%、10%和20%的設計洪峰流量分別為417m3/s、372m3/s、311m3/s、265m3/s和217m3/s。

3.3.4 設計洪水成果分析

考慮3種方法推算的設計洪峰流量比較相近，所以成果可取其平均值，設計洪峰流量計算成果見表4。

表4 黟縣流域設計洪峰流量計算成果 單位：m3/s

3.4 成災水位、流量

黟縣水位站建在漳河流經縣城的最上游，這里基本保持了河道原狀，兩岸有少量住戶。水位站下游50m以下為中心城區，為提高防洪標準，經過對中心城區段河道進行的規劃、整治，防洪標準定為15年一遇。經綜合比較分析，黟縣水位站河道為全城防洪標準較低點，確定黟縣站的成災水位為204m，根據黟縣水位站水位-流量關系可推求出成災水位相應的流量為278m3/s，重現期12年一遇。

3.5 預警臨界雨量

對于無資料小流域，可用災害與降雨同頻率的方法確定預警臨界雨量。將成災流量278m3/s對應的頻率8.33%作為預警臨界雨量所對應的頻率，再根據此頻率推求出不同時段下的降雨量，此降雨量即是所求的各時段雨量的預警閾值。

因黟縣水位站匯流時間一般大于4h，由12年一遇成災流量，查算同頻率最大1h、最大2h、最大3h、最大6h設計雨量作為預警臨界雨量，成果見表5。

表5 黟縣水位站各時段臨界雨量

3.6 雨量預警

在中小河流水文監測系統工程項目中，黟縣城區，相鄰的西武、宏村都設立了雨量自動測報站。當黟縣上游及周邊自動測報站最大1h雨量達到臨界雨量時，發出雨量預警信息，提請各部門做好防汛準備。隨著持續降水，如最大2h雨量達到臨界值，防洪威脅加大，建議低洼處居民做好轉移準備。當最大3h雨量達到或超過臨界值，建議縣城低洼處居民提前轉移至安全地帶。

4 結 語

山區強降雨往往是山洪災害發生的主要影響因素，故將其作為山洪災害的主要預警指標。本文通過利用山洪災害調查評價技術，推算出了黟縣地區的預警臨界雨量，取得了較好的成果，可見該技術在小流域無資料地區的應用是可行且好用的。在中小河流新設水文站或水位站洪水預報方案、預警方案的編制工作中，合理運用山洪災害調查評價技術，能夠很好地解決新設站點沒有水文資料或缺乏水文資料的難題，其推算出的成果可為洪水災害的預警工作提供信息化的依據，為防災減災工作提供強有力的支撐。

隨著城市化建設的不斷更新與發展，流域的地貌及特性也會發生改變，不斷產生新的防洪問題。在實際的水利工作中，需要充分考慮流域內防護工程的承載能力，合理編制并運用洪水預警方案的成果，同時應加強資料系列的補充，以校核完善預警閾值的準確性，提高洪水災害的防御能力。