遼陽(yáng)市太子河區(qū)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

李煥玉

(遼寧省水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 沈陽(yáng) 110003)

山洪災(zāi)害的復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性使其預(yù)測(cè)、預(yù)防成為防汛工作中的難點(diǎn),由于我國(guó)地域廣闊,地理特征差異性明顯,加上山丘區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不均衡、降水分布的時(shí)空變異性高和面積較大等因素,使得山洪災(zāi)害頻繁發(fā)生,不僅對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重破壞,而且對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增多,洪澇災(zāi)害對(duì)山丘區(qū)的威脅也日益加大,并成為制約可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題之一。評(píng)估無(wú)資料山區(qū)的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是災(zāi)害防治工作的延續(xù),也是風(fēng)險(xiǎn)普查的重點(diǎn)工作[2]。目前,主要有DEM法、水文模型法、參數(shù)移植法和“從有到無(wú)”法等水文預(yù)報(bào)方法,其中DEM法主要是利用遙感影像提取流域參數(shù),完成相應(yīng)的水文計(jì)算,但該方法對(duì)遙感影像的精度要求高,在平原區(qū)的適用性較差;水文模型法的關(guān)鍵是提高模型的獨(dú)立性,通過(guò)建立水文模型降低對(duì)數(shù)據(jù)的依賴度;參數(shù)移植法則基于有資料與無(wú)資料地區(qū)在地理位置和流域面積上的相似性,通過(guò)參數(shù)移植來(lái)進(jìn)行水文分析,但該方法無(wú)法全面考慮預(yù)報(bào)模型參數(shù)受水文特征或下墊面條件的影響,實(shí)施應(yīng)用時(shí)具有一定局限性;“從有到無(wú)”法是常用的方法,將有資料流域的信息通過(guò)插值和外推推算到無(wú)資料地區(qū)[3]。對(duì)于無(wú)資料山區(qū),通常選擇內(nèi)外業(yè)調(diào)查相結(jié)合的方法進(jìn)行山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),具體而言,在準(zhǔn)備階段可以使用之前的山洪分析成果,從而確定暴雨洪水參數(shù),然后進(jìn)行預(yù)警指標(biāo)分析、防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算等,對(duì)以上各環(huán)節(jié)選擇合適的方法是實(shí)現(xiàn)山洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。

鑒于此,本文結(jié)合沿河宅基地高程、河道斷面、下墊面條件及成災(zāi)水位等數(shù)據(jù),采用地形圖和MIKE11軟件計(jì)算不同頻率洪水淹沒(méi)范圍及水位,并進(jìn)一步明確預(yù)警指標(biāo)以及各等級(jí)危險(xiǎn)區(qū),旨在為當(dāng)?shù)胤篮橹卫砗蜕胶轭A(yù)警提供一定支持。

1 區(qū)域概況

太子河區(qū)位于太子河沖積平原上,總土地面積273.37 km2,地勢(shì)東南高,西北低,自東向西傾斜。該區(qū)域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū),年均降水量739.7 mm,年際間變化較大,多集中于6-9月,占全年的73%。境內(nèi)有大小河流8條,其中鐵西街道有太子河段7.4 km、城市總干渠、城市北排水,祁家鎮(zhèn)有南地河、機(jī)場(chǎng)排水、城市南北排水,東寧衛(wèi)鄉(xiāng)有南地河,沙嶺鎮(zhèn)有太子河段14 km、柳壕河5.7 km、兵馬河6 km,王家鎮(zhèn)有太子河段13 km、北沙河7.8 km、渾沙河1 km。根據(jù)《遼陽(yáng)市城市防洪預(yù)案》,位于太子河右岸的王家鎮(zhèn)輝寧堡村為太子河第二人工分洪點(diǎn),堤防高約6m,人工分洪長(zhǎng)度100 m。滯洪區(qū)為北沙河以西、太子河以北、小小公路以南,小渾河以東地區(qū),集水面積113.0 km2,可蓄水量2.30×108m3,淹沒(méi)時(shí)間28 h。

太子河上游地區(qū)植樹(shù)造林,攔截降水,減少地面徑流,延緩洪峰發(fā)生時(shí)間和減小峰量;太子河干流和支流上修建有葠窩、觀音閣、湯河三座大型水庫(kù),蓄水總?cè)萘?6.1×108m3,防洪庫(kù)容25.2×108m3,可有效地調(diào)蓄洪水,三庫(kù)聯(lián)合調(diào)度削減洪峰,使下游地區(qū)發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水的頻次大大減少。由于特殊的地形和氣候條件,太子河區(qū)容易受到臺(tái)風(fēng)和突發(fā)強(qiáng)降雨影響,引發(fā)山洪災(zāi)害,對(duì)山區(qū)居民安全構(gòu)成潛在威脅。研究區(qū)主要河流有太子河和北沙河,對(duì)防洪能力有重要影響,因此選擇太子河、北沙河進(jìn)行水位流量關(guān)系的評(píng)估分析,以更好地掌握太子河區(qū)的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),并制定相應(yīng)的預(yù)警和防護(hù)措施。

2 研究方法

2.1 洪水計(jì)算

(1) 設(shè)計(jì)暴雨。根據(jù)當(dāng)?shù)刈儾钕禂?shù)、降雨量均值等值線圖以及定點(diǎn)定面關(guān)系表,計(jì)算不同頻率下各流域的設(shè)計(jì)面雨量[4]。其中,降雨均值等值線圖可提供不同地點(diǎn)的平均降雨量分布情況,變差系數(shù)等值線圖揭示了降雨的變異性和不確定性程度。

(2) 設(shè)計(jì)洪水。針對(duì)無(wú)資料地區(qū),應(yīng)充分考慮流域面積大小選擇相應(yīng)的計(jì)算方法[5]:流域面積<50 km2,采用推理公式推導(dǎo)的關(guān)系式計(jì)算設(shè)計(jì)洪水;面積>50 km2,使用瞬時(shí)單位線法通過(guò)考慮不同時(shí)段內(nèi)的單位面積洪峰流量,更準(zhǔn)確地估計(jì)設(shè)計(jì)洪水;面積>300 km2時(shí),為保證計(jì)算精度,將流域劃分為多個(gè)單元進(jìn)行計(jì)算,這還可以降低計(jì)算復(fù)雜性。

2.2 防洪現(xiàn)狀分析

通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)洪水評(píng)價(jià)區(qū)域防洪能力,結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)不同危險(xiǎn)區(qū)的房屋和人口數(shù),為制定洪災(zāi)防御、人員轉(zhuǎn)移及臨時(shí)安置預(yù)案提供數(shù)據(jù)參考。通過(guò)分析不同水位下的洪峰流量及其與沿河橋涵、房屋、道路之間的關(guān)系,統(tǒng)計(jì)確定設(shè)計(jì)洪水下的承載水位、人口和房屋數(shù)全面分析防洪現(xiàn)狀。

洪水位計(jì)算。通過(guò)率定和驗(yàn)證水動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)計(jì)算不同重現(xiàn)期洪水,結(jié)合分析結(jié)果明確各斷面最高水位,并對(duì)比各斷面成災(zāi)水位與洪峰水位,選取防洪最薄弱斷面為控制斷面,按照成災(zāi)水位判定區(qū)內(nèi)防洪能力,參照流量-水位關(guān)系曲線計(jì)算成災(zāi)流量。對(duì)不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨和洪水進(jìn)行試算,從而確定設(shè)計(jì)洪峰量,若設(shè)計(jì)洪峰量與某重現(xiàn)期成災(zāi)流量之差處于誤差允許范圍,則該斷面能夠達(dá)到要求的防洪能力。

劃定淹沒(méi)危險(xiǎn)區(qū)。結(jié)合各頻率洪水位及地形地貌條件,在地圖上劃定極高、高和一般危險(xiǎn)區(qū)。

淹沒(méi)分析。根據(jù)不同頻率最高洪水位建立流量-水位線,綜合分析DEM數(shù)據(jù)、歷史水災(zāi)、局部地形、堤防高程和沿河居民調(diào)查表等資料,建立淹沒(méi)范圍內(nèi)的水位-人口關(guān)系線,將兩者相結(jié)合繪制防洪現(xiàn)狀圖,可以為決策者制定更有效的防洪措施和應(yīng)對(duì)策略提供參考。

2.3 預(yù)警分析方法

(1) 預(yù)警指標(biāo)。通常包括臨界水位和雨量,可以分為準(zhǔn)備和立即轉(zhuǎn)移兩個(gè)級(jí)別。對(duì)于無(wú)資料地區(qū),臨界水位主要來(lái)源于水位監(jiān)測(cè)站,但是太子河區(qū)還未設(shè)立監(jiān)測(cè)站。所以,本文選擇臨界雨量作為預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行研究。

(2) 土壤含水量。流域土壤的濕度一般和較濕兩種情況分別選用Pa=0.75 Wm、Pa=0.90 Wm進(jìn)行表征,其中Wm、Pa為流域最大蓄水量和和流域蓄水量。

(3) 預(yù)警時(shí)段。這取決于當(dāng)?shù)氐南聣|面、形狀系數(shù)、平均比降、流域面積及暴雨特性等因素,一般選擇0.5 h、1 h、3 h和6 h作為預(yù)警時(shí)段。

(4) 臨界雨量。常用的分析方法有等雨量法、統(tǒng)計(jì)歸納法和經(jīng)驗(yàn)分析法等,由于水文水力學(xué)法充分分析率物理機(jī)制,其預(yù)警精度以及對(duì)數(shù)據(jù)資料的要求較高。考慮到河道特性、下墊面條件和降雨數(shù)據(jù)的充分性,本次選用水文水力學(xué)法來(lái)確定臨界雨量,即利用曼寧公式計(jì)算預(yù)警水位對(duì)應(yīng)的流量,并進(jìn)一步反推出臨界雨量作為預(yù)警指標(biāo)。

結(jié)合以往的轉(zhuǎn)移和預(yù)警情況,短時(shí)間轉(zhuǎn)移危險(xiǎn)區(qū)全部人員難以實(shí)現(xiàn)。所以,將立即轉(zhuǎn)移因子設(shè)定為臨界雨量的90%,并將其向前推0.5 h作為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移的閾值,從而能夠提前預(yù)警,使人們做好轉(zhuǎn)移準(zhǔn)備,降低潛在的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

3 結(jié)果與分析

3.1 太子河區(qū)洪水分析計(jì)算

典型歷時(shí)選取10 min、1 h、6 h和24 h,并推算5 a、10 a、20 a、50 a和100 a一遇的暴雨頻率,然后利用遼陽(yáng)市短歷時(shí)暴雨中的數(shù)據(jù)確定太子河區(qū)不同歷時(shí)的點(diǎn)暴雨量和變異系數(shù)Cv均值,結(jié)合雨強(qiáng)系數(shù)Kp及點(diǎn)面轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)面暴雨值如表1。

表1 設(shè)計(jì)暴雨量計(jì)算值

根據(jù)太子河區(qū)具體情況和小流域山洪特點(diǎn),在產(chǎn)流部分凈雨量計(jì)算過(guò)程中選擇蓄滿產(chǎn)流模型,且不考慮蒸發(fā)量損失。研究選用的北沙河、太子河面積均不超過(guò)50 km2,故對(duì)首個(gè)斷面設(shè)計(jì)洪水使用推理公式法進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表2。

表2 不同頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量

3.2 太子河區(qū)現(xiàn)狀防洪能力

(1) 建立水動(dòng)力模型。根據(jù)太子河區(qū)所處的河勢(shì)、地勢(shì)、地形和流域位置等情況,為了達(dá)到洪水計(jì)算要求共設(shè)置30個(gè)斷面,其中太子河22個(gè)和北沙河8個(gè)。為了更加客觀地反映太子河區(qū)的河道情況,充分考慮其他支流匯入情況以及堰壩、橋梁等因素影響,采用MIKE11軟件建立一維水動(dòng)力學(xué)模型并生成該畫圖。概化范圍為下游水位邊界至太子河區(qū)起點(diǎn)斷面,概化斷面為實(shí)測(cè)斷面。另外,設(shè)定上邊界條件為各頻率的設(shè)計(jì)流量,表2為設(shè)計(jì)流量的數(shù)據(jù)來(lái)源,固定的水位選用洪水的下邊界條件。

(2) 劃定淹沒(méi)危險(xiǎn)區(qū)。通過(guò)洪水計(jì)算確定最高水位,通過(guò)比較洪峰水位與各斷面的成災(zāi)水位,并考慮太子河區(qū)地形圖可明確各等級(jí)下的淹沒(méi)范圍。

(3) 淹沒(méi)分析。在最薄弱防洪斷面選擇時(shí),將控制斷面選為兩條河流中最先淹沒(méi)的斷面,在此基礎(chǔ)上從MIKE系統(tǒng)中提取各斷面最高水位,采用前文所述的計(jì)算方法進(jìn)行洪水位的相關(guān)計(jì)算,結(jié)果如表3。

表3 各流域控制斷面設(shè)計(jì)洪峰水位

根據(jù)洪水計(jì)算成果和淹沒(méi)范圍內(nèi)的水位-人口關(guān)系,可以利用控制斷面的水位-流量關(guān)系繪制太子河區(qū)的防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)圖。

3.3 太子河區(qū)預(yù)警雨量確定

考慮到太子河區(qū)內(nèi)的河流洪水流速較大的特點(diǎn),使得上、下游斷面之間的洪水傳播時(shí)間較短。此外,由于缺乏自動(dòng)水位站,對(duì)上游無(wú)法獲得準(zhǔn)確的水位數(shù)據(jù),但該區(qū)域建設(shè)的雨量站較為完善,可以獲得可靠的雨量數(shù)據(jù)。因此,本文選擇預(yù)警指標(biāo)為臨界雨量值,結(jié)合相關(guān)技術(shù)要求確定匯流時(shí)間以及0.5 h、1.0 h、3.0 h、6.0 h作為預(yù)警時(shí)段。采用前文所述方法反推臨界雨量、立即和準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)(見(jiàn)表4)。

鑒于北沙河預(yù)警指標(biāo)普遍較高的情況,為了保證太子河區(qū)的安全,將北沙河的預(yù)警指標(biāo)作為太子河區(qū)的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn),洪水來(lái)襲時(shí),太子河區(qū)居民將根據(jù)北沙河的預(yù)警指標(biāo)來(lái)采取相應(yīng)的預(yù)防和保護(hù)措施,使其在面對(duì)洪水威脅時(shí)能夠更加迅速、有效地做出反應(yīng),確保太子河區(qū)整體安全。

3.4 結(jié)果分析

采用上述方法評(píng)價(jià)太子河區(qū)的防洪現(xiàn)狀,根據(jù)地形圖、沿河宅基地高程以及Arc GIS軟件劃定危險(xiǎn)區(qū),并統(tǒng)計(jì)各區(qū)域內(nèi)的人口和房屋。通過(guò)推算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)臨界雨量評(píng)定其防洪能力,如表5。

表5 太子河區(qū)防洪現(xiàn)狀

通過(guò)危險(xiǎn)區(qū)的劃分、人口和房屋分布情況以及臨界雨量的推算,可以有針對(duì)性地提出防洪措施和加強(qiáng)應(yīng)急準(zhǔn)備,分析結(jié)果有助于決策者制定更加有效的山洪防災(zāi)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合歷史山洪災(zāi)害調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及調(diào)查報(bào)告等資料數(shù)據(jù),采用MIKE11軟件和水動(dòng)力學(xué)模型評(píng)價(jià)了太子河區(qū)的防洪預(yù)警指標(biāo)及現(xiàn)狀防洪能力,主要結(jié)論如下:

(1) 針對(duì)各河流建立水動(dòng)力模型,經(jīng)參數(shù)率定和驗(yàn)證分析確定洪水演變過(guò)程以及該模型的適用性,結(jié)果顯示該模型適用于無(wú)資料山區(qū),其可操作性和適用性良好。

(2) 太子河區(qū)的總體防洪能力為20～50 a一遇,而王家鎮(zhèn)防洪能力較低為8 a一遇,該評(píng)價(jià)結(jié)果與區(qū)域?qū)嶋H情況基本一致。因此,太子河區(qū)山洪防御建設(shè)的重點(diǎn)為王家鎮(zhèn),可以為區(qū)域山洪防御和預(yù)警提供技術(shù)支持。

(3) 由于涉及的河流缺乏長(zhǎng)期水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),仍需要對(duì)本次評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和率定,使評(píng)價(jià)成果更加優(yōu)化和完善。此外,由于實(shí)際預(yù)警工作受多個(gè)因素影響,如防御措施、暴雨時(shí)空分布差異以及土壤前期含水量等,應(yīng)考慮實(shí)際情況動(dòng)態(tài)優(yōu)化雨量預(yù)警指標(biāo)。