山前冲洪积平原山洪灾害调查评价测量方案探讨——以新疆某地区山洪灾害调查评价为例

黄　琨，张云姣，朱　卫

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)



山前冲洪积平原山洪灾害调查评价测量方案探讨
——以新疆某地区山洪灾害调查评价为例

黄琨，张云姣，朱卫

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

依据《全国中小河流治理和病险水库除险加固、山洪地质灾害防御和综合治理总体规划》《全国山洪灾害防治项目实施方案》(2013—2015年)，对新疆某地区进行了山洪灾害调查评价工作。通过实地查勘，针对该地区所处位置、地形条件、致灾因素展开了分析，确定了该地区山洪灾害形式属于项目部制订的分析评价方案中的特殊工况。探讨了特殊工况条件下的山洪灾害调查评价测量方案，为后续特殊工况的分析评价工作提供了思路。

山洪灾害调查；山洪灾害评价；一维水动力学；二维水动力学；危险区

山洪灾害调查评价包括山洪灾害调查、山洪灾害分析评价，旨在通过开展山洪灾害调查评价，深入调查分析山洪灾害防治区暴雨特性、小流域特征、社会经济和历史山洪灾害情况，分析小流域洪水规律，评价山洪灾害重点防治区内沿河村落、集镇、城镇的现状防洪能力，科学划定危险区、合理确定预警指标，为及时准确发布预警信息、安全转移人员提供基础支撑，实现山洪灾害综合防治目标。

由于各地水文气象和自然地理特征存在较大差异，应针对本地实际，通过研究提出适合本地区特征的调查评价方案。

一、项目概述

研究范围涉及新疆某地区范围内从北向南分布于阿尔泰山山区、准噶尔盆地及以西山地、天山山区、塔里木盆地和昆仑山山区。通过全面、准确地查清山洪灾害防治区内的人口分布情况，摸清评价对象范围内山洪灾害的区域分布，掌握山洪灾害防治区内的水文气象、地形地貌、社会经济、历史山洪灾害、涉水工程，以及山洪灾害防治现状等基础信息，为山洪灾害分析评价和防治提供基础数据；以前期基础工作、山洪灾害调查和地形测量为基础，分析小流域洪水规律，采用设计暴雨洪水计算方法和水文模型、水动力学模型等分析计算方法，综合分析评价防治区自然村落防洪现状，进行山洪灾害评价。

通过实地查勘发现，评价对象所处位置、地形条件、致灾因素等与传统意义上的小流域有较大区别。评价对象多处于山前冲-洪积形成的扇形地中下部或扇形前缘或坡积斜平原中下部，地形平坦，内部沟道经人为平整改造，已不具备小流域特征和沿河村落定义，且山洪灾害的威胁主要来自山前冲洪积平原以上降水相对较多的山区。洪水经山前突口下泻，或以溃坝、决堤的形式对下游居民财产形成威胁。

鉴于上述调查，部分区域的山洪灾害调查评价应属于特殊工况。因此，有必要在全国山洪灾害调查评价相关标准规范的基础上，结合本次评价对象的实地情况对调查评价方案进行调整。

分析评价方案的调整主要在评价对象及上游地区不同地形、工程设施条件下，制订设计暴雨洪水计算解决方案：采用水文分析方法计算出山口断面的流量过程，采用水力学方法计算出山口下游到防灾对象区域洪水淹没范围；对由于溃堤造成的洪水淹没除采用上述方法外可考虑利用已有的区域相关项目计算结果。现状防洪能力评价拟采用假定洪峰流量试算的方法推求达到成灾水位的洪水频率，制作防洪现状评图；危险区的划定也通过假定洪峰流量试算的方法，推求各级危险区洪水位所对应的洪峰流量及频率，制作危险区图；预警指标的确定采用可能对防灾对象造成影响的工程设施上游、临近溃口的位置的水位站，进行水位预警。

外业调查方案的调整内容主要针对特殊工况，对所涉及的相关水文气象资料收集提出要求；对评价对象所在地及以外的整个山前平原区域，收集精确的地形资料，包括当地最新的1∶5000、1∶10 000、1∶50 000的地形图测量成果等；收集防治区内所有工程设施资料并现场核查、测量和底图标绘；对防治区以外的山洪沟口和涉水工程进行必要的控制断面测量和现场调查。

二、分析评价方法研究

1. 洪水淹没形式分析

前期实地查勘发现部分调查区域的特殊实情如下：

1) 评价对象范围多处于山前冲-洪-坡积形成的扇形地中下部或扇形前缘，经多年垦殖，沟道已干涸，甚至被填田、筑路、修渠。横纵断均不具沟道形态，不是典型具有明显山谷地形特点的沿河村落。

2) 所处区域地形平坦，地面坡度﹤3°，干燥少雨。面积小、比降大、洪水历时短的小流域特点也不具备。

3) 温带大陆性气候形成干旱的区域气候环境特点，山洪灾害的威胁除本区域的降雨外，主要源于冲-洪-坡积平原以上集水面积广大、降水相对丰富的山区。汛期洪水经山前突口而出，或以溃坝、决堤的形式对下游居民财产形成威胁。

基于此，部分评价对象的山洪灾害调查评价属于特殊工况。通过小流域暴雨洪水确定预警指标的方案明显不适应实际，应作补充完善。

根据中央下发的小流域DLG数据、影像、土壤数据，以及收集的地图集、水文图集等基础资料，结合评价对象的分布位置及其所在区域的地形、水工设施等情况，对新疆某地区的小流域采用以下4种方式进行山洪灾害评价方式分析：溃堤形式、坡面水方式、溃堤和坡面水相结合的方式、常规山洪分析。

2. 洪水类型

新疆某地区处在山间平原，受流域气候与下垫面等自然地理条件的影响，洪水有多种类型。

(1) 冰川融雪型洪水

此类洪水主要为季节性积雪融雪洪水和冰川、永久性积雪融雪洪水。每年汛期，随着气温上升，雪冰消融补给河流。每次大的升温过程，必伴随着消融洪水的发生。这类洪水是一些河流的主要洪水类型。

(2) 冰川溃坝型洪水

又称冰川湖突发洪水。河流上游的山谷冰川发育，是形成该型洪水的前提条件。冰川前进或崩塌，阻塞河流，形成堰塞湖。一旦堰塞湖溃决，也会形成类似的洪水。溃坝型洪水涨落迅速，过程较短，破坏力大，其时空分布主要取决于冰川的动态变化。

(3) 暴雨型洪水

暴雨型洪水是最常见的威胁最大的洪水。多发生在6～8月，中低山区，此类洪水暴雨历时短、范围小，洪水规模一般较小，且量级有限。呈现洪水过程单一、陡涨陡落的特点。

(4) 混合型洪水

任两类以上不同类型的洪水在出口断面遭遇，产生洪水过程的叠加，就会形成成因较复杂的洪水过程，也即混合型洪水。主要存在两种混合型洪水：一为暴雨洪水与消融洪水遭遇形成；二为溃坝型洪水与消融型洪水遭遇而成。

三、分析评价方案的调整

1. 坡面水类型方案调整

对于坡面水汇流，中间有山洪沟的情况，拟分成两个阶段来计算。

在出山口上游采用水文分析的方法来计算。在出山口绘制断面，将出山口上游流域作为计算区域，通过设计暴雨设计洪水的方法计算出山口断面的流量过程。设计暴雨设计洪水的方法仍参考《山洪灾害分析评价方法指南》。

从出山口开始到防灾对象区域，采用水力学方法计算洪水淹没范围。选择资料丰富，面积较小的行政区同时采用一维水动力学和二维水动力学的方法进行计算。将二维水动力学方法的计算结果和一维水动力学方法的计算结果进行比较，并率定一维水力学方法的参数，使其计算结果越来越接近二维水动力学方法的结果。参数率定完毕后，将计算区域的一维水力学方法计算的参数应用在相同流域，地形地貌条件相似、河道形态相似的待评价的行政区域，采用一维水动力学的方法进行洪水淹没计算。对于采用一维水力学方法洪水计算结果不理想的行政区域，为确保计算精度，仍将采用二维水力学模型进行计算。

对于出山口下游是冲积扇，冲积扇上游的地形容易被洪水波冲击而影响甚至破坏的地形地貌，在应用水动力学方法计算之前，可对出山口和冲积扇周边可能被影响区域的地形情况进行分析。初步确定水流的流向及水量分配，或将水流完全不可能流到的区域排除在水力学模型的应用范围外。

2. 溃堤型或混合型方案调整

对于半山坡上修筑了撇洪沟等工程措施的情况，则是以堤坝的溃口作为上游流域的出口断面，这与上一种计算方法中以出山口作为出口断面不同。如果下垫面情况相近或附近研究区域内有相关项目计算结果，则可移用其溃口的出口流量过程作为本次堤坝的溃口出口流量过程。如果收集不到相关项目计算结果，则采用设计暴雨设计洪水的方法，假定溃口的参数，来计算溃口的出口流量过程。从溃口到防灾对象范围的区域应用水力学的方法计算，计算方法同上，不再赘述。

洪水计算结束后，需要用历史洪痕数据来率定。利用历史洪水的发生时间、洪痕高程和洪水水面线、洪水涨落过程、河道过水断面和河床糙率，推求历史洪水的过程线，验证模型参数的正确性。

一维水力学方法中，若假定河道水体为恒定流及恒定缓变流，可使用谢才公式，通过假定水位不断试算的方法，计算各个断面处的水位流量过程。若假定河道水体为非恒定流，可选用HEC模型的一维水动力学方法。二维水动力学方法可选用HEC模型的二维水动力学方法、MIKE模型方法等。

洪水计算结束后在沿河村落范围内绘制控制断面，计算断面的水位流量关系。技术路线如图1所示。

图1　技术路线

四、外业调查方案的调整

为满足新疆某地区山洪灾害分析评价工作的总体变更需要，在开展山洪灾害防治区基本情况调查的基础上，开展补充调查和野外测量工作。补充调查和野外测量工作要围绕分析和评价工作的目的展开，需要体现山洪灾害重点防治区内沿河村落、集镇、城镇等防灾对象的现状防洪能力，根据实地调查情况进行危险区等级划分，并科学合理地确定转移路线和临时安置地点，确定准备转移和立即转移雨量预警指标，为不同的计算、分析和评价方法提供有力的调查和测量依据。

1. 山洪灾害补充调查和测量与原订调查内容的差异

补充调查和测量是对现有山洪灾害调查工作内容的补充和增加。原山洪灾害调查工作内容包括：

1) 防治区基本情况调查。开展山洪灾害防治区村落社会经济基本情况摸查、山洪灾害防治区村落危险区初查、小流域基本信息核查、历史山洪灾害和涉水工程调查。

2) 水文气象资料收集与整理。包括短历时强降雨资料、小流域暴雨径流资料和小流域产汇流资料的收集与整理。

3) 沿河村落河道水文调查。考查沿河村落所在河段历史洪痕，对沿河村落附近河道地形地貌、河段断面进行测量。

4) 社会经济情况调查。主要开展沿河村落居民户人口调查及高程测量。

5) 历史山洪灾害洪水调查。对历史山洪灾害发生地洪痕及河道大断面测量，收集历史山洪灾害对应的降水资料。

补充调查和测量除了以上工作外，还需重点收集防治区内的线状工程设施的技术资料，进行现场的核查、测量，并将调查结果标绘在工作底图上，对影响防治区的最新地形地貌资料的收集和调查范围扩大至整个冲-洪积扇平原，在防治区以外对影响冲-洪积扇平原的山洪沟口和涉水工程进行必要的控制断面测量和现场调查。

2. 山洪灾害补充调查和测量的主要内容

山洪灾害补充调查和测量内容主要针对影响洪水的地形地貌、工程设施，以及影响所有冲-洪积扇平原的山洪沟口处的控制断面资料。

(1) 地形地貌资料的收集和测量

1) 作业范围：涉及评价对象所在地及以外的整个冲-洪积扇平原区域。

2) 资料收集内容：较为精确的地形资料(DEM数据)，包括当地最新的1∶5000、1∶10 000、1∶50 000地形图测量成果资料等。

3) 数据购买：在地形资料缺乏的地区，购买World 10 m DEM数据，经过坐标系统和高程系统转换，并与野外测量数据相结合，满足山前冲洪积平原山洪灾害调查评价的要求。

4) 野外测量：在没有收集到可靠的地形地貌资料的区域，对影响洪水演进的关键地区实施必要的地形测量工作，主要内容包括控制测量和断面测量。

(2) 工程设施的调查和测量

1) 作业范围：防治区及其周边区域。

2) 收集和调查资料内容：评价对象所在区域内的人工渠道、公路、铁路、堤防，以及防治区以外主要影响地区所在地洪水演进的涉水工程的材质和尺寸等技术资料。

3) 测量内容：工程设施的平面分布位置、线状工程设施的纵横断面测量结果。

(3) 山洪沟口处的控制断面资料

1) 作业范围：防治区以外影响所有冲-洪积扇平原的山洪沟口处。

2) 测量内容：控制断面测量。

(4) 控制测量

1) 作业范围：工程设施的调查和测量区域附近及山洪沟口处需要进行山洪灾害调查评价的工作范围。

2) 测量内容：布设工作区域的四等GNSS基本控制网，视工作区域范围大小，可在四等GNSS基本控制网的基础上发展五等GNSS控制网，以四等或五等GNSS控制点作为基准站(起算点)，采用GPS RTK方法、全站仪方法等进行纵横断面测量。如果在工作范围附近无法收集已知平面及高程控制点，且没有建成连续运行参考站(continuously operating reference stations，CORS)系统的工作区域，可以采用精密单点定位(precise point positioning，PPP)技术解算不少于两个点的平面及高程作为四等GNSS基本控制网的起算数据。

五、结束语

通过对新疆某地区的实地查勘，本文探讨了适合该区域特征的山洪灾害调查评价方案，制订了合理的测量技术路线。结合评价对象的历史洪水资料，分析了洪水来源处的暴雨洪水规律，通过该算法确定了评价对象的防洪现状能力,在对评价对象构成保护作用的水利设施上，以水位预警为主建立了预警指标，为特殊工况的山洪灾害分析评价奠定了基础。

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The Measurement Scheme Discussion of Flood Disaster Survey and Assessment in Piedmont Alluvial-proluvial Plain Area——A Case Study of Xinjiang Flood Disaster Survey and Assessment

HUANG Kun，ZHANG Yunjiao，ZHU Wei

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2016-03-31

黄琨(1968—)，女，高级工程师，主要研究方向为地理信息工程与制图学。E-mail：HuangKun@126.com

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