辽东地区山洪灾害防御调查评价关键技术研究

2018-05-04冯琳

水利规划与设计 2018年4期

冯琳

(辽宁省水文局，辽宁沈阳 110055)

1 研究背景

山洪灾害是我国防洪减灾工作的重点和难点。辽宁省是山洪灾害高发的省份，特别是辽东区域，山高沟深，河谷纵横，地势起伏大，且处于我省的暴雨多发区，极易发生山洪灾害。近几年，辽宁省相继发生2010年“7·31”、2012年“8·04”、2013年“8·16”山洪灾害，东部地区均受到灾害。作为山洪灾害防治重点，2013年国家将辽东3市7县作为辽宁省首批进行山洪灾害调查评价的地区。开展东部地区山洪灾害防御调查评价关键技术研究工作，总结科学合理的确定预警指标是关键。近年来，国家高度重视，分批启动了各级山洪灾害防治县级非工程措施建设，并发挥了明显的防洪减灾效益。但在近年山洪灾害防御工作实践中存在仅凭经验确定预警指标和危险区域的问题，出现了预警范围大、针对性不强、人员转移安置难度大等问题。

2 存在的问题

做好山洪灾害调查评价是有效开展灾害防治非工程措施建设的重要工作，它包括山洪灾害调查测量和山洪灾害分析评价。

(1)由于山洪灾害重点地区多处于无基站、无基点、无资料的偏远山村和溪河沟道，调查测量中需要的点位经纬度和高程信息，在时间紧、人员及资金有限的情况下，传统的测量技术和方法无法满足测量要求。

(2)设计暴雨洪水计算是山洪灾害分析评价的重要基础工作，小流域暴雨洪水计算，特别是无资料地区小流域设计暴雨洪水计算问题，一直是国内外水学科专家在不断探索和研究的课题。

3 研究内容与技术路线

针对存在的问题，本研究以小流域为单元，以乡镇、村屯、重点单位及涉水工程为节点，率先开展了山洪灾害情况、小流域特征、水文气象、社会经济、涉水工程、受威胁区域等调查评价研究。主要研究内容包括：适合于山区无基础情况的测量技术研究、适合辽宁东部区域特点的无资料小流域暴雨洪水计算方法研究、防洪特征指标确定方法研究、防洪现状评价分析研究。技术路线如图1所示。

4 主要研究成果

4.1 测量技术研究

本次在山洪灾害调查测量中应用CORS站网布设的RTK测量技术结合卫星遥感和地理信息系统等技术完成小流域沟道断面等测量任务。

(1)实时动态移动定位、三角组网技术

应用3个参考站，组建三角形的参考站网，参考站的间距在50km左右，覆盖范围作业完成后，移动其中1个参考站，再次组成三角站网，进行其他范围作业。以此类推，以较少的参考站进行大覆盖范围的测量作业，精度达1～3cm。

图1 研究技术路线图

(2)测量数据综合处理技术

基于RTK测量数据，结合遥感技术(RS)，应用地理信息系统(GIS)，对测量数据进行综合处理。采用实时动态移动定位、三角组网技术及测量数据综合处理技术，完成小流域沟道断面等测量任务。工作效率是传统测量的10～100倍。本项目基于科学合理的CORS站网布设的RTK测量技术的应用，与传统测量方法相比较，测量方式更加方便、测量时效性增强、测量成果精度大大提高。

4.2 小流域设计暴雨洪水方法研究

设计暴雨计算采用《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》进行计算，典型历时设计面暴雨计算公式为：

(1)

汇流时间历时面雨量计算公式为：

τ≤1h，Pτp=P1p×τ1-n0p

1<τ≤6h，pτp=p24p×24n2p-1×6n1p-n2p×τ1-n1p

6<τ≤24h，pτp=p24p×24n2p-1×τ1-n1p

式中，τ—汇流历时，h；pτp—τ历时设计暴雨量，mm；P1P、P24P—1h、24h设计暴雨量，mm；n0p、n1p、n2p—暴雨衰减指数，如图2所示。

图2 辽东地区暴雨衰减指数查算图

暴雨时程分配：现有的设计雨型时段长为3h，历时达14个时段(42h)，远超过了山洪灾害分析评价所针对小流域的汇流时间/(时间长多在1～3h)，满足不了山洪灾害分析评价的需要。所以，选取地区典型降雨场次资料分析确定12个时段长为1h的设计雨型，见表1。

表1 抚顺市清原县暴雨时程分配表

例如：抚顺市清原县代表站海阳河小流域(流域面积190km2)汇流历时约为6h，根据表1的历史数据，选取表1中的降雨排位最大值为查询起点，汇流历时(如6h)为选择个数，尽可能以该值为中心，选择包含该最大值的6个连续降雨排位所对应的降雨量。然后根据各时段对应的降雨量确定每个时段占汇流历时降雨量的百分比。

设计洪水的计算采用新安江三水源模型、TOPMODEL模型、推理公式辽宁法等进行分析计算，对比多模型分析计算成果，选择适合区域特点的设计洪水计算模型，通过2010年以后实际发生洪水实测或调查资料，校正模型分析计算成果。

4.3 防洪特征指标确定方法研究

主要包括防灾对象水位流量关系及临界雨量研究。临界雨量是指导致一个流域或区域发生的山溪洪水可能致灾时，即达到成灾水位时，降雨达到或超过的最小量级和强度。本项目水位流量关系曲线是在各个防灾对象控制断面应用曼宁公式确定的，同时建立辽东小流域平均水深-平均流速相关关系，并做点群外包线，确定辽东小流域最大平均流速阈值，用以校验水位-流量关系曲线，确保控制断面水位流量关系的可靠性。临界雨量计算是在确定各防灾对象成灾水位、预警时段的基础上，选用水位流量反推法或临界雨量曲线法进行计算。以临界雨量曲线法为例介绍计算过程。

(1)最小临界雨量计算

最小临界雨量由临界水位对应的流量值，通过水量平衡方程求得：

I最小临界=3.6tQ临/F

(2)

式中，I最小临界—最小临界雨量，mm；Q临—河道相应断面的临界流量，m3/s；F—河道断面以上的集水面积，km2；t—计算时段。

以辽宁本溪县彦家堡子村为例分析，临界水位为222.35m，对应的洪峰流量为454m3/s。时段为1h的最小临界雨量I最小临界=3.6×1×454/86.6=18.9mm。

(2)临界雨力计算

雨力的计算公式为:

Sp=H24，p24n-1

(3)

式中，Sp—相应频率的雨力，mm；H24，p—年最大24h相应频率的设计暴雨量,mm；n—暴雨衰减指数。

以辽宁本溪县彦家堡子村为例分析：河道安全泄量约为20年一遇暴雨对应的设计洪峰流量。

Sp=170.6×240.60-1=170.6×0.28=47.8mm

(3)暴雨临界曲线绘制

暴雨临界曲线的表达式为：

I=(ax+b)/x

(4)

式中，I—时段的临界雨量，mm；x—次降雨过程对应的累积雨量，mm；a、b—参数。

对于最大临界雨量点有：x=I最大临界,I=I最大临界,对于最小临界雨量点有：x→∞，I=I最小临界。代入上式可求出参数a、b。

以辽宁本溪县彦家堡子村为例分析，村以上流域面积为86.6km2，河道安全泄量约为20年一遇暴雨对应的设计洪峰流量，查水文手册得暴雨衰减指数为n=0.60，暴雨临界曲线相关参数见表2。

I最大临界=47.8，I最小临界=18.9

求得a=18.9，b=1381.4

彦家堡子村的暴雨临界曲线方程为：

I=(ax+b)/x=(19.7x+1381.4)/x

表2 彦家堡子村暴雨临界曲线参数表

以累计降雨量为横坐标，时段临界雨量为纵坐标，绘制时段暴雨临界曲线，如图3所示。

图3 辽宁本溪县彦家堡子村暴雨临界曲线图

4.4 防洪现状评价分析研究

基于防灾对象的水位流量关系曲线、各特征水位及其对应的洪峰流量的频率以及各频率洪水位以下的累计人口(户数)和房屋数，绘制防灾对象防洪现状评价图，本研究根据各类特性曲线制作防洪能力评价特性表台账，同时基于VB、VBA和TeeChart插件开发绘制防灾对象防洪现状评价图支持程序，实现了评价图的批量自动生成，如图4所示。