滇东典型板桥小流域山洪灾害风险评估

苏文豪，甘淑，2，陈明义

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093；2.云南省高校高原山地空间信息测绘技术应用工程中心，昆明 650093；3.云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明 650500)

洪灾是伴随人类发展的主要灾种，从古至今在我国洪灾频发，损失巨大。据2013年国家防洪抗旱总指挥部统计，全国2 058个县(市)有山洪和泥石流分布，分布区面积达487×104km2，受威胁人口达到5.7亿人[1]。近10多年来，全国因山洪灾害造成的死亡人数占洪涝灾害死亡人数的比例高达70%～90%，且呈增长趋势成为造成人员伤亡的主要灾种之一[2]。

流域指河流或水系的补给区域也就是河流或水系的集水区域，流域是一条河流其干流与支流分水线所共同包围的区域，包含地表集水区和地下集水区[3]。山区小流域，是孕育山区洪水和山洪集中爆发的场所，是世界各国实施山洪风险管理的基本区域[4]。然而，至今为止，仍然没有山区小流域的确切定义。结合本文的研究，借鉴国内外的经验，若用面积阈值来定义山区小流域[5]，比如200 km2和50 km2这两个面积控制节点，对于本文的实际工作是远远不够的。很显然，针对云南高原面上的复杂的山地地形而言，处于同一条河流沟谷的上游聚落与下游聚落，其山洪发生的可能性大小、洪水量级、时间长短等特性是完全不同的。因此，首先明确山区小流域的概念，对于本文实际工作具有先导性的意义。

通过监测，近20 a来，云南省降水的强度和频次都有所增加，这更加大了山区局部洪涝灾害发生的风险。与此同时，由降雨引发的山洪、滑坡、泥石流等灾害也更加频繁，不仅严重威胁到山区人民的生命财产安全，而且也成为了制约山区经济发展的首要因素。因此，山区的防灾减灾形式异常严峻。

进行山洪灾害风险评估是论证山洪危险性的直接方法。它作为进行灾害预测、防治及灾后救助的基础，可以为山洪灾害的防治提供一定的技术指导。

1 研究区概况

罗平地区为滇东的多雨中心也是云南第四大多雨中心，多年平均年降雨量为1 720.9 mm，实测最大年降雨量达2 216.98 mm。罗平年平均暴雨日数都在3 d以上，有些年份可达5.4 d，其暴雨频次，为滇东地区之冠。板桥小流域位于罗平东部的多雨中心处，其流域形状呈扇形，西北低其余均为高山，其河流上游坡降大导致河流汇流速度快，而下游地区处于山间坝子，地势低平，不利于河水的快速消退，因此板桥小流域是滇东具有典型性的山区小流域。板桥小流域位于曲靖市罗平县东部的板桥镇内，地处滇、桂、黔三省区结合部，介于东经104°45′～104°57′，北纬24°88′～24°99′之间，流域面积89.7 km2。东西最大跨度约12 km2，南北最大跨度约12 km2。流域包括钟山乡西部小部分、旧屋基彝族乡北部小部分、板桥镇大部分。辖板桥、牛补歹、玉马、舍邦歹、金鸡、木呈、安勒、大鸡登、募补、乐岩、浙都、花红、大地坪13个村民委员会，3个居民委员会，40个自然村。

2 研究方法

本文提出基于暴雨洪水和DEM的小流域山洪灾害风险评估方法：首先水文比拟求断面洪峰流量，然后采用曼宁公式推求设计洪水位；再次基于DEM利用地理信息技术进行洪水的淹没范围分析；最后根据淹没范围，统计不同危险区内的人口和建筑等的分布情况，从而进行洪灾损失评估。

水文比拟法求断面洪峰流量：

以上述设计洪峰流量成果为依据，考虑面积、河长、比降等特征值按下式推求各测量断面洪峰流量：

(1)

式中，K为洪峰系数；J1、J2为设计流域、参证站的比降(‰)；L1、L2为设计流域、参证站的河长(km)；F1、F2为设计流域、参证站的流域面积(km2)；P1、P2为设计流域、参证站的24 h最大降水量均值(mm)。

2.1 洪水位推求

洪水波分为运动波、惯性波、扩散波、动力波，山区小流域河流的坡度较大，洪水波的运动可以近似为运动波，由动量方程简化得到运动波方程如下：

S0-Sf

(2)

式中，S0为断面底坡；Sf为水力摩阻。

由于非恒定流情况下的摩阻损失与恒定流情况下差别不大，因此采用应用最为广泛的曼宁公式计算水力摩阻。其基本形式为：

(3)

所以，山区洪水流量公式为：

(4)

式中，Q为流量;n为河道糙率系数;A为河道断面过流面积;R为河道断面水力半径;S0河道断面处的底坡。山区河流坡降较大，河道坡度大，水流以下切侵蚀为主，因此河道断面形态多为“U”形或不完整的“U”形断面。只有在村落附近的河段，如果修建了人工河岸或护堤，河道断面才会呈矩形或梯形断面。这些断面形态都可以概化成梯形断面，对梯形断面有：

A=B·h+h2·ctan α

(5)

(6)

式中，B为河道断面宽度;h为水深;α为边坡。因此，可得

(7)

2.2 基于DEM的淹没范围分析

随着地理信息技术的不断发展，基于数字高程模型DEM用水动力学计算通过GIS技术可以顺利的进行洪水的淹没范围分析和计算。本文利用高精度的DEM数据，以设计洪峰水位计算结果进行洪水淹没范围的推求，推求方法如下：

首先，由各断面的洪峰水位计算数值，沿着测量横断面方向向两岸计算，推求出该断面位置处的洪峰水位线。

然后，在小流域范围内，取多个断面，由相邻两个断面的洪峰水位线线性插值出一个水位面生成洪峰水位面。

最后，由洪峰水位面与DEM数据相减，即可得到掩没范围。基于现场调查成果中关于沿河村落、集镇和城镇人口高程分布数据，以及控制断面设计洪水计算成果，统计确定各频率洪水淹没高程下累计人口，根据实测的人口分布高程确定成灾水位，统计各频率设计洪水淹没范围内累计人口和房屋数及房屋面积，并根据这些统计数据进行现状防洪能力的分析，绘制现状防洪能力图。

3 板桥小流域山洪灾害风险评估

参照《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)以及《山洪灾害评价技术要求》的规定[6]，根据板桥小流域特性及防洪现状，暴雨洪水重现期取5 a一遇(p=20%)、10 a一遇(p=10%)、20 a一遇(p=5%)、50 a一遇(p=2%)、100 a一遇(p=1%)。由DEM经过ArcSWAT的小流域提取，板桥小流域的流域面积(F)89.9 km2，主河全长28.8 km，河道坡降0.015。流域无实测雨洪资料。

3.1 重点河段设计洪峰流量计算

选取小流域范围内防洪能力较低、沿河村落分布较多的河段为重点河段，这些河段分布在多依树村、江田所村、菜园村、普塘者小寨、对门村、白云安村、阿且村、乐岩村、普塘者村等9个自然村， 因流域范围内无水文站，且整个罗平县也只有两个水文站，所以选用水文比拟法计算重点河段控制断面的洪峰流量。各重点河段控制断面的流域特征参数如表1。

表1 重点河段控制断面洪峰流量

以小流域出水口设计洪峰流量成果为依据，考虑面积、河长、比降等特征值，根据公式计算得各重点河段控制断面设计洪峰流量，见表2。

表2 重点河段控制断面洪峰流量

3.2 重点河段洪水位的推测

断面的选择要以研究区域为主体，根据其自然地理特性和居民聚落的分布情况来确定具有代表性的河道控制断面。如下图1普塘者村，对照底图的河流位置、居民区分布情况布设了3个河道断面，从上游到下游依次布设为上游断面、控制断面、下游断面。其中，控制断面左岸不仅有居民分布，房屋地势低洼，且其断面过水面积较小，故设置为控制断面。

图1 断面布设示意图

针对板桥小流域的河道情况，共选取多依树村、江田所村、菜园村、普塘者小寨、对门村、白云安村、阿且村、乐岩村、普塘者村等9个重要河段，分别布设10个控制断面、10个上游断面、10个下游断面。其中菜园村沟道长，沟道两侧人口分布密集且地形平坦，因此布设2个控制断面。

上下游断面多为自然河道，呈“U”形，而控制断面由于多布设在人口分布密集且沟道一侧或两侧地形平坦，易发生山洪灾害的河段，大部分都有防洪能力较低的河堤，因此断面多呈“U”形或不完整的“U”形。在推求洪峰水位的时候可将其断面形状概化成梯形断面，以便求解。根据河道断面测量成果，概化河道控制断面为梯形断面，计算出河道坡降及控制断面水力参数，采用曼宁公式推求控制断面水位流量关系，计算结果见表3。

表3 板桥小流域重点河段控制断面洪峰水位

3.3 基于DEM的淹没范围分析

基于高精度DEM数据，利用GIS技术，分析各频率下掩没范围。并以landsat8，0.1 m分辨率的影像数据为工作底图，利用ArcSWART进行小流域提取，以AcrGIS10.2为平台，结合小流域基础资料，由洪水位推求结果基于DEM的进行淹没范围分析，如图2～6所示。

图2 5 a一遇洪水淹没范围

图3 10 a一遇洪水淹没范围

图4 20 a一遇洪水淹没范围

图5 50 a一遇洪水淹没范围

图6 100 a一遇洪水淹没范围

3.4 危险区的划分及结果分析

在危险区划分时，根据小于5 a一遇、5～20 a一遇、20 a～100 a一遇的洪水位，进行危险区等级划分。洪水重现期小于5 a一遇，发生频次较高，为极高危险区；大于等于5 a一遇，小于20 a一遇，发生频次中等，为高危险区；大于等于20 a一遇至历史最高洪水位，发生频次稀遇，为危险区[7-8]。在此基础上，基于设计洪水分析和现状防洪能力分析成果，结合地形地貌情况，划定板桥小流域各等级对应的危险区范围[9-10]。

根据小流域内10个重点河段的人口高程分布关系以及已统计的各频率设计洪水位下的累计人口和房屋数，绘制各重点河段防洪现状评价图如图7～16所示。由防洪评价图可知，菜园2组和菜园3组现状防洪能力最低，仅为3 a一遇，极高危险区内有31人和1 300 m2的房屋建筑面积，高危和危险区内有82人和一定房屋。菜园2组和菜园3组所在河道附近人口分布密集，同时河道两侧地势低平。白云安村的现状防洪能力也低于5 a一遇的洪水，根据调查结果，白云安村控制断面附近河道较为狭窄，同时河道附近的居民地分布的高程较低。

图7 菜园3组防洪现状评价图

图8 菜园2组防洪现状评价图

图9 白云安村防洪现状评价图

图10 江田所村防洪现状评价图

江田所村、对门村、阿且村、乐岩村、普塘者村其防洪现状能力为8 a、6 a、6 a、8 a、6 a一遇，极高危险区内基本没有居民点分布，高危险区范围内分别分布有32人、27人、28人、63人、53人和2 030 m2、390 m2、1 120 m2、3 410 m2、2 080 m2。

图11 对门村防洪现状评价图

图12 阿且村防洪现状评价图

图13 乐岩村防洪现状评价图

图14 普塘者村防洪现状评价图

图15 多依树村防洪现状评价图

多依树村、普塘者小寨现状防洪能力较高，分别为12 a一遇、13 a一遇，极高危险区内基本没有人和房屋，高危和危险区内有76人和一定房屋，该范围以上还有一定人员和房屋。这是由于多依树村位于小流域上游，其河流长只有1.8 km，流域面积较小，同时在流经村庄的河岸两侧有很好的护堤，普塘者小寨虽处板桥河下游，但根据调查结果，江田所河段人口分布的高程较高。

4 结论

进行了罗平县板桥典型山区小流域的风险评估。以滇东罗平县板桥小流域为例，应用所提出的基于暴雨洪水计算和数值高程模型的小流域山洪灾害风险评估方法进行风险评估。根据对小流域暴雨洪水的计算成果，采用水文比拟法推算出板桥小流域范围内10个重要河段控制断面的设计洪峰流量，采用曼宁公式进行洪峰水位推求。计算结果为：多依树控制断面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的设计洪峰水位依次为1 433.47 m、1 433.04 m、1 432.31 m、1 431.83 m、1 431.26 m；江田所村控制断面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的设计洪峰水位依次为1 416.42 m、1 415.82 m、1 414.79 m、1 414.12 m、1 413.30 m；菜园3组控制断面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的设计洪峰水位依次为1 417.20 m、1 416.28 m、1 414.71 m、1 413.70 m、1 412.48 m；菜园2组控制断面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的设计洪峰水位依次为1 410.59 m、1 409.91 m、1 408.76 m、1 408.01 m、1 407.09 m；普塘者小寨控制断面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的设计洪峰水位依次为1 406.39 m、1 405.54 m、1 404.10 m、1 403.18 m、1 402.05 m；对门村控制断面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的设计洪峰水位依次为1 418.77 m、1 418.21 m、1 417.25 m、1 416.63 m、1 415.88 m；白云安村控制断面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的设计洪峰水位依次为1 415.77 m、1 414.68 m、1 412.83 m、1 411.65 m、1 410.22 m；阿且村控制断面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的设计洪峰水位依次为1 440.47 m、1 440.25 m、1 439.88 m、1 439.63 m、1 439.33 m；乐岩村控制断面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的设计洪峰水位依次为1 433.55 m、1 432.68 m、1 431.19 m、1 430.23 m、1 429.07 m；普塘者村控制断面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的设计洪峰水位依次为1 400.26 m、1 399.17 m、1 397.31 m、1 396.11 m、1 394.66 m。根据基于DEM的洪水淹没分析和洪灾损失评估，流域范围内的多依树村、江田所村、菜园2组、菜园3组、普塘者小寨、对门村、白云安村、阿且村、乐岩村、普塘者村10个重点河段其防洪现状能力约为12 a、8 a、3 a、3 a、13 a、6 a、4 a、6 a、8 a、6 a一遇，对应洪峰流量为40.93 m3/s、148.39 m3/s、93.46 m3/s、86.81 m3/s、202.37 m3/s、39.07 m3/s、73.42 m3/s、28.25 m3/s、158.38 m3/s、173.46 m3/s。总体来看，在板桥小流域范围内选取的10个重点河段，其中有8个的现状防洪能力不能抵抗10 a一遇的洪水，这之中又有3个的现状防洪能力低于5 a一遇，可以看出板桥小流域的防洪现状能力较低。

图16 普塘者小寨防洪现状评价图

[1] 张志彤.关于2014年防汛抗旱工作的报告[J].中国防汛抗旱,2015,25(1):8-13.

[2] Carrara A, Cardinali M, Detti R, et al..GIS techniques and statistical models in evaluating landslide hazard[J].Earth Surface Processes and Landforms.1991,16(5):427-445.

[3] 刘文兆.小流域水分行为、生态效应及其优化调控研究方面的若干问题[J].地球科学进展，2000，21(5):541-544.

[4] 曹波.基于RS和GIS的小流域综合治理效益评价[D].北京:北京林业大学,2011.

[5] 崔积家,桑国庆,袁泉.基于推理公式的典型小流域防洪计算分析[J].山东水利.2016,12(2),20-21.

[6] 陈家琦，张恭肃.小流域暴雨洪水计算[M]．北京：水利电力出版社，1985.

[7] 谢平,陈广才,李德,等.乌鲁木齐地区小流域设计山洪推理公式的参数规律[J]:山地学报，2006，24(4):410-415.

[8] Devantier,Bruce A,Feldman,et al.Review of GIS Applications in Hydrologic Modeling[J].Journal of Water Resources Planning Management.1993,119(2):45-62.

[9] 邵利萍.无资料小流域洪水叠加计算方法初探[D].浙江大学.2009.

[10] 廖华云,廖元秀,黎志键.应用推理公式计算广西特小流域暴雨洪水可突破值限制的探讨[J].广西水利水电,2013,10(1):27-29,36.