方山县防洪现状评价研究

2018-11-22刘晓丽

山西水土保持科技 2018年3期

刘晓丽

（吕梁市水文水资源勘测分局圪洞水文站）

1 资料和方法

1.1 区域概况

方山县地处山西省西部，黄河一级支流三川河流域北川河上游。全县国土总面积977 km2，总人口13.0万人，辖2乡5镇，共169个行政村，270个自然村。全县耕地总面积1.71万hm2。属暖温带大陆性干旱、半干旱季风气候，四季变化较明显，春季干燥多风，夏季炎热少雨，秋季阴雨连绵，冬季干燥寒冷。

目前，方山县山洪灾害防治非工程措施项目已基本建设完成，其中包括自动监测站29处，简易雨量站94处，简易水位站5处，无线预警广播101处。布设的这些站点，构成了全县山洪灾害监测预警体系站网；建成的1个县级预警平台和7个乡镇级预警设施，组成了从预警平台到重点防治区域的报警体系。

1.2 数据来源及分析方法

本项研究所采用的数据以2011年为蓝本，依据水利普查及现场实际调查所得。文中设计暴雨和设计洪水计算，均采用《山西省水文计算手册》（以下简称《水文手册》）中的方法，其中设计暴雨采用间接法计算，设计洪水采用流域模型法计算。

2 设计暴雨与洪水

2.1 设计暴雨

采用《水文手册》中推荐的间接法，对本县49个沿河村庄进行设计暴雨的计算。依据《山西省山洪灾害分析评价技术大纲》（以下简称《大纲》）规定，暴雨历时确定为10 min、60 min、6 h、24 h和3 d共5种，暴雨频率为1%、2%、5%、10%和20%，其对应的暴雨重现期为100 a一遇、50 a一遇、20 a一遇、10 a一遇和5 a一遇。

从水文分区来看，方山县位于山西省水文分区的西区，采用《水文手册》中西区主雨日24 h雨型模板为设计雨型。计算的方法步骤为：

（1）首先，在《水文手册》中各标准历时点暴雨和统计参数等值线图上，读取典型历时的点暴雨均值和Cv值。

（2）然后，根据读取的Cv值和各历时点暴雨均值，计算不同频率下各标准历时的设计点雨量。

（3）接着，根据点面折减系数，计算不同频率下各标准历时的设计面雨量。

（4）最后，根据设计雨型计算设计暴雨的时程分配。

2.2 设计洪水

采用《水文手册》中推荐的双曲正切模型进行设计净雨计算，净雨过程采用变损失率推理扣损法计算；采用流域模型法对全县的沿河村庄进行设计洪水计算，汇流时间采用水文模型法确定分析。根据《大纲》规定，假设设计洪水与设计暴雨同频率，设计洪水的频率亦为1%、2%、5%、10%和20%，其对应的洪水重现期为100 a一遇、50 a一遇、20 a一遇、10 a一遇和5 a一遇。设计洪水通过设计暴雨推求。

3 防洪现状评价

3.1 评价方法

现状防洪能力评价，主要是在设计洪水分析的基础上，根据水面线分析成果，划定危险区范围；并根据实测的居民户高程信息，统计各沿河村落5个典型频率设计洪水位下的累计户数、人口，获得水位-流量-人口关系，进而综合评价现状防洪能力。针对防灾对象，主要评价内容包括：成灾水位与控制断面确定、控制断面水位-流量关系曲线、成灾水位对应的洪峰流量频率分析、水位-流量-人口关系统计等四部分。

3.1.1 成灾水位与控制断面的确定

对比临河一侧居民户的高程与沿河村庄河段水面线，确定成灾水位。具体方法如下：

（1）根据各设计频率洪水的淹没范围，确定可能威胁到居民户的最小设计洪水重现期。

（2）将该重现期设计洪水可能淹没的临河一侧居民户，投影到纵断面上，绘制出居民户高程与该重现期设计洪水水面线的对比示意图，居民户低于水面线的即代表被淹没。

（3）距离该洪水水面线最远的居民户高程，即为成灾水位；距离该居民户最近的横断面，即为控制断面。

3.1.2 控制断面水位-流量关系曲线

确定控制断面水位-流量关系曲线时，如有实测的相关资料或成果，可优先采用。对于无资料地区，利用各频率水面线分析成果，绘制控制断面-水位流量关系曲线。方山县各沿河村庄控制断面均无实测资料，控制断面的水位-流量关系计算具体方法如下：

（1）对于控制断面为河道的，根据不同频率的设计洪峰流量，应用水面线软件计算沿河村庄的水面线，统计生成控制断面水位-流量关系曲线。其中，河道比降数据采用省测绘院提供的纵断面数据，横断面数据为修正后的省测绘院提供的数据，糙率根据各沿河村庄实际状况选取。

（2）对于控制断面为涉水工程的，如桥梁、涵洞等，采用水力学法计算其过水能力，将其作为致灾水位对应的洪峰流量。因涉水工程水位-流量关系的影响因素较多，本次在其上下游选取与控制断面相类似的断面，计算其相应水位-流量关系。

3.1.3 成灾水位对应的洪水频率

成灾水位所对应的洪水频率，主要根据水位-流量关系曲线，推求成灾水位对应的洪峰流量，利用洪峰流量频率曲线采用插值法确定其频率以及重现期。

3.1.4 水位-流量-人口关系

根据防灾对象5个典型频率设计洪水对应的水面线和省测绘院提取的沿河村庄居民户高程，结合地形地貌与居民户高程情况，勾绘划定各频率设计洪水淹没范围，并统计不同频率设计洪水位下的累计人口和户数。

3.2 典型村庄现状防洪能力评价

武家庄村位于方山县大武镇的董河滩沟下游，控制断面以上流域面积28.10 km2，河长11.34 km，河道比降30.80‰。全村共65户，135口人。该村沿河分布，村庄周边主要河流为懂河滩沟。居民户主要位于河流右岸，村庄紧邻G209线，公路位于河道右侧。

武家庄村附近河床为砂砾石河床，河槽较平整顺直，断面较齐整，水流较通畅，岸壁两侧均长有杂草，滩地长有杂草、小树。综合分析确定，武家庄村河段河槽糙率为0.025，滩地糙率为0.035。

图1、图2分别为武家庄村居民户高程与水面线对比示意图、控制断面水位-流量关系曲线图。

图1 居民户高程与水面线对比示意图

图2 控制断面水位-流量关系曲线图

根据计算结果，该村成灾水位为1 075.06 m，对应的成灾流量和重现期分别为425 m3/s和50 a；在极高危险区和高危险区范围内无居民居住；危险区范围内有3户，共15人。根据水位-流量关系曲线及成灾水位、各频率设计洪水位下的人口、户数统计信息，绘制该村的防洪现状评价图（图3）。

图3 防洪现状评价图

4 预警指标及危险区图绘制

4.1 预警指标分析

预警指标分析主要针对危险区内的各个沿河村庄进行，分为准备转移和立即转移两级。雨量预警通过分析不同预警时段的临界雨量得出，其指标包括时段及其对应雨量，具体表现为各个预警时段的临界雨量、准备转移雨量和立即转移雨量。雨量预警指标计算，采用双曲正切产流模型与单位线流域汇流模型，对沿河村庄控制断面以上流域，进行产汇流模拟分析，以推求雨量预警指标。受坡面径流和淤地坝的影响，沿河村庄直接采用降雨频率进行预警指标分析。由于临界雨量是从成灾水位对应的洪水流量推算的，所以，在数值上认为临界雨量即为立即转移指标。准备转移指标：当预警时段汇流时间为0.5 h时，准备转移指标为立即转移指标×0.7；当预警时段汇流时间为1 h、2 h、3 h和6 h时，前0.5 h的立即转移指标即为该预警时段的准备转移指标。

4.2 危险区图绘制

根据《大纲》的要求，针对每一个防灾对象进行危险区图绘制，包括基础底图信息、主要信息和辅助信息3类。各类信息主要包括：

4.2.1 基础底图信息

主要为遥感底图信息、行政区划、居民区范围、危险区、控制断面、河流流向、防灾对象在县级行政区的空间位置等。

4.2.2 主要信息

主要为各级危险区（极高、高、危险）空间分布及其人口（户数）、房屋统计信息、转移路线、临时安置地点、典型雨型分布、设计洪水主要成果、预警指标、预警方式、责任人、联系方式等。

4.2.3 辅助信息

主要为编制单位、编制时间以及图名、图例、比例尺、指北针等地图辅助信息。

图4为绘制的武家庄村危险区图。

5 结论

方山县共160个行政村，其中位于重点防治区的行政村为49个。根据《大纲》要求和现场查勘情况，确定了49个沿河村落作为分析评价对象，并对其进行了现状防洪能力、危险区划分及预警指标等方面的分析评价，主要结论如下：

5.1 沿河村庄现状防洪能力

分析评价表明，在49个沿河村庄中：有4个现状防洪能力较高，大于100 a一遇洪水水位；其余45个沿河村庄，现状防洪能力均在100 a一遇洪水水位以下。其中，防洪能力小于5 a一遇洪水水位的有4个，5-20 a一遇洪水水位的有25个，20-50 a一遇洪水水位的有12个，50-100 a一遇洪水水位的有4个。