山洪灾害调查评价技术在无资料小流域洪水预警中的应用

程 曌

(黄山水文水资源局，安徽 黄山 245000)

随着中小河流水文监测系统建设项目的实施，全国各地新设了大量的水文站、水位站。为了更好地为中小河流防灾减灾服务，要求编制新设水文站、水位站洪水预报方案或预警方案。但新建设的水文站、水位站大都缺乏水文资料，传统的预报方案编制方法在这些流域无法应用。为解决无资料小流域预警方案编制问题，尝试将山洪灾害分析评价技术应用于无资料小流域预警方案编制。以漳河黟县水位站为例对其可行性进行研究。

1 概 况

1.1 流域自然地理概况

黟县水位站地处皖南山区黟县碧阳镇，位于漳河中上游。漳河顺城而过，流域面积为40.6km2，该流域几何特征见表1。流域内的洪水由降水产生，洪水的时空分布特点与降水基本一致。本地区降水多集中在4—7月，年内分配不均，多年平均降水量为1800mm左右。黟县水位站为中小河流水文监测系统建设项目新建水位站，2013年5月28日安装水位自动测报设备，设站目的是为黟县城区防洪提供监测预警服务。漳河是一条源短、流急的山溪性河流，河道坡度大，洪水涨落快、历时短。流域内突发性山洪灾害多，漳河沿岸在1954年、1969年、1996年曾遭受较大洪灾，损失惨重。

表1 流域几何特征

1.2 流域及测验河段基本情况

该站址所处河道顺直、河床规则、河岸稳定，地形条件符合水位变幅要求。断面上下游河道顺直，两岸建有浆砌块石护岸，河床由砂、卵石组成，断面下游360m有翻板坝。测验河段纵断面及基本水尺横断面见图1、图2。

图1 黟县水位站测验河段纵断面

图2 黟县水位站水尺横断面

2 水位-流量关系分析

黟县水位站测验河段没有洪水调查资料，洪水比降用水尺断面上下游的河底比降2.2‰代替，糙率取0.035。用曼宁公式推算黟县站水位-流量关系，见图3。

图3 黟县水位站水位-流量关系

3 方案构建

黟县水位站为新设站，仅流域出口断面附近有黟县雨量站，无径流资料。黟县水位站流域面积40.6km2，根据流域几何特征及《黄山水文手册》提供的暴雨参数等值线图和经验公式，初步计算得知黟县水位站汇流历时约4h，洪峰滞时约1.5h。对于既缺乏实测水文资料、面积小、涨水历时及洪峰滞时很短的流域，用移植方案作水文预报既难以保证作业预报成果精度，又因受预见期所限对防洪决策意义不大。因此，拟选择雨量预警方案。通过对漳河及两岸防洪对象的分析确定成灾水位，利用水位-流量关系将成灾水位转换为成灾流量，推算成灾流量相应的频率，用无资料流域灾害与降雨同频率的方法确定预警临界雨量。

3.1 设计暴雨

黟县水位站出口断面处设有黟县雨量站，该站虽然设立较早，雨量资料系列较长，但短历时暴雨资料却只有20年且有间断不连续，不宜用来分析计算设计暴雨。采用《黄山水文手册》暴雨参数图集查询该流域汇流历时内最大1h、3h，常规时段最大6h、12h、24h暴雨参数，Cs取3.5Cv。

设计暴雨计算采用公式：

式中：Xp为某一频率的时段最大降水量，mm；Kp为皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数；X为时段降雨均值,mm。

设计暴雨成果见表2。

表2 设计暴雨计算成果 单位：mm

3.2 汇流历时计算

根据《黄山水文手册》中提供的经验公式，由流域下垫面几何特征及暴雨参数，计算流域汇流时间，结果见表3。

表3 黟县流域汇流时间成果

3.3 设计洪水计算

设计洪水计算常用的方法有经验公式法、频率分析法、推理公式法、单位线法、模型法等。由于设计洪峰流量的计算结果直接影响预警阈值的合理性，设计洪水应采用多种途径进行分析计算，谨慎选择成果，保证成果的合理性。考虑到黟县地区缺乏水文资料的现状，本次计算分别采用经验公式法、推理公式法及模型法计算不同频率下的设计洪峰流量。

3.3.1 经验公式法推求洪峰流量

经验公式法是根据有实测水文资料的水文站年最大流量频率计算的成果和流域几何特征参数，建立设计洪峰流量与流域面积和河道坡度的相关关系，得出经验公式，供无资料地区设计洪水计算用。利用该方法推算洪峰流量的过程简单便捷，将设计流域参数代入公式直接计算即可。《黄山水文手册》中的流域面积200km2以下地区的计算公式如下：

多年平均值：

Q=-0.0049F2+3.0771F+10.843

(1)

1%：Q=-0.0188F2+11.751F+21.095

(2)

2%：Q=-0.0163F2+10.179F+19.438

(3)

5%：Q=-0.0128F2+8.0506F+17.631

(4)

10%：Q=-0.0102F2+6.4218F+15.927

(5)

式中：F为流域面积，km2。

根据式(1)～式(5)，频率为1%、2%、5%、10%和20%的设计洪峰流量分别为467m3/s、406m3/s、323m3/s、260m3/s和204m3/s。

3.3.2 推理公式法推求洪峰流量

推理公式法是由暴雨间接推求设计洪水的方法之一，由于它存在对降水径流成因的一些假定和概化因素，只适用于小流域。黟县水位站集水面积40.6km2，所以该种方法适用。

推理公式法洪峰流量计算公式为

Q=0.278Ψ(S/τn)F

(6)

(7)

(8)

式中：Q为最大流量，m3/s；Ψ为洪峰径流系数；S为暴雨雨力，mm/h；τ为流域汇流时间，h；n为暴雨衰减指数；F为流域面积，km2。

根据式(6)～式(8)，频率为1%、2%、5%、10%和20%的设计洪峰流量分别为431m3/s、381m3/s、314m3/s、264m3/s和213m3/s。

3.3.3 模型法推求洪峰流量

新安江模型在无资料地区，流域参数根据流域大小及河道坡度、雨量点距离出口断面的距离等情况确定，流域平均演算段数可根据流域面积取经验值。由于产流参数、单元面积的河道汇流对设计洪水计算影响较小，黄山地区可采用模型参数经验值。在汇流参数中Cs0最为敏感，它有随流域面积增大而增大的趋势，可参考有资料流域分析成果选用，Cs0+α1≈1(α1是用于调节Cs值的相关参数)。

根据水文模型计算，频率为1%、2%、5%、10%和20%的设计洪峰流量分别为417m3/s、372m3/s、311m3/s、265m3/s和217m3/s。

3.3.4 设计洪水成果分析

考虑3种方法推算的设计洪峰流量比较相近，所以成果可取其平均值，设计洪峰流量计算成果见表4。

表4 黟县流域设计洪峰流量计算成果 单位：m3/s

3.4 成灾水位、流量

黟县水位站建在漳河流经县城的最上游，这里基本保持了河道原状，两岸有少量住户。水位站下游50m以下为中心城区，为提高防洪标准，经过对中心城区段河道进行的规划、整治，防洪标准定为15年一遇。经综合比较分析，黟县水位站河道为全城防洪标准较低点，确定黟县站的成灾水位为204m，根据黟县水位站水位-流量关系可推求出成灾水位相应的流量为278m3/s，重现期12年一遇。

3.5 预警临界雨量

对于无资料小流域，可用灾害与降雨同频率的方法确定预警临界雨量。将成灾流量278m3/s对应的频率8.33%作为预警临界雨量所对应的频率，再根据此频率推求出不同时段下的降雨量，此降雨量即是所求的各时段雨量的预警阈值。

因黟县水位站汇流时间一般大于4h，由12年一遇成灾流量，查算同频率最大1h、最大2h、最大3h、最大6h设计雨量作为预警临界雨量，成果见表5。

表5 黟县水位站各时段临界雨量

3.6 雨量预警

在中小河流水文监测系统工程项目中，黟县城区，相邻的西武、宏村都设立了雨量自动测报站。当黟县上游及周边自动测报站最大1h雨量达到临界雨量时，发出雨量预警信息，提请各部门做好防汛准备。随着持续降水，如最大2h雨量达到临界值，防洪威胁加大，建议低洼处居民做好转移准备。当最大3h雨量达到或超过临界值，建议县城低洼处居民提前转移至安全地带。

4 结 语

山区强降雨往往是山洪灾害发生的主要影响因素，故将其作为山洪灾害的主要预警指标。本文通过利用山洪灾害调查评价技术，推算出了黟县地区的预警临界雨量，取得了较好的成果，可见该技术在小流域无资料地区的应用是可行且好用的。在中小河流新设水文站或水位站洪水预报方案、预警方案的编制工作中，合理运用山洪灾害调查评价技术，能够很好地解决新设站点没有水文资料或缺乏水文资料的难题，其推算出的成果可为洪水灾害的预警工作提供信息化的依据，为防灾减灾工作提供强有力的支撑。

随着城市化建设的不断更新与发展，流域的地貌及特性也会发生改变，不断产生新的防洪问题。在实际的水利工作中，需要充分考虑流域内防护工程的承载能力，合理编制并运用洪水预警方案的成果，同时应加强资料系列的补充，以校核完善预警阈值的准确性，提高洪水灾害的防御能力。