辽阳市太子河区山洪灾害风险评价

2024-03-08李焕玉

地下水 2024年1期

李焕玉

(辽宁省水利事务服务中心,辽宁沈阳 110003)

山洪灾害的复杂性和不可预测性使其预测、预防成为防汛工作中的难点,由于我国地域广阔,地理特征差异性明显,加上山丘区的经济社会发展不均衡、降水分布的时空变异性高和面积较大等因素,使得山洪灾害频繁发生,不仅对基础设施造成严重破坏,而且对生命和财产安全构成严重威胁[1]。近年来,随着经济的发展和人口的增多,洪涝灾害对山丘区的威胁也日益加大,并成为制约可持续发展的重要问题之一。评估无资料山区的山洪灾害风险是灾害防治工作的延续,也是风险普查的重点工作[2]。目前,主要有DEM法、水文模型法、参数移植法和“从有到无”法等水文预报方法,其中DEM法主要是利用遥感影像提取流域参数,完成相应的水文计算,但该方法对遥感影像的精度要求高,在平原区的适用性较差;水文模型法的关键是提高模型的独立性,通过建立水文模型降低对数据的依赖度;参数移植法则基于有资料与无资料地区在地理位置和流域面积上的相似性,通过参数移植来进行水文分析,但该方法无法全面考虑预报模型参数受水文特征或下垫面条件的影响,实施应用时具有一定局限性;“从有到无”法是常用的方法,将有资料流域的信息通过插值和外推推算到无资料地区[3]。对于无资料山区,通常选择内外业调查相结合的方法进行山洪灾害风险评价,具体而言,在准备阶段可以使用之前的山洪分析成果,从而确定暴雨洪水参数,然后进行预警指标分析、防洪现状评价及设计暴雨洪水计算等,对以上各环节选择合适的方法是实现山洪风险评价的关键。

鉴于此,本文结合沿河宅基地高程、河道断面、下垫面条件及成灾水位等数据,采用地形图和MIKE11软件计算不同频率洪水淹没范围及水位,并进一步明确预警指标以及各等级危险区,旨在为当地防洪治理和山洪预警提供一定支持。

1 区域概况

太子河区位于太子河冲积平原上,总土地面积273.37 km2,地势东南高,西北低,自东向西倾斜。该区域属大陆性季风气候区,年均降水量739.7 mm,年际间变化较大,多集中于6-9月,占全年的73%。境内有大小河流8条,其中铁西街道有太子河段7.4 km、城市总干渠、城市北排水,祁家镇有南地河、机场排水、城市南北排水,东宁卫乡有南地河,沙岭镇有太子河段14 km、柳壕河5.7 km、兵马河6 km,王家镇有太子河段13 km、北沙河7.8 km、浑沙河1 km。根据《辽阳市城市防洪预案》,位于太子河右岸的王家镇辉宁堡村为太子河第二人工分洪点,堤防高约6m,人工分洪长度100 m。滞洪区为北沙河以西、太子河以北、小小公路以南,小浑河以东地区,集水面积113.0 km2,可蓄水量2.30×108m3,淹没时间28 h。

太子河上游地区植树造林,拦截降水,减少地面径流,延缓洪峰发生时间和减小峰量;太子河干流和支流上修建有葠窝、观音阁、汤河三座大型水库,蓄水总容量36.1×108m3,防洪库容25.2×108m3,可有效地调蓄洪水,三库联合调度削减洪峰,使下游地区发生超标准洪水的频次大大减少。由于特殊的地形和气候条件,太子河区容易受到台风和突发强降雨影响,引发山洪灾害,对山区居民安全构成潜在威胁。研究区主要河流有太子河和北沙河,对防洪能力有重要影响,因此选择太子河、北沙河进行水位流量关系的评估分析,以更好地掌握太子河区的山洪灾害风险,并制定相应的预警和防护措施。

2 研究方法

2.1 洪水计算

(1) 设计暴雨。根据当地变差系数、降雨量均值等值线图以及定点定面关系表,计算不同频率下各流域的设计面雨量[4]。其中,降雨均值等值线图可提供不同地点的平均降雨量分布情况,变差系数等值线图揭示了降雨的变异性和不确定性程度。

(2) 设计洪水。针对无资料地区,应充分考虑流域面积大小选择相应的计算方法[5]:流域面积<50 km2,采用推理公式推导的关系式计算设计洪水;面积>50 km2,使用瞬时单位线法通过考虑不同时段内的单位面积洪峰流量,更准确地估计设计洪水;面积>300 km2时,为保证计算精度,将流域划分为多个单元进行计算,这还可以降低计算复杂性。

2.2 防洪现状分析

通过计算设计洪水评价区域防洪能力,结合评价结果统计不同危险区的房屋和人口数,为制定洪灾防御、人员转移及临时安置预案提供数据参考。通过分析不同水位下的洪峰流量及其与沿河桥涵、房屋、道路之间的关系,统计确定设计洪水下的承载水位、人口和房屋数全面分析防洪现状。

洪水位计算。通过率定和验证水动力学模型参数计算不同重现期洪水,结合分析结果明确各断面最高水位,并对比各断面成灾水位与洪峰水位,选取防洪最薄弱断面为控制断面,按照成灾水位判定区内防洪能力,参照流量-水位关系曲线计算成灾流量。对不同重现期设计暴雨和洪水进行试算,从而确定设计洪峰量,若设计洪峰量与某重现期成灾流量之差处于误差允许范围,则该断面能够达到要求的防洪能力。

划定淹没危险区。结合各频率洪水位及地形地貌条件,在地图上划定极高、高和一般危险区。

淹没分析。根据不同频率最高洪水位建立流量-水位线,综合分析DEM数据、历史水灾、局部地形、堤防高程和沿河居民调查表等资料,建立淹没范围内的水位-人口关系线,将两者相结合绘制防洪现状图,可以为决策者制定更有效的防洪措施和应对策略提供参考。

2.3 预警分析方法

(1) 预警指标。通常包括临界水位和雨量,可以分为准备和立即转移两个级别。对于无资料地区,临界水位主要来源于水位监测站,但是太子河区还未设立监测站。所以,本文选择临界雨量作为预警指标进行研究。

(2) 土壤含水量。流域土壤的湿度一般和较湿两种情况分别选用Pa=0.75 Wm、Pa=0.90 Wm进行表征,其中Wm、Pa为流域最大蓄水量和和流域蓄水量。

(3) 预警时段。这取决于当地的下垫面、形状系数、平均比降、流域面积及暴雨特性等因素,一般选择0.5 h、1 h、3 h和6 h作为预警时段。

(4) 临界雨量。常用的分析方法有等雨量法、统计归纳法和经验分析法等,由于水文水力学法充分分析率物理机制,其预警精度以及对数据资料的要求较高。考虑到河道特性、下垫面条件和降雨数据的充分性,本次选用水文水力学法来确定临界雨量,即利用曼宁公式计算预警水位对应的流量,并进一步反推出临界雨量作为预警指标。

结合以往的转移和预警情况,短时间转移危险区全部人员难以实现。所以,将立即转移因子设定为临界雨量的90%,并将其向前推0.5 h作为准备转移的阈值,从而能够提前预警,使人们做好转移准备,降低潜在的灾害风险。

2.4 数据来源

3 结果与分析

3.1 太子河区洪水分析计算

典型历时选取10 min、1 h、6 h和24 h,并推算5 a、10 a、20 a、50 a和100 a一遇的暴雨频率,然后利用辽阳市短历时暴雨中的数据确定太子河区不同历时的点暴雨量和变异系数Cv均值,结合雨强系数Kp及点面转换系数计算设计面暴雨值如表1。

表1 设计暴雨量计算值

根据太子河区具体情况和小流域山洪特点,在产流部分净雨量计算过程中选择蓄满产流模型,且不考虑蒸发量损失。研究选用的北沙河、太子河面积均不超过50 km2,故对首个断面设计洪水使用推理公式法进行计算,结果如表2。

表2 不同频率下的设计洪峰流量

3.2 太子河区现状防洪能力

(1) 建立水动力模型。根据太子河区所处的河势、地势、地形和流域位置等情况,为了达到洪水计算要求共设置30个断面,其中太子河22个和北沙河8个。为了更加客观地反映太子河区的河道情况,充分考虑其他支流汇入情况以及堰坝、桥梁等因素影响,采用MIKE11软件建立一维水动力学模型并生成该画图。概化范围为下游水位边界至太子河区起点断面,概化断面为实测断面。另外,设定上边界条件为各频率的设计流量,表2为设计流量的数据来源,固定的水位选用洪水的下边界条件。

(2) 划定淹没危险区。通过洪水计算确定最高水位,通过比较洪峰水位与各断面的成灾水位,并考虑太子河区地形图可明确各等级下的淹没范围。

(3) 淹没分析。在最薄弱防洪断面选择时,将控制断面选为两条河流中最先淹没的断面,在此基础上从MIKE系统中提取各断面最高水位,采用前文所述的计算方法进行洪水位的相关计算,结果如表3。

表3 各流域控制断面设计洪峰水位

根据洪水计算成果和淹没范围内的水位-人口关系,可以利用控制断面的水位-流量关系绘制太子河区的防洪现状评价图。

3.3 太子河区预警雨量确定

考虑到太子河区内的河流洪水流速较大的特点,使得上、下游断面之间的洪水传播时间较短。此外,由于缺乏自动水位站,对上游无法获得准确的水位数据,但该区域建设的雨量站较为完善,可以获得可靠的雨量数据。因此,本文选择预警指标为临界雨量值,结合相关技术要求确定汇流时间以及0.5 h、1.0 h、3.0 h、6.0 h作为预警时段。采用前文所述方法反推临界雨量、立即和准备转移指标(见表4)。

鉴于北沙河预警指标普遍较高的情况,为了保证太子河区的安全,将北沙河的预警指标作为太子河区的预警标准,洪水来袭时,太子河区居民将根据北沙河的预警指标来采取相应的预防和保护措施,使其在面对洪水威胁时能够更加迅速、有效地做出反应,确保太子河区整体安全。