蘇文豪，甘淑，2，陳明義

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093；2.云南省高校高原山地空間信息測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用工程中心，昆明 650093；3.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，昆明 650500)

洪災(zāi)是伴隨人類發(fā)展的主要災(zāi)種，從古至今在我國(guó)洪災(zāi)頻發(fā)，損失巨大。據(jù)2013年國(guó)家防洪抗旱總指揮部統(tǒng)計(jì)，全國(guó)2 058個(gè)縣(市)有山洪和泥石流分布，分布區(qū)面積達(dá)487×104km2，受威脅人口達(dá)到5.7億人[1]。近10多年來，全國(guó)因山洪災(zāi)害造成的死亡人數(shù)占洪澇災(zāi)害死亡人數(shù)的比例高達(dá)70%～90%，且呈增長(zhǎng)趨勢(shì)成為造成人員傷亡的主要災(zāi)種之一[2]。

流域指河流或水系的補(bǔ)給區(qū)域也就是河流或水系的集水區(qū)域，流域是一條河流其干流與支流分水線所共同包圍的區(qū)域，包含地表集水區(qū)和地下集水區(qū)[3]。山區(qū)小流域，是孕育山區(qū)洪水和山洪集中爆發(fā)的場(chǎng)所，是世界各國(guó)實(shí)施山洪風(fēng)險(xiǎn)管理的基本區(qū)域[4]。然而，至今為止，仍然沒有山區(qū)小流域的確切定義。結(jié)合本文的研究，借鑒國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，若用面積閾值來定義山區(qū)小流域[5]，比如200 km2和50 km2這兩個(gè)面積控制節(jié)點(diǎn)，對(duì)于本文的實(shí)際工作是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。很顯然，針對(duì)云南高原面上的復(fù)雜的山地地形而言，處于同一條河流溝谷的上游聚落與下游聚落，其山洪發(fā)生的可能性大小、洪水量級(jí)、時(shí)間長(zhǎng)短等特性是完全不同的。因此，首先明確山區(qū)小流域的概念，對(duì)于本文實(shí)際工作具有先導(dǎo)性的意義。

通過監(jiān)測(cè)，近20 a來，云南省降水的強(qiáng)度和頻次都有所增加，這更加大了山區(qū)局部洪澇災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，由降雨引發(fā)的山洪、滑坡、泥石流等災(zāi)害也更加頻繁，不僅嚴(yán)重威脅到山區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，而且也成為了制約山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首要因素。因此，山區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)形式異常嚴(yán)峻。

進(jìn)行山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是論證山洪危險(xiǎn)性的直接方法。它作為進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測(cè)、防治及災(zāi)后救助的基礎(chǔ)，可以為山洪災(zāi)害的防治提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

羅平地區(qū)為滇東的多雨中心也是云南第四大多雨中心，多年平均年降雨量為1 720.9 mm，實(shí)測(cè)最大年降雨量達(dá)2 216.98 mm。羅平年平均暴雨日數(shù)都在3 d以上，有些年份可達(dá)5.4 d，其暴雨頻次，為滇東地區(qū)之冠。板橋小流域位于羅平東部的多雨中心處，其流域形狀呈扇形，西北低其余均為高山，其河流上游坡降大導(dǎo)致河流匯流速度快，而下游地區(qū)處于山間壩子，地勢(shì)低平，不利于河水的快速消退，因此板橋小流域是滇東具有典型性的山區(qū)小流域。板橋小流域位于曲靖市羅平縣東部的板橋鎮(zhèn)內(nèi)，地處滇、桂、黔三省區(qū)結(jié)合部，介于東經(jīng)104°45′～104°57′，北緯24°88′～24°99′之間，流域面積89.7 km2。東西最大跨度約12 km2，南北最大跨度約12 km2。流域包括鐘山鄉(xiāng)西部小部分、舊屋基彝族鄉(xiāng)北部小部分、板橋鎮(zhèn)大部分。轄板橋、牛補(bǔ)歹、玉馬、舍邦歹、金雞、木呈、安勒、大雞登、募補(bǔ)、樂巖、浙都、花紅、大地坪13個(gè)村民委員會(huì)，3個(gè)居民委員會(huì)，40個(gè)自然村。

2 研究方法

本文提出基于暴雨洪水和DEM的小流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法：首先水文比擬求斷面洪峰流量，然后采用曼寧公式推求設(shè)計(jì)洪水位；再次基于DEM利用地理信息技術(shù)進(jìn)行洪水的淹沒范圍分析；最后根據(jù)淹沒范圍，統(tǒng)計(jì)不同危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的人口和建筑等的分布情況，從而進(jìn)行洪災(zāi)損失評(píng)估。

水文比擬法求斷面洪峰流量：

以上述設(shè)計(jì)洪峰流量成果為依據(jù)，考慮面積、河長(zhǎng)、比降等特征值按下式推求各測(cè)量斷面洪峰流量：

(1)

式中，K為洪峰系數(shù)；J1、J2為設(shè)計(jì)流域、參證站的比降(‰)；L1、L2為設(shè)計(jì)流域、參證站的河長(zhǎng)(km)；F1、F2為設(shè)計(jì)流域、參證站的流域面積(km2)；P1、P2為設(shè)計(jì)流域、參證站的24 h最大降水量均值(mm)。

2.1 洪水位推求

洪水波分為運(yùn)動(dòng)波、慣性波、擴(kuò)散波、動(dòng)力波，山區(qū)小流域河流的坡度較大，洪水波的運(yùn)動(dòng)可以近似為運(yùn)動(dòng)波，由動(dòng)量方程簡(jiǎn)化得到運(yùn)動(dòng)波方程如下：

S0-Sf

(2)

式中，S0為斷面底坡；Sf為水力摩阻。

由于非恒定流情況下的摩阻損失與恒定流情況下差別不大，因此采用應(yīng)用最為廣泛的曼寧公式計(jì)算水力摩阻。其基本形式為：

(3)

所以，山區(qū)洪水流量公式為：

(4)

式中，Q為流量;n為河道糙率系數(shù);A為河道斷面過流面積;R為河道斷面水力半徑;S0河道斷面處的底坡。山區(qū)河流坡降較大，河道坡度大，水流以下切侵蝕為主，因此河道斷面形態(tài)多為“U”形或不完整的“U”形斷面。只有在村落附近的河段，如果修建了人工河岸或護(hù)堤，河道斷面才會(huì)呈矩形或梯形斷面。這些斷面形態(tài)都可以概化成梯形斷面，對(duì)梯形斷面有：

A=B·h+h2·ctan α

(5)

(6)

式中，B為河道斷面寬度;h為水深;α為邊坡。因此，可得

(7)

2.2 基于DEM的淹沒范圍分析

隨著地理信息技術(shù)的不斷發(fā)展，基于數(shù)字高程模型DEM用水動(dòng)力學(xué)計(jì)算通過GIS技術(shù)可以順利的進(jìn)行洪水的淹沒范圍分析和計(jì)算。本文利用高精度的DEM數(shù)據(jù)，以設(shè)計(jì)洪峰水位計(jì)算結(jié)果進(jìn)行洪水淹沒范圍的推求，推求方法如下：

首先，由各斷面的洪峰水位計(jì)算數(shù)值，沿著測(cè)量橫斷面方向向兩岸計(jì)算，推求出該斷面位置處的洪峰水位線。

然后，在小流域范圍內(nèi)，取多個(gè)斷面，由相鄰兩個(gè)斷面的洪峰水位線線性插值出一個(gè)水位面生成洪峰水位面。

最后，由洪峰水位面與DEM數(shù)據(jù)相減，即可得到掩沒范圍?；诂F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查成果中關(guān)于沿河村落、集鎮(zhèn)和城鎮(zhèn)人口高程分布數(shù)據(jù)，以及控制斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果，統(tǒng)計(jì)確定各頻率洪水淹沒高程下累計(jì)人口，根據(jù)實(shí)測(cè)的人口分布高程確定成災(zāi)水位，統(tǒng)計(jì)各頻率設(shè)計(jì)洪水淹沒范圍內(nèi)累計(jì)人口和房屋數(shù)及房屋面積，并根據(jù)這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)狀防洪能力的分析，繪制現(xiàn)狀防洪能力圖。

3 板橋小流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

參照《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)以及《山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)技術(shù)要求》的規(guī)定[6]，根據(jù)板橋小流域特性及防洪現(xiàn)狀，暴雨洪水重現(xiàn)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經(jīng)過ArcSWAT的小流域提取，板橋小流域的流域面積(F)89.9 km2，主河全長(zhǎng)28.8 km，河道坡降0.015。流域無實(shí)測(cè)雨洪資料。

3.1 重點(diǎn)河段設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

選取小流域范圍內(nèi)防洪能力較低、沿河村落分布較多的河段為重點(diǎn)河段，這些河段分布在多依樹村、江田所村、菜園村、普塘者小寨、對(duì)門村、白云安村、阿且村、樂巖村、普塘者村等9個(gè)自然村， 因流域范圍內(nèi)無水文站，且整個(gè)羅平縣也只有兩個(gè)水文站，所以選用水文比擬法計(jì)算重點(diǎn)河段控制斷面的洪峰流量。各重點(diǎn)河段控制斷面的流域特征參數(shù)如表1。

表1 重點(diǎn)河段控制斷面洪峰流量

以小流域出水口設(shè)計(jì)洪峰流量成果為依據(jù)，考慮面積、河長(zhǎng)、比降等特征值，根據(jù)公式計(jì)算得各重點(diǎn)河段控制斷面設(shè)計(jì)洪峰流量，見表2。

表2 重點(diǎn)河段控制斷面洪峰流量

3.2 重點(diǎn)河段洪水位的推測(cè)

斷面的選擇要以研究區(qū)域?yàn)橹黧w，根據(jù)其自然地理特性和居民聚落的分布情況來確定具有代表性的河道控制斷面。如下圖1普塘者村，對(duì)照底圖的河流位置、居民區(qū)分布情況布設(shè)了3個(gè)河道斷面，從上游到下游依次布設(shè)為上游斷面、控制斷面、下游斷面。其中，控制斷面左岸不僅有居民分布，房屋地勢(shì)低洼，且其斷面過水面積較小，故設(shè)置為控制斷面。

圖1 斷面布設(shè)示意圖

針對(duì)板橋小流域的河道情況，共選取多依樹村、江田所村、菜園村、普塘者小寨、對(duì)門村、白云安村、阿且村、樂巖村、普塘者村等9個(gè)重要河段，分別布設(shè)10個(gè)控制斷面、10個(gè)上游斷面、10個(gè)下游斷面。其中菜園村溝道長(zhǎng)，溝道兩側(cè)人口分布密集且地形平坦，因此布設(shè)2個(gè)控制斷面。

上下游斷面多為自然河道，呈“U”形，而控制斷面由于多布設(shè)在人口分布密集且溝道一側(cè)或兩側(cè)地形平坦，易發(fā)生山洪災(zāi)害的河段，大部分都有防洪能力較低的河堤，因此斷面多呈“U”形或不完整的“U”形。在推求洪峰水位的時(shí)候可將其斷面形狀概化成梯形斷面，以便求解。根據(jù)河道斷面測(cè)量成果，概化河道控制斷面為梯形斷面，計(jì)算出河道坡降及控制斷面水力參數(shù)，采用曼寧公式推求控制斷面水位流量關(guān)系，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 板橋小流域重點(diǎn)河段控制斷面洪峰水位

3.3 基于DEM的淹沒范圍分析

基于高精度DEM數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)，分析各頻率下掩沒范圍。并以landsat8，0.1 m分辨率的影像數(shù)據(jù)為工作底圖，利用ArcSWART進(jìn)行小流域提取，以AcrGIS10.2為平臺(tái)，結(jié)合小流域基礎(chǔ)資料，由洪水位推求結(jié)果基于DEM的進(jìn)行淹沒范圍分析，如圖2～6所示。

圖2 5 a一遇洪水淹沒范圍

圖3 10 a一遇洪水淹沒范圍

圖4 20 a一遇洪水淹沒范圍

圖5 50 a一遇洪水淹沒范圍

圖6 100 a一遇洪水淹沒范圍

3.4 危險(xiǎn)區(qū)的劃分及結(jié)果分析

在危險(xiǎn)區(qū)劃分時(shí)，根據(jù)小于5 a一遇、5～20 a一遇、20 a～100 a一遇的洪水位，進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)劃分。洪水重現(xiàn)期小于5 a一遇，發(fā)生頻次較高，為極高危險(xiǎn)區(qū)；大于等于5 a一遇，小于20 a一遇，發(fā)生頻次中等，為高危險(xiǎn)區(qū)；大于等于20 a一遇至歷史最高洪水位，發(fā)生頻次稀遇，為危險(xiǎn)區(qū)[7-8]。在此基礎(chǔ)上，基于設(shè)計(jì)洪水分析和現(xiàn)狀防洪能力分析成果，結(jié)合地形地貌情況，劃定板橋小流域各等級(jí)對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)區(qū)范圍[9-10]。

根據(jù)小流域內(nèi)10個(gè)重點(diǎn)河段的人口高程分布關(guān)系以及已統(tǒng)計(jì)的各頻率設(shè)計(jì)洪水位下的累計(jì)人口和房屋數(shù)，繪制各重點(diǎn)河段防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)圖如圖7～16所示。由防洪評(píng)價(jià)圖可知，菜園2組和菜園3組現(xiàn)狀防洪能力最低，僅為3 a一遇，極高危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)有31人和1 300 m2的房屋建筑面積，高危和危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)有82人和一定房屋。菜園2組和菜園3組所在河道附近人口分布密集，同時(shí)河道兩側(cè)地勢(shì)低平。白云安村的現(xiàn)狀防洪能力也低于5 a一遇的洪水，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，白云安村控制斷面附近河道較為狹窄，同時(shí)河道附近的居民地分布的高程較低。

圖7 菜園3組防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)圖

圖8 菜園2組防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)圖

圖9 白云安村防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)圖

圖10 江田所村防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)圖

江田所村、對(duì)門村、阿且村、樂巖村、普塘者村其防洪現(xiàn)狀能力為8 a、6 a、6 a、8 a、6 a一遇，極高危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)基本沒有居民點(diǎn)分布，高危險(xiǎn)區(qū)范圍內(nèi)分別分布有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。

圖11 對(duì)門村防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)圖

圖12 阿且村防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)圖

圖13 樂巖村防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)圖

圖14 普塘者村防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)圖

圖15 多依樹村防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)圖

多依樹村、普塘者小寨現(xiàn)狀防洪能力較高，分別為12 a一遇、13 a一遇，極高危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)基本沒有人和房屋，高危和危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)有76人和一定房屋，該范圍以上還有一定人員和房屋。這是由于多依樹村位于小流域上游，其河流長(zhǎng)只有1.8 km，流域面積較小，同時(shí)在流經(jīng)村莊的河岸兩側(cè)有很好的護(hù)堤，普塘者小寨雖處板橋河下游，但根據(jù)調(diào)查結(jié)果，江田所河段人口分布的高程較高。

4 結(jié)論

進(jìn)行了羅平縣板橋典型山區(qū)小流域的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。以滇東羅平縣板橋小流域?yàn)槔?，?yīng)用所提出的基于暴雨洪水計(jì)算和數(shù)值高程模型的小流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。根據(jù)對(duì)小流域暴雨洪水的計(jì)算成果，采用水文比擬法推算出板橋小流域范圍內(nèi)10個(gè)重要河段控制斷面的設(shè)計(jì)洪峰流量，采用曼寧公式進(jìn)行洪峰水位推求。計(jì)算結(jié)果為：多依樹控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設(shè)計(jì)洪峰水位依次為1 433.47 m、1 433.04 m、1 432.31 m、1 431.83 m、1 431.26 m；江田所村控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設(shè)計(jì)洪峰水位依次為1 416.42 m、1 415.82 m、1 414.79 m、1 414.12 m、1 413.30 m；菜園3組控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設(shè)計(jì)洪峰水位依次為1 417.20 m、1 416.28 m、1 414.71 m、1 413.70 m、1 412.48 m；菜園2組控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設(shè)計(jì)洪峰水位依次為1 410.59 m、1 409.91 m、1 408.76 m、1 408.01 m、1 407.09 m；普塘者小寨控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設(shè)計(jì)洪峰水位依次為1 406.39 m、1 405.54 m、1 404.10 m、1 403.18 m、1 402.05 m；對(duì)門村控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設(shè)計(jì)洪峰水位依次為1 418.77 m、1 418.21 m、1 417.25 m、1 416.63 m、1 415.88 m；白云安村控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設(shè)計(jì)洪峰水位依次為1 415.77 m、1 414.68 m、1 412.83 m、1 411.65 m、1 410.22 m；阿且村控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設(shè)計(jì)洪峰水位依次為1 440.47 m、1 440.25 m、1 439.88 m、1 439.63 m、1 439.33 m；樂巖村控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設(shè)計(jì)洪峰水位依次為1 433.55 m、1 432.68 m、1 431.19 m、1 430.23 m、1 429.07 m；普塘者村控制斷面p=1%、p=2%、p=5%、p=10%、p=20%的設(shè)計(jì)洪峰水位依次為1 400.26 m、1 399.17 m、1 397.31 m、1 396.11 m、1 394.66 m。根據(jù)基于DEM的洪水淹沒分析和洪災(zāi)損失評(píng)估，流域范圍內(nèi)的多依樹村、江田所村、菜園2組、菜園3組、普塘者小寨、對(duì)門村、白云安村、阿且村、樂巖村、普塘者村10個(gè)重點(diǎn)河段其防洪現(xiàn)狀能力約為12 a、8 a、3 a、3 a、13 a、6 a、4 a、6 a、8 a、6 a一遇，對(duì)應(yīng)洪峰流量為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?？傮w來看，在板橋小流域范圍內(nèi)選取的10個(gè)重點(diǎn)河段，其中有8個(gè)的現(xiàn)狀防洪能力不能抵抗10 a一遇的洪水，這之中又有3個(gè)的現(xiàn)狀防洪能力低于5 a一遇，可以看出板橋小流域的防洪現(xiàn)狀能力較低。

圖16 普塘者小寨防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)圖

[1] 張志彤.關(guān)于2014年防汛抗旱工作的報(bào)告[J].中國(guó)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] 劉文兆.小流域水分行為、生態(tài)效應(yīng)及其優(yōu)化調(diào)控研究方面的若干問題[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2000，21(5):541-544.

[4] 曹波.基于RS和GIS的小流域綜合治理效益評(píng)價(jià)[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2011.

[5] 崔積家,桑國(guó)慶,袁泉.基于推理公式的典型小流域防洪計(jì)算分析[J].山東水利.2016,12(2),20-21.

[6] 陳家琦，張恭肅.小流域暴雨洪水計(jì)算[M]．北京：水利電力出版社，1985.

[7] 謝平,陳廣才,李德,等.烏魯木齊地區(qū)小流域設(shè)計(jì)山洪推理公式的參數(shù)規(guī)律[J]:山地學(xué)報(bào)，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.無資料小流域洪水疊加計(jì)算方法初探[D].浙江大學(xué).2009.

[10] 廖華云,廖元秀,黎志鍵.應(yīng)用推理公式計(jì)算廣西特小流域暴雨洪水可突破值限制的探討[J].廣西水利水電,2013,10(1):27-29,36.