CN109785586B - 山区小流域山洪灾害分区预警方法 - Google Patents

山区小流域山洪灾害分区预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了山区小流域山洪灾害分区预警方法，步骤如下：①选定需要进行山洪灾害预警的山区小流域河段作为目标河段，从目标河段中筛选出河岸有生命财产需要保护的河段记作待预警河段；②对待预警河段过往发生的山洪灾害进行野外调查，将过往山洪灾害主要表现为冲毁、淤埋及淹没的成灾区分别记作冲毁、淤埋及淹没成灾区；③对冲毁、淤埋及淹没成灾区分别建立山洪灾害预警指标；④对淤埋成灾区，在每年容易出现暴雨的月份之前，测量处于淤埋成灾区的河段及与其衔接的上游河段的河床比降，根据两河段的河床比降比值的大小发出不同的预警；当目标河段发生暴雨时，对冲毁成灾区和淹没成灾区的预警指标进行监测，在达到预警指标时发出预警。

Description

山区小流域山洪灾害分区预警方法
技术领域
本发明属于暴雨山洪灾害防灾减灾领域，涉及山区小流域山洪灾害分区预警方法，适用于对山区小流域暴雨山洪进行预警。
背景技术
山洪灾害是指由于降雨在山丘区引发的洪水灾害及由山洪诱发的泥石流、滑坡等对国民经济和人民生命财产造成损失的灾害，具有突发性、水量集中、破坏力大等特点。我国当前山洪灾害防治技术研究还处于起步阶段，建立山洪灾害预警指标，有利于在山洪发生之前协助判断山洪的可能危险性及发生的时间，最大限度地保护人民的生命安全。
长期以来，暴雨山洪灾害预警体系研究主要以水位－流量－降雨关系为推导依据来确定山洪防治区域的临界条件。如实测雨量统计法(陈桂亚等，2005)、水位－流量反推法(叶勇等，2008)、暴雨临界曲线法(江锦红等，2010)、临界雨量的洪水预警(Le et.al.，2008)、降雨－水位关系预警(吴承卿，2016)、成灾水位—流量—降雨关系的雨量预警(陶珏辉，2017)。总体来讲，雨量和水位是山洪灾害预警最常用指标，根据预警对象控制断面成灾水位，推算上游水位站的相应水位，作为临界水位进行预警。山洪从水位站演进至下游预警对象的时间不应小于30分钟。临界水位通过上下游相应水位法和成灾水位法进行分析。雨量预警是通过分析不同预警时段的临界雨量得出，临界雨量指导致一个流域或区域发生山溪洪水可能致灾时，即达到成灾水位时，降雨达到或超过的最小量级和强度。2010年以来，我国持续开展山洪灾害防治项目建设，建设4.5万个自动雨量监测站，1.7万个自动水位监测站，雨量站与水位站数量比约为2.8:1。李中平等(2008)探讨了我国山洪灾害6h降雨临界雨量分布，但也明确指出临界降雨量指标的显著地区差异性，南方沿海地区最大140mm，而在西北内陆仅10mm左右，两者相差14倍。何秉顺等(2016)指出需进一步加大水位预警的应用。水位预警的关键是断面具有稳定的水位流量关系。
基于频繁的山洪灾害事件，山洪的孕灾因子主要包括降雨、地形地貌以及人类活动等因素，成灾形式常表现为暴雨洪水、滑坡泥石流冲毁、泥沙淹埋及强输沙洪水淤堵、超高水位淹没等灾害模式。系统深入分析暴雨山洪致灾特点，是了解暴雨山洪致灾和研究灾害预警指标的最直接方法。高延超等(2006)指出山区城镇山洪灾害常分为溪河洪水、泥石流、溪河洪水+泥石流与溪河洪水+泥石流+滑坡四种类型。谢洪等(1997)指出四川省康定城区于1995年6月15日、7月3日和7月7日连续三次遭受城区被淹山洪灾害，其成因主要为持续暴雨与城区河流汇合叠加、交汇水流顶托。Cao et al(2008)针对四川马边县波罗电站2001年7月28日特大暴雨山洪事件，认为成灾原因在于交汇河流的水流顶托及河床比降的变缓、大量泥沙于交汇处淤堵使水位陡增。2001年6月19日，湖南省绥宁县和会同县同时发生特大山洪灾害，傅定辉等(2001)指出山洪泥沙淤堵引起的河宽缩窄与河床比降变缓是灾害的主要原因，其中比降由原来的3.75％降至1.25％。黄德才(2012)指出2011年6月6日贵州望谟河特大山洪灾害主要原因为上游河道平均比降高达3％，受灾河段约6‰，强降雨洪水强输沙在平缓区淤积、水位陡增成灾。2014年7月9日至10日，四川芦山县太平镇强雨量达154.1毫米，导致该镇百合溪沟暴发山洪，水位陡涨，大量民房被淹。2015年8月16日，四川泸州叙永县遭受强降雨过程，暴雨洪水冲毁民房，造成20余人死亡。2017年8月8日，四川普格县耿底村强降雨洪水挟沙淤埋致20余人死亡。
由上述可见，山区小流域在暴雨洪水作用下，山洪灾害主要包括暴雨引发的滑坡泥石流灾害、沟床比降陡缓相接的缓坡河段淤埋成灾、干支河流交汇口的水位陡增淹没成灾等。也就是说，由于暴雨山洪孕灾因子和成灾环境特点的不同，即使是对于同一山区小流域，在不同的区域也会表现出不同的山洪灾害类型。一般来讲，降雨是滑坡、泥石流的主要激发条件，而暴雨洪水和强输沙洪水常引起显著的河床冲淤变化，因而淹没、冲毁、淤埋成灾模式主要受制于降雨条件和水位变化。当前常用的水位预警或“水位-流量-降雨”推求的雨量预警，尚未充分考虑暴雨山洪的易灾区特征及其不同的关键致灾因子，而不同类型的山洪灾害的预警指标是存在显著差异的，这就造成了现有单一的水位预警或“水位-流量-降雨”推求的雨量预警方法只能对山区小流域的某些局部区域起到有效的山洪预警作用，对其他局部区域则难以获得较好的预警效果，极易出现误警和漏警的问题，整体的山洪灾害预警的准确性有待提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供山区小流域山洪灾害分区预警方法，以提高山区小流山洪灾害预警的准确性，为山区小流域暴雨山洪预警提供更科学和可靠的指导。
本发明提供的山区小流域山洪灾害分区预警方法，包括以下步骤：
(1)选定需要进行山洪灾害预警的山区小流域河段作为目标河段，从目标河段中筛选出河岸有生命财产需要保护的河段，记作待预警河段；
(2)对待预警河段过往发生的山洪灾害进行野外调查，确定待预警河段过往发生的山洪灾害的成灾区位置，各成灾区发生的山洪灾害的主要类型，将过往山洪灾害主要表现为冲毁的成灾区记作冲毁成灾区，将过往山洪灾害主要表现为淤埋的成灾区记作淤埋成灾区，将过往山洪灾害主要表现为淹没的成灾区记作淹没成灾区；
(3)对于冲毁成灾区，冲毁成灾区的冲毁灾害主要是由滑坡、泥石流造成的，采用滑坡预警方法或泥石流预警方法对冲毁成灾区建立滑坡、泥石流预警指标；
对于淤埋成灾区，淤埋成灾区的淤埋灾害主要是上游强输沙和河床比降变缓泥沙淤堵造成的，以淤埋成灾区河道的河床比降为基础建立淤埋预警指标；
对于淹没成灾区，淹没成灾区的淹没灾害主要是由交汇河流的水流顶托、河床比降变缓、河段泥沙淤堵使水位陡增造成的，采用洪水预警方法对淹没成灾区建立洪水淹没预警指标；
(4)对于淤埋成灾区，在每年容易出现暴雨的月份之前，实地测量处于淤埋成灾区的河段的河床比降J0，下，实地测量与处于淤埋成灾区的河段相衔接且河床比降＞J0，下的上游河段的河床比降J0，上，若J0，上/J0，下≥2，则提示应在目标河段发生暴雨前将淤埋成灾区的居民永久地迁移出淤埋成灾区，若1＜J0，上/J0，下＜2，则提示应在目标河段发生暴雨前对淤埋成灾区的河岸进行加高加固；
当目标河段发生暴雨时，对步骤(3)确定的滑坡、泥石流预警指标和淹没预警指标进行监测，当滑坡泥石流预警指标超过预警阈值时对冲毁成灾区发出预警，当淹没预警指标超过预警阈值时，对冲毁成灾区和淹没成灾区进行预警。
上述山区小流域山洪灾害分区预警方法的技术方案的步骤(2)中，对待预警河段过往发生的山洪灾害进行野外调查时，至少对待预警河段过往三年发生的山洪灾害进行野外调查。为了增加过往山洪灾害数据对当前最新暴雨山洪灾害的可参考度，提高步骤(2)中确定的成灾区的位置以及成灾区的类型，对待预警河段过往发生的山洪灾害进行野外调查时，最好是对与当前山洪灾害预警年度最接近的几年的过往发生的山洪灾害进行野外调查。
上述山区小流域山洪灾害分区预警方法的技术方案的步骤(4)中，之所以选择若J0，上/J0，下＝2作为提示应在目标河段发生暴雨前将淤埋成灾区的居民永久地迁移出淤埋成灾区的临界值，是因为在J0，上/J0，下≥2的情况下，该区域属于山区流域山洪泥沙灾害易灾区，当上游强输沙的条件下极易发生淤埋灾害，参见CN108446525A。
上述山区小流域山洪灾害分区预警方法的技术方案的步骤(3)中，滑坡预警方法包括位移监测法(如临界位移阈值法)和降雨激发监测法(如临界雨量阈值法)，所述泥石流预警方法包括泥位监测法(如临界泥位阈值法)、泥声监测法(如临界泥声阈值法)和降雨激发监测法(如临界雨量阈值法)。
上述山区小流域山洪灾害分区预警方法的技术方案的步骤(3)中，所述洪水预警方法包括局地成灾水位预警方法。
与现有技术相比，本发明的技术方案产生了以下有益的技术效果：
本发明是在对山区小流域过往发生的山洪灾害进行野外调查勘测发现的以下规律的基础之上提出的：山区小流域的山洪灾害的表现形式主要为冲毁、淤埋及淹没；冲毁灾害主要是由滑坡、泥石流造成的，淤埋灾害主要是上游强输沙和河床比降变缓泥沙淤堵造成的，淹没灾害主要是由交汇河流的水流顶托、河床比降变缓、河段泥沙淤堵使水位陡增造成的；主要表现为冲毁、淤埋及淹没的山洪灾害的成灾区的分布位置也是具有规律的。随着山区小流域暴雨的降雨强度以及成灾环境特点的差异，在实际情况中，山区小流域的山洪灾害会表现出冲毁、淤埋及淹没灾害中的一种或多种。基于三类成山洪灾害的孕灾动力因子特点，本发明提出了与致灾动力因子相适用的山洪灾害预警指标分区构建方法，在分区构建好预警指标之后根据各个区域的主要致灾因子进行针对性的分区预警，可以提高山洪灾害预警的准确性。与现有技术常用的水位预警或“水位-流量-降雨”推求的雨量预警相比，由于本发明的技术方案充分考虑了暴雨山洪的易灾区特点及其不同的关键致灾因子，可以解决现有方法采用同一预警指标笼统地对整个待预警河段进行预警存在的只能对山区小流域的某些局部区域起到有效的预警作用，对其他局部区域则难以获得较好的预警效果，易出现误警和漏警的问题。
附图说明
图1是实施例1中冲毁成灾区、对于淤埋成灾区和淹没成灾区在待预警河段中的分布情况及各个成灾区的照片，图1的(a)图为待预警河段的照片和成灾区分布示意图，其中的A、B、C三个区域分别表示冲毁成灾区、淤埋成灾区和淹没成灾区，(b)～(d)图依次为冲毁成灾区、淤埋成灾区和淹没成灾区的照片。
图2是实施例1的淹没成灾区的照片及洪水水位监测断面的位置示意图，图2中箭头所指向的虚线处示意的位置为洪水水位监测断面。
图3是实施例1的淹没成灾区的洪水水位监测断面的居民点的房屋的最低高程示意图。
图4是实施例1中白沙河主流、深溪沟以及深溪沟的支沟的沟床比降勘测结果。
图5是实施例1的淹没成灾区的洪水水位监测断面的洪水水位和洪水流量随时间的变化过程。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明提供的山区小流域山洪灾害分区预警方法作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。
实施例1
本实施例中，以白沙河支流的深溪沟小流域为例，详细说明本发明提供的山区小流域山洪灾害分区预警方法。
白沙河流域面积364km2，主流全长约49.3km，河床平均比降约为47.7‰。白沙河流域支流及支沟众多，主要支沟包括关门山沟、磨子沟、观凤沟、深溪沟等。2008年汶川地震后，该小流域频繁发暴雨山洪灾害。深溪沟为白沙河右岸支流，集水面积约24km2，深溪沟社区居民受山洪灾害威胁人口66人，从深溪沟的支沟口至入汇白沙河主流的河段两岸分布有居民住房。
(1)选定白沙河支流的深溪沟小流域的深溪沟至入汇白沙河主流这一河段作为需要进行山洪灾害预警的目标河段，实地调查发现，从目标河段的从深溪沟的支沟口至入汇白沙河主流的河段两岸分布有居民住房，受山洪灾害威胁人口66人，将从深溪沟的支沟口至入汇白沙河主流的河段记作待预警河段。
(2)对待预警河段过往发生的山洪灾害进行野外调查，调查时间范围为2008年汶川地震后至2017年，对期间发生的8场次山洪灾害进行野外调查，发现待预警河段历年的成灾区主要分为三个区域，即深溪沟的支沟口区域、深溪沟的支沟入汇深溪沟的汇口区域及其下游的陡缓衔接河段的缓坡河段区域、以及深溪沟入汇白沙河主流的汇口区域，这三个区域的河岸均有人居住，特别是深溪沟入汇白沙河主流的汇口区域具有大量生命财产需要保护，如图1中的A、B、C三个区域所示，这三个成灾区历年发生的山洪灾害的主要类型如下：
在深溪沟的支沟口区域，过往发生的山洪灾害主要表现为泥石流冲毁，将该成灾区记作冲毁成灾区；在深溪沟的支沟口下游的陡缓衔接河段的缓坡河段区域，过往发生的山洪灾害主要表现为泥沙淤埋，将该成灾区记作淤埋成灾区；在深溪沟入汇白沙河主流的汇口区域，过往发生的山洪灾害主要表现为水位陡增造成的淹没，将该成灾区记作淹没成灾区。
(3)该步骤对冲毁成灾区、淤埋成灾区和淹没成灾区分别建立山洪灾害预警指标。
①冲毁成灾区
深溪沟的支沟口区域的泥石流主要以强降雨激发为主，由于缺乏深溪沟支沟区域的降雨量资料，为此，拟以白沙河小流域近年发生的暴雨山洪泥石流激发的降雨参数为基础(表1)，构建冲毁成灾区泥石流降雨量预警指标。
由表1可知，该区域泥石流事件发生时，24小时降雨量一般大于100mm，且场次累计降雨量一般大于150mm，为此初步确定位于深溪沟支沟口的冲毁成灾区的泥石流预警的临界雨量阈值为24h雨量100mm，且场次累计降雨量达150mm。
表1白沙河小流域滑坡泥石流事件的降雨特征
序号 时间 24h降雨量(mm) 场次累计降雨量(mm) 场次累计降雨量/24h降雨量
1 2009.7.17 97.4 219 2.2
2 2010.8.13 183.2 275.1 1.5
3 2010.8.19 98.0 150.0 1.5
4 2012.8.18 105.6 206.0 2.0
5 2013.7.8 111.6 163.9 1.5
6 2013.7.9 217.2 409.5 1.9
7 2013.7.26 108.8 235 2.2
8 2013.7.29 128.1 403 3.1
②淤埋成灾区
对于淤埋成灾区，经过野外实地测量发现，深溪沟的支沟在汇入深溪沟时，沟床比降发生了极为显著的变缓，导致深溪沟的支沟滑坡泥石流输沙在此大量淤积，从而淤埋居民住房。也就是说，淤埋成灾去的淤埋灾害主要是上游强输沙和河床比降变缓泥沙淤堵造成的，以淤埋成灾区河道的河床比降为基础建立淤埋预警指标；在每年容易出现暴雨的月份之前，实地测量处于淤埋成灾区的河段的河床比降J0，下，以及与处于淤埋成灾区的河段相衔接且河床比降＞J0，下的上游河段的河床比降J0，上，若J0，上/J0，下≥2，则提示应在目标河段发生暴雨前将淤埋成灾区的居民永久地迁移出淤埋成灾区，若1＜J0，上/J0，下＜2，则提示应在目标河段发生暴雨前对淤埋成灾区的河岸进行加高加固。
③淹没成灾区
深溪沟集水面积约24km2，深溪沟出口汇入白沙河，在靠近深溪沟的出口的河段，两岸居民住房较多，通过实地测量，确定洪水水位监测断面，如图2所示，采用局地成灾水位预警法确定洪水淹没预警指标。勘测洪水水位监测断面左岸和右岸的居民点房屋的最低高程，发现左岸居民点房屋的最低高程低于右岸居民点房屋的最低高程，因此根据左岸居民点房屋的最低高程确定该洪水水位监测断面的成灾水位为889.0m，如图3所示。在实际水位监测过程中，应在洪水水位涨至成灾水位的预估时间之前30min发出预警，洪水水位涨至成灾水位的预估时间可根据洪水水位上涨速率进行估算。
(4)在步骤(3)对冲毁成灾区、淤埋成灾区和淹没成灾区分别建立好山洪灾害预警指标之后，该步骤以目标河段2018年6月发生的某场暴雨山洪为例，进行实际的分区预警。
①对于淤埋成灾区，在2017年年底，实地测量处于淤埋成灾区的河段(即深溪沟)的河床比降J0，下，J0，下＝0.06，实地测量与处于淤埋成灾区的河段相衔接且河床比降＞J0，下的上游河段(即深溪沟的支沟)的河床比降J0，上，J0，上＝0.13。同时还实地测量了白沙河主流的沟床比降为0.01。白沙河主流、深溪沟以及深溪沟的支沟的沟床比降如图4所示。
由于J0，上/J0，下＝2.17，超过了淤埋预警临界值2，说明该区域属于山区流域山洪泥沙灾害易灾区，在上游强输沙的情况下极易发生淤埋灾害，参见CN108446525A，提示应在目标河段发生暴雨前将淤埋成灾区的居民永久地迁移出淤埋成灾区。
②目标河段在2018年6月某日开始发生了持续时间长达三天的暴雨，对于冲毁成灾区，从暴雨开始时，采用位于冲毁成灾区上游的雨量站实时监测场次暴雨的降雨量，结果雨量监测显示，在发生暴雨的第二天，24小时降雨量达到了100mm，且场次累计降雨量达到了198mm，此时立即对冲毁成灾区发出泥石流预警。
由于在淤埋成灾区的上游发生了泥石流灾害，在强降雨的作用下，大量泥沙进入冲毁成灾区下游的河道，由于淤埋成灾区的河床比降显著变缓，造成泥沙淤堵，导致淤埋没成灾区发生了淤埋灾害。
对于淹没成灾区，从暴雨开始时实时监测淹没成灾区的洪水水位监测断面的洪水流量和洪水水位，如图5所示，由图5可知，在对洪水水位监测断面的整个水位和流量监测过程中，该场次洪水的最高水位为882.25m，离洪水水位监测断面的成灾水位889.0m相差较远，未达到预警要求，不用发出预警。

Claims (4)

1.山区小流域山洪灾害分区预警方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)选定需要进行山洪灾害预警的山区小流域河段作为目标河段，从目标河段中筛选出河岸有生命财产需要保护的河段，记作待预警河段；
(2)对待预警河段过往发生的山洪灾害进行野外调查，确定待预警河段过往发生的山洪灾害的成灾区位置，各成灾区发生的山洪灾害的主要类型，将过往山洪灾害主要表现为冲毁的成灾区记作冲毁成灾区，将过往山洪灾害主要表现为淤埋的成灾区记作淤埋成灾区，将过往山洪灾害主要表现为淹没的成灾区记作淹没成灾区；
(3)对于冲毁成灾区，冲毁成灾区的冲毁灾害主要是由滑坡、泥石流造成的，采用滑坡预警方法或泥石流预警方法对冲毁成灾区建立滑坡、泥石流预警指标；
对于淤埋成灾区，淤埋成灾区的淤埋灾害主要是上游强输沙和河床比降变缓泥沙淤堵造成的，以淤埋成灾区河道的河床比降为基础建立淤埋预警指标；
对于淹没成灾区，淹没成灾区的淹没灾害主要是由交汇河流的水流顶托、河床比降变缓、河段泥沙淤堵使水位陡增造成的，采用洪水预警方法对淹没成灾区建立洪水淹没预警指标；
(4)对于淤埋成灾区，在每年容易出现暴雨的月份之前，实地测量处于淤埋成灾区的河段的河床比降J0，下，实地测量与处于淤埋成灾区的河段相衔接且河床比降＞J0，下的上游河段的河床比降J0，上，若J0，上/J0，下≥2，则提示应在目标河段发生暴雨前将淤埋成灾区的居民永久地迁移出淤埋成灾区，若1＜J0，上/J0，下＜2，则提示应在目标河段发生暴雨前对淤埋成灾区的河岸进行加高加固；
当目标河段发生暴雨时，对步骤(3)确定的滑坡、泥石流预警指标和淹没预警指标进行监测，当滑坡泥石流预警指标超过预警阈值时对冲毁成灾区发出预警，当淹没预警指标超过预警阈值时，对冲毁成灾区和淹没成灾区进行预警。
2.根据权利要求1所述山区小流域山洪灾害分区预警方法，其特征在于，步骤(2)中，对待预警河段过往发生的山洪灾害进行野外调查时，至少对待预警河段过往三年发生的山洪灾害进行野外调查。
3.根据权利要求1或2所述山区小流域山洪灾害分区预警方法，其特征在于，步骤(3)所述滑坡预警方法包括位移监测法和降雨激发监测法，所述泥石流预警方法包括泥位监测法、泥声监测法和降雨激发监测法。
4.根据权利要求1或2所述山区小流域山洪灾害分区预警方法，其特征在于，步骤(3)所述洪水预警方法包括局地成灾水位预警法。
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