CN110728019B - 基于山区河流形态与洪水位变化的宽窄相间河段山洪淹没灾害易灾区识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于山区河流形态与洪水位变化的宽窄相间河段山洪淹没灾害易灾区识别方法，步骤如下：①选定山区河流的宽窄相间河段作为目标河段；②将任意一个展宽河段处具有防灾保护对象的缩窄‑展宽结构编号为M_i，i＝1,2,…,n；③测量编号为M_i的缩窄‑展宽结构的缩窄河段最窄处的河宽和展宽河段的最宽处的河宽，以及缩窄河段和展宽河段的河床比降；④当

时，编号为M_i的缩窄‑展宽结构的展宽河段为山洪淹没灾害易灾区。本发明提供的方法可快速准确地识别山区河流宽窄相间河段的山洪淹没灾害易灾区，为山区河流宽窄相间河段沿岸人类活动区安全规划及山洪淹没灾害防治提供科学、可靠的指导。

Description

基于山区河流形态与洪水位变化的宽窄相间河段山洪淹没灾 害易灾区识别方法

技术领域

本发明属于山区流域暴雨山洪灾害预警领域，涉及基于山区河流形态与洪水位变化的宽窄相间河段山洪淹没灾害易灾区识别方法。

背景技术

我国是一个多山的国家，山区河流在峡谷地区受地质条件的约束，经过极长的时间调整常形成宽窄相间的外形，受暴雨洪水与河流形态的影响，山区河流沿岸区域的山洪灾害事件频繁发生。我国现有2800多个县级行政区，其中1500多个分布在山区，山区河流坡陡流急，可居用地极少，少数的河流滩地展宽区域常是人类活动的集居地和工农业生产用地。然而，由于宽窄相间的河流形态与水位陡涨的洪水过程相互作用，常导致河滩地水位漫滩淹没成灾，造成严重的人员伤亡和经济损失。

野外调查表明，河流宽度是影响河流形态的关键因素之一(Luchi,2010)。ArindamSingha(2011)基于试验指出，河流形态变化将重新调整水流运动特性。Armellini(2009)指出，在河流展宽条件下，水流结构常出现明显的分离区。Geneviève Paiement-Paradis(2011)通过试验表明，河流宽窄变化引起的水流作加速或减速运动对泥沙运动及河床变形有着重要的影响。吉祖稳等(1998)指出，宽窄型河道的过流能力比等宽顺直型河流偏小。周苏芬等(2013)认为，宽窄相间河宽渐变将引起水深和流速的变化，最窄处水深降到最低，流速最大，最宽处水深达到峰值。王海周等(2018)试验表明，在宽窄相间河段水流输沙能力差异较大，展宽河段常因挟沙能力降低而淤高河床，水位抬高，引发洪水淹没灾害。

由此可见，宽窄相间的河流形态受展宽区域的流速降低、泥沙淤积、比降减缓和水位陡增等原因，常给山区河流少有的河滩地区带来重大山洪淹没灾害。由于山区可利用的土地极为缺乏，山区河流少有的河滩地常被用作耕地、修建房屋等，目前对于山区河流宽窄相间河段沿岸土地的利用以及山洪易灾区的识别尚缺乏科学的方法加以指导。因此，有必要专门针对宽窄相间河段提出山洪易灾区识别方法，为具有宽窄相间河段的山区河流沿岸人类活动区安全规划及山洪淹没灾害防治提供科学、可靠的指导，以有效减少因暴雨山洪造成的山区流域的人员伤亡和社会经济损失。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于山区河流形态与洪水位变化的宽窄相间河段山洪淹没灾害易灾区识别方法，以准确地识别山区河流宽窄相间河段的山洪淹没灾害易灾区，为山区河流宽窄相间河段沿岸人类活动区安全规划及山洪淹没灾害防治提供科学、可靠的指导。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

基于山区河流形态与洪水位变化的宽窄相间河段山洪淹没灾害易灾区识别方法，步骤如下：

①选定山区河流的宽窄相间河段作为目标河段，目标河段具有防灾保护对象，并且目标河段包括至少一个缩窄-展宽结构，缩窄-展宽结构是指一个缩窄河段衔接一个展宽河段的结构；

②根据防灾保护对象所处的位置，对目标河段的各缩窄-展宽结构进行编号，按照从上游到下游的方向，将目标河段的展宽河段处具有防灾保护对象的缩窄-展宽结构依次编号为M₁,M₂,…,M_n，将任意一个展宽河段处具有防灾保护对象的缩窄-展宽结构编号为M_i，i＝1,2,…,n；

③测量编号为M_i的缩窄-展宽结构的缩窄河段最窄处的河宽和展宽河段的最宽处的河宽，分别记作B_i,窄、B_i,宽，测量编号为M_i的缩窄-展宽结构的缩窄河段的河床比降和展宽河段的河床比降，分别记作J_i,窄、J_i,宽；

④根据式(1)计算编号为M_i的缩窄-展宽结构的展宽河段与缩窄河段的成灾水深之比

式(1)中，h_i,宽,h_i,窄分别是编号为M_i的缩窄-展宽结构的展宽河段和缩窄河段的成灾水深；

⑤当编号为M_i的缩窄-展宽结构的展宽河段淹没成灾时，展宽河段与缩窄河段的成灾水深之比

应满足式(2)，

式(2)中，h_i,宽平滩是编号为M_i的缩窄-展宽结构的展宽河段淹没成灾时展宽河段的平滩水深，计算时取h_i,宽平滩＝h_i,宽河槽，h_i,宽河槽是编号为M_i的缩窄-展宽结构的展宽河段的河槽深度，h₀为防灾要求水深；

结合式(1)(2)可知，当

时，编号为M_i的缩窄-展宽结构的展宽河段为山洪淹没灾害易灾区。

上述技术方案中，防灾要求水深h₀根据防灾保护对象进行确定，不同的防灾保护对象的防灾要求水深有所不同，通常，防灾要求水深h₀＝0.2～0.6m。例如，可参照根据公安部公民自救资料库中“面对洪水灾害如何自救？”中的相关内容，确定防灾要求水深h₀＝0.6m。

上述技术方案中，目标河段具有防灾保护对象是指目标河段具有已建防灾保护对象或者拟规划建设的防灾保护对象。目标河段具有已建防灾保护对象是指目标河段已建对象具有山洪灾害防灾要求，目标河段具有拟规划建设的防灾保护对象是指目标河段拟规划建设的对象具有山洪灾害防灾要求。

上述技术方案中，为考虑展宽河段的可利用滩地，缩窄-展宽结构中的展宽河段最宽处的河宽至少为缩窄河段最窄处河宽的1.5倍。

上述技术方案中，缩窄-展宽结构是指从上游到下游的方向，一个缩窄河段衔接一个展宽河段的结构。

为了让本领域技术人员对本发明有更深入的理解，以下对本发明的技术方案的获得过程作以下说明。

首先，基于室内试验分析，揭示宽窄相间河段的水位/水深变化特征；其次，通过水力学基础知识，分析宽窄相间河段的展宽河段水位陡增引发淹没成灾的影响因子；再次，以大量山区河流宽窄相间典型成灾河段案例分析，总结宽窄相间河段的展宽河段山洪淹没灾害易灾区的判别方法，为山区河流宽窄相间河段的山洪灾害防治提供技术支持。

更详细的过程如下：

1)宽窄相间河段洪水位变化室内试验分析

由水力学知识可知，宽窄相间河段的过流能力在河道展宽和缩窄条件下，受到的水头损失差异较大，从而影响其过流能力，改变上下游的水位变幅；在展宽河段，过水面积扩大，河道两侧易形成分离区，混掺加剧，局部损失增加，水流流速变小，水位壅高；在缩窄河段，水流流速增加，水位相应降低。

室内试验设计了宽窄相间水槽，如图1所示，水槽总长28米，深0.5米，最宽处1.4米，最窄处0.6米，即断面A和断面C的宽度为1.4米，断面B和断面D的宽度为0.6米，河道展宽比和缩窄比分别为2.33和0.43，宽窄渐变长度为3米，即断面A与断面B、断面B与断面C、断面C与断面D之间的距离均为3米，采用供水系统供水。

室内试验在上游来流情况下，采用自计水位计测试宽窄相间河段在涨水条件下的实时水位变化，主要包括断面A、断面B、断面C和断面D的水位，各断面在涨水条件下的水深变化情况如图2所示。从图2中的宽窄相间河段稳定水深变化情况来看，从最宽的断面A到最窄的断面B，由于流速增加，水深变小，断面B与断面A的水深之比h_B/h_A＝0.23，降低了77％；从最窄的断面B到最宽的断面C，由于流速减少，水深增加，尤其是受到断面D卡口的壅水作用，断面C与断面B的水深之比h_C/h_B＝3.24，水深放大了3倍多；从最宽的断面C到最窄的断面D，由于流速增加，水深变小，断面D与断面C的水深之比h_D/h_C＝0.46，降低了54％。由此可见，受缩窄河段过流影响，展宽河段的水深常有数倍的增幅，在展宽河段极易引发高水位的山洪淹没灾害。

2)宽窄相间河段水深变化关系与水位陡增致灾分析

当发生洪水时，河道断面的过流能力可表述为如式(3)所示：

对较大的展宽河断，水力半径与平均水深可近似相等，则满足式(4)：

式(3)～(4)中，Q为断面流量，B为平均河宽，V为平均流速，h为平均水深，R为水力半径，J为河床比降，n为糙率系数；

由此，宽窄相间河段的展宽河段与缩窄河段的成灾水深变化关系可表示如式(5)所示：

若宽窄相间河段的展宽河段与缩窄河段的河道糙率系数近似相等时，式(5)可进一步简化为如式(6)所示：

式(5)～(6)中，h_宽,h_窄分别为展宽河段和缩窄河段的成灾水深，n_宽,n_窄分别为展宽河段和缩窄河段的河道糙率，B_宽,B_窄分别为展宽河段最宽处和缩窄河段最窄处的河宽，J_宽,J_窄分别为展宽河段和缩窄河段的河床比降；

若展宽河段的水位或水深陡增，则极易形成山洪淹没灾害，宽窄相间河段的几何形态及糙率参数较易获取，结合式(5)、(6)计算方法，可快速评价宽窄相间河段的展宽河段的淹没致灾特性。

3)宽窄相间河段的河流形态与山洪灾害成灾分析案例

①选取大量的山区河流宽窄相间典型成灾河段的案例，通过野外调查或者数值模拟分析这些宽窄相间典型成灾河段发生淹没灾害时的展宽河段与缩窄河段的水深之比；

具体地，对于有淹没灾害发生时的水深数据的情况，采用直接根据实测的展宽河段和缩窄河段的水深数据计算展宽河段与缩窄河段的水深之比；

对于没有测量到淹没灾害发生时的水深数据的情况，利用采用平面二维水动力数值模拟方法具体计算洪水期间沿程的流速和水位变化，再计算展宽河段与缩窄河段的水深之比；

②实测上述各典型成灾河段的地形，具体包括缩窄河段最窄处的河宽、展宽段最宽处的河宽，缩窄河段和展宽河段的河床比降，根据式(6)计算展宽河段与缩窄河段的水深之比；

③比较步骤①②中得到的展宽河段与缩窄河段的水深之比，发现对于这些宽窄相间典型成灾河段，步骤①②中得到的展宽河段与缩窄河段的水深之比是基本一致的，说明以公式(6)来计算展宽河段与缩窄河段的水深之比是可行的。

以下给出一个山区河流宽窄相间典型成灾河段发生淹没灾害的案例作为示例。

2010年8月13日受强降雨影响，岷江支流龙溪河龙池镇发生山洪淹没灾害，致使5.12汶川地震后重建的龙池镇受到严重破坏。发明人基于无人机收集了龙池镇河段地形，如图3所示，龙池镇河段包括一个缩窄-展宽结构，即由上游的一个缩窄河段衔接一个下游的展宽河段组成，缩窄河段最窄处的河宽B_窄＝25，展宽段最宽处的河宽B_宽＝45米，缩窄河段的河床比降J_窄＝0.025，展宽河段的河床比降J_宽＝0.001。

采用平面二维水动力数值模拟方法，计算了龙溪河三年一遇洪水(Q＝200m³/s)宽窄相间河段沿程的流速和水位变化，结果如图4所示，图4中虚线框圈出的地方与图3中虚线框圈出的地方一致。由图4(a)的流速变化曲线可知，在展宽河段的流速明显降低，根据图4(b)的水位变化曲线可知，展宽河段与缩窄河段的水深之比h_宽/h_窄＝2.4m/0.6m＝4.0。

根据龙池镇河段的河宽和河床比降参数，结合式(6)可得

该结果与前面的数值模拟分析得到的结果较为吻合。

④结合步骤①～③对大量典型成灾河段的分析可知，当宽窄相间河段的展宽河段淹没成灾时，展宽河段与缩窄河段的水深之比h_宽/h_窄至少大于1.0。

若山区河流的宽窄相间河段发生淹没灾害，宽窄相间河段的展宽河段会先被淹没。当展宽河段淹没成灾时，展宽河段的水深至少是在平滩之后超出了防灾要求水深h₀，也就是展宽河段的水深至少为展宽河段的平滩水深加上防灾要求水深h₀，此时缩窄河段的水深应低于展宽段的平摊水深，此处近似取缩窄河段的水深等于展宽段的平摊水深；而展宽段浓度平摊水深等于展宽河段的河槽深度。

由此可确定，当宽窄相间河段的展宽河段淹没成灾时，展宽河段与缩窄河段的成灾水深之比应满足式(7)：

结合式(6)可以确定当宽窄相间河段的展宽河段淹没成灾时，应满足式(8)：

式(7)～(8)中，h_宽平滩是指展宽河段淹没成灾时展宽河段的平摊水位，h₀为防灾要求水深；

也就是说，当山区河流的宽窄相间河段的山洪淹没灾害易灾区的河宽和河床比降满足式(9)时，该宽窄相间河段的展宽河段即为山洪淹没灾害易灾区，由此确定山区河流宽窄相间河段的展宽河段是否为山洪灾害易灾区的判别标准。

采用本发明提供的方法，通过山区河流宽窄相间河段的河道形态参数，即可识别宽窄河段的展宽河段的山洪淹没灾害易灾区，对于目标河段具有已建防灾保护对象是山洪淹没灾害防治而言，可以通过本发明的方法判断山区河流的某宽窄相间河段的展宽段是否为山洪淹没灾害易灾区，在山洪暴发前指导沿岸居民撤离至安全区域；对于山区河流沿岸人类活动区域安全规划而言，通过本发明的方法，可以判断目标河段拟规划建设的防灾保护对象是否处于山洪淹没灾害易灾区内，指导拟规划建设的防灾保护对象的规划位置的合理选择。

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：

1.本发明基于室内试验、理论分析、野外调查，揭示了山区河流宽窄相间河段发生山洪淹没灾害关键的河流形态参数，主要包括河宽与河床比降变化，结合山区河流宽窄相间河段的平滩水深和防洪预警要求，提出了专门针对山区河流宽窄相间河段浓度山洪淹没灾害易灾区识别方法，通过宽窄相间河段的河流形态参数和防洪预警要求，根据

即可快速识别宽窄相间河段的展宽河段的山洪淹没灾害易灾区，该方法仅依靠宽窄相间河段的形态参数和防洪预警要求即可实现山洪淹没灾害易灾区的识别，简单易行，快捷可靠。

2.采用本发明提供的方法可为山区河流宽窄相间河段沿岸的人类活动区域的安全规划和山洪淹没灾害防治提供可靠的指导，对于目标河段具有已建防灾保护对象是山洪淹没灾害防治而言，可以通过本发明的方法判断山区河流的某宽窄相间河段的展宽段是否为山洪淹没灾害易灾区，在山洪暴发前指导沿岸居民撤离至安全区域，对于山区河流沿岸人类活动区域安全规划而言，通过本发明的方法，可以判断目标河段拟规划建设的防灾保护对象是否处于山洪淹没灾害易灾区内，指导拟规划建设的防灾保护对象的规划位置的合理选择。本发明的方法有利于更好地实现山洪灾害防治，能有效减少暴雨山洪造成的人员伤亡和社会经济损失。

附图说明

图1是室内试验采用的宽窄相间水槽的示意图。

图2是室内试验时宽窄相间水槽在涨水时各断面的水深变化曲线。

图3是岷江支流龙溪河龙池镇河段的地形图。

图4是平面二维水动力数值模拟得到的龙池针河段的沿程流速和水位变化图，其中(a)图代表沿程流速变化，(b)图代表沿程水位变化。

图5是实施例中的宽窄相间河段的地形图。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明提供的基于山区河流形态与洪水位变化的宽窄相间河段山洪淹没灾害易灾区识别方法作进一步说明。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

本实施例中，以汉江支流官山河的某宽窄相间河段为例，说明基于山区河流形态与洪水位变化的宽窄相间河段山洪淹没灾害易灾区识别方法。

官山河为汉江支流，全长163km，流域面积880km²。官山河的某宽窄相间河段的地形如图5所示，目标河段具有一个缩窄-展宽结构，即目标河段具有如图5所示的一个缩窄河段衔接一个展宽河段的结构，并且在目标河段的展宽河段具有耕地、房屋、公路等防灾保护对象，本实施例以该宽窄相间河段为例，对本发明提供的方法作进一步的说明。

①选定如图5所示的山区河流的宽窄相间河段作为目标河段，目标河段的展宽河段具有已建防灾保护对象房屋和公路，还包括耕地，具有防灾要求，目标河段包括一个缩窄-展宽结构，即目标河段具有一个缩窄河段衔接一个展宽河段的结构。

②对目标河段的缩窄-展宽结构进行编号，将该目标河段的缩窄-展宽结构编号为M₁；

③测量编号为M₁的缩窄-展宽结构的缩窄河段最窄处的河宽和展宽河段的最宽处的河宽，分别记作B_1,窄、B_1,宽，B_1,窄＝62米、B_1,宽＝133米，测量编号为M₁的缩窄-展宽结构的缩窄河段的河床比降和展宽河段的河床比降，分别记作J_1,窄、J_1,宽，J_1,窄＝0.02、J_1,宽＝0.001；测量编号为M₁的缩窄-展宽结构的展宽河段的河槽深度h_1,宽河槽，h_1,宽河槽＝3米。

④根据式(1)计算编号为M₁的缩窄-展宽结构的展宽河段与缩窄河段的成灾水深之比

带入数据，

式(1)中，h_1,宽,h_1,窄分别是编号为M₁的缩窄-展宽结构的展宽河段和缩窄河段的成灾水深；

⑤根据公安部公民自救资料库“面对洪水灾害如何自救？”记载的“遭遇洪水时首先要往地势高的地方跑，并避免接触洪水，即使只有15厘米水深的洪水，它的流动也是非常快的，并且很容易就把你冲倒。60厘米水深的水就可以冲跑你的车，使你面临生命危险。”确定防灾要求水深h₀＝0.6m。

当编号为M₁的缩窄-展宽结构的展宽河段淹没成灾时，展宽河段与缩窄河段的成灾水深之比

应满足式(2)，

式(2)中，h_1,宽平滩是编号为M_i的缩窄-展宽结构的展宽河段淹没成灾时展宽河段的平滩水深，计算时取h_1,宽平滩＝h_1,宽河槽，h_1,宽河槽＝3米，h₀为防灾要求水深；

带入数据，计算得到

也就是当

时，编号为M₁的缩窄-展宽结构的展宽河段为山洪淹没灾害易灾区，而结合以上计算可知，

说明图5中的宽窄相间河段中的展宽河段为山洪淹没灾害易灾区。

受强降雨和该宽窄相间河段的卡口约束的影响，在2012年8月6日，该宽窄相间河段的展宽河段发生了山洪淹没灾害，展宽河段的河滩地的良田全部冲毁，滩地淹没水深约3.0米，造成了严重的灾害。经现场调查，洪水期间展宽河段平均水深约6.0米，缩窄河段的水深约4.0米。

Claims (5)

1.基于山区河流形态与洪水位变化的宽窄相间河段山洪淹没灾害易灾区识别方法，其特征在于，步骤如下：

①选定山区河流的宽窄相间河段作为目标河段，目标河段具有防灾保护对象，并且目标河段包括至少一个缩窄-展宽结构，缩窄-展宽结构是指一个缩窄河段衔接一个展宽河段的结构；

②根据防灾保护对象所处的位置，对目标河段的各缩窄-展宽结构进行编号，按照从上游到下游的方向，将目标河段的展宽河段处具有防灾保护对象的缩窄-展宽结构依次编号为M₁,M₂,…,M_n，将任意一个展宽河段处具有防灾保护对象的缩窄-展宽结构编号为M_i，i＝1,2,…,n；

③测量编号为M_i的缩窄-展宽结构的缩窄河段最窄处的河宽和展宽河段的最宽处的河宽，分别记作B_i,窄、B_i,宽，测量编号为M_i的缩窄-展宽结构的缩窄河段的河床比降和展宽河段的河床比降，分别记作J_i,窄、J_i,宽；

④根据式(1)计算编号为M_i的缩窄-展宽结构的展宽河段与缩窄河段的成灾水深之比

式(1)中，h_i,宽,h_i,窄分别是编号为M_i的缩窄-展宽结构的展宽河段和缩窄河段的成灾水深；

⑤当编号为M_i的缩窄-展宽结构的展宽河段淹没成灾时，展宽河段与缩窄河段的成灾水深之比

应满足式(2)，

式(2)中，h_i,宽平滩是编号为M_i的缩窄-展宽结构的展宽河段淹没成灾时展宽河段的平滩水深，计算时取h_i,宽平滩＝h_i,宽河槽，h_i,宽河槽是编号为M_i的缩窄-展宽结构的展宽河段的河槽深度，h₀为防灾要求水深；

结合式(1)(2)可知，当

时，编号为M_i的缩窄-展宽结构的展宽河段为山洪淹没灾害易灾区。

2.根据权利要求1所述基于山区河流形态与洪水位变化的宽窄相间河段山洪淹没灾害易灾区识别方法，其特征在于，防灾要求水深h₀根据防灾保护对象进行确定。

3.根据权利要求2所述基于山区河流形态与洪水位变化的宽窄相间河段山洪淹没灾害易灾区识别方法，其特征在于，防灾要求水深h₀＝0.2～0.6m。

4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述基于山区河流形态与洪水位变化的宽窄相间河段山洪淹没灾害易灾区识别方法，其特征在于，目标河段具有防灾保护对象是指目标河段具有已建防灾保护对象或者拟规划建设的防灾保护对象。

5.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述基于山区河流形态与洪水位变化的宽窄相间河段山洪淹没灾害易灾区识别方法，其特征在于，缩窄-展宽结构中的展宽河段最宽处的河宽至少为缩窄河段最窄处河宽的1.5倍。

Images