贵州省正安县“2020·6...2”山洪灾害成因分析与启示_卢阳.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：国家重点研发计划项目（）；江西省科技重点研发计划项目（）作者简介：卢 阳（），男，湖北汉川人，正高级工程师，博士，主要从事山地灾害形成演化机理与减灾技术研究。：，（）：贵州省正安县“”山洪灾害成因分析与启示卢 阳，黄科翰，胡 月，张乾柱（长江科学院 重庆分院，重庆；清华大学 土木水利学院，北京）摘 要：年 月 日凌晨，贵州省正安县白花河流域突降大暴雨至特大暴雨，致碧峰集镇所在地发生特大山洪灾害。为探寻此次山洪灾害成因，在资料收集和现场勘测基础上，分析了灾情、雨情和水情，还原了山洪动态淹没过程，并利用基于二维浅水方程开发的洪水演进模型软件对洪水演进过程进行了模拟和验证，得出以下主要结论：特殊的地形地貌和独特的地理位置为灾害发生提供了基础条件；短历时超强降雨叠加较高的前期累积降雨量是诱发灾害关键因素；河道现状防洪能力不足与洪峰流量过大的矛盾使得灾害发生成为必然；非常住人口与流动人口较多，妇女和儿童自救能力差，部分群众避险意识不强，极大增加了灾害损失。在此基础上，提出了科学规划顶层设计、完善山洪灾害群测群防体系、细化防洪减灾动态管理等启示和建议。研究成果对防洪减灾、洪水风险分析和灾情评估等山洪灾害防治工作具有一定的借鉴和指导意义。关键词：山洪灾害；洪水淹没；成因分析；灾害启示；贵州正安中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：“”，（，；，）：“”，：）；）；）；），：；，研究背景山洪灾害一般是指因降雨在山丘区引发的溪河洪水等对国民经济和人民生命财产造成损失的灾害，具有季节性强、来势迅猛、破坏性强和地域性差异大等特点。近些年来，突发性极端强降雨诱发的山洪灾害已造成大量的人民生命财产损失，如 第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 年 月 日，黑龙江省宁安市沙兰镇沙兰河上游突降特大暴雨，形成的洪水漫堤淹没了沙兰镇中心小学和大量民房，造成 人的重大伤亡（其中小学生 人），直接经济损失 亿元以上；年 月 日，甘肃省岷县遭遇冰雹强降雨袭击，引发的洪水造成岷县 人死亡，人失踪，个乡镇万人受灾，房屋倒塌 万间，直接经济损失超过 亿元；年 月 日，四川省冕宁县北部地区突降暴雨至特大暴雨，诱发的洪水造成 人死亡或失联，农作物受灾，房屋倒塌 户 间，直接经济损失亿元。1 1 9 9 m1 7 2 3.2 m1 5 0 6 m1 6 1 4 m1 2 8 8.2 m1 1 8 8 m1 4 1 6.3 mN图 白花河流域示意图 贵州省地处云贵高原东部的大斜坡地带，地势西高东低，境内山高、谷深、坡陡。受地形地貌影响，气候复杂且变化多样，降水时空分布不均匀，贵州省山洪灾害频发、多发、损失重，如 年 月 日，贵州省望谟县突降大暴雨至特大暴雨，引发的洪水造成望谟县 个乡镇万人受灾，人死亡，人失踪，直接经济损失约亿元。在全国 个省级区域中，贵州省山洪灾害高危险区面积比例排在前 位。据统计，年，贵州省平均每年洪水灾害损失亿元，平均死亡人口 人，而因山洪灾害造成的损失占洪灾损失的 以上。为减少山洪灾害造成的人员伤亡和经济损失，对山洪灾害形成机理和规律特征的研究早已成为山洪灾害防治工作中的热点问题。等发现上游地区强降雨是欧洲部分暴雨山洪的主要诱因；王协康等认为暴雨山洪过程中的水沙耦合作用加剧使得河床淤积，水位陡增，极易造成严重的山洪灾害；孙桐等反演分析了中都河流域“”山洪致灾机理，发现当地居民围滩造地侵占河道，洪水行进过程中因河床束窄水位陡涨致灾。大量的研究表明，山洪灾害受气象水文、地形地貌、人类活动等因素的综合影响，其成因既有影响因素的共同性，又有下垫面特征的特殊性。因此，剖析山洪灾害典型案例，研究山洪灾害形成机理，总结山洪灾害防御过程中的薄弱环节，对开展山洪灾害防治工作具有重要的实践指导价值。流域概况贵州省遵义市正安县“”山洪灾害发生地位于碧峰镇。碧峰镇处于正安县西北部，距正安县城 ，东西长，南北宽，总面积，下辖碧峰居、羊坎、青定、洪泉、庆丰、平安 个行政村，总人口 人。碧峰镇地处大娄山东侧河谷地区，为碳酸盐岗状低中山地貌。境内四沟五岭，岭交错沟纵横，多山多崖，局部形成山间丘陵、坝地，土壤贫瘠，地表覆盖类型为山林、灌木丛、农田和少量居民地。该区域为亚热带季风气候区，气候温和湿润，雨量丰沛，多年平均降雨量 ，历史最大日降雨量，降雨以 月份最为集中。本次山洪灾害损失主要集中在碧峰集镇（又称碧峰居，碧峰镇政府所在地，镇政府地理位置坐标为，），为下司河流域（流域面积 ，河长，河道平均比降）上源白花河的下游河段。该地三面环山，地势低洼，人口集中，经济相对发达，为白花河、吴家沟、蔡家沟、李家沟 条河沟的交汇处。白花河自西往东流经碧峰集镇，纳左岸吴家沟、蔡家沟、李家沟后汇入下司河，于道真县三江集镇处注入三江（图）。其中，吴家沟流域面积，河长，主河道平均比降；蔡家沟流域面积，河长，主河道平均比降；李家沟流域面积 ，河 长 ，主 河 道 平 均 比 降 第 期卢 阳 等 贵州省正安县“”山洪灾害成因分析与启示；白花河青龙桥断面以上流域面积，河长，主河道加权平均坡降。白花河年径流总量 万，多年平均流量 。灾情分析此次山洪灾害致使碧峰镇各村居不同程度受灾，共涉及受灾人口 户 人，造成 人死亡，房屋受损 户，车辆毁坏 辆，农作物受灾面积（成灾面积），道路冲毁 处，桥梁损坏 处，电杆倒塌 余根，供水主管网损毁，直接经济损失 万元。受灾人员、房屋和基础设施位置见图。此次山洪灾害造成的人员死亡失踪主要发生在凤雨桥至石桥段，以妇女和儿童为主。图 受灾人员、房屋和基础设施位置示意图 ，为重现本次洪水淹没过程，选择河（沟）势相对平稳且顺直的 段河（沟）道进行控制断面测量，位置见图。断面测量选择 法，采用 坐标系统和同一坐标系统控制网。横断面测量从左向右布置，以高出此次洪峰水位 以上的两侧山坡点为起止测量点，以反映沟道断面形状的特征点为中间测量点。纵断面测量沿河（沟）道深泓线布置，并向上下游延伸。通过现场对淹没范围、淹没深度、受灾过程等进行调访和测量，得出控制断面水位涨落特征值，结果见表。在已知洪水涨落特征条件下，基于实测地形，考虑水面坡降和地形连通性，对此次洪水淹没过程进行了还原。由图 可以看出，月 日 时 分，洪水首先从吴家沟和蔡家沟以及蔡家沟与白花河的交汇处漫出河（沟）道，淹没两侧道路（图（）。随着时间推移，洪水向中、下游堆聚，下游水深增加。图 洪水淹没过程示意图 表 控制断面水位涨落特征值 断面不同时刻起涨漫岸洪峰水位变幅 涨率（）开始退水时刻消退用时 断面（吴家沟）：断面（蔡家沟）：断面（白花河）：断面（青龙桥）：时 分，白花河集镇段洪水漫出河（沟）道，淹没两侧道路。此时，断面 和断面 处迎来洪峰，洪水从河道漫出，遇两侧房屋而雍高，水位高出两侧路面（图（）。时 分，白花河集镇段洪水到达峰，迎来最大洪水淹没范围和水深，淹没区内房屋进水（图（），流域水位全部上涨，范围扩大至上下游。时 分左右，整个淹没区洪水退回河道，洪水消退（图（）。雨情统计 降雨过程白花河流域设有碧峰、青定和羊坎 个雨量站，分别位于碧峰集镇、青定村和羊坎村。灾害发生前，碧峰、青定、羊坎雨量站记录的累计降雨量分别为、（图）。日 时青定降雨量为，羊坎降雨量为，均达大暴雨级别，碧峰集镇则未降雨。由图 可知，月 日青定和羊坎的降雨从 长江科学院院报 年 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 0碧峰站青定站羊坎站降雨量/m m5 月2 4 日 5 月2 9 日 6 月3 日6 月8 日 6 月1 3 日 日期图 灾害发生前流域内各站点累计降雨量 1 6 3.3 02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 00112233445566778碧峰站 青定站 羊坎站 降雨量/m m时段图 “”山洪灾害各站点小时降雨过程 “”时开始至 时止，降雨量分别为、。碧峰集镇降雨则从 时开始至 时止，降雨量为。暴雨特性碧峰集镇最大 降雨量为，发生在 时，其次为，发生在 时。最大 降雨量出现在：，达。据中国暴雨统计参数图集，此次降雨过程的 降雨量和最大 降雨量为贵州省有气象记录以来的最大值，最大 降雨量为正安县有气象记录以来的最大值，排在贵州省历史最大 降雨量值的第 位。根据贵州省短历时暴雨统计参数等值线图集查值，并进行频率计算，碧峰集镇暴雨频率分析计算成果见表。本次碧峰集镇实测最大 降水量 大于该区域 一遇的 暴雨量（），重现期超过 ；最大 降雨量 大于该区域 一遇的 暴雨量（），重现期超过 ；最大 降雨量 略大于该区域 一遇的最大 暴雨量（），重现期超过 。考虑到空间上降雨的不均匀性，采用“泰森多边形法”对碧峰、羊坎、青定 个雨量站点的雨量数据进行计算，得出白花河流域面雨量成果（见表）。对照表，此次白花河流域最大 、最大 、最大 面雨量分别为、，重现期约为。表 暴雨频率分析计算结果 历时均值 不同暴雨频率下降雨量 注：、分别表示变差系数和偏态系数。表 不同最大降雨历时面雨量统计 历时 降雨量 碧峰站羊坎站青定站面雨量 暴雨成因 月初，巴湖横槽东移南下，遵义市西北地区多低槽南下，带动地面冷空气南下影响，同时副高西伸北抬，暖湿气流与冷空气在遵义市交绥。日 时，高空槽东移槽前上升运动加强，低层 低涡切变在遵义市西部、北部产生强的风速、风向辐合带，同时加之前期该地区水汽充沛，能量条件好，在遵义市西部、北部地区产生强降水天气。在低涡切变、地形抬升和高空槽的影响下，出现了局地短时强降雨过程，造成此次暴雨天气。洪水计算及洪水淹没模拟 洪水计算设计洪水推求采用贵州省暴雨洪水计算实用手册 中的暴雨洪水计算公式。因流域内植被一般，属开垦度一般的山区，河道蜿蜒曲折，根据流域特征系数 判定，当 ，时采用如下形式：。（）式中：为设计频率 的洪峰流量（）；为汇流系数，根据流域情况取；为流域形状系数（）；为分水岭至出口断面的水力坡度（）；为流域面积（）；为洪峰径流系数，一般取，本次取；为设计频率 的 型曲线的模比系数；?为设计最大 点雨量均值，取。计算得到青龙桥断面设计洪水成果见表。选取受灾河段流域出口青龙桥断面作为河道断面进行洪水复核计算分析。根据现场洪水调查和外业测量成果，采用曼宁公式计算本次洪水的洪峰流量，即 第 期卢 阳 等 贵州省正安县“”山洪灾害成因分析与启示表 青龙桥断面设计洪水成果 洪峰流量（）洪峰流量（）。（）式中：为河床糙率；为过水断面面积（）；为水力半径（）。本河段属于山区河流，河底为砾石，卵石间有孤石，根据水文测验实用手册，糙率一般取。由于河道在洪水条件下的糙率偏低，综合分析得出。现场对受灾河段及“”洪水洪痕进行测量，得出青龙桥断面过水面积 ，湿周。利用式（），计算得出青龙桥河段洪峰流量为 。对比受灾河段的洪峰流量与相应断面设计洪峰流量可知，受灾河段本次暴雨洪水重现期约为 一遇。流域汇流时间是反映小流域产汇流特性的最重要参数之一。利用式（）计算流域最远点汇流至青龙桥断面所需的时间，得到汇流时间为，洪峰模数为 （）。（）式中：为流域汇流时间（）；为主河道河长（）；为汇流参数，取；为洪峰流量（）。洪水淹没模拟洪水淹没机理是水源区和被淹没区有通道且存在水位差，淹没结果是水位达到平衡状态。洪水淹没过程复杂，受多种因素的影响。其中，洪水特性和受淹区的地形地貌是影响洪水淹没的主要因素。对于某个特定防洪区域，河道中洪水位过高，超过 河 岸 高 程，即 会 漫 出 河 道 形 成 淹 没 区。“”山洪灾害发生在当日凌晨，由于无实测水文数据，洪水演进观测资料不足。在调查阶段确定的洪水淹没过程基础上，为进一步探究此次洪水造成生命财产损失的具体原因，此处运用二维洪水演进模型模拟了碧峰集镇受灾最严重时刻的洪水淹没范围、淹没水深和洪水流速。模拟采用清华大学开发的二维洪水演进模型软件进行，其控制方程为二维浅水方程组。经简化的传统二维浅水方程形式被广泛应用于洪水演进过程中的模拟，能够模拟天然水流的流动情况，具体形式为：；（）