516西安理工大学学报Journal of Xi'an University of Technology(2020)Vol36No.4
DOI：10.19322/jki.issn.1006-4710.2020.04.011
榆林市无资料小流域山洪灾害风险评价
王陇，宋孝玉，刘雨，魏婉茵，张玲，赵新凯，胡志强
(西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安710048)
摘要：作为我国最为严重的自然灾害之一，山洪灾害一直备受社会各界的关注。无资料小流域山洪灾害风险评价，对于提高风险区的预警预报能力、保护民众的生命财产安全、巩固脱贫攻坚成果等都具有重要的指导意义。以陕北榆林市24个小流域为研究对象，通过设计洪水及设计洪水位分析、防洪能力确定、暴雨预警响应级别判定和临界雨量计算，定量评价每个小流域的山洪灾害风险程度。研究结论：①榆林市24个沿河村落中，防洪能力小于5年一遇的极高风险区有2个、小于5〜20年一遇的高风险区有7个、小于20〜100年一遇的风险区有14个、大于100年一遇的低风险区有1个；②当发生暴雨蓝预警时需要做出响应的村落有2个、暴雨黄预警时需要响应的村落有9个、暴雨橙预警时需要响应的村落有8个、暴雨红预警时需要响应的村落有5个，分别占评价村落的8.3%、37.5%、33.4%、20.8%；③临界雨量的大小与村落防洪能力、土壤含水量和流域位置有关，防洪能力弱、土壤含水量大且靠近上游的村落，其临界雨量相对较小。
关键词：山洪灾害；无资料地区；设计洪水；暴雨预警响应；临界雨量
中图分类号：TV122；X43文献标志码：A文章编号：10()64710(2020)04051607
Risk assessment on mountain flood disasters in a small watershed without data in Yulin City WANG Long,SONG Xiaoyu,TJU Yu,WEI Wanyin,ZHANG Ling,
ZHAO Xinkai,HU Zhiqiang
(State Key Laboratory of Eco-hydraulcs in Northwest Arid Region of China,Xi'an University of Technology,
Xian710048,China.)
Abstract:As one of the most,serious natural disasters in China,mountain flood has been concerned by all sectors of society.The risk assessment,on mountain flood disaster in the small watershed without,data is of great,significance for improving the ability of early warning and forecasting in risk areas,protecting the safety of people's lives and property,consolidating the achievements of poverty alleviation and so on.In this study,24small watersheds in Yulin northern Shaanxi were studied.Design flood and design flood level analysis,flood control capacity determination,rainstorm early warning resp
onse level determination and critical rainfall calculation were carried out.in sequence,with the risk degree of each small watershed quantitatively described,and the critical rainfall value determined.The conclusions are as follows:©among the 24villages along the river in Yulin,there are2extremely high risk areas with flood control capacity less than5-year return period,7high-risk areas with5-20-year return period,14risk areas with20-100-year return period,and1low-risk area with more than100-year return period;
②when the blue rainstorm warning is issued,there are2villages that,need to respond,9villages
need to respond to rainstorm ye l ow warning,8vi l ages need to respond to rainstorm orange warning,and5villages need to respond to rainstorm red warning,each accounting for8.3%,
37.5%,33.4%,and20.8%of the evaluated villages.This indicator can provide direct,guidance
for the start,of flood control and transfer work for villages along the river；③the critical rainfall is
收稿日期：2020-09-25；网络出版日期：2020-10-26
网络出版地址：https：///kcms/dcti/61.1294.N.20201023.1843.012.html
基金项目：陕西省防汛抗旱总指挥部办公室资助项目(104481018029)
第一作者：王陇，男，硕士生，研究方向为水文学及水资源。E>mail：651552972@qq
通信作者：宋孝玉，女，博士，教授，博导，研究方向为水文学及水资源。E-mail：songxy@xaut.cdu
王陇，等：榆林市无资料小流域山洪灾害风险评价517
related to the flood control capacity of villages,soil moisture content and watershed location.The villages with weak flood control capacity,large soil moisture content and close to the upstream have relatively small critical rainfall.
Key words:mountain flood disaster；area without data;design flood;rainstorm warning response;critical rainfall
小流域山洪是山地丘陵沟壑区因降雨而引起的、一种危及人民生命财产安全的灾害形式，其具有来势猛、成灾快、破坏性强以及预测预防难度大等特点［］。山洪灾害频发已经成为中国防洪减灾工作中亟待解决的问题［］。2015年2月在我国水利部发布的《山洪灾害分析评价方法指南》中，对如何进行山洪灾害外业调查、内业分析与计算以及山洪灾害预警平台建设等工作都提出了详细、科学的安排和要求，为规范全国山洪灾害的分析和评价工作起到了积极的推动作用。其中，进行防洪风险评价及山洪灾
害的预警工作是重中之中，是减少人员伤亡和财产损失的有效手段［］。目前，山洪灾害风险评价方法主要分5类:GIS分析法［］；模型模拟评价法［5］；可变模糊评价法［］；基于机器学习的风险评价法［7］；主成分分析法8。崔洋等［］采用FloodArea模型模拟与ArcGIS空间叠加统计分析相结合的方法，对贺兰山银川段不同重现期的山洪灾害风险与影响区划进行了研究；冯快乐等［0］基于BP神经网络，对湖北省山洪灾害危险性进行了评价；王一新等8基于主成分分析法，对中国21座城市的防洪减灾能力进行了综合评价。
上述研究通过将各项致灾因素（例如降水、产汇流参数、坡度、比降、植被覆盖、河网密度等［1］）转化为特定的评价指标，按照权重综合分析得出研究区域的危险程度分区，只能给出危险性的分布情况这一定性评价。当这些研究应用于无资料、村民居住点分布零散且情况复杂的小流域沿河村落的山洪灾害风险评价工作时，存在明显不足：难以给出定量的防洪能力及预警雨量。因此，本文先通过2019年外业实测获得的小流域河道断面信息、沿河村落居民的房屋宅基地高程、下垫面参数及成灾水位等数据，经内业计算得到设计洪水位，将其与成灾水位进行比较，确定小流域的防洪能力。再引入中国气象局发布的暴雨预警等级标准，定量描述每个小流域的风险响应程度，并采用水位流量反推法［2］计算得到各个小流域在三种不同前期土壤含水量条件下的预警雨量，以期为小流域山洪灾害风险评价及预警工作提供数据支撑与科学指导。
1研究区概况
榆林市（北纬36°57/〜39°35'东经107°28/〜11115，）位于陕西省最北部，西邻甘肃、宁夏，北连内蒙古，东隔黄河与山西相望，南与陕西省延安市接壤，其北部为风沙草滩区，占总面积的42%，南部为黄土丘陵沟壑区，占总面积的58%。榆林市多年平均年降水量为404mm，降水量时空分布极不均匀，6〜9月份降水量占年降水量的75%以上，空间上则表现为南部较多、东北部次之、西北部偏少。榆林市的水系主要由四河（无定河、窟野河、秃尾河、佳芦河）、四川（皇甫川、清水川、孤山川、石马川）及其支流组成，各河流洪水的主要成因是7〜9月出现最多的暴雨，榆林市水系图及防灾对象分布见图1。由于榆林市境内植被覆盖度较低、雨强大，所以洪水来势猛，陡涨陡落，其峰形尖瘦、峰高量大，容易引发山洪灾害。
图1榆林市防灾对象分布图
Fig.1Distribution of disaster prevention objects in Yulin 2研究资料及方法
2.1资料来源
本研究使用的资料包括如下两部分。
1）外业资料。榆林市2019年24个小流域（见表1）河道断面测量资料和下垫面糙率；沿河村落居民房屋位置和宅基地高程数据；历史山洪资料。
2）内业资料。中央层级下发的榆林市各县小流域土壤植被数据;《榆林市实用水文手册》（西安理工大学、榆林市水利工作队,2014年12月）提供的榆林市1961—2010年短历时、强降雨暴雨资料及榆林市降雨自然特点与雨洪特性规律；使用Google Earth在30M 空间分辨率下量算可以得到流域集水面积F、主沟长度L、主河沟纵坡比降八再将L的量算长度与外业实测长度进行对比，发现软件量算的结果在误差允许的范围内
。
518西安理工大学学报（2020）第36卷第4期
表1榆林市山洪灾害风险评价小流域个数统计表（2019年）
Tab.1Statistical table of the number of small watersheds for mountain flood risk assessment in Yulin 行政区划横山县府谷县米脂县神木县子洲县绥德县清涧县榆阳区合计小流域数量/个1221471624
2.2研究方法
2.2.1防洪现状评价
1）设计洪水计算与洪水位分析
根据《榆林市实用水文手册》（下称水文手册），先计算不同频率的设计点暴雨量，再经点面转化得到设计面雨量，然后按照概化雨型时程分配表进行雨量分配，选取符合流域特征的产流模式进行产汇流计算13］，最终求得不同频率的设计洪峰流量及相应的汇流历时［3］。进而通过曼宁公式推算各个断面的水位流量关系，得到不同设计洪峰流量所对应的河道洪水位。
2）暴雨预警级别响应
根据外业测量得到的居民宅基地高程和河道断面数据，先得到沿河村落的成灾水位，成灾水位的确定方法见图2。再将计算所得各频率对应的设计水位与成灾水位进行比较，判断该村落是否成灾，如果成灾则绘制频率流量曲线，将成灾水位换算成对应的洪峰流量，采用插值法即可得到成灾水位对应的频率，进而确定防洪能力。村落的防洪能力与成灾水位的确定有直接的关系。由确定的防洪能力可以反算出设计面雨量，最终得到其对应的暴雨预警响应等级（见表2）。
图2控制断面形状例图
Fig.2Controlsectionshapediagram
图注：成灾水位确定分两种情况，一是如图2左所示，住户B的宅基地高程为成灾水位；二是如图2右所示，成灾水位不能设定为住户B的宅基地高程，当水位高于A点高程后才致灾，故A点高程为成灾水位。2.2.2预警指标确定
1）预警时段确定
预警时段是雨量预警指标的重要组成部分，主要受上游集水面积大小、地形地貌、降雨强度、植被条件等因素的影响［5］，榆林地区的预警时段设定为1h、2h、3h。
2）临界雨量计算
因榆林地区以“超渗产流”为主，故在临界指标计算中采用水位流量反推法。根据前期雨量估算土壤含水量，分别采用前期影响雨量P a=0.2/m、P= 0.5 I m及P a=0.8!m的三个临界值对前期降雨较少、一般及较多3种情况的土壤含水量进行界定，代表流域土壤较干、一般及较湿3种情况13］。I m为流域最大蓄水容量，根据水文手册确定榆林地区的I m取值为100mm。
临界指标包括立即转移雨量和准备转移雨量［6］，经水位流量反推得到对应的成灾频率，通过试算得到的预警时段对应降雨过程的雨量就是立即转移雨量，把立即转移雨量前推0.5h的雨量为准备转移雨量。
2.2.3工程实例
选取榆林市子洲县永红村所在小流域为例，根据外业测量和内业收集得到的资料和上述研究方法，说明榆林市小流域山洪灾害风险评价过程。
永红村位于子洲县双湖峪街道，图3所示为永红村小流域河道形状及其与住户的位置关系，表3为该河道的参数信息。
根据水文手册计算得到不同历时的点暴雨量和C v均值，结合模比系数和点面转化系数可以计算得到各设计面暴雨量的值（见表4）。
表2暴雨预警等级信息表[4]
Tab.2Rainstorm warning level information table[4]降雨历时/h降雨量/mm暴雨预警级别
12将要或者已经达到50,
且有可能持续蓝预警（W级）
6将要或者已经达到50,
且有可能持续黄预警（川级）
3将要或者已经达到50,
且有可能持续橙预警（H级）
3将要或者已经达到100，且
有可能持续红预警（I级）
图3永红村所在河道与居民相对位置图Fig.3Relative position of the river course and residents of Yonghong
Village
王陇，等：榆林市无资料小流域山洪灾害风险评价519
表3永红村所在小流域河道信息表
Tab. 3 River channel informationon Yonghong Village small watershed
行政区名称
经度
纬度集水面积/kn?沟长/m
比降/%。糙率
成灾水位/m
永红村
110.10°E
37.68°N 27.5
9350
13. 50.029
930.59
Tab.4
表4永红村所在小流域不同设计面暴雨量计算结果表
Area storm rainfall results of different design frequencies in Yonghong Village sma l watershed
历时/均值/
变差
重现期雨量值H p/mm
h
mm
系数C v
C s/C v
100 年(H 1% )
50 年(D 20 年(&%) 10 年(H 10%)
5 年(H 20%)
0. 167
12. 60
0.54
3.536
3226
2117
1
30.070.60
3.59482655240
647.42
0.65
3.5161
138
108856424
55.52
0.67
3.5
194
166
130
102
76
1）设计洪水计算与洪水位分析根据表4中的计算结果，参照水文手册中的概
化雨型对面雨量进行时程分配，采用超渗产流模式 计算净雨，代入汇流计算中求得不同频率的及
Q m -t 两组关系曲线，以100年一遇（频率1%）为例 （见图4）由两条曲线的交点得出设计洪峰流量和
汇流历时［6］，计算出设计洪量，利用曼宁公式求得 水位流量关系曲线（见图5），结果见表5。
图4永红村100年一遇Q 〃t 及Q m t 关系曲线图
Fig. 4 Q — and Q m - t curves of 100-year
return period in Yonghong Village
935
933
廉931
925 ----1J 10
洪峰流量/（m?・“）
939。 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000
控制断面---水位流量关系曲线成灾水位
937
•— 5年一遇水位 -•—20年一疱水位 一100年一遇水位
929
92720 30 40
50 60 70 80 90
起点距/m
图5永红村小流域水位流量关系曲线图 Fig. 5 Stage discharge relationship curve of
Yonghong Village small watershed
表5永红村小流域不同频率设计洪水结果表
Tab. 5 Design flood results of different frequencies in Yonghong Village small watershed
洪水要素
重现期洪水要素值
100 年(H 1% )
50 年(H 2% )20 年(&%)10 年(H 10%)5 年(H 20% )
洪峰流量/（n?・s -1）
336.00
300.00261. 00225.00
190. 00洪量/（万m 3）380.01
306.72
217. 05
155.56
100. 67
汇流历时/h 0. 93
0. 95
0.98 1. 00
1. 03
洪峰水位/m
930.98930.83930.69
930.47930.35
2）暴雨预警级别响应根据表5中的计算结果，以控制断面的设计洪 水位及洪峰流量为边界条件，将糙率值、外业和内业
测量的各控制断面及河道比降输入HEC-RAS 软 件，采用直接步进法逐断面推求整个河道的洪水水
面线［7］。将不同频率水面线高程与成灾水位比较，确定
沿河村落的防洪能力，先通过防洪能力对应的频率 反算出设计面暴雨量［8］，再通过概化雨型进行时程 分配得到不同历时下的降雨量，结果见表6，最终对
照表2确定永红村的暴雨预警响应等级为黄（川
级）
。
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西安理工大学学报（2020）第36卷第4期
表6永红村防洪能力对应的设计面雨量值表
Tab. 6 Design area rainfall corresponding to flood
control capacity of Yonghong Village
降雨历时/h
面雨量/mm
1
332 36
3
40
4
44
5
48
6
53
3）预警雨量结果
由临界洪峰流量对应的临界频率，推算出不同
土壤含水条件下该临界频率的降雨过程。由于研究
区域选择的预警时段分别为1 h 、2 h 、3 h，故降雨资 料中1 h 、2 h 、3h 对应的雨量即为立即转移雨量，再
把每个时段前推0. 5 h 对应的雨量即为准备转移雨 量。永红村临界雨量计算结果见表7。
表7永红村三种不同土壤含水条件下临界雨量表
Tab. 7 Critical rainfall under three different soil
moisture conditions in Yonghong Village 预警
时段/h 立即转移雨量/mm 准备转移雨量/mm
较干一般较湿较干一般
较湿
1
34
3332
14
131********
18
17163
42
40
38
20
18
17
3 结果与讨论
3. 1防洪现状评价
根据前述方法和工程实例，对榆林市共计24个 村落的小流域山洪灾害进行防洪现状评价，得到榆
林市沿河村落设计洪水分布图和榆林市沿河村落暴•防灾对象
■ 5年一遇水位 二120年一遇水位■ 100年一遇水位 设计洪水（m?⑸
|| 613/425/260
雨预警响应等级分布图，见图6和图7。
N
E S
王一 博述
■ i 沟
赵五塔湾村
F ¥葛富
H
吐虎沟村
1
艸家蠻
李些村红爲雾詈咸
眠虎沟村』•柑•豪需涉
高家沟椚立常瘗
I
图6榆林市沿河村落设计洪水分布图
Fig. 6 Design flood distribution of villages
along the river in Yulin
金蓝预警（IV 级）
黄预警（III 级） ■橙预警（II 级） ■红预警（I 级）
图7榆林市沿河村落暴雨预警响应等级图Fig. 7 Rainstorm warning response level of
villages along the river in Yulin
由图6可知，越靠近小流域沟道下游，其汇水面 积就越大，且相同设计频率下的流域出口断面流量
也越大。故分别处于同一沟道上、下游的小流域洪 峰流量是从上游到下游依次增大的，因此，计算结果 合理。
由图7可知,4个村落中只有上黑龙潭村和马 家坪村的响应级别为蓝暴雨预警，其余村落的响 应级别为黄或更高级别暴雨预警。再结合居民宅
基地高程数据可知•由于上黑龙潭村和马家坪村均 有居民将房屋建设在河道中，或是村民的宅基地高 程
与洪水水面线高程相差很小，故当发生暴雨洪水 时，必然会危及当地人民众的生命、财产安全。3.2临界雨量确定
同样采用前述方法，可以得到榆林市24个沿河
村落小流域的立即转移雨量和准备转移雨量分布 图•见图8和图9 o
由图8和图9可知，同一成灾流量下，由于前期
土壤干湿情况不一致，小流域临界雨量的大小关系 为较干〉一般〉较湿。由于在超渗产流模式下•土
壤含水量越大则下渗能力越小，而越早达到稳定下
渗率，故要产生同样大小的成灾流量则所需的降雨
量也就越小。位于沟道下游的村落，如葛富村的立 即转移雨量和准备转移雨量的差值较小，而位于所
在沟道上游的永红村，其两项预警雨量指标的差值
较大。这是由于上游的沟道比降大、流速快，洪水过
程尖瘦，故将立即转移雨量前推0. 5 h 得到的准备
转移雨量较小；而下游的比降相对较小，形成矮胖的 洪水过程，准备转移雨量就和立即转移雨量大小相
近。因此，临界雨量大小的主要影响因素有：防洪能
力、土壤含水量、流域位置。依照本文方法进行临界
雨量计算时，应该充分考虑上述三个因素，以此来构
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