本发明涉及一种山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，属于防灾减灾领域。
背景技术：
：近年来，由于受复杂地质地形条件、气候因素、密集的人口分布和人类活动等多种因素共同影响，我国突发局地极端强降雨引发山洪灾害频繁，导致大量人员伤亡。2016年7月19日，由于上游突降暴雨，河北邢台七里河突发洪水，洪水漫过河堤决口造成大贤村人民生命和财产损失。山丘区小流域暴雨山洪因强降雨形成，且山丘区沟(河)道比降一般较大，故山丘区小流域暴雨山洪具有短历时、强降雨、大比降、陡涨陡落等特点，与大流域暴雨洪水之间有着很大差异。众多沿河村落分布于小流域山区河道周边，易于受暴雨山洪影响，是山洪防治的重点防灾对象；另一方面，每个沿河村落由于河道断面、居民户分布、村内地形不同，受山洪灾害威胁程度也有所区别。对于小流域山洪灾害来说，沿河村落的成灾水位和危险区是判定村落防洪能力和危险程度的重要指标。因此，采用一种简单、可靠的方法对各个沿河村落的成灾水位进行确定和危险区进行划分，从而筛选威胁较高的沿河村落及居民户作为防御重点是十分必要的。现有山洪灾害防御的研究，一方面多以较大流域为研究对象，计算河道整体防洪能力，较少精确到沿河村落，无法针对局部特殊地形地貌、小流域特征及河道断面数据，给出每个沿河村落的现状防洪能力并进行量化评估。另一方面，部分研究以沿河村落为研究对象，但其在成灾水位确定和危险区划定时未考虑河道和洪水比降以及居民户沿河分布的因素，每个沿河村落仅给定一个水平面高程作为成灾(预警)水位，导致村落危险区范围和成灾水位精度较差。另一方面，也有一些学者通过建立一、二维水力学模型，利用高精度DEM数据GIS空间分析功能进行危险区划分，但这种方法计算流程繁琐，且对资料要求较高，在对于工程应用实践而言适用性不足，推广应用时存在一定困难。技术实现要素：本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，它利用相对简单的数据资料，综合了断面测绘、河道调查、暴雨洪水计算、水位流量关系计算、点投影、点线关系判断等多学科不同方法，主要包括沿河村落不同洪水频率水面线计算、居民户高程～起点距离关系计算、水面线/居民户高程关系判定(危险区绘制)、最危险居民户判定(成灾水位确定)、危险区划分五个大的环节。本发明针对的对象是沿河村落，对沿河村落及其河道进行说明如下，山丘区很多村落依河分布，称为沿河村落；本发明中的河道指村域范围内的河段；为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，包括如下步骤：步骤(1)：首先对山丘区河道进行现场调查，对沿河村落河道纵、横断面以及沿河居民户进行平面和高程测量，采用平面坐标系记录；然后将沿河居民户投影到河道中泓线，计算沿河各居民户高程-起点距离关系；步骤(2)：计算沿河村落河道控制断面处不同频率暴雨对应的洪峰流量；利用曼宁公式计算沿河村落控制断面水位～流量关系；计算不同频率下控制断面水位，绘制不同频率流量对应的洪水水面线；步骤(3)：建立起点距-高程坐标系X-Z，其中X轴定义为起点距离，Z轴定义为高程；根据步骤(1)和(2)将沿河村落纵、横断面以及沿河居民户，不同频率洪水水面线统一于起点距-高程坐标系X-Z内，建立沿河居民户-洪水水面线判定公式，判定沿河村落居民户与不同频率洪水水面线关系，确定不同频率洪水水面线下的居民户；步骤(4)：根据沿河村落居民户与不同频率洪水水面线关系，筛选沿河路径上最容易受灾的居民户，转化为控制断面处的成灾水位。山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，还包括如下步骤：步骤(5)：利用ArcGIS绘制沿河村落山洪灾害危险区。所述步骤(1)中首先对山丘区河道进行现场调查，对沿河村落河道纵、横断面以及沿河居民户进行平面和高程测量，采用平面坐标系记录；包括如下步骤：对山丘区河道进行现场调查，对沿河村落河道进行纵断面和横断面测量，按照设定间距沿河村落河道上、中、下游选取3个横断面，以及河道纵断面进行测量；同时设置沿河村落河道中游断面为控制断面；同时对沿河居民户进行平面测量和高程测量；测量结果采用北京54或西安80平面坐标系记录；所述步骤(1)的将沿河居民户投影到河道中泓线步骤如下：建立平面坐标系X-Y，利用点线投影的方法将沿河居民户坐标点投影到河道中泓线：由居民户坐标点向河道中泓线做垂线，并确定交点坐标值，投影原理如下：过A和B两点的河道中泓线AB段的方程式为：y-yA＝k*(x-xA)(1)假定已知居民户坐标点的平面坐标为C(xc,yc)，过居民户坐标点向中泓线AB段做垂线CC′，斜率为-1/k，则直线CC′方程式为：联立直线AB和直线CC′方程，解得直线AB和直线CC′两线交点为投影点C′(xc′,yc′)由xc′作为x代入直线CC′方程计算得到对应的y值，为yc′。所述步骤(1)的计算沿河各居民户高程-起点距离关系的步骤如下：计算河道纵断面、控制断面和居民户投影点的起点距；将河道纵断面的第一个测点或最后一个测点定义为起点，利用平面两点距离公式，计算纵断面上的其余测点与起点之间的起点距；同理，根据各居民户中泓线上的投影点坐标值，利用平面两点距离公式，计算每个居民户投影点距离起点的起点距；根据控制断面与中泓线的交点，计算控制断面距离起点的起点距。所述步骤(1)中首先对山丘区河道进行现场调查，对沿河村落河道纵、横断面以及沿河居民户进行平面和高程测量，采用平面坐标系记录；河道上、中、下游横断面间距，视河段坡降大小、断面变化程度而定，一般300～500米左右，横断面应能反应河道形状，尽量选择河势平稳，河道顺直段。纵断面测量一般沿沟(河)道深泓线(山谷线)布置，并向上下游断面外各延伸100m～200m。典型山丘区河道横、纵断面布设及沿河居民户测量点见图3。起点距的计算流程：从所需计算的纵断点或投影点开始，沿起点方向，逐一计算两点间的距离，直至起点，然后将两点距逐一进行累加，最终获得控制断面与中泓线交点的起点距、河道纵断点距离起点的起点距和居民户投影点距离起点的起点距。地球表面两点距离计算原理及公式如下：根据地球表面任意两点的经纬度计算出两点间的地表距离，设第一点A的经纬度为(LonA,LatA)，第二点B的经纬度为(LonB,LatB)，按照0度经线的基准，东经取经度的正值(Longitude)，西经取经度负值(-Longitude)，北纬取90-纬度值(90-Latitude)，南纬取90+纬度值(90+Latitude)，则经过处理过后的两点被计为(MLonA,MLatA)和(MLonB,MLatB)，Pi为圆周率。地球的平均半径记为R(6371.004千米)，根据三角推导，得到计算平面两点距离的公式：C＝sin(MLatA)*sin(MLatB)*cos(MLonA-MLonB)+cos(MLatA)*cos(MLatB)(4)Distance＝R*Arccos(C)*Pi/180(5)。所述步骤(2)中计算沿河村落河道控制断面处不同频率暴雨对应的洪峰流量：首先进行沿河村落控制断面处的短历时设计暴雨洪水计算，选取5年、10年、20年、50年、100年一遇五种频率；其中汇流计算采用推理公式法，计算沿河村落控制断面处的不同暴雨频率下洪峰流量；假设设计暴雨与洪水同频率，设置频率值p为20％、10％、5％、2％、1％五个频率。针对沿河村落控制断面以上流域，考虑流域产汇流特性，进行设计暴雨洪水分析计算，其中汇流计算采用推理公式法计算设计洪峰流量，得到控制断面不同频率值p洪水的设计洪峰流量和汇流时间。所述推理公式方法介绍如下：Qp＝0.278*F*(Rt/t)(6)其中，τ为汇流时间，Qp为设计洪峰流量m3/s；F为流域面积，km2；L沿主河道从出口断面至分水岭的最长距离，km；J沿流程L的平均比降，流域面积F、沿主河道从出口断面至分水岭的最长距离L和沿流程L的平均比降JB根据沿河村落所在流域数字高程模型DEM数据提取；θ为流域特性参数；m为汇流参数，根据θ取值查《水利水电工程设计洪水计算规范》得。所述步骤(2)中计算沿河村落河道控制断面水位～流量关系；采用曼宁公式计算沿河村落河道控制断面水位～流量关系，针对单一顺直河段，假定恒定均匀流状态，使用曼宁公式计算水位～流量关系，见公式(9)：式中：Q为流量m3/s；A为断面过流面积，m2；v为过流断面平均流速m/s；nc为河道糙率，通过实测资料或查表计算；R为水力半径；J为洪水水面线比降。如无水面线比降，可采用河道综合纵比降JZ代替)。JZ＝[(h0+h1)*l1+(h1+h2)*l2+...+(hn-1+hn)*ln-2h0*l]/l2式中：h0，h1，h2…hn为自下游到上游沿程纵断面上各点的河底高程，单位是m；l1，l2，……ln，ln为第n-1和n个点之间的河长；hn单位是m；l为河段全长，单位是m；n取正整数，n最大值为纵断面上点的总数量。所述计算沿河村落河道控制断面水位～流量关系：对于沿河村落河道控制断面处有堰坝或跌水，导致水面线转折的建筑物处，以实用堰为例，采用公式(10)计算控制断面水位～流量关系，其中，Q为流量，m为流量系数，b为堰宽，g为重力加速度，H0为堰前水深。所述步骤(2)中计算不同频率下控制断面水位：根据不同频率沿河村落河道控制断面处洪峰流量和沿河村落河道控制断面水位～流量关系，将控制断面处洪峰流量转化为洪水水位zdp。对于顺直河段，在沿河村落河道范围内的洪水水面线近似为倾斜直线，比降为J。以高程为Z轴，起点距离为X轴，假定根据水位～流量计算不同频率p洪峰流量对应的控制断面处洪水水位为zdp，根据平面两点距离公式计算沿河村落河道控制断面起点距为xdq，则洪水水面线方程为：z-zdp＝k*(x-xdq)(11)式中k为洪水水面线方程斜率，k＝J。所述步骤(3)包括如下步骤：假定起点距-高程坐标系内的居民户坐标(xjq,zj)，不同频率洪水水面线方程为z-zdp＝k*(x-xdq)。根据点线关系判断方法，给出沿河居民户-洪水水面线判定公式如下：式中xjq为居民户投影点起点距，zj为居民户高程，为当x＝xjq时，频率为p的洪水水面线方程对应的高程值；Δz为x＝xjq，居民户高程与洪水水面线上高程的差值，如果Δz>0则该居民户在频率为p的洪水水面线以上，反之则在洪水水面线以下，从而判定居民户与频率为p洪水水面线的位置关系，可进一步统计出位于频率为p洪水水面线下的居民户。所述步骤(4)包括如下步骤：依据洪水水面线比降，将所有居民户高程转化为控制断面处高程，获取所有沿河居民户相对于控制断面的高程，计算原理如下：已知控制断面的起点距为xdq，起点距-高程坐标系内的居民户坐标(xjq,zj)，洪水水面线比降为J，过起点距-高程坐标系内的居民户点(xjq,zj)的水面线方程为:z-zj＝k*(x-xjq)(13)将居民户高程按水面比降转化为控制断面处的高程：zjk＝k*(xdq-xjq)+zj(14)选取所有zjk的最小值min(zjk)作为控制断面处的成灾水位，并将其作为整个村落的成灾水位，相应的居民户则为沿河村落中最容易受灾的居民。zcz＝min(zjk)(15)zcz为控制断面处成灾水位，也是整个沿河村落成灾水位。所述步骤(5)的步骤为：根据步骤(3)计算得到的频率p洪水水面线下的居民户，依据频率划分危险等级，将居民户进行分类；根据各居民户的经纬度坐标和高程，利用ArcGIS在地图上进行圈绘危险区，并用不同颜色表示。极高危险区用红色表示、高危险区用橙色表示、危险区用红色表示。本发明的有益效果：提供了一种简单可靠的方法，可直观判定山丘区河流及沿河村落防洪能力的薄弱点，较为精确的确定山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位，划定沿河居民不同等级危险区，为区域及局部山洪灾害监测预警、河道除险加固、防御预案编制、人员转移、临时安置等提供技术支撑，保障人民生命财产安全，具有重大的社会效益。附图说明图1为山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分计算原理图；图2为山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法流程图；图3为山丘区沿河村落河道横、纵断面及居民户测量示意图；图4为沿河村落居民户向河道中泓线投影计算示意图；图5为典型沿河村落河道控制断面水位～流量关系示意图；图6为不同频率洪水水面线方程计算示意图；图7为沿河村落居民户～不同频率水面线关系判定示意图；图8为沿河村落河道控制断面成灾水位计算示意图；图9为小李庄村居民户与不同频率洪水水面线关系判定图；图10为小李庄村成灾水位计算成果示意图。图11为小李庄村山洪灾害危险区成果示意图具体实施方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。本发明提供一种山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，它利用相对简单的数据资料，综合了断面测绘、河道调查、暴雨洪水计算、水位流量关系计算、点投影、点线关系判断等多学科不同方法，主要包括沿河村落不同洪水频率水面线计算、居民户高程～起点距离关系计算、水面线/居民户高程关系判定(危险区绘制)、最危险居民户判定(成灾水位确定)、危险区划分五个大的环节。发明的原理及基本流程如图1和2所示。(1)研究背景介绍以济南市卧虎山流域内的小李庄村为例，小李庄村位于锦阳川河流域上游，汇流面积20km2，小李庄村沿河而建，沿河居民户距河道距离在20m以内。近年来，小李庄多次发生山洪灾害，造成村内沿河居民户受灾。(2)沿河居民户高程～起点距离关系计算对小李庄村及其河道进行现场调查，对沿河村落河道纵、横断面以及沿河居民户进行平面测量，沿河共有居民56户；典型山丘区河道横、纵断面布设及沿河居民户测量点见图3。根据步骤(1)，将沿河居民户投影到河道中泓线，投影原理及流程见图4。选取小李庄村河道纵断上游第一个点作为起点，计算沿河各居民户高程～起点距离关系；将横纵断面、沿河居民户信息统一到高程～起点距坐标系下，计算结果见表3和图9。(3)沿河村落不同洪水频率水面线计算首先进行小李庄村控制断面处的短历时设计暴雨洪水计算，选取5年、10年、20年、50年、100年一遇五种频率。①设计暴雨计算：根据常庄村周边水位站短历时暴雨资料，计算不同短历时(10分钟、30分钟、1、3、6小时等)暴雨参数Cv(变差系数),Cs(偏态系数)、(雨量均值)，计算不同频率(20％、10％、5％、2％、1％)设计暴雨量及时程分配，见表1。表1小李庄村设计暴雨量计算成果表②净雨计算：利用《山东省暴雨图集》中“降雨径流关系图”进行净雨计算。③汇流计算：采用推理公式法进行汇流计算，计算沿河村落控制断面处的不同暴雨频率下洪峰流量，见表2；④利用曼宁公式计算小李村沿河村落控制断面水位～流量关系，见图5；计算不同频率下控制断面水位，见表2，⑤绘制不同频率流量对应的洪水水面线，计算原理见图6，小李庄村计算结果见图9。表2小李庄村不同频率(p)下洪峰流量及水位计算成果表(4)不同频率水面线-居民户高程关系判定步骤(1)和(2)，将小李庄村沿河村落纵、横断面信息，居民户信息，不同频率洪水水面线信息统一于起点距-高程坐标系内，根据公式(12)建立小李庄村沿河居民-洪水水面线判定公式，判定所有沿河村落居民户与5种不同频率洪水水面线关系，计算在高程上的差值Δz，并确定不同频率(p)洪水水面线下的居民户姓名及数量，判定公式原理见图7。经计算，20％、10％、5％、2％、1％五种频率洪水水面线下的居民户数分别为10、30、45、50、56户，计算成果见表3和图9。表3小李庄村居民户与不同频率洪水水面线关系判定成果表备注：表中Δz负值表示该居民户处于对应的水面线下方(5)小李庄村成灾水位计算根据沿河居民户与洪水水面线的定量关系，计算沿河村落成灾水位，计算原理见图8。通过小李庄村沿河居民户与洪水水面线的定量关系计算，筛选得出沿河路径上最容易受灾的居民户为郭英敬，其投影点的起点距为462m，高程为51.33m，将其转化为控制断面处的高程为51.45m，可用其代表整个村落的成灾水位。即，当该处水位超过51.45m后，郭英敬居民户开始受灾，整个村处于受灾状态，小李庄村成灾水位计算成果见图10。(6)小李庄村山洪灾害危险区划分首先根据计算得到的小李庄村不同频率p(20％、10％、5％、2％、1％)洪水水面线下的居民户，将居民户进行危险等级分类，分类标准见表4；然后根据测量得到的小李庄村居民户经纬度和高程信息，利用ARCGIS软件在地图上进行圈绘危险区，并用不同颜色表示：极高危险区用红色表示、高危险区用橙色表示、危险区用红色表示，小李庄村山洪灾害危险区划分见图11。表4危险区等级划分标准危险区等级危险区等级名称频率p居民户数量说明1极高危险区》20％m属较高发生频次2高危险区20％-5％n属中等发生频次3危险区《5O属稀遇发生频次上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。当前第1页1 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