山溪洪水臨界雨量基本概念剖析及方法分析

張紅萍，劉 舒，劉媛媛，胡昌偉

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

山溪洪水臨界雨量基本概念剖析及方法分析

張紅萍，劉 舒，劉媛媛，胡昌偉

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)是我國(guó)當(dāng)前山洪災(zāi)害防治非工程措施建設(shè)的重要的內(nèi)容之一。我國(guó)的山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要是依據(jù)實(shí)測(cè)雨量與臨界雨量的對(duì)比而進(jìn)行預(yù)警的。在臨界雨量的分析和應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)臨界雨量的認(rèn)識(shí)和理解，還存在較大的分歧，從而導(dǎo)致臨界雨量的分析計(jì)算及其應(yīng)用尚存在一些誤區(qū)。本文根據(jù)山溪洪水的特性和致災(zāi)機(jī)制，對(duì)山溪洪水臨界雨量的基本概念進(jìn)行剖析，并對(duì)山溪洪水臨界雨量的分析計(jì)算和應(yīng)用進(jìn)行研究。

山溪洪水；臨界雨量；早期預(yù)警

1 研究背景

2003年，根據(jù)全國(guó)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃工作的需要，我國(guó)防汛部門較先給出了關(guān)于臨界雨量定義，即“在一個(gè)流域或區(qū)域內(nèi)，降雨量達(dá)到或超過(guò)某一量級(jí)和強(qiáng)度時(shí)，該流域或區(qū)域發(fā)生山溪洪水、泥石流、滑坡等山洪災(zāi)害。把這時(shí)的降雨量和降雨強(qiáng)度，稱為該流域或區(qū)域的臨界雨量（強(qiáng)）”［1］。關(guān)于臨界雨量分析，目前我國(guó)研究和應(yīng)用較多的方法是有資料區(qū)域的單站臨界雨量法與區(qū)域臨界雨量法，以及資料缺乏和無(wú)資料區(qū)域的內(nèi)插法、比擬法、災(zāi)害實(shí)例調(diào)查法、災(zāi)害與降雨頻率分析法等臨界雨量的估算方法［2-4］。

上述關(guān)于臨界雨量的定義和分析方法，可以滿足規(guī)劃工作的需要，但在進(jìn)行山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)，對(duì)臨界雨量的概念，尚需要進(jìn)一步的剖析和明確。當(dāng)前我國(guó)相關(guān)文獻(xiàn)中通常引用的“山洪災(zāi)害”其實(shí)包含了山溪洪水、泥石流、滑坡等三種典型的災(zāi)害形式。這三者之間存在一定的聯(lián)系，常常相伴相生，但三者成災(zāi)機(jī)制存在很大的區(qū)別，例如，滑坡主要與局地降雨有關(guān)，而山溪洪水不僅與溪河局地降雨有關(guān)，還與溪河上游整個(gè)流域上的降雨都有關(guān)。因此，這三種災(zāi)害的臨界雨量的分析和應(yīng)用方法，也存在很大的差別。在山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中分析和應(yīng)用臨界雨量時(shí)，首先須從概念上區(qū)分是導(dǎo)致山溪洪水的臨界雨量，還是導(dǎo)致滑坡的臨界雨量，或者是導(dǎo)致泥石流的臨界雨量。本文僅對(duì)山溪洪水的臨界雨量進(jìn)行分析。

2 山溪洪水臨界雨量基本概念剖析

我國(guó)大部分山區(qū)溪河洪水，主要是由暴雨引起的，具有歷時(shí)短、強(qiáng)度大、暴漲暴落的特性。山溪流域內(nèi)突降暴雨，導(dǎo)致溪河洪水暴漲，淹沒(méi)分布在溪河兩側(cè)的村落、工礦企業(yè)等防洪保護(hù)對(duì)象，從而造成溪河洪水災(zāi)害。根據(jù)災(zāi)害學(xué)原理，暴雨、山溪流域的下墊面條件，以及分布于溪河兩側(cè)的防洪保護(hù)對(duì)象，分別構(gòu)成了山溪洪水災(zāi)害的致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體等3個(gè)災(zāi)害要素。要分析導(dǎo)致某地發(fā)生山洪的臨界雨量，需要考慮4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即：（1）受威脅對(duì)象（或稱防洪保護(hù)對(duì)象）；（2）受威脅對(duì)象臨近的溪河斷面；（3）溪河斷面上游匯流區(qū)域；（4）匯流區(qū)域內(nèi)的雨量觀測(cè)站點(diǎn)觀測(cè)的雨量，如圖1所示。

從上述山溪洪水致災(zāi)機(jī)制看，山溪洪水的臨界雨量是指導(dǎo)致山溪河流某一斷面處發(fā)生洪水所需的上游流域一定時(shí)段的降雨量。分析和應(yīng)用山溪洪水臨界雨量時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)。

（1）臨界雨量，是與某一具體受威脅對(duì)象相關(guān)的。臨近于不同溪河斷面的受威脅對(duì)象，由于上游匯流面積不同，對(duì)應(yīng)的臨界雨量也是不同的。

（2）臨界雨量，是指受威脅對(duì)象所臨近的溪河斷面上游流域內(nèi)所有的降雨量。流域內(nèi)的降雨量，是面平均雨量的概念。對(duì)于流域面積較小、匯流時(shí)間較短的溪河流域，可以用流域內(nèi)測(cè)站的點(diǎn)雨量來(lái)代表流域面平均雨量。對(duì)于流域面積較大、匯流時(shí)間較長(zhǎng)的流域，僅采用流域面雨量進(jìn)行預(yù)警存在較大的不確定性，因此，建議在上游地區(qū)布設(shè)水位測(cè)站進(jìn)行預(yù)警。

（3）臨界雨量，是指一定時(shí)間的累積雨量，根據(jù)水文分析計(jì)算的傳統(tǒng)和習(xí)慣，通常采用1、3、6、24 h等幾個(gè)特征時(shí)段的雨量。

（4）由于溪河洪水不僅與當(dāng)前降雨有關(guān)，還與流域前期洼蓄量、土壤濕度等因素有關(guān)，在不同的前期降雨條件下，導(dǎo)致溪河發(fā)生洪水所需的降雨量也不同，因此，理論上講，臨界雨量不是一個(gè)固定值。例如美國(guó)的FFG，就是根據(jù)前期降雨量并采用水文預(yù)報(bào)模型而實(shí)時(shí)估算的［5-6］。而我國(guó)當(dāng)前山溪河流水文預(yù)報(bào)還沒(méi)形成固定的預(yù)報(bào)作業(yè)模式，因此在山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，大部分地區(qū)暫時(shí)還沒(méi)有考慮前期降雨的影響，而是將臨界雨量簡(jiǎn)化成一個(gè)或一組固定值。

圖1 受山洪威脅對(duì)象流域示意圖

3 資料匱乏地區(qū)山溪洪水臨界雨量分析方法

根據(jù)山溪洪水臨界雨量的基本概念可知，受威脅對(duì)象、溪河預(yù)警斷面、斷面上游流域，以及流域內(nèi)的測(cè)站，構(gòu)成了如圖2所示的關(guān)系圖。要分析某地山溪洪水臨界雨量，須根據(jù)受威脅對(duì)象的空間分布情況，合理選取溪河預(yù)警斷面，勾畫預(yù)警斷面上游全部匯流區(qū)域，并采用一定的水文分析方法，分析流域內(nèi)降雨與預(yù)警斷面之間的產(chǎn)匯流關(guān)系，從而分析確定臨界雨量。本文以北京市門頭溝區(qū)為例，根據(jù)“暴雨洪水同頻”假定，即山溪小流域洪水頻率與暴雨頻率相等，采用小流域設(shè)計(jì)洪水和設(shè)計(jì)暴雨的方法，提出一套適合資料匱乏區(qū)山溪洪水臨界雨量分析計(jì)算方法。

圖2 山溪洪水臨界雨量分析關(guān)鍵要素關(guān)系

3.1 預(yù)警斷面及流域確定根據(jù)山溪流域內(nèi)村莊、城鎮(zhèn)、以及水文測(cè)站分布位置，確定預(yù)警斷面，并通過(guò)實(shí)地調(diào)查，測(cè)量斷面形狀，確定警戒水位Hj和危險(xiǎn)水位Hw；基于DEM提取預(yù)警斷面上游流域面積、主溝長(zhǎng)度、坡降等參數(shù)。圖3所示為門頭溝區(qū)下葦?shù)榇逅跍系罃嗝婕吧嫌螀R流區(qū)域。

3.2 設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算根據(jù)《北京市水文手冊(cè)》推薦的方法及參數(shù)［7］，采用推理公式法，即式（1）—式（3），推求2、5、10、20、50和100年一遇等若干頻率P對(duì)應(yīng)的洪峰流量Qm，如表1所示。繪制設(shè)計(jì)洪峰流量頻率曲線圖，即Qm～P散點(diǎn)圖，擬合其關(guān)系曲線Qm=fq( ) P，見(jiàn)圖4。

式中：QmP為頻率P的洪峰流量，m3/s；SP為頻率P的最大1 h雨量，又稱雨力，mm/h；τ為匯流時(shí)間，h；μ為損失強(qiáng)度，mm/h；n為暴雨遞減系數(shù)；F為流域面積，km2；L為流域出口斷面至分水嶺的最大路徑長(zhǎng)，km；0.278為單位換算系數(shù)。

3.3 設(shè)計(jì)暴雨分析計(jì)算由于計(jì)算流域面積較小，以流域中心點(diǎn)雨量代表流域面雨量。根據(jù)文獻(xiàn)［7］暴雨圖集可以查到1、6、24 h 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)歷時(shí)的均值-H和變差系數(shù)Cv，取偏態(tài)系數(shù)Cs=3.5Cv，代入式（4）計(jì)算PIII型頻率曲線的3個(gè)參數(shù)，即：

圖3 下葦?shù)榇孱A(yù)警斷面位置及上游匯流流域

表1 下葦?shù)榇迳嫌瘟饔蛟O(shè)計(jì)洪峰流量

利用Microsoft Excel的GAMMAINV函數(shù)（式（5）），計(jì)算得2、5、10、20、50、100年一遇等若干頻率下的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)歷時(shí)的設(shè)計(jì)雨量［8-9］。

式中：HTp為頻率P的標(biāo)準(zhǔn)歷時(shí)（T=0.5，1，6，24 h）的設(shè)計(jì)暴雨。例如，24 h設(shè)計(jì)雨量如表 2和圖 5所示。

3.4 臨界雨量分析確定

（1）采用水力學(xué)方法，即式（6），計(jì)算警戒水位Hj和危險(xiǎn)水位Hw對(duì)應(yīng)的警戒流量Qj和危險(xiǎn)流量Qw：

圖4 下葦?shù)榇迳嫌瘟饔蛟O(shè)計(jì)洪峰流量頻率曲線

式中：Q為流量；n為糙率；A為斷面過(guò)流面積；R為斷面水力半徑；S0為斷面處底坡。

表2 下葦?shù)榇迳嫌瘟饔?4h設(shè)計(jì)雨量

（2）根據(jù)Qm～P關(guān)系曲線Qm=fq(P )，確定警戒流量Qj和危險(xiǎn)流量Qw對(duì)應(yīng)的頻率Pj和Pw。

（3）根據(jù)Rt～P關(guān)系曲線Rt=fq(P )，確定Pj和Pw頻率下1、3、6、24 h的設(shè)計(jì)暴雨量作為臨界雨量。

圖5 下葦?shù)榇迳嫌瘟饔?4 h設(shè)計(jì)雨量頻率曲線

4 山溪洪水臨界雨量的應(yīng)用

如前文所述，山溪臨界雨量分析計(jì)算時(shí)，是從受威脅對(duì)象出發(fā)，沿著預(yù)警斷面、匯流流域到流域內(nèi)觀測(cè)站點(diǎn)的思路進(jìn)行。在山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中利用臨界雨量進(jìn)行山洪預(yù)警時(shí)，則是反過(guò)來(lái)，根據(jù)測(cè)站降雨量來(lái)分析判斷可能受威脅的對(duì)象。一般情況下，山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雨量站點(diǎn)最近1、3、6、24 h等特征時(shí)段降雨量，并針對(duì)每一預(yù)警斷面，根據(jù)斷面上游關(guān)聯(lián)的測(cè)站，實(shí)時(shí)計(jì)算斷面上游流域相應(yīng)時(shí)段的平均雨量，并與斷面對(duì)應(yīng)的臨界雨量進(jìn)行比對(duì)，從而判斷山洪發(fā)生的可能，最后根據(jù)預(yù)警斷面與受威脅對(duì)象的關(guān)系，分析判斷可能受山溪洪水影響的對(duì)象。其基本流程如圖6所示。

圖6 利用臨界雨量進(jìn)行山洪預(yù)警的基本流程示意圖

5 結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)前我國(guó)山洪災(zāi)害臨界雨量認(rèn)識(shí)和理解上的分歧，從溪河洪水特性及其致災(zāi)機(jī)制出發(fā)，分析了受威脅對(duì)象、溪河斷面、斷面上游流域、流域內(nèi)測(cè)站等臨界雨量相關(guān)因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系，剖析了山溪洪水臨界雨量的基本概念，即山溪洪水的臨界雨量，是指導(dǎo)致山溪河流某一斷面處發(fā)生洪水所需的上游流域一定時(shí)段的雨量。根據(jù)山溪洪水臨界雨量基本概念，以北京市門頭溝區(qū)為例，提出了資料匱乏地區(qū)山溪洪水臨界雨量的分析計(jì)算方法，并探討了山溪洪水臨界雨量在山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)中應(yīng)用的基本思路。

［1］ 全國(guó)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.山洪災(zāi)害臨界雨量分析計(jì)算細(xì)則［R］.全國(guó)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，2003.

［2］ 陳桂亞，袁雅鳴.山洪災(zāi)害臨界雨量分析計(jì)算方法研究［J］.人民長(zhǎng)江，2005（12）：40-43.

［3］ 劉哲，張鵬遠(yuǎn)，劉廣成.黑龍江省山洪災(zāi)害防治臨界雨量計(jì)算分析［J］.黑龍江水利科技，2005（5）：6.

［4］ 王仁喬，周月華，王麗，等.湖北省山洪災(zāi)害臨界雨量及降雨區(qū)劃研究［J］.高原氣象，2006（2）：330-334.

［5］ Flash flood early warning system reference guide［R］.University Corporation for Atmospheric Research，2010.

［6］ H A P H，Q J W，T C P.A review of advances in flash flood forecasting［J］.Hydrological Process，2011（25）：2771-2784.

［7］ 北京市水利局.北京市水文手冊(cè)［R］.北京：北京市水利局，1999.

［8］ 黃繼文.P-Ⅲ型分布頻率分析在Excel中的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用［J］.水資源研究，2006，27（4）：7-9.

［9］ 楊柏楨，王志紅.應(yīng)用Excel繪制水文頻率曲線的方法［J］.吉林水利，2010（2）：31-33.

Research on the critical rainfall of flash floods in moutainous areas

ZHANG Hong-ping，LIU Shu，LIU Yuan-yuan，HU Chang-wei
（Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Early Warning System（EWS） is an important measure for flash floods disaster control in moutainous areas.In China early warning for flash flood in mountainous areas is usually based on the criti?cal rainfall.However，there is some misunderstanding on the critical rainfall during calculation and applica?tion of it in EWS，which leads to more uncertainty.Therefore，it is necessary to describe the basic con?cept of the critical rainfall.Based on that，a method to calculate the critical rainfall and how to use it in EWS is proposed.

mountain flood；critical rainfall；early warning system

P333.2

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.02.011

1672-3031（2014）02-0185-05

（責(zé)任編輯：王學(xué)鳳）

2013-05-20

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAC21B02）；水利部2012年公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201201058）

張紅萍（1976-），女，湖北紅安人，高級(jí)工程師，主要從事山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警和洪水風(fēng)險(xiǎn)分析研究。E-mail：luckyzhanghp@iwhr.com