寧夏山洪災(zāi)害雨量預(yù)警值計(jì)算

苑希民+張建偉+田福昌

摘要：隨著山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警非工程措施建設(shè)和全國2013年-2015年度山洪災(zāi)害防治建設(shè)的推進(jìn)，寧夏全區(qū)防洪減災(zāi)綜合能力得到了顯著改善和全面提升。但現(xiàn)階段尚沒有科學(xué)、系統(tǒng)、定量的分析研究突發(fā)暴雨、洪水、積澇、滑坡、泥石流等山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)，突發(fā)性洪澇災(zāi)害的應(yīng)急避災(zāi)、緊急處置和搶險(xiǎn)救助仍舊十分困難。結(jié)合寧夏水系分布與防洪工程建設(shè)實(shí)際情況，在參考已有臨界雨量推求方法的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用暴雨等值線和P-Ⅲ頻率曲線表反推不同量級(jí)洪水對(duì)應(yīng)的雨量值作為山洪災(zāi)害預(yù)警值。該方法簡(jiǎn)單易操作，計(jì)算成果對(duì)寧夏防洪減災(zāi)工作具有重要意義。

關(guān)鍵詞：寧夏；山洪災(zāi)害；臨界雨量；暴雨等值線；P-Ⅲ頻率曲線表；預(yù)警值

中圖分類號(hào)：TV877文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-1683（2017）01-0033-06

Abstract：With the implementation of non-engineering measures on flood monitoring and early warning and the nationwide flood disaster prevention construction from 2013 to 2015，the comprehensive ability of the entire Ningxia region in flood control and disaster reduction has significantly improved.But，currently there is no early warning index for scientific，systematic and quantitative analysis of flood disasters such as rainstorm，flood，water logging，landslides，and mudslides，making it difficult to conduct emergency disaster relief，emergency response and emergency rescue in sudden flood disasters.In light of the actual river distribution and flood control project construction in Ningxia，based on the existing methods of ascertaining critical rainfall，we used the rainstorm isoline and P-Ⅲ frequency curve table to estimate the rainfall value corresponding to different flood magnitudes，and used the value as the early warning value for flood disasters.This method is simple and easy to operate.The calculation results have important significance to flood prevention and disaster reduction in Ningxia.

Key words：Ningxia；torrential flood disaster；critical rainfall；rainstorm isoline；P-Ⅲ frequency curve table；early warning value

山洪災(zāi)害是指由于降雨在山丘區(qū)引發(fā)的洪水災(zāi)害及山洪誘發(fā)的泥石流、滑坡等對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成損失的災(zāi)害[1]。山洪災(zāi)害的形成是氣候、地形地貌、降雨和下墊面條件等多種因素綜合作用的結(jié)果[2]，其中降雨是最活躍、最主要的因素。臨界雨量是目前山洪災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)的關(guān)鍵指標(biāo)[3-6]，是山洪災(zāi)害防治工作的中心內(nèi)容。臨界雨量是指一個(gè)流域或區(qū)域某一時(shí)間段內(nèi)降雨量達(dá)到或超過某一量級(jí)和強(qiáng)度時(shí)，該流域或區(qū)域?qū)l(fā)生山洪、泥石流、滑坡等山洪災(zāi)害，這時(shí)的降雨量或降雨強(qiáng)度就是該流域或區(qū)域的臨界雨量。寧夏自然地理特殊，降雨集中，暴雨突發(fā)性強(qiáng)、歷時(shí)短、起洪快，山洪災(zāi)害頻繁發(fā)生。山洪災(zāi)害防治是寧夏防洪減災(zāi)工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)，而臨界雨量預(yù)警值的確定又是其薄弱環(huán)節(jié)，因此合理計(jì)算確定山洪災(zāi)害臨界雨量對(duì)寧夏山洪災(zāi)害防治有著重要的意義。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者在推求臨界雨量方面進(jìn)行了探索，并取得了豐碩成果。在國內(nèi)，由《國家防辦山洪防御預(yù)案編制大綱》提出的基于統(tǒng)計(jì)歸納法的臨界雨量在國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，指導(dǎo)思想是利用歷史資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出該地區(qū)發(fā)生山洪的降雨臨界條件，通過天氣預(yù)報(bào)與降水實(shí)際情況，以臨界雨量為依據(jù)，確定山洪發(fā)生的可能性[7]。牛二偉[8]基于產(chǎn)流模型和匯流模型對(duì)流域進(jìn)行產(chǎn)匯流模擬分析，根據(jù)警戒流量，反推能產(chǎn)生相應(yīng)洪水的雨量作為臨界雨量；羅堂松[9]等采用水位/流量反推法計(jì)算浙江省大塘鎮(zhèn)的臨界雨量；劉志雨[10]等基于分布式流域水文模型考慮前期土壤飽和度，提出以動(dòng)態(tài)臨界雨量為指標(biāo)的山洪預(yù)警預(yù)報(bào)方法；江錦紅[11]等從河道安全泄量出發(fā)，提出最小臨界雨量與臨界雨力的概念和計(jì)算方法，并以此構(gòu)建暴雨臨界曲線作為山洪預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)；趙然杭[2]等基于單站臨界雨量分析法和P-Ⅲ型頻率分析法，研究了雨量預(yù)警指標(biāo)確定方法；段生榮[12]以黃河流域某支流為例，對(duì)比分析了災(zāi)害實(shí)例調(diào)查法、災(zāi)害降雨同頻率法、產(chǎn)流分析法等各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)；謝會(huì)云[13]等利用等流時(shí)線和GIS相結(jié)合，制作GIS專題圖，實(shí)時(shí)展現(xiàn)了各等流時(shí)線上流量的大小，為預(yù)警決策提供了依據(jù)。在國外，山洪災(zāi)害研究開展較早，方法較為成熟，典型代表為美國國家氣象局水文研究中心研發(fā)的山洪預(yù)警指南系統(tǒng)（Flash Flood Guidance，F(xiàn)FG）[14-17]。其思路是以小流域上已發(fā)生的降雨量，通過水文模型計(jì)算分析，得到流域?qū)崟r(shí)土壤濕度，并反推出流域出口斷面洪峰流量要達(dá)到預(yù)先設(shè)定預(yù)警流量值所需的降雨量，這個(gè)降雨量稱之為動(dòng)態(tài)臨界雨量值。當(dāng)實(shí)時(shí)或預(yù)報(bào)降雨量達(dá)到該雨量值時(shí)，即發(fā)布山洪預(yù)警或警示。該方法分別被Daniele Norbiato[18]和Georgakakos[19]等應(yīng)用于意大利東北部山區(qū)以及中部美洲地區(qū)；Efrat Morin[20]等在干旱的死海地區(qū)利用雷達(dá)測(cè)雨開展山洪預(yù)報(bào)預(yù)警研究。

以上所述有關(guān)國內(nèi)外山洪災(zāi)害預(yù)警雨量計(jì)算方法適用角度各有不同，本文將根據(jù)寧夏地理特征及行政區(qū)劃對(duì)全區(qū)進(jìn)行山洪災(zāi)害典型區(qū)劃分，在已有較為成熟的臨界雨量計(jì)算方法基礎(chǔ)上，采用簡(jiǎn)易實(shí)用的水文推算法推求雨量預(yù)警值，即運(yùn)用P-Ⅲ頻率曲線表，并結(jié)合寧夏暴雨等值線圖求得已劃定典型區(qū)的臨界雨量值，為寧夏山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考和技術(shù)支持。

1 寧夏概況及其山洪災(zāi)害特點(diǎn)

寧夏回族自治區(qū)位于中國西北部，東經(jīng)104°17′-107°39′，北緯35°14′-39°23′；東西相距約250 km，南北相距約456 km，東、南部與陜西、甘肅為鄰，西、北部與內(nèi)蒙古自治區(qū)毗連。所轄銀川市、石嘴山市、吳忠市、中衛(wèi)市、固原市五個(gè)地級(jí)市，常住人口 661.54萬人。寧夏全區(qū)總面積為6.64萬km2，其中山地、丘陵和草原分別占12.3%、29.7%和20.9%。自南而北有六盤山地、寧南黃土丘陵、中部間山盆地、黃河沖積平原和賀蘭山地等地貌單元。地勢(shì)南高北低，海拔均在1 000 m以上。全區(qū)主要河流有黃河干流及其支流，流域面積大于100 km2的河流有98條，大于1 000 km2的河流有15條，雨季易發(fā)生山洪與地質(zhì)災(zāi)害。

寧夏山洪災(zāi)害具有鮮明的特點(diǎn)：一是季節(jié)性強(qiáng)，寧夏的汛期在5月初至9月底，主汛期集中在6月-8月份，這段時(shí)間也是寧夏山洪災(zāi)害的多發(fā)期；二是災(zāi)害區(qū)域特征明顯、易發(fā)性強(qiáng)，山洪主要發(fā)生在北部的賀蘭山東麓，滑坡是寧南黃土丘陵溝壑區(qū)分布最廣、危害最嚴(yán)重的災(zāi)害形式，泥石流在南部黃土丘陵溝壑區(qū)、中部丘陵臺(tái)地區(qū)比較發(fā)育；三是山洪突發(fā)性強(qiáng)、預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)預(yù)防難度大，寧夏山洪溝眾多，比降大，匯流迅速，致災(zāi)突然，難以進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)和有效防治；四是破壞性強(qiáng)、損失大，山洪災(zāi)害造成河流改道，耕地受淹，民房倒塌，人死畜亡等；五是災(zāi)后恢復(fù)困難，山洪災(zāi)害對(duì)水利、交通、電力、通信等基礎(chǔ)設(shè)施的破壞幾年甚至幾十年都難以恢復(fù)。

2 計(jì)算思路

寧夏地形地貌復(fù)雜，小流域分布較為分散，且各小流域上已建的防洪工程標(biāo)準(zhǔn)不同，溝道治理情況、溝道行洪能力差別很大，因此各小流域可以抵御的洪水量級(jí)也不盡相同，不同時(shí)段下的臨界雨量閾值已無法滿足寧夏當(dāng)?shù)氐纳胶闉?zāi)害預(yù)警需求。例如，汝箕溝、大小風(fēng)溝、歸韭溝都位于石嘴山市大武口區(qū)，屬于賀蘭山東麓山洪溝，三條溝暴雨洪水特性相似，但由于各山洪溝已建防洪工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)不同（汝箕溝防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，大小峰溝和歸韭溝防洪標(biāo)準(zhǔn)均為50年一遇），當(dāng)賀蘭山東麓遭遇50年一遇洪水時(shí)，汝箕溝會(huì)發(fā)生漫溢，而大小峰溝和歸韭溝則不會(huì)發(fā)生漫溢。

本文立足寧夏山洪災(zāi)害防治的實(shí)際需求，有針對(duì)性的提出適用于寧夏地區(qū)的山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警值計(jì)算方法，從寧夏雨洪同頻的角度出發(fā)，采用不同歷時(shí)分洪水量級(jí)的臨界雨量值作為寧夏山洪災(zāi)害的預(yù)警值，即在同一典型區(qū)同一時(shí)間段內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)洪水反推設(shè)計(jì)暴雨，繼而獲得不同量級(jí)洪水對(duì)應(yīng)的降雨量值，將該雨量值作為山洪災(zāi)害的預(yù)警值。

3 臨界雨量的分析計(jì)算

3.1 臨界雨量計(jì)算歷時(shí)確定

寧夏暴雨歷時(shí)短，多在6 h左右，主雨歷時(shí)一般在3 h以內(nèi)，適宜的洪水計(jì)算雨型為同頻內(nèi)包雨型，產(chǎn)流歷時(shí)主要在1 h以內(nèi)。區(qū)域發(fā)生12 h和24 h暴雨的情況不多，而且多由二或三場(chǎng)6 h的雨型構(gòu)成，歷時(shí)雖長(zhǎng)，但主雨歷時(shí)強(qiáng)度不大，洪水計(jì)算時(shí)多采用概化雨型和典型雨型，與同頻內(nèi)包雨型計(jì)算的洪水成果相比，12 h和24 h計(jì)算的洪峰流量偏小、洪水總量偏大。因此，重點(diǎn)區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)時(shí)適宜采用短歷時(shí)雨量作為參考依據(jù)，本文最終確定臨界雨量值主要研究歷時(shí)為30 min、1 h、3 h和6 h。

3.2 臨界雨量計(jì)算典型區(qū)分區(qū)

（1）典型區(qū)劃分原則。

典型區(qū)劃分遵循的一般原則為：選擇山洪與年降雨量、暴雨極值分布基本一致的區(qū)域作為分區(qū)單元；區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件和氣象條件相差不大，具有典型山洪災(zāi)害地理特征；典型區(qū)內(nèi)的流域應(yīng)保持其完整性，盡量避免將小流域分割開[7]。

（2）典型區(qū)劃分方法和步驟。

a.根據(jù)寧夏氣候類型和降雨分布，初步將寧夏全區(qū)自南向北進(jìn)行降雨分區(qū)：暖濕帶半濕潤(rùn)區(qū)、中溫帶半干旱區(qū)、干旱區(qū)。

b.遵循典型區(qū)內(nèi)地形地質(zhì)條件一致原則，將寧夏全區(qū)自南向北進(jìn)行地形地質(zhì)分區(qū)：寧夏南部黃土丘陵溝壑區(qū)、寧夏中部干旱草原區(qū)、寧夏中北部平原區(qū)、寧夏北部賀蘭山地區(qū)。

c.將完成的降雨分區(qū)和地形地質(zhì)分區(qū)進(jìn)行疊加，綜合分析疊加區(qū)內(nèi)山洪溝道地理分布和山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)的實(shí)際情況（圖1），并結(jié)合寧夏行政區(qū)劃，遵循流域和行政區(qū)域的完整性原則，劃分各個(gè)典型區(qū)。

本文將劃分為20個(gè)山洪災(zāi)害預(yù)警區(qū)域，典型區(qū)劃分結(jié)果見表1與圖2。

3.3 臨界雨量計(jì)算

由于寧夏雨量站網(wǎng)密度較小，且大部分雨量站為新建站點(diǎn)，山洪災(zāi)害統(tǒng)計(jì)資料非常有限，結(jié)合寧夏實(shí)際情況，確定綜合采用《寧夏回族自治區(qū)暴雨洪水圖集》中雨量等值線查詢方法和P-Ⅲ頻率分析法推求計(jì)算臨界雨量。

a.根據(jù)寧夏不同歷時(shí)暴雨等值線圖查得30 min、1 h、6 h點(diǎn)雨量均值，見表2；查得30 min、1 h、6 h Cv值，Cs=3.5 Cv，見表3。

b.根據(jù)Cv和Cs，查P-Ⅲ頻率曲線的模比系數(shù)Kp值表，得到每個(gè)時(shí)段下不同頻率P（20%、10%、5%、3.33%、2%、1%）的模比系數(shù)。

c.將30 min、1 h、6 h點(diǎn)雨量均值乘以不同頻率（20%、10%、5%、3.33%、2%、1%）的模比系數(shù)，得到30 min、1 h、6 h不同頻率（20%、10%、5%、3.33%、2%、1%）的臨界雨量。

d.由于《寧夏回族自治區(qū)暴雨洪水圖集》沒有收錄3 h的點(diǎn)雨量均值及其對(duì)應(yīng)的Cv值，因此采用《寧夏回族自治區(qū)水文手冊(cè)》中計(jì)算短歷時(shí)暴雨的公式（見式（1））計(jì)算3 h臨界雨量值：

經(jīng)分析計(jì)算，寧夏20個(gè)山洪災(zāi)害典型區(qū)不同歷時(shí)分洪水量級(jí)的臨界雨量值計(jì)算結(jié)果風(fēng)見表4。

寧夏北部的賀蘭山東麓地區(qū)和南部的六盤山林區(qū)是全區(qū)暴雨的兩大高值區(qū)，暴雨的強(qiáng)度、次數(shù)及歷時(shí)為全區(qū)最高，中部地區(qū)為干旱半干旱帶，降雨較少。由表4分析可知，位于賀蘭山東麓的一區(qū)、二區(qū)和位于六盤山林區(qū)的十三區(qū)、十四區(qū)、十五區(qū)的臨界雨量相差不大，均多于其他山洪災(zāi)害典型區(qū)的臨界雨量，而且臨界雨量總體由兩個(gè)高值區(qū)向中部地區(qū)逐漸減小，與降雨強(qiáng)度的實(shí)際分布基本吻合。

4 結(jié)語

立足于寧夏防洪減災(zāi)工作的實(shí)際需求，寧夏山洪災(zāi)害臨界雨量預(yù)警值的計(jì)算研究，包括計(jì)算歷時(shí)選定、典型區(qū)分區(qū)、雨量計(jì)算方法選用等均充分考慮了寧夏地形地貌、溝道治理與災(zāi)害監(jiān)測(cè)實(shí)際情況，計(jì)算方法簡(jiǎn)便易行，計(jì)算結(jié)果能夠直觀反映20個(gè)典型區(qū)不同歷時(shí)臨界雨量對(duì)應(yīng)的洪水量級(jí)，可為山洪災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。在今后的實(shí)際運(yùn)用中，尚需根據(jù)實(shí)際降雨與其致災(zāi)情況，進(jìn)一步修正臨界雨量值，以便為防汛部門提供更加科學(xué)合理的技術(shù)參考。

本文給出的臨界雨量計(jì)算方法在推求大范圍乃至全省、全國的臨界雨量方面同樣具有一定的參考價(jià)值，特別是對(duì)于山洪災(zāi)害資料嚴(yán)重缺乏的地區(qū)，實(shí)用性較強(qiáng)。

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