蘭州市七里河區(qū)雷壇河流域山洪災(zāi)害臨界雨量分析

杜麗芳 馬德稹 史偉明 楊鈺泉 張鈺

摘要：為提出更科學(xué)、專業(yè)的山洪災(zāi)害頇警方法，以蘭州七里河區(qū)雷壇河中下游的花寨子村、崖頭村、五里鋪村3個(gè)沿河村落為例，選用瞬時(shí)單位線的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果，根據(jù)實(shí)測控制斷面形態(tài)，采用曼寧公式計(jì)算其洪水位。結(jié)合沿河村落住戶高程進(jìn)行平面投影，確定了防災(zāi)對(duì)象成災(zāi)水位，通過分析水位流量關(guān)系得出成災(zāi)流量。基于暴雨洪水同頻率的假定，采用水位流量反推法確定研究區(qū)山洪災(zāi)害臨界雨量預(yù)警指標(biāo)，為研究區(qū)山洪災(zāi)害防御工作提供參考。

關(guān)鍵詞：山洪災(zāi)害;臨界雨量;水位流量反推法;雷壇河;蘭州

中圖法分類號(hào)：P338文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.05.006

山洪災(zāi)害是指山丘區(qū)降雨、融雪等引起的山溪洪水、泥石流和滑坡等災(zāi)害。山洪災(zāi)害具有暴發(fā)突然、運(yùn)動(dòng)兇猛、破壞性強(qiáng)、災(zāi)害歷時(shí)短、易成災(zāi)等基本特點(diǎn)。山洪災(zāi)害的形成與發(fā)生主要與地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、降水和人類活動(dòng)等因素有關(guān)。

山洪災(zāi)害是蘭州市區(qū)發(fā)生頻次最高、危害最大的自然災(zāi)害。山洪災(zāi)害多源于暴雨，其災(zāi)害程度主要取決于暴雨的強(qiáng)度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1949年8月14日、1951年8月1日、1978年8月7日、2004年8月14日，蘭州市七里河區(qū)雷壇河流域發(fā)生4場大洪水，洪水淹沒農(nóng)田、沖毀道路，對(duì)當(dāng)?shù)卦斐删薮髶p失。

1研究區(qū)概況

雷壇河是黃河南岸一級(jí)支流，又稱水磨溝，發(fā)源于蘭州市榆中縣馬銜山北麓，流向自南向北，匯集了榆中縣馬銜山與興隆山之間馬坡、銀山兩鄉(xiāng)山區(qū)水流，于蘭州市七里河區(qū)匯入黃河。雷壇河匯水面積259.1km，主溝全長43.35km，縱比降20.02‰，年徑流量987萬m。支溝有59條，總長240.08km，主要有鐵治溝、爛泥溝、大溝、西溝、寨子溝、黃家溝、馬泉溝、黑溝、清水溝。支溝平時(shí)干涸，只有在大暴雨時(shí)，才有小股洪水流出。雷壇河流域位于黃土丘陵區(qū)，海拔1900-2100m，相對(duì)高差約200m，山體坡度在15°-35°，植被覆蓋率低，由于長期受洪水侵蝕，水土流失嚴(yán)重。流域內(nèi)居民共計(jì)20364戶81458人，土地面積193.1km，耕地面積3384.8hm（50772畝）。

研究主要針對(duì)蘭州市七里河區(qū)雷壇河中下游區(qū)域，選取兩岸住戶較為密集的3個(gè)沿河村落，自上游至下游依次為花寨子村、崖頭村和五里鋪村。3個(gè)村落的人口分別為1893人、2 800人、1178人;土地面積分別為3.2，4，3.5km;耕地面積分別為95.27（1429畝），67.60（1014畝），20.33hm（305畝）。

2數(shù)據(jù)收集與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

該研究所使用的流域面積、主溝長度、比降數(shù)據(jù)來源于地形圖的量算。土壤和植被資料從全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目組統(tǒng)一制作的各縣工作底圖中獲得。雷壇河3個(gè)沿河村落處的斷面數(shù)據(jù)、住戶高程根據(jù)甘肅省測繪局CORS系統(tǒng)，采用RTK測量方式獲得。暴雨資料來源于《甘肅省暴雨洪水圖集》（以下簡稱“《圖集》”）與《甘肅省暴雨特性研究》（以下簡稱“《研究》”）。研究所需各項(xiàng)參數(shù)見表1～2。

暴雨時(shí)程分配根據(jù)《圖集》推薦的24h典型分配，從最大時(shí)段開始，一左一右選取雨型值，直至?xí)r段個(gè)數(shù)大致與設(shè)計(jì)暴雨時(shí)段數(shù)相等，從而得到小流域不同時(shí)段的暴雨時(shí)程分配。

2.3設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法

2.3.1蘭州市經(jīng)驗(yàn)公式法

根據(jù)地理特征（匯流面積、溝道比降、溝道長度、流域形狀系數(shù)）、暴雨特征（最大小時(shí)降雨量）、洪峰流量特征，采用逐步圖解分析法，通過綜合分析研究后，推求出經(jīng)驗(yàn)公式中有關(guān)參數(shù)。

2.3.3瞬時(shí)單位線

選取黃河干支流區(qū)主雨峰為3h的綜合概化時(shí)程分配雨型，同頻率控制放大，得到不同頻率設(shè)計(jì)面雨量過程。雷壇河流域下墊面屬黃土區(qū)，用黃土區(qū)產(chǎn)流期平均入滲率進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算可得出產(chǎn)流歷時(shí)tc、產(chǎn)流歷時(shí)內(nèi)的降雨量、產(chǎn)流期平均入滲率，將產(chǎn)流期各時(shí)段的降雨量減去時(shí)段入滲量即為凈雨過程。產(chǎn)流前的降雨量之和為初損，產(chǎn)流期以后的雨量亦全部下滲。計(jì)算平均凈雨強(qiáng)i=h/t。，用黃土區(qū)瞬時(shí)單位線匯流參數(shù)m1和m2地區(qū)綜合公式可計(jì)算得出n和k。

2.4臨界雨量計(jì)算方法

根據(jù)保護(hù)對(duì)象具體情況，確定所在溝道斷面處可能發(fā)生山洪災(zāi)害時(shí)的臨界水位值H臨，進(jìn)而根據(jù)斷面特征分析水位一流量關(guān)系曲線;再利用臨界水位得到對(duì)應(yīng)流量值Q災(zāi)。通過計(jì)算得到成災(zāi)頻率尸災(zāi)，對(duì)照雨量頻率關(guān)系曲線圖，查圖可得對(duì)應(yīng)時(shí)段的設(shè)計(jì)暴雨，并將其作為不同時(shí)段的臨界雨量。

3計(jì)算結(jié)果

3.1設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

根據(jù)《研究》獲取1h、6h和24h暴雨均值和CV值，按照Cs=3.5Cv，查找《圖集》的模比系數(shù)KP值，計(jì)算各單元不同設(shè)計(jì)頻率的設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量。根據(jù)《山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)技術(shù)要求》，暴雨頻率選擇了1%、2%、5%、10%、20%共5種頻率。通過查詢《圖集》可獲得點(diǎn)面折減系數(shù)“、流域形狀改正系數(shù)y、相應(yīng)時(shí)段的暴雨遞減系數(shù)以及對(duì)應(yīng)分區(qū)的24h雨型分配過程。按照同頻率放大法，基于流域面積，采用了主雨峰為3h的綜合雨型分配法推求出設(shè)計(jì)面雨量的時(shí)程分配。設(shè)計(jì)暴雨成果見表3。

3.2設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

該研究中的3個(gè)村落出口斷面處設(shè)計(jì)洪水采用蘭州市經(jīng)驗(yàn)公式、推理公式、瞬時(shí)單位線法計(jì)算，見表4。對(duì)比3種方法計(jì)算成果可知，蘭州市經(jīng)驗(yàn)公式和推理公式值設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果接近，瞬時(shí)單位線法計(jì)算的結(jié)果明顯偏大。山洪災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的威脅，出于安全考慮，研究選用了瞬時(shí)單位線的成果值。

3.3水位一流量一人口關(guān)系

繪制水位一流量一人口曲線的目的是統(tǒng)計(jì)確定各頻率洪水淹沒高程下的累計(jì)人口和房屋數(shù)量。參考相關(guān)技術(shù)規(guī)范和研究，首先需收集人口和高程數(shù)據(jù)等信息;其次，基于平面投影的原理，將房屋高程數(shù)據(jù)投影到河道縱斷面上;最后，結(jié)合河道縱斷面實(shí)測數(shù)據(jù)和計(jì)算得到的不同頻率洪水所對(duì)應(yīng)的水位值，統(tǒng)計(jì)確定各頻率洪水淹沒高程下的累積人口以及水位一流量一人口關(guān)系數(shù)據(jù)。根據(jù)住戶高程投影確定花寨子村、崖頭村、五里鋪村控制斷面處成災(zāi)水位分別為1707.83，1584.00，1512.21m。

3.4臨界雨量

臨界雨量計(jì)算是一個(gè)反復(fù)試算的過程，通常假定一個(gè)初始雨量，按雨量及雨型分析得到相應(yīng)的降雨過程，并計(jì)算出預(yù)警地點(diǎn)的洪水過程，進(jìn)而比較計(jì)算所得洪峰流量與預(yù)警地點(diǎn)的預(yù)警流量。在洪水和降雨頻率相同的假設(shè)條件下，采用水位流量反推的方法計(jì)算臨界雨量，其中成災(zāi)流量可通過分析水位一流量關(guān)系曲線得出。花寨子村、崖頭村、五里鋪村3個(gè)沿河村落所對(duì)應(yīng)的成災(zāi)流量分別為112，246，156m/s。結(jié)合流量頻率曲線，3個(gè)村落的成災(zāi)頻率分別為50.6%、16.8%、26.8%。根據(jù)暴雨頻率曲線，成災(zāi)頻率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)雨量即為臨界雨量。

3.5預(yù)警指標(biāo)

分析防洪評(píng)價(jià)現(xiàn)狀可知，立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)以控制斷面當(dāng)前的成災(zāi)水位（流量）作為臨界值，而準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)需考慮洪水漲速及河谷地形等因素影響，然后根據(jù)設(shè)計(jì)洪水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行估算?！渡胶闉?zāi)害分析評(píng)價(jià)方法指南》提供了兩種確定雨量預(yù)警指標(biāo)的方法：①在洪水過程線上，成災(zāi)流量出現(xiàn)前約30min，反推相應(yīng)時(shí)段的雨量作為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo);②以控制斷面平灘流量反算相應(yīng)的時(shí)段雨量，將該雨量作為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)。3個(gè)沿河村落的山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)見表5。

4結(jié)論

本文基于暴雨洪水同頻率的假定條件，采用水位流量反推法計(jì)算了雷壇河中下游花寨子村、崖頭村、五里鋪村的山洪災(zāi)害臨界雨量，得出以下結(jié)論。

（1）花寨子村、崖頭村、五里鋪村控制斷面處成災(zāi)水位分別為1707.83，1584.00，1512.21m;對(duì)應(yīng)成災(zāi)流量分別為112，246，156m3/s;成災(zāi)頻率分別為50.6%，16.8%，26.8%。

（2）花寨子村、崖頭村、五里鋪村1h臨界雨量預(yù)警指標(biāo)為16.00，20.71，20.69mm;3h臨界雨量預(yù)警指標(biāo)為19.83，25.99，25.96mm。

（3）小流域山洪災(zāi)害臨界雨量的確定不僅與所在流域特性有關(guān)，更與防災(zāi)對(duì)象的現(xiàn)狀防洪能力有關(guān)。在山洪災(zāi)害預(yù)警中，需緊密結(jié)合沿河村落的現(xiàn)狀防洪能力和臨界雨量等動(dòng)態(tài)指標(biāo)并進(jìn)行綜合分析，可為科學(xué)、高效預(yù)警防災(zāi)提供依據(jù)。