降雨分析法預警模式在西沖河流域的應用

曾 適，同 斌，熊金和

(長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局，重慶 400020)

山洪災害突發(fā)性強，破壞力大，在局部地區(qū)引發(fā)的災害往往會給人民群眾生命財產安全帶來巨大威脅；同時，由于山洪災害多發(fā)生在小流域，用常規(guī)的降雨徑流等洪水預報方法很難對其進行預報預警。因此，山洪致災雨量預警方法的研究對減小山洪災害的危害具有極為重要的意義。目前常見的山洪災害預警分析中主要有經驗估計法、降雨分析法以及模型分析法等，本文就降雨分析法預警模式在西沖河流域的應用進行探討。

1 降雨分析法

降雨分析法的3個關鍵要素為降雨、土壤含水量以及流域下墊面。發(fā)生山洪的區(qū)域往往以小流域居多，而小流域地形地貌、植被覆蓋、土壤類型等下墊面因素相對穩(wěn)定，主要的變化因素為降雨和土壤含水量，且土壤含水量受長時段降雨影響非常大，二者均可以通過降雨強度及時段降雨進行分析后得出，進而分析得出山洪發(fā)生與場次降雨和前期降雨某種組合值的臨界關系。該方法適用于有較長系列降雨資料的區(qū)域，對于無資料的區(qū)域可借用鄰近區(qū)域降雨資料進行分析。

針對具體的小流域，降雨分析法是通過計算其降雨強度以及時段降雨等信息，用來分析山洪發(fā)生與否的臨界條件。通常認為，降雨強度及時段降雨的某種組合達到和超過一定臨界值后，即會發(fā)生山洪，該組合也稱為降雨驅動指標，表達式如下：

RTI=R×I

(1)

式中：I為某時段降雨強度，mm/h；R為該時段之前的有效累計降雨量，mm，即：

(2)

式中：I為某時段降雨強度，mm/h；R為該時段之前的有效累計降雨量，mm；R0為本次前段降雨量，Ri為本次降雨開始前i天日降雨量(因前八天雨量的權重小于0.17，予以忽略不計，故有效累積雨量只考慮前6 d的降雨影響)，a為日降雨量加權系數，一般a=0.8，各地應根據實際情況率定和調整。

1.1 代表雨量站

降雨分析法雨量預警指標是面平均雨量。實際預警應用中，應先將與流域相關的雨量站雨量數據處理為流域的代表雨量，再將代表雨量與雨量預警指標比較，然后決定預警與否及預警等級。

流域代表雨量處理有以下兩種典型情況：

(1)流域內或流域周邊與流域關系密切的自動雨量站有多個，這些站點同時為流域提供雨量信息。這種情況下，可以采用等雨量線法、泰森多邊形法、算術平均值法等，將多站雨量數據處理為流域的代表雨量。

(2)只有或者只選擇一個雨量站為流域提供代表雨量信息。這種情況下，可將位于流域中心或者代表性位置的單個雨量站的資料，直接或者適當修正后，作為流域降雨的代表雨量。

1.2 雨場劃分

對于降雨分析法，在進行代表雨量計算時，雨場劃分是非常重要的基礎性技術工作，以4 mm為降雨場次劃分標準劃分雨場，即一場連續(xù)降雨過程中，以小時雨量大于4 mm時的時刻為場次降雨開始時刻，以小時雨量連續(xù)3小時小于4 mm的開始點為降雨結束時刻。見圖1。

圖1 降雨場次劃分示意圖

1.3 預警基準值的確定

首先是收集區(qū)域內歷年降雨時間序列，按照上述雨場劃分方式，將降雨時間序列分割成多個降雨場次，分析每次降雨發(fā)生山洪的時刻，再以引發(fā)山洪時刻的小時降雨強度I及該時刻之前的有效累積降雨量R的乘積，計算出該次降雨的RTI值。如果不知道該次降雨引發(fā)山洪的時刻或該場降雨沒有引發(fā)山洪，則以該次降雨的最大小時降雨強度I及其之前的有效累積降雨量R的乘積作為RTI值。將所有發(fā)生山洪的最小RTI值定義為下邊界，記為RTI10，表示在此下邊界以下(RTIRTI90)發(fā)生山洪的可能性很大。為了便于說明一場降雨引發(fā)山洪的可能性，本文將下邊界RTI10和上邊界RTI90分別定為發(fā)生山洪的可能性是10%和90%。當某場降雨的值在下邊界下方時，表示該場降雨引發(fā)山洪的可能性小于10%，反之，當RTI值在上邊界上方時，表示該場降雨引發(fā)山洪的可能性高于90%。當RTI值位于上下邊界之間，則定義該場降雨引發(fā)山洪的可能性P和RTI值成正比關系，即：

(3)

2 西沖河流域的應用實例

2.1 西沖河流域及站網介紹

西沖河是典型的山溪性小河流，發(fā)源于貴州省盤縣境內的大小爬山，流經大莊、大屯兩鄉(xiāng)、西沖鎮(zhèn)及盤縣城關鎮(zhèn)，流域內有盤縣水文站，屬于小河控制站，集水面積32 km2。該地區(qū)年平均暴雨次數約有5次，洪水出現(xiàn)的時間與暴雨相對應，大洪水發(fā)生在6月～7月，多數為單式洪峰，陡漲陡落，洪峰持續(xù)時間短(10 min～20 min)，洪水歷時過程一般是1 d。盤縣站預警水位6.26 m，相應流量34.2 m3/s，預報斷面以上有核桃園、楊家莊、大莊3個雨量站，均有較長系列資料，目前有盤縣站及相應雨量站1992年、1999年、2000年和2005年～2012年的資料。站網分布圖見圖2。

圖2 盤縣站以上水情站網分布圖

2.2 降雨驅動指標RTI推算

對收集到的11年降雨資料進行分析后得出，盤縣站一共有50場較大的降雨過程，其中，導致洪水超警戒流量的降雨場次共11次。發(fā)生山洪降雨場次中最小的值為758 mm2/h，記為RTI10=758 mm2/h；根據所有降雨場次的值排序確定RTI10=1300 mm2/h。由此可以得出盤縣站降雨分析法成果圖，見圖3。

圖3 盤縣站降雨分析法成果圖

2.3 2014年9月暴雨中的應用

受臺風“海鷗”影響，9月16日～18日，西沖河區(qū)域普降大到暴雨，造成盤縣境內多次出現(xiàn)滑坡、泥石流等災害。其中，9月18日14時03分盤縣西鋪村西鋪小學旁滑坡體瞬間下滑，造成12戶村民的12棟房屋、40余頭大小牲畜、10余輛摩托車被掩埋，直接經濟損失480余萬元，所幸此次滑坡發(fā)現(xiàn)及時，未造成人員傷亡。從本次降雨過程來看，盤縣站上游各雨量站均達到暴雨級別，其中，核桃園雨量站17日日降雨量達到167 mm，3 d累積降雨量達到224 mm，但由于各時段降雨分配較為均勻，各雨量站的小時降雨量普遍不大。盤縣站以上各雨量站降雨情況見表1。

表1 盤縣站以上各雨量站降雨情況表 單位：mm

根據盤縣站各雨量站的降雨資料按上述方法分別計算有效累積降雨量及降雨強度，再計算出盤縣站逐時降雨驅動指標RTI值，計算結果見表2。本文以降雨驅動指標RTI50為發(fā)布預警的基準值(推算RTI50=1030 mm2/h)，結合表2可以得出17日21時即可發(fā)布預警，比盤縣站超警流量時間提前了1 h 18 min，比發(fā)生滑坡地質災害的時間提前了17 h。

表2 盤縣站9月17日降雨驅動指標計算表

3 結語

本文將降雨分析法預警模式應用到西沖河流域，以為基準值，提前了1個多小時預警，能夠滿足預警發(fā)布及疏散工作的要求。根據實際應用效果，該方法在氣候濕潤、下墊面特性相對單一且均勻的地區(qū)效果較好，結合氣象預報可獲得較長預警時間；對監(jiān)測站點和降雨等氣象資料有一定樣本要求，主要是要求降雨資料，且方法簡單，在實際應用中易于操作。但降雨分析法沒考慮具體流域下墊面特征和人的社會經濟活動影響，在今后的研究中應對此部分進一步分析。