賀蘭山東麓石嘴山段山洪災(zāi)害氣象預(yù)警指標(biāo)研究

周翠芳, 陳彥虎, 賈宏元

(1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室,寧夏 銀川 750002;2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,寧夏 銀川 750002; 3.石嘴山市氣象局,寧夏 石嘴山 753000;4.寧夏回族自治區(qū)氣象局，寧夏 銀川 750002)

賀蘭山東麓石嘴山段是寧夏主要的暴雨中心[1-3],也是寧夏山洪地質(zhì)災(zāi)害較嚴(yán)重的地區(qū)之一.近年來,受氣候變暖的影響,全球極端天氣事件日漸增多,賀蘭山暴雨也逐年增加.如2018年7月11日、7月19日、7月22日至23日及8月13日發(fā)生4場暴雨,均引發(fā)山洪災(zāi)害,最大降雨強度為66.9 mm/h.特別是7月 22日至23 日,賀蘭山中北段突發(fā)歷史性特大暴雨洪水,汝箕溝洪溝的洪峰流量為950 m3/s,為200 a一遇洪水過程；大武口溝山洪溝的洪峰流量為1 500 m3/s,為100 a一遇洪水過程.賀蘭山石嘴山段分布大小山洪溝28條,總長達445 km,歷史上每條山洪溝都暴發(fā)過山洪、塌方和落石等地質(zhì)災(zāi)害,并造成一定的人員傷亡和財產(chǎn)損失.筆者選取賀蘭山東麓石嘴山段2個典型、易發(fā)生山洪災(zāi)害且有較長流量及降水觀測資料的大武口溝(1973年設(shè)站,位于大武口溝溝口)、汝箕溝(1956年設(shè)站,位于汝箕溝溝口),進行預(yù)警指標(biāo)研究.目前,山洪預(yù)警預(yù)報中的主要手段是臨界雨量法[4-6]、預(yù)報模型法[7-8]和山洪經(jīng)驗預(yù)報法[9-10]，氣象工作者大多采用風(fēng)險臨界雨量判別山洪災(zāi)害的發(fā)生[11-12],這也是目前山洪災(zāi)害預(yù)警公認(rèn)的依據(jù).由于流量、濕潤程度、植被覆蓋率、降雨強度等與面雨量密切相關(guān),客觀、簡便及準(zhǔn)確地計算面雨量,對防災(zāi)減災(zāi)有重要的意義[12].

賀蘭山東麓山洪災(zāi)害主要由暴雨造成,多為短歷時局地暴雨,年際變化大,有明顯的季節(jié)性和地區(qū)性.洪水特性與暴雨特性相對應(yīng),匯流時間短,來勢兇猛,暴漲暴落,一般洪水過程3～6 h.山洪災(zāi)害的突發(fā)性、區(qū)域性和季節(jié)性較明顯,危害性、破壞性極強.由于山洪災(zāi)害的突發(fā)性和局地性,給預(yù)報預(yù)警工作帶來了很大的困難.近年來,氣象部門對中小流域精細(xì)化預(yù)報服務(wù)提出越來越高的要求.為做好石嘴山市山洪地質(zhì)災(zāi)害的精細(xì)化預(yù)報服務(wù)工作,筆者提出適用于賀蘭山東麓石嘴山段山洪預(yù)報的動態(tài)臨界面雨量預(yù)報分析方法,并結(jié)合石嘴山市2018年幾次重大洪水過程，對該方法的應(yīng)用效果及服務(wù)效果進行檢驗,可為提升當(dāng)?shù)貞?yīng)對突發(fā)山洪災(zāi)害的能力和水平提供參考.

1 流域概況

賀蘭山東麓石嘴山段分布大小山洪溝28條,總長達445 km(圖1).大武口溝河流位于賀蘭山東麓石嘴山段北段(圖1),總長35.229 km,流域面積576 km2,是賀蘭山最大的一條山洪溝.溝道西自賀蘭山寧蒙邊界,東至第三排水溝,南至山水大道、301省道,南北長20 km,東西寬約28 km.汝箕溝位于賀蘭山東麓的中段(圖1),溝道全長22.2 km,流域面積79.8 km2,流域內(nèi)為石質(zhì)山區(qū),土層薄、植被差,為暴雨多發(fā)區(qū),易形成山洪并造成災(zāi)害.

圖1 賀蘭山沿山石嘴山段的山洪溝系分布

2 研究資料

賀蘭山東麓石嘴山段分布大小山洪溝28條,現(xiàn)有水文站點2處.大武口站建于1973年,位于大武口溝溝口；汝箕溝站建于1956年,位于汝箕溝溝口.兩站均有較長時間的流量、降水資料,可用于進行暴雨洪水分析.筆者選取大武口站及汝箕溝站水文和氣象雨量站點12處(圖略),均為自記雨量站.其中,大武口溝所轄站點有呼魯斯太、八號泉、石炭井、塔塔溝、大燈溝、馬連灘、大武口;汝箕溝所轄站點有西溝門、黃草灘、汝箕溝口、崇港鎮(zhèn)汝箕溝、老哥仨.12處雨量站點都分布在賀蘭山東麓地區(qū)的山洪溝道上,多年的雨量資料有較好的代表性.

3 研究方法

3.1 臨界面雨量

臨界面雨量表示在某一給定河段、時間段內(nèi),一定面積上的平均降雨量達到或超過某一量級和強度時,該流域可能會發(fā)生洪水災(zāi)害,該值及強度稱為該流域的致災(zāi)臨界面雨量[10].

3.2 臨界面雨量的計算方法

統(tǒng)計N次山洪災(zāi)害各時段最大面雨量平均值的最小值,即為各時段區(qū)域山洪臨界面雨量初值:

式中:t為10,30 min等降雨時間.

統(tǒng)計最大值,即

Rt,max=max(Rti)，i=1,2,…,N.

Rt,max可視為區(qū)域內(nèi)發(fā)生山洪災(zāi)害的充分條件,即當(dāng)區(qū)域內(nèi)每個站點的降雨強度都超過Rt,max時,區(qū)域內(nèi)將有大范圍的山洪災(zāi)害發(fā)生.

3.3 臨界面雨量關(guān)系式

分析篩選出1980—2017年賀蘭山沿山石嘴山段大武口溝、汝箕溝山洪災(zāi)害過程29次,其中,3 h過程10次,6 h過程9次,12 h過程10次;水文和氣象自記雨量站點12處及其地質(zhì)、水文、降水資料.因為河流漲水是一個連續(xù)過程,不是按照以往從一個過程找不同時間段臨界面雨量的方法,而是根據(jù)過程實際的降水時間,找不同時間尺度(3,6,12 h)的臨界面雨量.

分析歷史個例中賀蘭山沿山石嘴山段大武口溝、汝箕溝水文站過程面雨量,與前期流量、洪峰流量、流量增量、土壤濕潤程度、植被覆蓋率、上下游水文站水位梯度、徑流系數(shù)、過程小時降雨量、前期降水量等因子的相關(guān)性,選擇前期降水量、小時降雨量和過程流量增量為回歸因子,通過最小二乘法建立過程面雨量與前期降水量、小時降雨量和過程流量增量等因子的多元線性回歸方程.為了滿足精細(xì)化服務(wù)的要求,分別得出大武口溝及汝箕溝3,6,12 h的臨界面雨量關(guān)系式.

4 臨界面雨量的計算結(jié)果與檢驗

4.1 大武口溝及汝箕溝各站山洪的臨界面雨量

大武口溝及汝箕溝各站山洪的臨界面雨量見表1.

表1 大武口溝、汝箕溝各站山洪的臨界面雨量

4.2 大武口溝3,6,12 h洪水的臨界面雨量

以大武口溝為例,分析臨界面雨量與前期降水量(參考文獻[4],取前5日的降水量)、小時降雨量和過程流量增量的相關(guān)關(guān)系,通過多元回歸方法得到3,6,12 h動態(tài)臨界面雨量的預(yù)報關(guān)系式.同時，結(jié)合2018年汛期幾次較大致災(zāi)洪水過程，對臨界面雨量預(yù)報公式進行檢驗(2018年沒有3 h洪水過程,用2012年的洪水過程數(shù)據(jù)進行檢驗) .

3,6,12 h洪水的臨界面雨量擬合公式:

R3 h=7.34+0.13R1+0.68R2+0.07L,

(1)

R6 h=24.3-0.03R1+1.23R2+0.01L,

(2)

R12 h=44.8-0.38R1+2.14R2+0.02L,

(3)

式中:R3 h,R6 h,R12 h分別為大武口溝3,6,12 h的臨界面雨量;R1為前5日的降水量;R2為小時降雨量;L為流量增量. 對于回歸系數(shù)及常數(shù),通過F檢驗判定回歸模型的回歸效果.復(fù)相關(guān)系數(shù)R2分別為0.957 1,0.890 0,0.913 9,表明它們之間為正相關(guān)關(guān)系.F顯著性統(tǒng)計量的P分別為0.0402 0,0.043 10,0.037 9,小于顯著性水平0.05,說明3,6,12 h回歸方程的回歸效果較好.

4.3 結(jié)果檢驗

取 2012-07-13洪水過程(沒有用來建模)對式(1)進行檢驗.2012-07-13為3 h暴雨過程,此次暴雨山洪造成4人死亡、2人受傷、221戶居民受災(zāi).其中,大武口溝實測最大洪峰流量為300 m3/s,是2012年以前10 a的最大洪峰流量.選取該次洪水過程對式(1)進行檢驗,計算得到3 h臨界面雨量為58.9 mm,較實況偏小3.9 mm.根據(jù)歷史個例分析,3 h 山洪的臨界面雨量定義域R3 h(18.9,28.5),當(dāng)R3 h≥40.4 mm時,肯定發(fā)生山洪災(zāi)害,一定要注意防范.

取 2018-07-19洪水過程對公式(2)進行檢驗.計算得到6 h臨界面雨量為58.2 mm,較實況偏小0.36 mm.根據(jù)歷史個例分析,6 h 山洪的臨界面雨量定義域R6 h(24.0,37.0),降雨量超過臨界雨量時,可能會發(fā)生洪災(zāi),當(dāng)R6 h≥51.2 mm 時,肯定發(fā)生山洪災(zāi)害.此次過程大武口溝、汝箕溝、崇崗鎮(zhèn)沿山西峰溝、歸德溝、大水溝、小水溝等均出現(xiàn)山洪.

取 2018-07-22—23洪水過程對式(3)進行檢驗,計算得到12 h臨界面雨量為50.4 mm,較實況偏小0.76 mm.根據(jù)歷史個例分析,12 h山洪的臨界面雨量定義域R12 h(26.1,48.7),當(dāng)R12 h≥80.8 mm時,肯定發(fā)生山洪災(zāi)害.該次暴雨降水強度大,洪水持續(xù)時間長,洪水量超歷史最大記錄,造成大武口溝、汝箕溝、小水溝等出現(xiàn)不同程度洪水過程.石嘴山市水文局監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,大武口溝最大洪水流量達1 500 m3/s(超100 a一遇),汝箕溝最大洪水流量達950 m3/s(超200 a一遇),造成直接經(jīng)濟損失約16 956.1萬元,無人員傷亡.針對該降水過程也及時發(fā)布了暴雨和山洪紅色預(yù)警信號.

5 結(jié)論

1)提出的山洪預(yù)警方法是基于賀蘭山東麓大武口溝、汝箕溝前期的降水量、小時降雨量和過程流量增量,建立賀蘭山石嘴山段動態(tài)山洪氣象風(fēng)險預(yù)警指標(biāo),克服了靜態(tài)臨界面雨量方法中存在的局限.

2)前期降水量、小時降雨量和過程流量增量與面雨量呈正相關(guān)關(guān)系,3,6,12 h臨界面雨量指標(biāo)對山洪預(yù)報預(yù)測具有指導(dǎo)意義.

3)對2018年兩次洪水過程的檢驗結(jié)果顯示,該方法的預(yù)報預(yù)警效果較好,用于山洪預(yù)警是可行的，可將該方法推廣到其他流域.