成縣山洪災(zāi)害臨界雨量分析計(jì)算

祝武斌

（隴南水文水資源勘測局，甘肅成縣742500）

成縣山洪災(zāi)害臨界雨量分析計(jì)算

祝武斌

（隴南水文水資源勘測局，甘肅成縣742500）

針對成縣暴雨特性和山洪特性，采用災(zāi)害與降雨頻率分析法計(jì)算其臨界雨量。隨著區(qū)域內(nèi)山洪、泥石流災(zāi)害資料和降水資料的累積以及計(jì)算方法的不斷更新和完善，確定的臨界雨量值不斷接近災(zāi)害發(fā)生時的真實(shí)值。更好地適應(yīng)和滿足了流域內(nèi)山洪、泥石流災(zāi)害防治的需求。

山洪災(zāi)害；臨界雨量；分析；計(jì)算

1 概況

1.1 自然地理概況

成縣地處秦嶺山脈南麓丘陵河谷地帶，位于甘肅省東南部，隴南市北部偏東，東北與徽縣接壤，西與西和縣相鄰，南以西漢水為界與康縣相望，東南與陜西省略陽縣毗鄰。成縣南北寬約55km，東西長約52km，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)105°24＇至105°57＇，北緯33°31＇至34°02＇之間，縣境總面積1678.32km2。

1.2 地形地貌

成縣地處隴南山地東部。西北屬北秦嶺山脈南麓，中部屬徽成盆地，南部為南秦嶺山脈北緣。地勢西北高東南低。地貌主要為中山區(qū)，次為丘陵和小面積川壩。西漢水和長豐河流經(jīng)地區(qū)為小面積狹長谷地。

成縣的地貌形態(tài)可分為兩個主要類型:一是山地，約占縣域面積的三分之二，集中分布在西北部和南部。二是盆地，為徽成盆地的一部分，分布于城關(guān)、拋沙、店村、紅川、陳院、水泉、小川等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積300km2。

1.3 氣候環(huán)境

成縣屬大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。冬季受來自北方和西北冷空氣影響，夏季盛行東南季風(fēng)和來自孟加拉灣的溫暖季風(fēng)的影響，氣候地域差異大，垂直變化明顯。成縣的多年平均降水量為685.7mm。全縣年平均陸面蒸發(fā)量為493.8mm，干旱指數(shù)為1.006，按甘肅省氣候分區(qū)屬溫帶半濕潤地區(qū)。

2 暴雨、洪水特征

成縣境內(nèi)降水較豐富，但在時空分布上很不均勻，據(jù)成縣水文站1956～2013年58年的降水資料分析，連續(xù)最大四個月降水主要集中在6～9月，占全年降水量的68%左右，冬春季降水偏少，夏秋季降水量較大，且多為暴雨，歷時短，雨量大，產(chǎn)流快，容易形成山洪、泥石流災(zāi)害。

3 資料收集

3.1 測站情況

成縣境內(nèi)有兩個水文站，分別是西漢水鐔家壩（二）水文站及長豐河成縣水文站；成縣境內(nèi)有8個雨量站，分別是紅川、黃渚關(guān)、二郎、小川、成縣、紙坊、化埡、鐔家壩雨量站。另外，在這次臨界雨量的分析計(jì)算中也采用了第Ⅰ典型區(qū)域的徽縣麻沿雨量站資料。

3.2 時段雨量統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)成縣境內(nèi)及周邊紅川、黃渚關(guān)、二郎、小川、成縣、紙坊、化埡、鐔家壩、麻沿各雨量站10min、30min、1h、3h、6h、12h、24h降水量，對于無10min、30min、1h、3h降水資料的人工觀測雨量站，應(yīng)用暴雨強(qiáng)度i與降水歷時T的關(guān)系予以換算。

4 臨界雨量分析計(jì)算

臨界雨量按災(zāi)害種類劃分為山溪洪水災(zāi)害臨界雨量、泥石流災(zāi)害臨界雨量、滑坡災(zāi)害臨界雨量。因典型區(qū)域內(nèi)泥石流、滑坡災(zāi)害較少且缺乏相關(guān)資料，臨界雨量可合并進(jìn)行分析計(jì)算（假定三者臨界雨量相同）。目前臨界雨量的計(jì)算方法一般有單站臨界雨量法、區(qū)域臨界雨量法和災(zāi)害與降水頻率分析法。

4.1 單站臨界雨量法

4.1.1 資料收集與統(tǒng)計(jì)

根據(jù)成縣境內(nèi)歷次山洪災(zāi)害發(fā)生的時間表，收集區(qū)域及周邊鄰近地區(qū)各雨量站對應(yīng)的雨量資料。確定對應(yīng)的降雨過程開始和結(jié)束時間，降雨過程的開始時間，是以連續(xù)3日每日雨量≤1mm后出現(xiàn)日雨量＞1mm的時間；降雨過程的結(jié)束時間是山洪災(zāi)害發(fā)生的時間（這里確定的是降雨過程統(tǒng)計(jì)時間，如災(zāi)害發(fā)生后降雨仍在持續(xù)，災(zāi)害會加重）。過程時間確定后，在每次過程中依次查找并統(tǒng)計(jì)10min、30min、1h、3h、6h、12h、24h及3d降水量對應(yīng)的起止時間。如果過程時間長度小于對應(yīng)項(xiàng)的時段跨度，則不統(tǒng)計(jì)（如降雨過程小于12h，則不統(tǒng)計(jì)12h、24h最大雨量及其起止時間）。

4.1.2 單站臨界雨量的計(jì)算

假設(shè)區(qū)域內(nèi)共有S個雨量站，共發(fā)生山洪災(zāi)害N次，共統(tǒng)計(jì)T個時間段的雨量，Rtij為t時段第i個雨量站第j次山洪災(zāi)害的最大雨量，則各站每個時間段N次統(tǒng)計(jì)值中，最小的一個為臨界雨量初值，即初步認(rèn)為這個值是臨界雨量，計(jì)算公式如下:

4.1.3 單站臨界雨量分析

（1）不同站點(diǎn)相同時段的臨界雨量不盡相同，與各站點(diǎn)地質(zhì)、地形、前期降雨量及氣候條件的不同有關(guān)。地形陡峭，土壤吸水能力較好，前期降雨量小，年雨量較大的地區(qū)，臨界雨量就較大，相反則臨界雨量就較小。

（2）同一站點(diǎn)不同時段的臨界雨量，能反映該站點(diǎn)對于不同時間段最大降雨的敏感程度，因此需要對各時段的臨界雨量進(jìn)行綜合分析，并結(jié)合山洪災(zāi)害調(diào)查資料，確定影響山洪災(zāi)害發(fā)生的重要時段。因過程總雨量也有臨界值，實(shí)際工作中，各時段臨界雨量必須一起綜合使用，以此來判別山洪災(zāi)害發(fā)生的可能性。如1h這個時段出現(xiàn)大于臨界值的降雨時，災(zāi)害發(fā)生的可能性較小，3h、6h也出現(xiàn)大于臨界值的降雨時，災(zāi)害發(fā)生的可能性較大。但只要有一個時段降雨超過其臨界值，就有可能發(fā)生山洪災(zāi)害。

4.1.4 區(qū)域內(nèi)各站同一時段的臨界雨量統(tǒng)計(jì)分析

（1）計(jì)算平均值

（2）統(tǒng)計(jì)最小值

Rtmin可視為區(qū)域內(nèi)致災(zāi)降雨強(qiáng)度的必要條件，即只有當(dāng)區(qū)域內(nèi)至少有一個站雨強(qiáng)超過Rtmin時，區(qū)域內(nèi)才有可能發(fā)生山洪災(zāi)害。

（3）統(tǒng)計(jì)最大值

Rtmax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(diǎn)雨強(qiáng)都超過Rtmax時，區(qū)域內(nèi)將會有大范圍的山洪災(zāi)害發(fā)生。

4.1.5 利用單站臨界雨量分析計(jì)算區(qū)域臨界雨量

根據(jù)分析計(jì)算出的區(qū)域內(nèi)各單站臨界雨量初值，來確定區(qū)域臨界雨量，這種方法稱為單站臨界雨量法。

4.2 區(qū)域臨界雨量法

4.2.1 資料收集與統(tǒng)計(jì)

首先根據(jù)區(qū)域內(nèi)各雨量站歷次山洪災(zāi)害發(fā)生的時間，收集對應(yīng)的雨量資料（區(qū)域內(nèi)只要有一個站發(fā)生山洪，視為該區(qū)域內(nèi)發(fā)生了山洪，則區(qū)域內(nèi)所有雨量站都要收集和統(tǒng)計(jì)對應(yīng)的降雨過程資料降雨過程的劃分與單站方法相同。

計(jì)算區(qū)域內(nèi)與歷次山洪災(zāi)害對應(yīng)的各時段最大面平均雨量。假設(shè)區(qū)域內(nèi)共有S個雨量站，共發(fā)生山洪災(zāi)害N次，共統(tǒng)計(jì)T個時段的面平均雨量，面平均雨量計(jì)算可采用算術(shù)平均法、泰森多邊形法、雨量等值法等，具體方法根據(jù)典型區(qū)域的實(shí)際情況而定。不管使用哪種方法，都要保證計(jì)算得到的面平均雨量的精度。Rtj為t時段第j次山洪災(zāi)害對應(yīng)雨量過程中的最大面平均雨量（通過滑動平均得出），則區(qū)域內(nèi)各時段有N個（每次災(zāi)害一個）最大面平均雨量值。

4.2.2 區(qū)域臨界雨量的初值確定

統(tǒng)計(jì)N次山洪災(zāi)害各時段最大雨量面平均值的最小值，即為各時段區(qū)域山洪臨界雨量初值。

4.2.3 區(qū)域臨界雨量分析

區(qū)域山洪災(zāi)害臨界雨量，可作為判別區(qū)域內(nèi)有無山洪災(zāi)害發(fā)生的定量指標(biāo)。因在統(tǒng)計(jì)山洪災(zāi)害次數(shù)時，只要區(qū)域內(nèi)有1個站發(fā)生了山洪災(zāi)害，就認(rèn)為區(qū)域內(nèi)有山洪災(zāi)害發(fā)生。因此，它無法判別區(qū)域內(nèi)受災(zāi)面積的大小及災(zāi)害嚴(yán)重程度。

4.3 災(zāi)害與降雨頻率分析法

通過對災(zāi)害場次的調(diào)查，分析山洪災(zāi)害的頻率，取與山洪災(zāi)害發(fā)生頻率相同的降雨量設(shè)計(jì)值即為臨界雨量初值。通過與周邊鄰近地區(qū)的臨界雨量進(jìn)行綜合對比分析，最后合理確定臨界雨量值。

4.4 成縣各典型區(qū)域臨界雨量的計(jì)算

4.4.1 各典型區(qū)域臨界雨量計(jì)算方法的確定

由于無法搜集到成縣詳細(xì)全面的歷史山洪、泥石流災(zāi)害調(diào)查資料以及與之對應(yīng)的區(qū)域降水、暴雨中心降水，無法采用單站臨界雨量法或區(qū)域臨界雨量法來分析計(jì)算各典型區(qū)域的臨界雨量。成縣各典型區(qū)域山洪、泥石流災(zāi)害的主要來源是暴雨，各典型區(qū)域?yàn)?zāi)害場次的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確可靠，因此可采用災(zāi)害與降雨頻率分析法來分析確定各典型區(qū)域的臨界雨量。

4.4.2 歷史山洪災(zāi)害場次統(tǒng)計(jì)及頻率計(jì)算

（1）山洪、泥石流災(zāi)害場次統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《成縣志》及《成縣山洪災(zāi)害防御預(yù)案》中對歷史山洪災(zāi)害的記錄情況，統(tǒng)計(jì)出各典型區(qū)域山洪災(zāi)害發(fā)生的時間及場次，見表1。

（2）山洪、泥石流災(zāi)害發(fā)生頻率計(jì)算

通過對Ⅰ區(qū)（北部的黃渚、二郎、王磨地區(qū)）歷史山洪、泥石流災(zāi)害調(diào)查統(tǒng)計(jì)，自1934年至2013年間，該區(qū)域內(nèi)共發(fā)生山洪、泥石流災(zāi)害11次，那么山洪泥石流災(zāi)害發(fā)生的頻率P=11/（2013 -1934+1）=13.8%。

通過對Ⅱ區(qū)（西部的紙坊、沙壩、蘇元、索池、小川地區(qū)）歷史山洪、泥石流災(zāi)害調(diào)查統(tǒng)計(jì)，自1934年至2013年間，該區(qū)域內(nèi)共發(fā)生山洪、泥石流災(zāi)害6次，那么山洪泥石流災(zāi)害發(fā)生的頻率為: P=6/（2013-1934+1）=7.5%。

通過對Ⅲ區(qū)（東部的陳院、城關(guān)、店村、紅川地區(qū)）歷史山洪、泥石流災(zāi)害調(diào)查統(tǒng)計(jì)，自1934年至2013年間，該區(qū)域內(nèi)共發(fā)生山洪、泥石流災(zāi)害9次，那么山洪泥石流災(zāi)害發(fā)生的頻率為:P=9/（2013-1934+1）=11.2%。

通過對Ⅳ區(qū)（南部的雞峰、黃陳、鐔河、宋坪地區(qū)）歷史山洪、泥石流災(zāi)害調(diào)查統(tǒng)計(jì)，自1934年至2013年間，該區(qū)域內(nèi)共發(fā)生山洪、泥石流災(zāi)害4次，那么山洪泥石流災(zāi)害發(fā)生的頻率為:P=4/（2013-1934+1）=5.0%。

表1 成縣臨界雨量典型區(qū)域山洪災(zāi)害場次統(tǒng)計(jì)表

4.4.3 臨界雨量分析計(jì)算

（1）點(diǎn)繪各時段最大降水量頻率（P-Ⅲ型）曲線

統(tǒng)計(jì)出各典型區(qū)域內(nèi)各雨量站10min、30min、1h、3h、6h、12h、24h、3d最大降水量，再用算術(shù)平均法求出區(qū)域內(nèi)10min、30min、1h、3h、6h、12h、24h、3d面平均最大降水量，分別點(diǎn)繪出10min、30min、1h、3h、6h、12h、24h、3d面平均最大降水量頻率（P-Ⅲ型）曲線。

（2）臨界雨量計(jì)算

根據(jù)各典型區(qū)域?yàn)?zāi)害發(fā)生的頻率，在點(diǎn)繪的相應(yīng)區(qū)域10min、30min、1h、3h、6h、12h、24h、3d面平均最大降雨量頻率（P-Ⅲ型）曲線上查出對應(yīng)頻率的降水量，即為該區(qū)域各時段臨界雨量的計(jì)算值。各典型區(qū)域臨界雨量計(jì)算成果見表2。

5 結(jié)語

確定以相應(yīng)時段臨界雨量的3/4值作為短歷時（10min、30min、1h）“準(zhǔn)備撤離雨量”預(yù)警指標(biāo)，即當(dāng)短歷時（10min、30min、1h）降水量達(dá)到相應(yīng)時段的臨界雨量的3/4值，并且降水仍在持續(xù)時，須作出準(zhǔn)備撤離的預(yù)警；確定以相應(yīng)時段臨界雨量的2/3作為長歷時（3h、6h、12h、24h、3d）“準(zhǔn)備撤離雨量”預(yù)警指標(biāo)，即當(dāng)長歷時（3h、6h、12h、24h、3d）降水量達(dá)到相應(yīng)時段的臨界雨量的2/3值，并且降水仍在持續(xù)時，須作出準(zhǔn)備撤離的預(yù)警。

TV124

B

1672-2469（2015）10-0052-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.16

祝武斌（1974—），男，工程師。