寧夏山洪災害雨量預警值計算

苑希民+張建偉+田福昌

摘要：隨著山洪災害監(jiān)測預警非工程措施建設和全國2013年-2015年度山洪災害防治建設的推進，寧夏全區(qū)防洪減災綜合能力得到了顯著改善和全面提升。但現階段尚沒有科學、系統、定量的分析研究突發(fā)暴雨、洪水、積澇、滑坡、泥石流等山洪災害預警指標，突發(fā)性洪澇災害的應急避災、緊急處置和搶險救助仍舊十分困難。結合寧夏水系分布與防洪工程建設實際情況，在參考已有臨界雨量推求方法的基礎上，綜合應用暴雨等值線和P-Ⅲ頻率曲線表反推不同量級洪水對應的雨量值作為山洪災害預警值。該方法簡單易操作，計算成果對寧夏防洪減災工作具有重要意義。

關鍵詞：寧夏；山洪災害；臨界雨量；暴雨等值線；P-Ⅲ頻率曲線表；預警值

中圖分類號：TV877文獻標志碼：A文章編號：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

山洪災害是指由于降雨在山丘區(qū)引發(fā)的洪水災害及山洪誘發(fā)的泥石流、滑坡等對國民經濟和人民生命財產造成損失的災害[1]。山洪災害的形成是氣候、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害預警預報的關鍵指標[3-6]，是山洪災害防治工作的中心內容。臨界雨量是指一個流域或區(qū)域某一時間段內降雨量達到或超過某一量級和強度時，該流域或區(qū)域將發(fā)生山洪、泥石流、滑坡等山洪災害，這時的降雨量或降雨強度就是該流域或區(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、歷時短、起洪快，山洪災害頻繁發(fā)生。山洪災害防治是寧夏防洪減災工作的重點與難點，而臨界雨量預警值的確定又是其薄弱環(huán)節(jié)，因此合理計算確定山洪災害臨界雨量對寧夏山洪災害防治有著重要的意義。

近年來，國內外許多學者在推求臨界雨量方面進行了探索，并取得了豐碩成果。在國內，由《國家防辦山洪防御預案編制大綱》提出的基于統計歸納法的臨界雨量在國內應用較為廣泛，指導思想是利用歷史資料進行統計分析得出該地區(qū)發(fā)生山洪的降雨臨界條件，通過天氣預報與降水實際情況，以臨界雨量為依據，確定山洪發(fā)生的可能性[7]。牛二偉[8]基于產流模型和匯流模型對流域進行產匯流模擬分析，根據警戒流量，反推能產生相應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，提出以動態(tài)臨界雨量為指標的山洪預警預報方法；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算方法，并以此構建暴雨臨界曲線作為山洪預警的標準；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，研究了雨量預警指標確定方法；段生榮[12]以黃河流域某支流為例，對比分析了災害實例調查法、災害降雨同頻率法、產流分析法等各種方法的優(yōu)缺點；謝會云[13]等利用等流時線和GIS相結合，制作GIS專題圖，實時展現了各等流時線上流量的大小，為預警決策提供了依據。在國外，山洪災害研究開展較早，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)的山洪預警指南系統（Flash Flood Guidance，FFG）[14-17]。其思路是以小流域上已發(fā)生的降雨量，通過水文模型計算分析，得到流域實時土壤濕度，并反推出流域出口斷面洪峰流量要達到預先設定預警流量值所需的降雨量，這個降雨量稱之為動態(tài)臨界雨量值。當實時或預報降雨量達到該雨量值時，即發(fā)布山洪預警或警示。該方法分別被Daniele Norbiato[18]和Georgakakos[19]等應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)利用雷達測雨開展山洪預報預警研究。

以上所述有關國內外山洪災害預警雨量計算方法適用角度各有不同，本文將根據寧夏地理特征及行政區(qū)劃對全區(qū)進行山洪災害典型區(qū)劃分，在已有較為成熟的臨界雨量計算方法基礎上，采用簡易實用的水文推算法推求雨量預警值，即運用P-Ⅲ頻率曲線表，并結合寧夏暴雨等值線圖求得已劃定典型區(qū)的臨界雨量值，為寧夏山洪災害預報預警提供參考和技術支持。

1 寧夏概況及其山洪災害特點

寧夏回族自治區(qū)位于中國西北部，東經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、固原市五個地級市，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)生山洪與地質災害。

寧夏山洪災害具有鮮明的特點：一是季節(jié)性強，寧夏的汛期在5月初至9月底，主汛期集中在6月-8月份，這段時間也是寧夏山洪災害的多發(fā)期；二是災害區(qū)域特征明顯、易發(fā)性強，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、危害最嚴重的災害形式，泥石流在南部黃土丘陵溝壑區(qū)、中部丘陵臺地區(qū)比較發(fā)育；三是山洪突發(fā)性強、預報預測預防難度大，寧夏山洪溝眾多，比降大，匯流迅速，致災突然，難以進行準確的預報和有效防治；四是破壞性強、損失大，山洪災害造成河流改道，耕地受淹，民房倒塌，人死畜亡等；五是災后恢復困難，山洪災害對水利、交通、電力、通信等基礎設施的破壞幾年甚至幾十年都難以恢復。

2 計算思路

寧夏地形地貌復雜，小流域分布較為分散，且各小流域上已建的防洪工程標準不同，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也不盡相同，不同時段下的臨界雨量閾值已無法滿足寧夏當地的山洪災害預警需求。例如，汝箕溝、大小風溝、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準不同（汝箕溝防洪標準為20年一遇，大小峰溝和歸韭溝防洪標準均為50年一遇），當賀蘭山東麓遭遇50年一遇洪水時，汝箕溝會發(fā)生漫溢，而大小峰溝和歸韭溝則不會發(fā)生漫溢。

本文立足寧夏山洪災害防治的實際需求，有針對性的提出適用于寧夏地區(qū)的山洪災害監(jiān)測預警值計算方法，從寧夏雨洪同頻的角度出發(fā)，采用不同歷時分洪水量級的臨界雨量值作為寧夏山洪災害的預警值，即在同一典型區(qū)同一時間段內，根據設計洪水反推設計暴雨，繼而獲得不同量級洪水對應的降雨量值，將該雨量值作為山洪災害的預警值。

3 臨界雨量的分析計算

3.1 臨界雨量計算歷時確定

寧夏暴雨歷時短，多在6 h左右，主雨歷時一般在3 h以內，適宜的洪水計算雨型為同頻內包雨型，產流歷時主要在1 h以內。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6 h的雨型構成，歷時雖長，但主雨歷時強度不大，洪水計算時多采用概化雨型和典型雨型，與同頻內包雨型計算的洪水成果相比，12 h和24 h計算的洪峰流量偏小、洪水總量偏大。因此，重點區(qū)域洪水風險預警預報時適宜采用短歷時雨量作為參考依據，本文最終確定臨界雨量值主要研究歷時為30 min、1 h、3 h和6 h。

3.2 臨界雨量計算典型區(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)域內地質條件和氣象條件相差不大，具有典型山洪災害地理特征；典型區(qū)內的流域應保持其完整性，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.根據寧夏氣候類型和降雨分布，初步將寧夏全區(qū)自南向北進行降雨分區(qū)：暖濕帶半濕潤區(qū)、中溫帶半干旱區(qū)、干旱區(qū)。

b.遵循典型區(qū)內地形地質條件一致原則，將寧夏全區(qū)自南向北進行地形地質分區(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)和地形地質分區(qū)進行疊加，綜合分析疊加區(qū)內山洪溝道地理分布和山洪災害易發(fā)區(qū)的實際情況（圖1），并結合寧夏行政區(qū)劃，遵循流域和行政區(qū)域的完整性原則，劃分各個典型區(qū)。

本文將劃分為20個山洪災害預警區(qū)域，典型區(qū)劃分結果見表1與圖2。

3.3 臨界雨量計算

由于寧夏雨量站網密度較小，且大部分雨量站為新建站點，山洪災害統計資料非常有限，結合寧夏實際情況，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頻率分析法推求計算臨界雨量。

a.根據寧夏不同歷時暴雨等值線圖查得30 min、1 h、6 h點雨量均值，見表2；查得30 min、1 h、6 h Cv值，Cs=3.5 Cv，見表3。

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

c.將30 min、1 h、6 h點雨量均值乘以不同頻率（20%、10%、5%、3.33%、2%、1%）的模比系數，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的點雨量均值及其對應的Cv值，因此采用《寧夏回族自治區(qū)水文手冊》中計算短歷時暴雨的公式（見式（1））計算3 h臨界雨量值：

經分析計算，寧夏20個山洪災害典型區(qū)不同歷時分洪水量級的臨界雨量值計算結果風見表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)，暴雨的強度、次數及歷時為全區(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，均多于其他山洪災害典型區(qū)的臨界雨量，而且臨界雨量總體由兩個高值區(qū)向中部地區(qū)逐漸減小，與降雨強度的實際分布基本吻合。

4 結語

立足于寧夏防洪減災工作的實際需求，寧夏山洪災害臨界雨量預警值的計算研究，包括計算歷時選定、典型區(qū)分區(qū)、雨量計算方法選用等均充分考慮了寧夏地形地貌、溝道治理與災害監(jiān)測實際情況，計算方法簡便易行，計算結果能夠直觀反映20個典型區(qū)不同歷時臨界雨量對應的洪水量級，可為山洪災害的預測預報提供科學依據。在今后的實際運用中，尚需根據實際降雨與其致災情況，進一步修正臨界雨量值，以便為防汛部門提供更加科學合理的技術參考。

本文給出的臨界雨量計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值，特別是對于山洪災害資料嚴重缺乏的地區(qū)，實用性較強。

參考文獻（References）：

[1] 談昌莉，徐成劍，劉暉.山洪災害防治效益評價指標及其計算研究方法[J].水利經濟，2007（1）：1-4.（TAN Chang-li，XU Cheng-jian，LIU Hui.Mountain torrent disaster prevention benefit evaluation index and its calculation method[J].Water Conservancy Economy，2007（1）：1-4.（in Chinese））

[2] 趙然杭，王敏，陸小蕾.山洪災害雨量預警指標確定方法研究[J].水電能源科學，2011，29（9）：49-53.（ZHAO Ranhang，WANG Min，LU Xiaolei.Research on determination method for rainfall warning indexes of torrential flood disaster[J].Water Resources and Power，2011，29（9）：49-53.（in Chinese））

[3] 程衛(wèi)帥.山洪災害臨界雨量研究綜述[J].水科學進展，2013，24（6）：1-8.（CHENG Weishuai.A review of rainfall thresholds for trijjering flash floods[J].Advaces in Water Science，2013，24（6）：1-8.（in Chinese）） DOI：10.14042/j.cnki.32.1309.2013.06.012

[4] 李昌志，孫東亞.山洪災害預警指標確定方法[J].中國水利，2012（9）：54-56.（LI Changzhi，SUN Yadong.Determination of flood warning index for mountain flood[J].China Water Resources，2012（9）：54-56.（in Chinese））

[5] 陳桂亞，袁雅鳴.山洪災害臨界雨量分析計算方法研究[J].人民長江，2006，36（12）：40-43.（CHEN Guiya，YUAN Yaming.Research on critical precipitation amount computation method of mountain torrential flood disaster[J].Yangtze River，2006，36（12）：40-43.（in Chinese））

[6] 葉勇，王振宇，范波芹.浙江省小流域山洪災害臨界雨量確定方法分析[J].水文，2008，28（1）：56-58.（YE Yong，WANG Zhen-yu，FAN Bo-qin.An analysis method for ascertain critical rainfall of mountain flood disadter of small watershed in ZheJiang Province[J].Journal of China Hydrology，2008，28（1）：56-58.（in Chinese））

[7] 全國山洪災害防治規(guī)劃領導小組辦公室.山洪災害臨界雨量分析計算細則（試行）[Z].2003 （Mountain torrent disaster prevention planning leading group office of the country.Mountain torrent disaster critical rainfall calculation rules[Z].2003.（in Chinese））

[8] 牛二偉.山洪災害防治雨量預警指標計算方法探討[J].山西水土保持科技，2014（1）：14-16，21.（NIU Er-wei.Mountain torrent disaster prevention and control of rainfall warning index calculation method discussed[J].Soil and Water Conservation Science an Technology in Shanxi，2014（1）：14-16，21.（in Chinese））

[9] 羅堂松，施征，邱志章.山洪災害預警指標分析計算-以浙江省諸暨市大唐鎮(zhèn)為例[J].中國防汛抗旱，2014（S1）：76-78.（LUO Tang-song，SHI Zheng，QIU Zhi-zhang.Analysis and Calculation of flood warning index for mountain flood-Datang town，Zhuji city，Zhejiang province，for example[J].China Flood & Drought Management，2014（S1）：76-78.（in Chinese））

[10] 劉志雨，楊大文，胡健偉.基于動態(tài)臨界雨量的中小河流山洪預警方法及其應用[J].北京師范大學學報：自然科學版，2010，46（3）：317-321.（LIU Zhi-yu，YANG Da-wen，HU Jianwei.Dynamic critical rainfall-based torrential flood early warning for medium-small rivers[J].Journal of Beijing Normal University：Natural Science，2010，46（3）：317-321.（in Chinese））

[11] 江錦紅，邵利萍.基于降雨觀測資料的山洪預警標準[J].水利學報，2010，41（4）：458-463.（JIANG Jin-hong，SHAO Li-ping.Standard of mountain flood warning based on the precipitation observation data[J].Journal of Hydraulic Engineering，2010，41（4）：458-463.（in Chinese）） DOI：10.13243/j.cnki.slxb.2010.04.003

[12] 段生榮.典型小流域山洪災害臨界雨量計算分析[J].水利規(guī)劃與設計，2009（2）：20-21.（DUAN Sheng-rong.Computing method for rainfall thresholds of flash flood in typical small catchments[J].Water Resources Planning and Design，2009（2）：20-21.（in Chinese））

[13] 謝會云，付忠良，徐燕，等.基于GIS的等流時線法山洪匯流分析[J].計算機應用，2009，29（S2）：348-352.（XIE Hui-yun，FU Zhong-liang，XU Yan，et al.Runoff concentration calculation using isochrones and GIS[J].Journal of Computer Applications，2009，29（S2）：348-352.（in Chinese））

[14] Carpentera T M，Sperfslage J A，Georgakakos K P，et al.National threshold runoff estimation utilizing GIS in support of operational flash flood warning systems[J].Journal of Hydrology，1999，224：21-44.

[15] Georgakakos K P.Analytical results for operational flash flood guidance[J].Journal of Hydrology，2006，317：81-103.

[16] Georgakakos K P.Mitigating adverse hydrological impacts of storms on a global scale with high resolution，global flash flood guidance[A].In：Abstracts Volume of International Conference on Storms/AMOS-MSNZ National Conference[C].Australian Meteorological Society，Brisbane，Australia，2004：23-30.

[17] USACE.HEC-HMS hydrologic modeling system user ′s manual[Z].US：Hydrologic Engineering Center，Davis，CA，2001.

[18] Daniele Norbiato，Marco Borga，Silvia Degli Esposti，et al.Flash flood warning based on rainfall thresholds and soil moisture conditions：An assessment for gauged and ungauged basins[J].Journal of Hydrology，2008，362：274-290.

[19] Sperfslage J A.，Georgakakos K P，Carpenter T M，et al.Central America Flash Flood Guidance （CAFFG） User ′s Guide.HRC Limited Distribution Report No.21[Z].Hydrologic Research Center，San Diego，CA，2004：82.

[20] Efrat Morin，Yael Jacoby，Shilo Navon，et al.Towards flash-flood prediction in the dry Dead Sea region utilizing radar rainfall information[J].Advances in Water Resources，2009，32（7）：1066-1076.