山洪災(zāi)害預(yù)警雨量指標(biāo)討論及在無資料地區(qū)的確定

，， (.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，西安 70048；.新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

1 對預(yù)警雨量內(nèi)涵的討論

根據(jù)《山洪災(zāi)害評價(jià)分析方法指南》中的描述，預(yù)警指標(biāo)包括預(yù)警水位和預(yù)警雨量，其中預(yù)警雨量是通過分析不同預(yù)警時(shí)段(不是預(yù)見期的給定時(shí)段)的臨界雨量得出。臨界雨量概念廣泛出現(xiàn)在包括滑坡和泥石流在內(nèi)的廣義山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警研究中[2-5]。目前臨界雨量定義有如下幾種。

(1)《全國山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》[1]定義：當(dāng)時(shí)段的降雨量達(dá)到或超過某一雨量時(shí)，山洪災(zāi)害發(fā)生，這個(gè)時(shí)段雨量就是臨界雨量。

(2)《山洪災(zāi)害分析評價(jià)方法指南》[6]定義：臨界雨量是指導(dǎo)致一個(gè)流域或區(qū)域發(fā)生山溪洪水可能致災(zāi)時(shí)，即達(dá)到成災(zāi)水位時(shí)，降雨達(dá)到或超過的最小量級和強(qiáng)度。

(3)《中小河流山洪監(jiān)測與預(yù)警預(yù)測技術(shù)研究》[7]定義：由于徑流是由降雨產(chǎn)生的，從達(dá)到上灘流量的時(shí)間開始往前推，在一定時(shí)間之內(nèi)的累積降雨量稱之為警戒臨界雨量。

(4)Hapuarachchi等[8]從溪河臨界水位(流量) 間接定義某目標(biāo)河段斷面生成臨界水位(流量) 的累積降雨量為臨界雨量。

分析以上關(guān)于臨界雨量的定義，可以分為2類：一類是以降雨過程中時(shí)段最大雨量作為臨界雨量；另一類則是山洪災(zāi)害出現(xiàn)前不同時(shí)間的累積雨量作為臨界雨量。在這2類不同的定義中，預(yù)警時(shí)段解讀不同：前者依據(jù)最有利于災(zāi)害形成的雨量過程確定出預(yù)警時(shí)段，這個(gè)預(yù)警時(shí)段對應(yīng)的臨界雨量即為描述降雨過程中時(shí)段最大雨量，因其更適合山洪災(zāi)害工程防御規(guī)劃使用，故這里將預(yù)警時(shí)段稱為規(guī)劃預(yù)警時(shí)段，所對應(yīng)的雨量為規(guī)劃預(yù)警雨量；后者是以預(yù)報(bào)災(zāi)害發(fā)生的預(yù)見期為目標(biāo)確定出的預(yù)警時(shí)段，該預(yù)警時(shí)段對應(yīng)的累積雨量顯然適用于山洪災(zāi)害的應(yīng)急防御，故這里稱其為應(yīng)急預(yù)警時(shí)段和應(yīng)急預(yù)警雨量。2種預(yù)警時(shí)段相比，后者更貼近災(zāi)害預(yù)警的含義。以10 min預(yù)警雨量為例，10 min規(guī)劃預(yù)警雨量的發(fā)生并不能對應(yīng)于臨界流量，只有各(長、短)時(shí)段預(yù)警雨量都發(fā)生才能對應(yīng)臨界流量，而后者表示的10 min預(yù)警雨量則明確告知未來10 min后將出現(xiàn)臨界流量，此時(shí)對應(yīng)的累積雨量即為應(yīng)急預(yù)警雨量。解讀方式不同，則所求出的預(yù)警雨量不同。故山洪災(zāi)害評價(jià)分析工作中只采用規(guī)劃預(yù)警雨量是不夠全面的。從山洪災(zāi)害防御角度出發(fā)，兼顧對防御工程措施和非工程措施的支撐，均應(yīng)給出這2種預(yù)警雨量，以便更好地支撐山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理的災(zāi)前評價(jià)和臨災(zāi)評價(jià)。

2 應(yīng)急預(yù)警雨量計(jì)算的研究進(jìn)展

關(guān)于規(guī)劃預(yù)警雨量，按照《全國山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》，為成災(zāi)降雨過程中的時(shí)段最大雨量，只要成災(zāi)降雨過程一定，時(shí)段最大雨量便可求出。故本文只就應(yīng)急預(yù)警雨量的分析計(jì)算展開討論。

前人在山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)警雨量計(jì)算的研究中，多數(shù)都是通過分析確定成災(zāi)臨界累計(jì)雨量作為判斷指標(biāo)。

針對臨界雨量的研究，不同學(xué)者提出了不同的計(jì)算方法。在國外，美國水文研究中心(HRC) 提出了山洪災(zāi)害早期預(yù)警方法，即FFG(flash flood guidance)法(山洪指南法)[9-10]，其實(shí)質(zhì)就是推求臨界雨量。該方法自從20世紀(jì)70年代至今一直在持續(xù)改進(jìn)[11-14]，最新進(jìn)展是將FFG與分布式水文模型結(jié)合起來，給出網(wǎng)格FFG(GFFG)[15]。國內(nèi)方面，陳桂亞等[16]利用區(qū)域內(nèi)所有雨量站和發(fā)生過的山洪災(zāi)害資料，確定出區(qū)域的臨界雨量，作為判斷區(qū)域內(nèi)有無山洪災(zāi)害發(fā)生的定量指標(biāo)；趙然杭等[17]認(rèn)為“這種方法無法判別區(qū)域內(nèi)受災(zāi)面積的大小及災(zāi)害嚴(yán)重程度，并且臨界雨量的變幅不能太大，否則對山洪災(zāi)害防治無實(shí)質(zhì)意義”；程衛(wèi)帥[18]通過確定引發(fā)山洪災(zāi)害的臨界流量(水位)，進(jìn)而推求對應(yīng)的不同歷時(shí)的臨界徑流(凈雨)，即建立一定土壤飽和度條件的降雨-徑流關(guān)系，根據(jù)臨界徑流(凈雨)推求相應(yīng)的臨界雨量；葉金印等[19]提出通過降雨徑流模型確定臨界雨量：建立流域平均雨量和產(chǎn)生的徑流量的定量相關(guān)關(guān)系，在進(jìn)行匯流計(jì)算時(shí)，通過Nash匯流模型模擬計(jì)算，但是Nash匯流模型在我國北方地區(qū)相對較難實(shí)現(xiàn)；劉志雨等[20]提出建立土壤飽和度和降雨量的關(guān)系圖，將山洪災(zāi)害警戒雨量指標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為模式識別問題。

另外，前面的研究方法主要應(yīng)用在有降雨、徑流資料的區(qū)域，但山洪災(zāi)害易發(fā)地區(qū)往往監(jiān)測站點(diǎn)的密度小，降雨以及徑流的觀測資料無法滿足上述方法進(jìn)行山洪災(zāi)害的預(yù)警雨量計(jì)算的要求。對于無上述資料的地區(qū)，也有學(xué)者提出了如下方法。

(1)災(zāi)害洪水與降雨頻率分析法：假定災(zāi)害洪水與降雨同頻率，分析山洪災(zāi)害洪水發(fā)生的頻率,計(jì)算和災(zāi)害洪水相同頻率的降雨量，綜合對比分析合理確定臨界雨量[18]。

(2)內(nèi)插法[18]：確定各個(gè)單站的臨界雨量，通過勾繪等值線圖的方法，解決無資料地區(qū)山洪溝的臨界雨量。這種方法要求流域上具有能夠控制等值線走向的觀測站點(diǎn)，這在山區(qū)一般不太容易滿足。

(3)比擬法：目標(biāo)區(qū)域的降水條件、地質(zhì)條件、氣象條件、水文條件與典型區(qū)域某一條山洪溝較為相似時(shí)，可視為2個(gè)區(qū)域的臨界雨量基本相同，此方法適用于典型區(qū)之外無資料條件作臨界雨量分析的相似區(qū)域[18]，比擬內(nèi)容可以為特征值或者水文數(shù)學(xué)模型(分布式水文模型)的參數(shù)。

(4)葉勇等[21]根據(jù)河道控制斷面不同特征水位，通過水利計(jì)算確定相應(yīng)的流量及相應(yīng)頻率，然后根據(jù)《浙江省短歷時(shí)暴雨》(2003年2月)推算該流量的設(shè)計(jì)暴雨過程，得到該頻率下不同時(shí)段最大雨量與暴雨頻率關(guān)系曲線圖，根據(jù)預(yù)警時(shí)段查圖確定臨界雨量，其實(shí)質(zhì)是規(guī)劃預(yù)警雨量。

(5)劉志雨等[20]在有資料地區(qū)分析流量、地貌特征與降雨的關(guān)系，建立流量、流域面積、比降的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，推廣應(yīng)用到無資料地區(qū)，即經(jīng)驗(yàn)公式法。建立經(jīng)驗(yàn)公式也需要至少12個(gè)站點(diǎn)的子流域?qū)崪y降雨徑流資料，以保證經(jīng)驗(yàn)公式的殘差滿足要求。

事實(shí)上，由于降雨特征、地貌特征、植被情況以及土地利用類型等的空間變異導(dǎo)致所有在有資料地區(qū)得出的規(guī)律均不能很好地表述無資料地區(qū)的水文變化特征。因此，在無資料地區(qū)，使用簡單模型的效果不一定比復(fù)雜模型差[22]。故本文本著簡單、物理概念明確的指導(dǎo)思想，針對山洪災(zāi)害評價(jià)這一工作，提出基于產(chǎn)匯流物理背景的簡單概化方法來確定應(yīng)急預(yù)警雨量。

3 預(yù)警雨量的計(jì)算方法

水文手冊是解決無資料地區(qū)水文分析計(jì)算的重要工具。其中設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)洪水過程是依據(jù)當(dāng)?shù)厮恼居涊d的暴雨、洪水資料中具有較好代表性、較高精度、對工程不利的多場次典型暴雨和洪水過程線進(jìn)行概化得到。它們是歸納總結(jié)的結(jié)果，代表了研究流域暴雨洪水的一般性特征。

因此，本文針對無資料地區(qū)分析預(yù)警雨量,所采用的資料為水文手冊所提供的概化暴雨過程及概化洪水過程。

3.1 成災(zāi)流量的確定

成災(zāi)流量指當(dāng)河道內(nèi)的水位到達(dá)成災(zāi)水位時(shí)的流量,可以通過現(xiàn)場調(diào)查勘測確定。當(dāng)確定出成災(zāi)水位后，通過實(shí)地測量得到的河道斷面形態(tài)，利用曼寧公式或水動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型得到相應(yīng)的成災(zāi)流量。

一般地，當(dāng)一場洪水的洪峰流量大于成災(zāi)流量時(shí)，這場洪水的降雨會比以洪峰為成災(zāi)流量的降雨大。從考慮預(yù)警安全的角度判斷，數(shù)值小的預(yù)警雨量對于山洪災(zāi)害的安全防御更有利。故這里令成災(zāi)流量等于洪峰流量，這種情形下的應(yīng)急預(yù)警雨量結(jié)果偏保守和安全。

3.2 基于產(chǎn)匯流物理背景的應(yīng)急預(yù)警雨量確定

已知成災(zāi)流量(即洪峰流量)后，對于有降雨、徑流資料的地區(qū)，可以查閱相關(guān)記載和實(shí)測資料，根據(jù)不同災(zāi)害程度的山洪直接獲得各自相應(yīng)的暴雨和洪水過程。這時(shí)的暴雨和洪水過程有著明確的時(shí)間對應(yīng)關(guān)系。即降雨的起始時(shí)刻確定，洪水過程的起漲時(shí)刻確定，從而可直接根據(jù)選定的洪峰預(yù)警時(shí)間長度和以其確定出的預(yù)警時(shí)刻，得出從降雨開始到預(yù)警時(shí)刻的累積降雨量，即為給定災(zāi)害特征下的應(yīng)急預(yù)警雨量。由大量多場次資料統(tǒng)計(jì)，就可以得到統(tǒng)計(jì)意義下，不同災(zāi)害特征的洪峰流量與預(yù)警雨量的關(guān)系。

對于無實(shí)測的降雨、徑流資料的地區(qū)，可利用當(dāng)?shù)氐乃氖謨蕴峁┑母呕樗徒涤赀^程線,假定暴雨與洪水同頻率，根據(jù)與成災(zāi)流量相對應(yīng)的發(fā)生頻率，由暴雨概化過程線假設(shè)雨量，按產(chǎn)匯流模式推求流量過程，利用直至假設(shè)雨量滿足設(shè)計(jì)洪水過程的試錯(cuò)法，得到設(shè)計(jì)暴雨過程。得到暴雨過程后，從此過程中可直接選出不同時(shí)段的最大降雨量作為規(guī)劃預(yù)警雨量。對于應(yīng)急預(yù)警雨量，值得說明的是由于得到的洪水過程和設(shè)計(jì)暴雨過程并無時(shí)間上的聯(lián)系，不能直接由此得到相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)警雨量，故關(guān)鍵問題則是根據(jù)降雨-徑流關(guān)系，確定降雨過程的開始時(shí)間，一旦起始確定便可以根據(jù)成災(zāi)洪峰的預(yù)見期(預(yù)警時(shí)段)獲得自降雨開始至預(yù)警開始時(shí)刻的累積雨量，即為應(yīng)急預(yù)警雨量。

3.3 無資料地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨起始時(shí)刻的確定

前面討論了將洪水過程和設(shè)計(jì)暴雨過程按照時(shí)間坐標(biāo)聯(lián)系起來，是得到應(yīng)急預(yù)警雨量的關(guān)鍵。由一般產(chǎn)匯流原理知，從降雨形成到流出流域出口斷面的徑流需經(jīng)歷產(chǎn)匯流過程，耗費(fèi)在下墊面植物截留、填洼、下滲、蒸發(fā)的時(shí)間為產(chǎn)流時(shí)間，令其為t0；各點(diǎn)產(chǎn)生的徑流匯集到流域出口斷面所需的時(shí)間為匯流時(shí)間，令其為τ。因此降雨開始點(diǎn)到洪水起漲點(diǎn)間的時(shí)段即為產(chǎn)匯流時(shí)間t0+τ，它也是將降雨和洪水過程統(tǒng)一到一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)系的紐帶，見圖1。圖1中Δti為洪水過程中洪峰出現(xiàn)時(shí)刻提前的時(shí)段，即預(yù)見期(預(yù)警時(shí)段)，對應(yīng)從降雨開始時(shí)刻到(t峰現(xiàn)-Δti)的累積雨量pi即為應(yīng)急預(yù)警雨量。

圖1 概化洪水過程線與設(shè)計(jì)暴雨過程線示意圖Fig.1 Diagram of generalized flood hydrograph and design storm hydrograph

由于山洪多發(fā)生在河流的源頭區(qū)，大部分為小流域，流域面積、河道長度都很小，受地形和地勢的影響，徑流在坡面上和河網(wǎng)中的匯流時(shí)間都很短，因此假定τ=0，產(chǎn)匯流時(shí)間近似為產(chǎn)流時(shí)間t0，對于山洪災(zāi)害預(yù)警來說這種做法也是偏安全的。在此條件下，對于無資料或資料缺乏的地區(qū)，t0為地區(qū)概化降雨過程的前期初損歷時(shí)，由試錯(cuò)法得到。在確定出降雨起點(diǎn)和洪水過程起漲點(diǎn)的時(shí)間間隔t0后，即可將降雨過程與洪水流量過程聯(lián)系起來確定成災(zāi)流量下不同預(yù)見期(預(yù)警時(shí)段)Δti的累積雨量pi,即為應(yīng)急預(yù)警雨量。

4 實(shí)例應(yīng)用

以陜西省漢中市鎮(zhèn)巴縣三溪鄉(xiāng)安全村為例，詳細(xì)說明無降雨、徑流資料的地區(qū)預(yù)警雨量指標(biāo)的確定。

三溪鄉(xiāng)屬北亞熱帶東南季風(fēng)濕潤區(qū)，大陸性較強(qiáng)，氣溫年差較大，而且地勢較高。該地區(qū)一般暴雨來勢兇猛，強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長，雨量分布冬春少、夏秋多，汛期降雨量占全年的80%，主汛期(7—9月份)的降雨量占全年降雨量的60%。三溪鄉(xiāng)安全村位于鎮(zhèn)巴縣東部的漁渡河上，流域面積較小，雨量站資料匱乏。外業(yè)勘測的安全村控制斷面面積為34.6 km2，溝道長7.3 km，比降為5.194%，當(dāng)?shù)睾樗酁槎笣q陡落型的過程。安全村轄7個(gè)村27個(gè)村民小組，面積156.6 km2，耕地1.75萬畝(15畝=1 hm2)，據(jù)當(dāng)?shù)卣W(wǎng)站2007年數(shù)據(jù)顯示轄區(qū)常住居民1 500多戶,共6 200多人，全村實(shí)現(xiàn)了村村通水泥路，交通便利。根據(jù)暴雨洪水和社會經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，取預(yù)見期(預(yù)警時(shí)段)Δti分別為10,30，60,180 min，其相應(yīng)預(yù)警雨量計(jì)算如下。

首先，根據(jù)外業(yè)實(shí)地測量地形資料，并結(jié)合歷史調(diào)查，確定成災(zāi)水位693.15 m，在此基礎(chǔ)上利用曼寧公式確定出臨界水位為693.1 m，相對應(yīng)成災(zāi)流量為165.8 m3/s，其發(fā)生頻率大概為4 a一遇。

其次，在假定設(shè)計(jì)洪水與設(shè)計(jì)暴雨同頻率條件下，根據(jù)成災(zāi)流量的發(fā)生頻率，推求出設(shè)計(jì)暴雨量，依據(jù)典型暴雨時(shí)程分配，在綜合考慮土壤含水量和下墊面特性的基礎(chǔ)上，確定出設(shè)計(jì)暴雨的暴雨過程并修正為成災(zāi)流量時(shí)的降雨量過程及其凈雨過程，結(jié)果見表1。經(jīng)分析，此頻率下的初損量為28 mm，后期下滲率為3.12 mm/h，產(chǎn)流歷時(shí)t0為2 h。

表1 設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算過程Table 1 Calculation process of design storm flood

注：p為本時(shí)段面雨量；Pa為前期影響雨量

對于應(yīng)急預(yù)警雨量指標(biāo)值，根據(jù)《漢中市水文手冊》，計(jì)算出成災(zāi)流量對應(yīng)的概化洪水過程線；再利用t0=2 h將累積暴雨過程和洪水過程統(tǒng)一放入到坐標(biāo)系(見表2第3列)中。然后在洪水過程線的洪峰出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)處分別向前移預(yù)警時(shí)段10,30，60,180 min，以移動(dòng)后的時(shí)間在累積降雨量過程線上讀出不同的累積降雨量，即為應(yīng)急預(yù)警雨量指標(biāo)值。而規(guī)劃預(yù)警雨量則是以設(shè)計(jì)暴雨過程后從時(shí)段暴雨過程(見表2第2列)中分別摘出最大10,30，60,180 min的降雨量。

表2 設(shè)計(jì)暴雨過程和洪水過程線數(shù)據(jù)Table 2 Accumulated rainfall process and flood process

注:表中加粗的數(shù)值即為相對應(yīng)的4個(gè)預(yù)警時(shí)段的應(yīng)急預(yù)警雨量指標(biāo)值

5 討 論

將2種預(yù)警雨量列入表3，由表3對比可以看出，2種預(yù)警雨量隨預(yù)警時(shí)段的變化規(guī)律完全不同。

表3預(yù)警雨量指標(biāo)
Table3Indicatorsofrainfallamountforearlywarning

預(yù)警時(shí)段/min規(guī)劃預(yù)警雨量/mm應(yīng)急預(yù)警雨量/mm101．2102．1 303．599．9 607．096．6 18079．856．0

規(guī)劃預(yù)警雨量隨著預(yù)警時(shí)段的增加而增加，這只能說明，當(dāng)時(shí)段最大雨量達(dá)到相應(yīng)時(shí)段的規(guī)劃預(yù)警雨量時(shí)，將產(chǎn)生山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，因此只要防洪工程措施能夠抵御如此大的降雨洪水，就能防范山洪災(zāi)害的發(fā)生；應(yīng)急預(yù)警雨量隨著預(yù)警時(shí)段的增加而減小，這在有可能發(fā)生山洪災(zāi)害的情況下具有實(shí)際指導(dǎo)意義，即：當(dāng)某一地區(qū)監(jiān)測到的累積降雨達(dá)到某一預(yù)警指標(biāo)時(shí)，可以知道距離可能發(fā)生的山洪災(zāi)害還有多長時(shí)間，這樣可以為相關(guān)職能部門指示人民群眾具體防洪撤離提供決策支持。在對某地區(qū)作山洪災(zāi)害分析評價(jià)時(shí)，需要同時(shí)分別考慮2種情況，這樣才能得到一個(gè)完整、全面、安全的山洪災(zāi)害評價(jià)結(jié)果。

6 結(jié) 論

(1)本文根據(jù)預(yù)警時(shí)段的2種不同解讀方式，明確定義了規(guī)劃預(yù)警時(shí)段和應(yīng)急預(yù)警時(shí)段所對應(yīng)的雨量即為規(guī)劃預(yù)警雨量和應(yīng)急預(yù)警雨量。由于定義的不同，分析方法和各自服務(wù)的目標(biāo)也不相同，故區(qū)分它們的含義十分必要。

(2)從產(chǎn)匯流機(jī)理出發(fā)，提出了基于產(chǎn)匯流物理背景的2種預(yù)警雨量指標(biāo)計(jì)算方法，該方法不僅可以用在有降雨、徑流資料的地區(qū)，同時(shí)也可以推廣應(yīng)用到無實(shí)測降雨、徑流資料的地區(qū)。

(3)以無降雨、徑流觀測資料的鎮(zhèn)巴縣安全村為例，詳細(xì)介紹了該地區(qū)的規(guī)劃和應(yīng)急預(yù)警雨量的計(jì)算方法，說明該方法具有可操作性。對比2種預(yù)警雨量所呈現(xiàn)出的不同規(guī)律，認(rèn)為在具體做相關(guān)工作時(shí)，需要根據(jù)目標(biāo)確定分析方法。建議在山洪災(zāi)害分析評價(jià)中均給出2種預(yù)警雨量。

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