基于GIS的小流域山洪災(zāi)害臨界雨量研究

李 立

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 甘肅 蘭州 730000)

近年來，受氣候變化影響，極端天氣事件頻發(fā)，加劇了我國山洪災(zāi)害發(fā)生的頻率、范圍及危害程度，特別是山區(qū)、丘陵區(qū)小流域坡降大，暴雨強(qiáng)度大、歷時(shí)短、漲幅大、洪峰高，易發(fā)性強(qiáng)，易伴生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[1-2]，嚴(yán)重威脅著人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，并影響著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施。因此，開展小流域山洪災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警工作顯得十分重要。

本文以甘肅省成縣為例，在獲得DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ArcGIS軟件提取疊加該縣小流域的水文、地形地貌等信息，并進(jìn)行分析計(jì)算，再結(jié)合現(xiàn)場山洪災(zāi)害調(diào)查，分析確定縣域內(nèi)沿河村落的山洪暴發(fā)臨界雨量，旨在為區(qū)域山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

1 山洪災(zāi)害臨界雨量研究方法

當(dāng)前臨界雨量的量化研究方法主要有兩種：一是采用降雨量的直接定義，即在特定時(shí)段的降雨量達(dá)到或超過臨界雨量的情況下，山洪災(zāi)害隨之產(chǎn)生，通常采用統(tǒng)計(jì)歸納法計(jì)算，通過統(tǒng)計(jì)分析特定時(shí)段中累積雨量與山洪災(zāi)害之間的關(guān)系，利用時(shí)段雨量作為臨界雨量，進(jìn)一步有效識別災(zāi)害的產(chǎn)生狀況；二是以河道臨界水位流量來進(jìn)行間接定義，也就是結(jié)合具體的斷面來獲得臨界水位(流量)，對應(yīng)累積降雨量作為臨界雨量[9-10]。這種方法是以河道水位(流量)來判斷災(zāi)害發(fā)生與否，并根據(jù)安全水位(流量)來實(shí)現(xiàn)反推的效果，此法也稱水文水力學(xué)方法[11]。

甘肅山丘區(qū)小流域雨量站分布稀疏，資料較少，流域下墊面條件較易發(fā)生變化，統(tǒng)計(jì)歸納法計(jì)算臨界雨量要求雨量系列資料充足，才能保證計(jì)算精度；而水文水力學(xué)方法從河道斷面臨界流量反推臨界雨量，考慮地貌、土壤、植被等下墊面特征參數(shù)對臨界雨量的影響，暴雨參數(shù)較統(tǒng)計(jì)歸納法更關(guān)注降雨分配過程，適用于山丘區(qū)小流域臨界雨量分析，本文以水文水力學(xué)法作為研究方法。水文水力學(xué)法的計(jì)算步驟[11]如下：

(1) 計(jì)算沿河村落成災(zāi)水位對應(yīng)的臨界流量。

(2) 根據(jù)確定的2～3個(gè)預(yù)警時(shí)段，逐個(gè)選擇計(jì)算時(shí)段。

(3) 雨量初值采用24 h的降雨數(shù)據(jù)，依據(jù)雨力計(jì)算公式，分析預(yù)警的各個(gè)時(shí)段的綜合雨量值，參照具體的雨型分布特征信息，進(jìn)而獲得5年一遇頻率的具體劃分，并獲得各個(gè)時(shí)段步長的雨量數(shù)據(jù)和降雨過程，以此作為試算環(huán)節(jié)最初階段的輸入數(shù)據(jù)。

(4) 參照預(yù)設(shè)的較干、一般和較濕三類典型水文情形，選定各計(jì)算時(shí)間段以及流域匯流期間作為降雨環(huán)節(jié)的對應(yīng)序列參數(shù)。

(5) 采用試算的方法推求臨界雨量。首先假設(shè)特殊的初始雨量，通過特定的雨量以及雨型特征分析，得到對應(yīng)的降雨過程系列，并以此作為系統(tǒng)初始階段的輸入，進(jìn)而分析預(yù)警區(qū)域的洪水過程；其次對比分析所獲得的流量和成災(zāi)水位對應(yīng)的預(yù)警流量，若二者接近，則該雨量可作為對應(yīng)的臨界雨量，而若是二者差別較為顯著，則重設(shè)參數(shù)進(jìn)行試算，直至獲得數(shù)據(jù)的差值小于預(yù)設(shè)的允許誤差方可停止[12]。

2 成縣山洪災(zāi)害臨界雨量的推求

2.1 研究區(qū)概況

成縣地處甘肅省東南部隴南山區(qū)，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。地貌形態(tài)分為河谷沖積地、丘陵地和中山地三個(gè)類型，主要為中山區(qū)，次為丘陵和小面積川壩。成縣位于嘉陵江上游，屬南北過渡性半濕潤氣候，四季分明，溫暖干燥。

成縣轄12鎮(zhèn)5鄉(xiāng)，總?cè)丝?6.27萬人，總面積1 690 km2。境內(nèi)河谷密布、水系發(fā)達(dá)，主要河流有西漢水、長豐河、南河、洛河，是山洪災(zāi)害重點(diǎn)區(qū)。境內(nèi)降雨季節(jié)分布極不均勻，局部暴雨經(jīng)常發(fā)生，山洪災(zāi)害頻發(fā)，其中7、8月份出現(xiàn)最多，特別是7月中下旬為集中高發(fā)期。受深溝地形及植被覆蓋的影響，暴雨造成的洪水陡漲陡落，歷時(shí)短，洪峰高，突發(fā)性強(qiáng)，不易防范。暴雨常淹沒農(nóng)田，沖毀水壩、房屋、工業(yè)交通設(shè)施等，甚至造成人畜傷亡，對當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)造成很大損失。

2.2 基礎(chǔ)資料

2.2.1 小流域劃分

根據(jù)“全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目組”提供的基礎(chǔ)DEM數(shù)據(jù)，得到成縣縣域小流域工作底圖，運(yùn)用ArcGIS軟件對其進(jìn)行小流域劃分和處理，得到成縣小流域共121個(gè)，沿河村落118個(gè)(見圖1)。

圖1成縣小流域劃分結(jié)果圖

2.2.2 數(shù)據(jù)來源

水文暴雨資料采用《甘肅省暴雨洪水圖集》成果；根據(jù)“全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目組”提供的相關(guān)工作底圖、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和山洪調(diào)查數(shù)據(jù)，從而得到成縣全部小流域的下墊面條件及水文信息等資料，包括流域形狀、面積、坡度，河系組成，各河道的長度、比降等；河流測量結(jié)果包含了防護(hù)對象及上下游200 m各一個(gè)橫斷面、對應(yīng)河段一條縱斷面，可供沿河村落成災(zāi)水位下對應(yīng)的預(yù)警流量計(jì)算。

2.3 臨界雨量試算模型構(gòu)建

臨界雨量計(jì)算模型構(gòu)建原理采用水文水力學(xué)法。在成縣小流域工作底圖的基礎(chǔ)上，利于GIS技術(shù)構(gòu)建臨界雨量分析模型。首先對成縣工作底圖進(jìn)行小流域劃分，在ArcGIS軟件中將小流域下墊面、暴雨資料等資料疊加到小流域底圖上，假設(shè)一個(gè)初始雨量作為模型輸入，模型利用SCS單位線法計(jì)算各小流域洪水過程，通過試算獲得的輸入對應(yīng)的洪水流量，然后與該流域成災(zāi)水位對應(yīng)的臨界流量比較試算直至二者接近，從而確定臨界雨量。

2.3.1 模型試算原理

模型洪水流量的試算原理主要包括降雨、產(chǎn)流、匯流以及演進(jìn)四個(gè)環(huán)節(jié)。

2.3.1.1 確定預(yù)警時(shí)段

在GIS軟件中輸入現(xiàn)場調(diào)查的山洪數(shù)據(jù)(山洪持續(xù)時(shí)間，洪水流量等)，并參照防災(zāi)對象具體的河谷、上漲、轉(zhuǎn)移和影響等基礎(chǔ)要素之后，從而判斷防災(zāi)對象具體的預(yù)警時(shí)段，預(yù)警時(shí)段應(yīng)在最小時(shí)段到最終的匯流期間，小流域預(yù)警時(shí)段較短，主要為1 h、3 h等[13]。

2.3.1.2 降雨及產(chǎn)流

在降雨過程中需要分析實(shí)際的雨量以及雨型數(shù)據(jù)，主要依據(jù)設(shè)計(jì)暴雨進(jìn)行分析，并參考《甘肅省暴雨洪水圖集》等相關(guān)規(guī)范。

產(chǎn)流過程需要計(jì)算雨量扣損。雨量扣損計(jì)算采用初損后損法，同時(shí)考慮土壤、植被覆蓋等綜合因素。圖2和圖3分別給出了成縣121個(gè)小流域的土壤類型、分布及植被覆蓋情況。從圖中可以看出，計(jì)算小流域中，土壤類型主要為壤土，有關(guān)資料表明，壤土的損失率在1.27 mm/h～3.81 mm/h之間，砂壤土的損失率在3.81 mm/h～7.47 mm/h之間[14]。還可以看出，評價(jià)對象所在小流域中，植被覆蓋分為條件較好和一般。有關(guān)研究資料表明，較好植被的截流量僅在0.25 mm～1.25 mm之間，在山洪凈雨分析中通?？梢院雎裕坏珜ι指采w較大的小流域而言，林冠層截留降雨作用與郁閉度、樹種、林型以及地面枯枝落葉層等因素有關(guān)，低雨量時(shí)波動較大，高雨量時(shí)達(dá)到定值，一般截流量可達(dá)13 mm～17 mm[15]。

圖2 成縣計(jì)算小流域土壤類型分布圖

圖3成縣計(jì)算小流域植被覆蓋圖

扣損主要包括初損以及穩(wěn)定下滲兩方面。初損在暴雨的開始時(shí)刻起損除、扣除時(shí)，充分考慮流域的植被覆蓋情況、土壤情況、流域土壤含水率等信息，逐時(shí)段合理扣除，直至扣除的雨量累積和等于初損值為止。初損扣除之后，以穩(wěn)定下滲率作為扣損，基于控制下滲率的原因，有必要系統(tǒng)的計(jì)算土壤的具體特征等信息[16]。

初損和穩(wěn)定下滲扣除時(shí)，根據(jù)對流域土壤含水率情況概化，成縣屬于我國南北氣候過度區(qū)，采用Pa=0.2Im、Pa=0.8Im兩個(gè)臨界值對前期降雨很少、中等、很多3種情況的前期降雨進(jìn)行界定，即實(shí)際含水狀況較干(Pa≤0.2Im)、一般(0.2Im≤Pa≤0.8Im)和較濕(Pa≥0.8Im)三類情形[17]，Pa為前期影響雨量，Im為最大初損。在含水率相對較低的情形下，在降雨歷時(shí)中，若是逐時(shí)段扣除總數(shù)不及缺水量，則不進(jìn)行補(bǔ)充處理；而在較濕的情形下，若是特定時(shí)段中實(shí)際扣除的數(shù)量等同缺水量，在后續(xù)的時(shí)間參照穩(wěn)定下滲率來進(jìn)行扣除處理。

根據(jù)《甘肅省暴雨水文手冊》各分區(qū)實(shí)測雨洪初損值統(tǒng)計(jì)分析，土石山林區(qū)大中洪水平均初損值為8.7 mm，初損取7.0 mm，穩(wěn)定下滲量取3.0 mm/h，以此為依據(jù)并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況確定各評價(jià)對象的初損值，依據(jù)土壤類型確定評價(jià)對象的穩(wěn)滲值。成縣曹河、廣化兩個(gè)典型沿河村落的預(yù)警指標(biāo)分析時(shí)的雨量扣除過程見表1。

表1 曹河、廣化兩個(gè)預(yù)警指標(biāo)分析雨量扣損值

2.3.1.3 匯流

匯流過程采用了SCS模型法進(jìn)行計(jì)算，SCS模型基本產(chǎn)流方程[18]為：

式中：P為一次降雨的降雨總量，mm；Q為徑流量，mm；Ia為初損，mm，是產(chǎn)生地表徑流之前的降雨損失；S為流域當(dāng)時(shí)的可能最大滯留量，mm。因Ia不易求，模型引入Ia=0.2S，同時(shí)又引入Cn值確定S：

式中：Cn為反映降雨前流域特征的綜合參數(shù)，綜合考慮了前期土壤濕潤程度、 土壤類型和土地利用現(xiàn)狀等因素，可以通過查算SCS模型的前期土壤濕潤程度表、土壤分類表和Cn值表得到[19]。

2.3.2 模型構(gòu)建

結(jié)合成縣在甘肅省的降雨分區(qū)和小流域特性，選擇降雨、產(chǎn)流、匯流以及演進(jìn)四個(gè)環(huán)節(jié)的計(jì)算參數(shù)，構(gòu)建模型。模型的核心為流域、氣象組件的建立。

(1) 流域組件建立：參照相關(guān)的流域河網(wǎng)特性和相關(guān)的預(yù)警位置，將流域劃分為適當(dāng)子流域、河段、合流地點(diǎn)，進(jìn)而建立流域組件模型；輸入各計(jì)算單元的基本參數(shù)[20]。

(2) 氣象組件建立：對于計(jì)算中假定的初始雨量，按照《甘肅省暴雨洪水圖集》中不同流域分區(qū)的雨型分析得到相應(yīng)的凈雨過程建立氣象組件。

2.4 模型臨界雨量計(jì)算及結(jié)果分析

2.4.1 臨界雨量計(jì)算成果

根據(jù)以上思路及方法，首先計(jì)算小流域沿河村落成災(zāi)水位對應(yīng)的臨界流量，然后通過模型試算使輸出的洪水流量接近成災(zāi)臨界流量，從而確定成縣118個(gè)周邊村落臨界雨量參數(shù)，在考慮流域土壤情況的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到了不同預(yù)警時(shí)段的臨界雨量計(jì)算結(jié)果，圖4為成縣各流域1 h臨界雨量成果，圖5為各小流域1 h臨界雨量圖。

圖5成縣各流域1 h臨界雨量(單位：mm)

2.4.2 臨界雨量結(jié)果分析

由圖4和圖5可以看出，本次臨界雨量確定分解到每個(gè)小流域，對應(yīng)到各沿河村落，精度較高。成縣118個(gè)小流域中45個(gè)臨界雨量為零，說明受山洪災(zāi)害影響的幾率不大，其余73個(gè)小流域臨界雨量變化有以下規(guī)律：

(1) 同一流域土壤含水率越高，發(fā)生山洪災(zāi)害的臨界雨量越小。

(2) 預(yù)警時(shí)段越長，臨界雨量也越大。

(3) 在空間上看，成縣山洪災(zāi)害多發(fā)于各河溝源頭區(qū)。

3 結(jié) 論

本文采用水文水力學(xué)方法基于GIS軟件構(gòu)建了臨界雨量試算模型，探討了甘肅成縣小流域臨界雨量推求問題，結(jié)果表明：同一流域土壤含水率越高，發(fā)生山洪災(zāi)害的臨界雨量越小，土壤資料對臨界雨量的確定是至關(guān)重要的。

對于山丘區(qū)小流域，地貌、土壤、植被等下墊面資料為山洪災(zāi)害臨界雨量試算模型的構(gòu)建提供了數(shù)據(jù)支撐，采用水文水力學(xué)試算比傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)歸納法更能合理地確定臨界雨量。本次臨界雨量確定分解到各小流域，對應(yīng)到每個(gè)沿河村落，對沿河村路危險(xiǎn)區(qū)的劃分提供重要依據(jù)，對合理制定流域山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)具有指導(dǎo)意義，對完善縣級山洪災(zāi)害預(yù)警平臺、提高山洪災(zāi)害防治能力具有重要作用。

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