集安市小流域山洪災(zāi)害臨界雨量分析

王 潔，趙榮飛，張舒寧，何 巾

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110866;2.吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130021)

集安市小流域臨界雨量分析計(jì)算工作是在山洪災(zāi)害調(diào)查、遙感影像、水文氣象等基礎(chǔ)資料上，運(yùn)用衛(wèi)星遙感、GIS、水文分析計(jì)算等手段，結(jié)合山洪災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)查資料，通過分析計(jì)算，較為全面和準(zhǔn)確地掌握山洪災(zāi)害小流域暴雨區(qū)洪水基本特性，以及小流域暴雨區(qū)內(nèi)人員分布情況，分析沿河村落的山洪暴發(fā)臨界雨量，進(jìn)一步提高集安市山洪災(zāi)害區(qū)預(yù)報預(yù)警能力和水平，保障山丘區(qū)人民社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

集安市地處吉林省東南部，全市幅員面積3355km2，2016年總?cè)丝跒?1.9萬人。轄區(qū)內(nèi)主要河流為小新開河、葦沙河、渾江、通溝河、鴨綠江，均屬于鴨綠江水系。其流域示意圖如圖1所示。

1 臨界雨量分析計(jì)算

臨界雨量是指降水量大于等于某一量級時，該流域發(fā)生洪水災(zāi)害時的降雨量。本次臨界雨量計(jì)算采用試算法，通過水科院和SCS單位線兩種方法進(jìn)行分析計(jì)算。

1.1 水科院法

水科院法是由陳家琦等人于1958年提出的一種暴雨資料推求洪水的方法，在我國水利水電部門得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)行《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》中的小流域設(shè)計(jì)洪水就是采用水科院法。基本公式為：

(1)

式中，0.278—單位換算系數(shù)；s—雨力，mm/min；φ—洪峰徑流系數(shù)；τ—匯流歷時，h。

1.1.1 設(shè)計(jì)雨力計(jì)算

設(shè)計(jì)雨力計(jì)算公式為：

(2)

式中，Sp—設(shè)計(jì)雨力，mm/h；H24—24h設(shè)計(jì)暴雨量，mm；t—暴雨歷時(t=24h)，h；n—暴雨遞減指數(shù)，根據(jù)工程流域的重心所在位置確定。

1.1.2 產(chǎn)流歷時計(jì)算

雨量損失參數(shù)μ是流域產(chǎn)流時段內(nèi)平均損失率，可按以下公式計(jì)算：

(3)

式中，tc—產(chǎn)流歷時，h；n—暴雨遞減指數(shù)，按工程流域的重心所在位置確定；Sp—設(shè)計(jì)雨力，mm/h；μ—流域雨量損失參數(shù)，mm/h；hR—設(shè)計(jì)徑流深，mm。

1.1.3 匯流參數(shù)m值確定

匯流參數(shù)m值是水科院法推理公式計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量的重要定量參數(shù)，不能通過儀器直接測出，可通過實(shí)測雨洪資料反推，或根據(jù)有關(guān)成果經(jīng)驗(yàn)確定。地區(qū)綜合計(jì)算法是采用吉林省水文水資源局2014年主編刊印的《吉林省水文計(jì)算手冊》中的成果，計(jì)算公式如下：

圖1 集安市流域示意圖

(4)

m=BρY

(5)

式中，ρ—流域特征參數(shù)；Lr—河道長度，km；Jr—河道坡度，用小數(shù)表示；F—流域面積，km2;m—流域匯流參數(shù)；B、Y—地區(qū)綜合系數(shù)。

1.2 單位線法

美國農(nóng)業(yè)部水土保持局于1954年開發(fā)的SCS(Soil Conservation Service，SCS)模型，是目前應(yīng)用最為廣泛的流域水文模型之一。本次SCS單位線法中采用了以下坡面流速計(jì)算公式：

V=K×S

(6)

式中，V—水流速度，m/s；S—流域上某處沿著水流方向的坡度；K—流速系數(shù)。

在計(jì)算小流域單位線時，通常假定凈雨空間分布均勻，因此，為了計(jì)算DEM每一個柵格內(nèi)的水流速度，需要得到每一個柵格地形坡度及流速系數(shù)。

利用上面的流速計(jì)算公式，計(jì)算出每一個DEM柵格內(nèi)的水流速度?；井a(chǎn)流方程為：

(7)

式中，P—降雨總量，mm；Pe—徑流量，mm；Ia—初損，mm；S—流域當(dāng)時的可能最大滯留量，mm。

因Ia不易求，模型引入Ia=0.2S，以CN值確定S：

S=25400CN-254

(8)

式中，CN通過查算SCS模型的前期土壤分類表、CN值表、和土壤濕潤程度表得到。

2 典型沿河村落成果

根據(jù)暴雨與洪水同頻率的假定，集安市沿河村落設(shè)計(jì)洪水頻率確定為5、10、20、50、100年一遇5種。在此基礎(chǔ)上，對各沿河村落進(jìn)行了防洪現(xiàn)狀評價，以榆林鎮(zhèn)治安村二組為例，成果見表1和如圖2所示。

治安村二組臨界雨量計(jì)算成果見表2、3。

序號行政區(qū)劃名稱時段臨界雨量/mm1治安村二組149264374

表3 SCS單位線法計(jì)算臨界雨量成果表

對比表2、3可知，水科院法推求的預(yù)警臨界雨量值與SCS單位線法土壤濕潤狀態(tài)下的計(jì)算臨界雨量值較為接近。經(jīng)分析，水科院法計(jì)算結(jié)果是設(shè)計(jì)水平下的洪水成果，從工程角度考慮，是一種偏于安全的結(jié)果，故與SCS單位線法土壤濕潤狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果接近是合理的。

《吉林省水文計(jì)算手冊》中水科院法，推求設(shè)計(jì)洪水過程中涉及的參數(shù)是基于對吉林省小流域降雨及洪水資料分析確定的，是無數(shù)水文工作者集體智慧與經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶，在吉林省小流域無資料地區(qū)短歷時暴雨徑流分析計(jì)算工作中取得了良好的效果。而單位線法中初損和穩(wěn)滲量的計(jì)算具有一定的主觀性。因此，通過預(yù)警臨界雨量計(jì)算的洪峰流量成果，與推理公式法計(jì)算的成果基本一致，所以，本次臨界雨量分析計(jì)算采用水科院法計(jì)算成果，成果如圖3、4所示。

圖3 治安村二組預(yù)警雨量臨界線圖

3 結(jié)語

本次臨界雨量分析計(jì)算工作針對集安市的117個沿河村落進(jìn)行，從整個區(qū)域角度全面系統(tǒng)地反映出集安市山丘區(qū)沿河村落山洪災(zāi)害現(xiàn)狀防御力、危險區(qū)劃分以及預(yù)警臨界雨量的情況。部分成果見圖5～10所示。

3.1 沿河村落危險區(qū)人口分布

通過臨界雨量分析評價，得到了影響集安市117個沿河村落各級危險區(qū)人口數(shù)量及分布情況。山洪災(zāi)害區(qū)集安市117個沿河村落中，受威脅總?cè)丝跒?789人，其中極高危險區(qū)為1050人，高危險區(qū)人口為1675人，危險區(qū)1064人。

3.2 沿河村落現(xiàn)狀防洪能力

通過臨界雨量分析計(jì)算表明，117個沿河村落中，22個沿河村落的現(xiàn)狀防洪能力非常高，受溪河暴雨山洪災(zāi)害影響的幾率不高，現(xiàn)狀防洪能力小于1年一遇的有0個，1～5年一遇的有59個，5～20年一遇的有22個，20～100年一遇的有14個。

圖4 治安村二組危險區(qū)劃分圖

圖5 百年一遇洪峰圖圖6 百年一遇洪峰模數(shù)圖圖7 小流域計(jì)算單元圖圖8 小流域匯流歷時圖

圖9 臨界雨量圖(一般/3h)圖10 臨界雨量圖(濕潤/3h)

3.3 后續(xù)山洪災(zāi)害防治支撐

根據(jù)對本次計(jì)算成果的初步分析，總結(jié)出以下特點(diǎn)，充分認(rèn)識這些特點(diǎn)將為集安市后續(xù)山洪災(zāi)害防治提供重要支撐。

(1)深入理解小流域暴雨山洪特性。山丘區(qū)降雨具有短歷史、強(qiáng)降雨等特點(diǎn)，且多發(fā)生在河流源頭地區(qū)，涉及面積較小，流域坡面比降和溝道比降均較大，洪水具有陡漲陡落的特點(diǎn)，洪峰模數(shù)較大。通過確定各個沿河村落的預(yù)警臨界雨量值，為集安市鄉(xiāng)村各級山洪災(zāi)害防治預(yù)案起到見豐富和補(bǔ)充的作用，一旦發(fā)生強(qiáng)降雨，可以提前做好人員財(cái)產(chǎn)的轉(zhuǎn)移工作。

(2)完善山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。集安市現(xiàn)有山洪災(zāi)害防治非工程措施自動監(jiān)測站、預(yù)警廣播站的數(shù)量和分布基本能滿足防御和預(yù)報要求。但仍存在部分站點(diǎn)盲區(qū)情況，建議在青石鎮(zhèn)秋皮村七組、榆林鎮(zhèn)治安村二組、榆林鎮(zhèn)復(fù)興村九組、頭道鎮(zhèn)南溝村一組、清河鎮(zhèn)二道村二組增設(shè)自動監(jiān)測站，在榆林鎮(zhèn)治安村二組、清河鎮(zhèn)天橋村四組增設(shè)預(yù)警廣播站。另外，建議市防汛辦安排專項(xiàng)資金，邀請技術(shù)單位每年汛前對各類站點(diǎn)進(jìn)行汛前檢查和維修，確保所有站點(diǎn)在汛期發(fā)揮應(yīng)有作用。

(3)臨界雨量值尚需進(jìn)一步進(jìn)行檢驗(yàn)和率定。受無資料地區(qū)小流域洪水計(jì)算中水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)所限，國內(nèi)目前采用的推求無資料地區(qū)暴雨洪水的技術(shù)方法均會產(chǎn)生一定誤差，且在由控制斷面水位流量關(guān)系反推臨界雨量的過程中也不可避免地會產(chǎn)生一定誤差，因此在下一步工作中，有必要在有條件的地區(qū)開展臨界雨量值的檢驗(yàn)和率定工作。