小流域山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)確立研究

文 彥

(運(yùn)城市水文水資源勘測站，山西 運(yùn)城 044000)

0 引言

山洪災(zāi)害是指由于短時強(qiáng)降雨在山丘區(qū)引發(fā)的洪水災(zāi)害，以及由山洪誘發(fā)的滑坡、泥石流等次生災(zāi)害[1-2]。山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)通常分為雨量預(yù)警指標(biāo)和水位預(yù)警指標(biāo)。雨量預(yù)警指標(biāo)是根據(jù)各時段山洪災(zāi)害的臨界雨量綜合測算，水位則按照洪水演進(jìn)規(guī)則測算所得。稷山縣通過現(xiàn)狀山洪災(zāi)害防治能力評價，選取2個典型村落完成預(yù)警指標(biāo)的分析確定。

1 評價區(qū)概況及防洪能力現(xiàn)狀

稷山縣位于汾河下游，山西省西南部，總面積686.28 km2。其中平原369 km2，丘陵189 km2，山地128 km2，分別占全縣總面積的53.7%、27.6%和18.7%?？h域56個重點防治區(qū)中，防洪能力小于等于5 a一遇的有22個，5 a～20 a一遇的有6個，大于等于20 a一遇的有28個。其中受河道水流影響的35個沿河村落中，現(xiàn)狀防洪能力小于等于5 a一遇的有22個，5 a～20 a一遇的有5個，大于等于20 a一遇的有8個；受坡面流影響的21個村落中，致災(zāi)暴雨重現(xiàn)期小于等于5 a一遇的有0個，5 a～20 a一遇的有1個，大于等于20 a一遇的有20個，見圖1。

2 預(yù)警指標(biāo)分析

預(yù)警指標(biāo)主要是針對集鎮(zhèn)等人口較為密集的各重點防治區(qū)設(shè)定，對于地貌形態(tài)類似，位置接近的防災(zāi)對象可使用同一個指標(biāo)。

2.1 雨量預(yù)警指標(biāo)

在局地暴雨形成洪水后水位超高形成漫灘，根據(jù)河水漫灘的水位，結(jié)合實測河流斷面資料計算出相應(yīng)的流量，即為危險流量。從危險流量形成時間倒推，在一定時段內(nèi)的累積降水量即為臨界雨量。

圖1 稷山縣現(xiàn)狀防洪能力分布圖

山洪大小除了受降水強(qiáng)度影響外，還和前期降水量及流域土壤飽和程度相關(guān)。因此，在設(shè)定臨界雨量指標(biāo)時，應(yīng)詳細(xì)調(diào)查流域前期降水量以完善指標(biāo)修正。采用雙曲正切產(chǎn)流模型計算重點防治區(qū)雨量預(yù)警指標(biāo)。

2.1.1 預(yù)警時段確定

預(yù)警時段就是選定的降雨歷時，受防災(zāi)對象集雨面大小、土壤含水量和前期降雨等因素影響，各因素變化導(dǎo)致預(yù)警時段隨之變化。

確定典型時段根據(jù)防災(zāi)對象所在流域的上述下墊面性狀，確定匯流時間較小的短歷時時段，如0.5 h、1 h、3 h等。通常選定2～3個典型預(yù)警時段，南方濕潤區(qū)最小預(yù)警時段可按1 h確定，北方干旱區(qū)由于降水強(qiáng)度和超滲產(chǎn)流影響，按0.5 h確定。

按上述，綜合考慮本流域的匯流時間，確定如下預(yù)警時段：①基本預(yù)警時段，0.5 h、1 h、2 h、3 h、6 h。②若匯流時間≥6 h，預(yù)警時段為0.5 h、1 h、2 h、3 h、6 h和匯流時間；若匯流時間<6 h，則預(yù)警時段按照匯流時間或小于匯流時間的基本預(yù)警時段確定。

2.1.2 流域土壤含水量

流域前期持水度B0作為綜合反映流域土壤含水量或土壤濕度的間接指標(biāo)。B0取值為0、0.3和0.6分別代表土壤濕度較干、一般和較濕3種情況。

2.1.3 臨界雨量計算

在確定了成災(zāi)水位、預(yù)警時段以及產(chǎn)匯流分析方法后，就可以計算不同前期影響雨量下各典型時段的危險區(qū)臨界雨量。具體計算步驟如下：

(1)假設(shè)一個最大第2小時～最大第6小時的降雨總量初值H。根據(jù)設(shè)計雨型，分別計算出最大第2小時～最大第6小時的降雨量P2′～P6′。

(2)計算暴雨參數(shù)。由公式(1)和(2)計算得到不同暴雨參數(shù)下的最大1小時～最大6小時的降雨總量值H1～H6及最大第2小時～最大第6小時的降雨量P2～P6。根據(jù)表1中暴雨參數(shù)的范圍，可以得到多組P2～P6，將每組P2～P6與P2′～P6′進(jìn)行比較，誤差平方和最小的那組P2～P6所用參數(shù)即為所要求的暴雨參數(shù)。

(1)

(2)

式中：n、ns分別為雙對數(shù)坐標(biāo)系中設(shè)計暴雨時～強(qiáng)關(guān)系曲線的坡度及t=1 h時的斜率；Sp為設(shè)計雨力，即1 h設(shè)計雨量，mm/h；t為暴雨歷時，h；λ為經(jīng)驗參數(shù)。

表1 暴雨參數(shù)取值范圍表

(3)由步驟(2)計算得的暴雨參數(shù)值，用式(1)和(2)可以計算最大第1～最大第6小時的雨量；根據(jù)設(shè)計雨型，得到典型時段內(nèi)每小時的雨量Hp1，Hp2，……Hp6。

(4)使用雙曲正切產(chǎn)流模型與單位線流域匯流模型進(jìn)行產(chǎn)匯流分析，計算由典型時段內(nèi)各個小時降雨所形成的洪峰流量Qm。

(5)如果|Qm-Q|>1 m3/s，則用二分法重新假設(shè)H。

(6)重復(fù)(2)～(5)步驟，直到|Qm-Q|≤1 m3/s時，典型時段內(nèi)各小時的降雨總量即為臨界雨量。

依據(jù)上述計算步驟，選取南翟村和小河推得到這兩個村落的動態(tài)臨界雨量，填寫臨界雨量成果表，見表2。并由動態(tài)臨界雨量繪制出的預(yù)警雨量臨界曲線圖，見圖3～圖4。

表2 臨界雨量成果表

綜上計算方法，按照成災(zāi)水位和不同預(yù)警時段完成產(chǎn)流分析后，計算各要素下相應(yīng)的臨界雨量。稷山縣1 h臨界雨量指標(biāo)見圖2。

圖2 稷山縣1 h臨界雨量指標(biāo)

2.1.4 雨量預(yù)警指標(biāo)確定

(1)立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)

臨界雨量和成災(zāi)水位成函數(shù)對應(yīng)關(guān)系，則將臨界雨量認(rèn)定為立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)。

(2)準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)

準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)根據(jù)預(yù)警時段分成兩類：①當(dāng)預(yù)警時段不大于1 h時，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)=立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)×0.7；②預(yù)警時段在2 h～6 h范圍內(nèi)時，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)=之前預(yù)警時段的立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)。選取稷山縣兩個典型沿河村落預(yù)警分析成果見圖3～圖4。

圖3 南翟村預(yù)警雨量臨界曲線圖

圖4 小河預(yù)警雨量臨界曲線圖

2.2 水位預(yù)警指標(biāo)

2.2.1 適用條件

水位預(yù)警指標(biāo)通常由防災(zāi)對象所在地上游一定范圍的洪水位推算確定作為預(yù)警水位。通常，水位站點至預(yù)警對象間的洪水推進(jìn)時間不得低于0.5 h，否則會因時間太短而失去預(yù)警的意義。因此，只需針對適用水位預(yù)警條件的預(yù)警對象分析水位預(yù)警指標(biāo)。

2.2.2 臨界水位計算方法

水位預(yù)警指標(biāo)是下游危險區(qū)成災(zāi)水位推算至上游水位站確定，其計算有兩種方法：①水面線推算，根據(jù)成災(zāi)水位對應(yīng)的流量按水面線法推算上游水位站的相應(yīng)水位；②首先推求水位站的水位流量關(guān)系，在關(guān)系線上查下游危險村成災(zāi)流量的相應(yīng)水位。水位站水位流量關(guān)系采用比降面積法。本次工作采用第二種方法推求。

比降面積法計算公式如下：

(3)

式中：Qc為恒定流流量，m3/s；A上、A下為速度，g=9.81 m/s2；L為比降上、下端面間距，m；Sc為恒定流態(tài)下的水面比降；ξ為端面沿程收縮或擴(kuò)散系數(shù)(收縮取負(fù)號，擴(kuò)散取正號帶入公示)，河段端面收縮時，一般可取ξ=0；端面突然擴(kuò)散時，ξ=0.5～1.0；逐漸擴(kuò)散時，ξ=0.3～0.5，一般可取ξ=0.3。α為動能矯正系數(shù)，與斷面上流速分布均勻是否有關(guān)，一般比較順直、底坡不大且端面較規(guī)則的河段，其值介于1.05～1.15之間，取α=1.1。

對于山區(qū)河流，當(dāng)?shù)灼螺^大，且斷面較規(guī)則、流速分布極不均勻時，可用式(4)近似計算。

(4)

(5)

式中：N為河段平均糙率；A上、A中、A下為上、中、下比降斷面過水面積，m2；R上、R中、R下為比降上、中、下斷面的水力半徑，m。

2.2.3 水位預(yù)警指標(biāo)綜合確定

水位預(yù)警指標(biāo)包括準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移兩級指標(biāo)，臨界水位即為立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)，差值取值參考見表3。

表3 立即轉(zhuǎn)移與準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)差值取值表

稷山縣境內(nèi)共有自動水位站7處，簡易水位站4處，均為山洪災(zāi)害站點。山洪從水位站演進(jìn)至下游預(yù)警對象的時間不應(yīng)小于30 min，否則將失去預(yù)警的意義。

(1)鋪頭水位站控制斷面水位為604.44 m，依據(jù)水面線推算至上游水位站相應(yīng)洪水位作為該預(yù)警對象控制斷面的臨界水位。

1)臨界水位即為水位預(yù)警的立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)。立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)為622.07 m。

2)根據(jù)河段地形地貌及河谷形態(tài)，將臨界水位減去某一差值作為水位預(yù)警的準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)，差值取值參考見表1。準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)為621.77 m。

(2)黃華峪水庫水位站控制斷面水位為563.93 m，依據(jù)水面線推算至上游水位站相應(yīng)洪水位作為該預(yù)警對象控制斷面的臨界水位。

1)臨界水位即為水位預(yù)警的立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)。立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)為593.98 m。

2)根據(jù)河段地形地貌及河谷形態(tài)，將臨界水位減去某一差值作為水位預(yù)警的準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)，差值取值參考見表1。準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)為593.68 m。

(3)佛峪口水位站控制斷面水位為603.73 m，依據(jù)水面線推算至上游水位站相應(yīng)洪水位作為該預(yù)警對象控制斷面的臨界水位。

1)臨界水位即為水位預(yù)警的立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)。立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)為635.95 m。

2)根據(jù)河段地形地貌及河谷形態(tài)，將臨界水位減去某一差值作為水位預(yù)警的準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)，差值取值參考見表1。準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)為635.65 m。

3 結(jié)語

針對稷山縣防災(zāi)對象的現(xiàn)狀防洪能力，綜合分析研判了雨量預(yù)警指標(biāo)和水位預(yù)警指標(biāo)應(yīng)考量的各因素。同時，以兩典型村落為例，按照上游流域前期降雨量和土壤含水量分析了各典型時段的水量預(yù)警指標(biāo)。同時，按照適用水位預(yù)警指標(biāo)的對象確立了立即轉(zhuǎn)移和準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)。這為稷山縣后期編制山洪預(yù)警預(yù)案、預(yù)設(shè)防災(zāi)措施等提供全面、科學(xué)的信息支撐。