無資料地區山洪預警動態臨界雨量計算

王晶娥

（遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 12300）

無資料地區山洪預警動態臨界雨量計算

王晶娥

（遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 12300）

文章基于水位流量反推原理，以遼寧西部某無資料地區山洪為研究實例，計算該區域山洪預警的動態臨界雨量，并結合二維水動力學模型對區域山洪進行了淹沒范圍分析。分析結果表明：水位流量反推方法可較好的解決無資料地區山洪預警動態臨界雨量的計算問題，確定的不同時段臨界雨量和區域實際情況較為吻合。山洪淹沒分析可確定淹沒水深和淹沒范圍，成果可為山洪預警和防洪決策提供重要依據。

水位流量反推法；動態臨界雨量計算；無資料地區；山洪淹沒分析；遼寧西部山洪預警

當前，流域內大江大河及中小河流的防洪體系已經基本架構完成，而小流域山洪由于受暴雨突發影響，呈現頻發多發的態勢，且山洪致災損失十分嚴重，為此急需要對小流域山洪進行預警研究，從而為山洪災害防治和防汛決策提供重要的依據。山洪預警的重要指標之一為區域的臨界雨量，當前國內對臨界雨量的計算進行了不同程度的研究［1-6］，但主要是針對有資料山洪地區的動態臨界雨量計算，而對于無資料地區山洪臨界雨量推算的研究相對較少。近些年來，隨著各區域山洪非工程措施的逐步開展，急需要對一些無資料地區的山洪預警進行動態臨界雨量的計算。目前，水位流量反推法在一些區域中小河流無資料地區的洪水預警中得到應用［7-9］，但是在山洪災害洪水預警分析中應用還較少，特別是在遼寧西部無資料地區山洪預警動態臨界雨量計算中還未得到應用。為此本文引入水位流量反推法，并以遼寧西部某無資料地區山洪為計算實例，對該實例的山洪預警動態臨界雨量進行計算。

1 基于水位流量反推方法的山洪預警動態臨界雨量計算原理

水位流量反推計算山洪預警動態臨界雨量的基本原理為首先結合設計暴雨計算成果，得到區域不同頻率下的設計暴雨曲線，再結合設計洪水計算，確定得到不同頻率下的洪峰流量曲線，結合區域水位流量關系，確定不同致災水位對應的成災洪峰流量Q，應用確定的設計洪峰頻率曲線反推得到相應的頻率P，結合該頻率和設計暴雨頻率曲線，動態反推計算得到區域不同頻率下的動態臨界雨量，其主要計算方程包括設計暴雨和設計洪水的計算，計算方程如下：

首先計算設計點暴雨，其計算方程為：

式中，Pp-不同頻率下的設計點雨量，mm；KP-皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數；-P-不同時段的設計暴雨均值，本文設計時段選為 10min、1h、6h以及24h。

在計算設計點雨量的基礎上，采用動點動面的方式進行點面折減計算區域的設計面暴雨量，計算方程為：

式中，Pp面-不同頻率下的設計面雨量，mm；K-點面折減系數，其中點面折減系數的計算方程為：

式中，a、b、c-計算系數，本文分別取為-0.027，0.925， 0.0016； F-設計區域的面積，km2。

在設計暴雨計算的基礎上，需要進行設計洪水的計算，本文選用小流域設計洪水經驗公式計算流域的設計洪水，計算方程為：

式中，φp-不同頻率下的洪峰徑流系數；ip-設計暴雨強度；F-設計區域面積。其中設計暴雨強度ip的計算方程為：

式中，τ-流域匯流時間，其計算方程為：

式中，L-計算河長，km；J-河段比降，‰；X和Y-流域下墊面特征參數，本文分別取為0.57和0.65。

本文結合二維水動力學方程計算小流域山洪的淹沒范圍，考慮文章篇幅原因，二維水動力學方程可詳見參考文獻［10］。

2 計算實例

2.1 區域概況

本文以遼寧西部某山洪小流域為計算實例，該區域的地形圖見圖1。區域集水面積為21.5km2，區域河長為11.27km，比降為12.1‰，為典型的山區性河流，區域內有2個行政村落。

圖1 研究區域地形圖

2.2 設計暴雨計算

根據沿河村落集水區（小流域）的位置查遼寧省暴雨參數圖集中的年最大10m in、1h、6h、24h點雨量均值等值線圖、點雨量Cv等值線圖，得到各個小流域的相應時段的點雨量均值和；查暴雨洪水圖集皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數Kp值表，可得各計算單元不同設計暴雨頻率相應的Kp值（見表1），乘以暴雨均值可得不同設計暴雨頻率的設計點雨量，即可得到各時段的設計點雨量。

表1 小流域設計暴雨Kp系數表

根據遼寧省短歷時暴雨時面深關系圖，可得各小流域10min、1h、6h、24h、72h暴雨折算系數KF，乘以設計點雨量得到1h、6h、24h、72h的設計面雨量，小流域因匯流面積小于50km2，各時段KF均為1，由此得到研究小流域的設計暴雨成果。

表2 小流域設計暴雨成果表

2.3 設計洪水計算

在設計面暴雨和流域匯流時間計算基礎上，結合公式（5）可計算得到區域不同頻率的暴雨強度，結合遼寧省水文手冊可得到區域不同頻率的設計洪峰徑流系數，各參數結構見表3。

表3 典型頻率設計洪水參數表

在設計洪水參數確定的基礎上，可以計算流域內2個防災對象不同頻率下的區域設計洪水成果，計算結果見表4。

表4 防災對象推理公式法設計洪水計算成果表

2.4 水位流量關系的建立

在設計暴雨和設計洪水基礎上，需要確定各防災對象的水位流量關系，根據控制斷面測量結果，采用曼寧公式法，確定防災對象河道控制斷面的水位流量關系，因各防災對象沒有水面線信息，可采用防災對象的河床比降作為水位流量轉換中的比降。因無實測水文資料，根據溝道特征，參照天然河道典型類型和特征情況下的糙率，確定水位流量轉換中的糙率，以相鄰流域水文站實測洪水資料的水位、流量、面積、濕周等，采用曼寧公式反推值進行校正，確定各個防災對象控制河段河床的糙率值。根據以上方法，基于調查成果資料，確定各個防災對象水位流量關系曲線，結果見圖2。

圖2 各防災對象水位流量關系圖

2.5 動態臨界雨量計算

根據成災流量和洪峰流量關系曲線可得到成災流量對應的頻率，結合暴雨頻率曲線可以推算出臨界雨量值，如表5、圖3所示。

從表5中可以看出，隨著時段的增加，1#和2#村落的臨界雨量也逐步增加，1#村落不同時段的臨界雨量在49～128mm之間，其匯流時間內的臨界雨量為30mm。2#村落從第1時段到第24時段其臨界雨量在88～249mm之間，其匯流時間的臨界雨量為70mm，2#村落的臨界雨量的等級均大于1#村落。從流域不同時段的臨界雨量動態變化曲線（圖3）中可以看出，各時段動態臨界雨量變化曲線呈現較為明顯的線性變化趨勢，各時段動態臨界雨量變化較為相似，具有一定的相似規律性，隨著時間的增加，其臨界雨量也逐步較大，表明山洪災害與暴雨量以及暴雨強度都有較為密切的聯系，從圖3還可看出，降水中心在上游，區域的臨界雨量雨大，降水中心的分布對區域臨界雨量動態變化影響較大。

表5 小流域臨界雨量成果表

圖3 不同時段的臨界雨量動態變化曲線

2.6 山洪預警指標綜合分析

臨界雨量是從成災水位對應流量的洪水推算得到的，在數值上認為臨界雨量即為緊急的預警指標；對于告知、警戒指標，在臨界雨量基礎上進行折減處理，得到研究小流域預警指標成果，預警指標結果見表6。

圖4 區域不同時段淹沒分析結果

表6 設計小流域預警指標成果表

從表6中可以看出，1#防災村落其不同預警等級的預警指標在29.4～128.0mm之間，這和區域暴雨特點情況較為吻合，區域不同時段2%頻率下的暴雨在36.4～254.0mm之間，1#防災對象預警指標在該范圍之內，并且和區域實際暴雨特點較為吻合。2#防災村落其不同預警等級的預警指標在52.8～249.0mm之間，由于其在下游，其預警雨量值均要大于1#防災村落。綜上設計小流域雨量預警指標結果可以看出，水位流量反推的動態臨界雨量和區域實際情況較為吻合，適用于區域無資料地區山洪預警的動態臨界雨量推求。

2.7 山洪淹沒分析

在預警指標分析的基礎上，本文結合二維水動力學模型對區域50年一遇不同時段的淹沒范圍進行了模擬分析，分析結果見圖4。

從圖4可以看出，研究小流域3h基本上水流已經達到流域出口，從50年一遇洪水最大淹沒范圍（最大淹沒水深）可以看出，50年一遇洪水影響最大面積為1.89km2，水深小于0.5m的影響范圍較小，淹沒面積為0.48km2，而當水深大于3m時，其影響面積達到最大1.89km2，其影響面積較小的原因是因為流域地形原因，河道兩邊范圍內地形較低，而周圍地形均較高。從圖中可以確定淹沒范圍，由于結果是矢量結果，可以應用地理信息軟件提取淹沒面積和淹沒水深，為區域山洪預警提供決策依據。

3 結論

本文結合水位流量反推原理，以遼寧西部某無資料地區山洪為實例，計算該區域動態臨界雨量，并結合二維水動力學模型對區域山洪進行淹沒模擬分析，研究結論為：

（1）水位流量反推方法可解決無資料地區山洪預警動態臨界雨量計算的問題，計算結果合理，可在山洪預警指標分析計算中進行應用和推廣。

（2）降水中心在上游，區域的臨界雨量大，降水中心的分布對區域臨界雨量動態變化影響較大。

（3）流域受淹范圍受地形條件影響較大，地勢較低區域山洪淹沒范圍較大，淹沒范圍可為區域山洪預警提供重要的決策依據。

［1］毛北平.垂向混合產流模型在無資料地區山洪災害臨界雨量計算中的應用［J］.應用基礎與工程科學學報，2016（04）：720-730.

［2］樊建勇，單九生，管珉，等.江西省小流域山洪災害臨界雨量計算分析［J］.氣象，2012（09）：1110-1114.

［3］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，2005（12）：40-43+54.

［4］祝武斌.甘肅省成縣山洪災害臨界雨量分析計算［J］.水利規劃與設計，2015（03）：26-28.

［5］段生榮.典型小流域山洪災害臨界雨量計算分析［J］.水利規劃與設計，2009（02）：20-21+57.

［6］段生榮.典型小流域山洪災害臨界雨量計算分析---以黃河流域大通河支流為例［J］.中國農村水利水電，2008（08）：63-65+68.

［7］吳承卿.基于降雨～水位關系的臨界雨量確定方法研究［J］.人民珠江，2016（11）：21-25.

［8］馬傳波.山區小流域洪水預警臨界雨量值確定方法的研究與應用［J］.吉林水利，2016（06）：50-52+62.

［9］張玥，楊春輝，孟祥國.尾水位流量關系在尼爾基水庫的應用［J］.東北水利水電，2015（07）：32-33+36.

［10］王春宇.基于二維水動力學模型的河流水力學特征分布研究［J］.水利技術監督，2016（04）：56-58+101.

P426.6

A

1672-2469（2017）10-0053-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.015

2017-04-20

遼寧省水利廳科技指導計劃性項目（2014-08）

王晶娥（1980年-），女，工程師。