山洪災害動態臨界雨量確定方法研究

2018-03-13 07:22:37

水資源開發與管理 2018年2期

(遼寧省水利水電科學研究院，遼寧沈陽 110003)

防御山洪災害的最有效手段是及時預警，有序避險。臨界雨量是山洪災害預報預警的關鍵指標，當某一區域或流域在某個時間段的降雨量達到一定程度，這個區域或流域將會出現山洪災害，這時的降雨量就被稱作臨界雨量。目前國內確定臨界雨量一般采用水位流量反推法[1]、災害與降雨頻率分析法、災害實例調查法[2]、比擬法等方法。以往的經驗表明在同一地區采用不同統計歸納方法得到的臨界雨量指標并不一致，多數情況下獲得的臨界雨量初值不能直接應用，需結合專家經驗進一步確認，也有地區將臨界雨量指標取為下限值或自下限值開始的某一數值區間。

實際上國內廣泛采用的方法都不能定量地確定臨界雨量，都沒有考慮到前期影響雨量的問題。由于洪水不僅與當前降雨有關，還與流域前期洼蓄量、土壤濕度等因素有關,在不同條件下，導致某一溪河發生洪水所需的降雨量也不同，因此，臨界雨量不是一個固定值，而是動態變化的。本文以遼寧省清原縣海陽河小流域為例，嘗試研究無資料地區的動態臨界雨量的確定方法。

1 動態臨界雨量的確定方法

傳統臨界雨量推求時，前期影響雨量采用設計狀態下土壤含水量。本文針對無資料地區，將前期影響雨量分為三個水平：Pa=0.25Wm，Pa=0.50Wm，Pa=0.75Wm(其中Pa為前期影響雨量，Wm為流域最大蓄水量)，并采用水位流量反推法，分別求解3種情況下臨界雨量。

對于每個Pa值情況下的臨界雨量，采用試算法進行求解，具體操作是先假定24h的初始雨量，并按雨量及雨型分析得到相應的降雨過程系列，作為最初的輸入，計算預警地點的洪水過程。比較計算所得的洪峰流量與預警地點的預警流量。如果二者接近，該雨量即為時段的臨界雨量，如果差異較大，需重新設定初始雨量，反復進行試算，直至計算所得洪峰流量與防災對象的預警流量差值小于預定的允許值。

2 動態臨界雨量確定示例

2.1 南口前村概況

南口前村位于海陽河下游。海陽河發源于清原縣清原鎮斗虎屯南部，流經清原鎮、南口前鎮，于清原縣南口前鎮南口前村匯入渾河，流域面積190km2，河長29km，平均比降7.76‰。康家堡河是海陽河的較大支流，流域面積52.20km2，河長17km，平均比降20.30‰。流域匯流時長5.60h。

2.2 雨型的確定

推求設計洪峰流量時需要給出任一歷時的設計平均雨強或雨量。通常用暴雨公式，即暴雨強度歷時關系將年最大24h(或6h等)設計暴雨轉化為所需歷時的設計暴雨。本文采用如下暴雨公式：

(1)

式中at,p——歷時為t，頻率為P的平均暴雨強度，mm/h;

Sp——t=1h，頻率為P的平均雨強，俗稱雨力，mm/h;

n——暴雨參數或暴雨遞減指數。

Xt,p=Sptn-1

(2)

式中Xt,p——頻率P，歷時為t的暴雨量，mm。

Sp=X24,p×24(n2-1)

(3)

Sp及n值確定之后，即可用暴雨公式進行不同歷時暴雨間的轉換。

2.3 臨界水位

南口前村的控制斷面測量成果見圖1。根據南口前村的山洪災害調查情況，結合斷面測量成果，確定南口前村所在河流控制斷面處可能發生山洪災害時的臨界水位為178.48m。

圖1 南口前村溝道斷面成果

2.4 臨界流量

根據控制斷面測量結果，采用曼寧公式法，確定南口前村河道控制斷面的水位流量關系。根據水位流量關系確定臨界水位對應的流量。比降采用河床比降作水面線比降，0.00776；糙率根據溝道特征，參照天然或人工河道典型類型和特征情況下的糙率，取值0.028；水位流量計算采用下式計算流量：

(4)

R=A/P

(5)

式中Q——流量，m3/s；

A——過水斷面面積，m2；

R——水力半徑，m；

J——比降；

n——河床糙率；

P——濕周，m。

南口前村控制斷面水位流量關系轉換見下表。

南口前村控制斷面水位流量關系轉換表

在水位流量關系曲線中，曲線的末端斜率較小，較小的水位變動會引起較大的流量差異。在用水位流量關系圖通過成災水位查算成災流量時，很小的成災水位誤差就會帶來很大的流量誤差。這也是預警指標誤差的主要來源。為解決該問題，本文采用規劃求解的方法，借助excel實現，最終確定控制斷面處臨界水位處對應的臨界流量為603m3/s。