缺乏實測暴雨數據條件下計算預警指標的方法研究

張瑜瑜

加強山洪災害防治是當前防災減災的一項重要工作。建立山洪災害預警系統，是防治山洪災害的一項重要的非工程性措施[1]，而預警指標的確定是此項措施的重中之重。預警指標是轉移與撤離的基本條件，準確與否決定了避險效應[2-3]。翟國方[4]通過對比日本洪水管理研究的新進展，指出了一些可供我國參考的舉措。劉志輝[5]基于“3S”技術對新疆融雪洪水預測預警及決策支持進行了研究。新疆地區地形特殊、缺少產流關鍵參數，本文以新疆拜城縣為例，選擇適合的設計暴雨洪水分析和計算方法，為沿河村落防洪預警指標和閾值分析計算提供依據。

1 研究區概況

拜城縣位于新疆維吾爾自治區西南部，阿克蘇地區東北部，塔里木盆地西北部，天山山脈中段南麓，東與庫車縣毗鄰，西與溫宿縣接壤，南隔卻勒塔格山與新和縣相望，北靠天山與伊犁哈薩克自治州相連，四周群山環抱，呈一帶狀盆地，地勢西高東低。拜城縣境內共有發源于天山南坡、流域獨立的5條河流[6]，自西向東為木扎提河、喀布斯郎河、臺勒維丘克河、卡拉蘇河、克孜爾河，多年平均徑流量為27.43×108m3。

拜城縣洪水主要為冰雪消融型洪水、暴雨型洪水、冰雪消融和暴雨混合型洪水。其中以春季冰雪消融和暴雨混合型洪水及夏季局地暴雨型洪水危害較大，后者危害和造成的損失尤為嚴重。本次分析對象的確定，主要考慮當地防洪減災、地區發展規劃、前期工作深度以及資料累積程度等情況來進行篩選。

表1 分析對象基本情況

2 研究方法

2.1 設計暴雨

拜城縣山丘區屬于無資料地區，時段雨量計算采用《新疆暴雨圖集（1983年）》中的暴雨統計參數等值線圖進行查算，設計雨型采用圖集中推薦的暴雨時程分配。

2.2 設計洪水

（1）洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法[7]

計算各站洪峰流量系列模比系數，將各站洪峰流量模比系數經驗分布點繪在同一張概率格紙上，對經驗分布點進行適線求得該區域的頻率曲線，理論頻率曲線采用P－Ⅲ型曲線，分別得到不同頻率的設計洪峰流量模比系數。

采用地區洪峰流量頻率曲線法推求計算斷面設計洪峰流量[8]，計算公式如下：

式中：QP為設計洪峰流量（m3/s）；Kp為頻率為P的洪峰流量模比系數；Qd為調查歷史洪水洪峰流量；Kd為調查洪水洪峰流量模比系數。

（2）地區綜合經驗公式

經驗公式法是利用已有水文站的資料，將多年平均洪峰流量與主要影響洪峰流量的因素建立經驗公式。本次利用新疆有實測洪水的中小河流水文站建立的小流域暴雨洪峰流量經驗公式進行分析計算[9]：

式中：Qm為多年平均年最大洪峰流量（m3/s）；A為流域面積（km2）；L為主河溝長度（km）；J為主河溝坡降（‰）；f為流域形狀系數:f=A/L2；Pm為流域多年平均最大一日降水量（mm）。

3 結果與分析

3.1 設計暴雨計算

暴雨時程分配根據《新疆暴雨圖集（1983年）》中的24小時典型雨序進行分析，其他時段的時程分配采用同頻率相包的形式，根據匯流時間內的雨序與典型雨序相同的原則進行降雨分配計算。

表2 分析對象匯流時間設計暴雨時程分配表

3.2 設計洪水計算

3.2.1 洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法

洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法，可綜合出地區參數的規律性，以解決無資料流域的設計洪水[10]。本文選用表3中水文站歷年實測最大洪峰流量資料分別進行排頻分析計算，再將各站洪峰流量模比系數經驗分布點繪在同一張概率格紙上，進行地區綜合分析，得到其地區綜合頻率曲線。再采用系列點群中心適當照顧高水點據的經驗適線法，并繪制洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線見圖1。頻率為P的洪峰流量模比系數地區綜合Kp值統計見表4。

表3 各水文站歷年最大洪峰序列頻率分析成果表

圖1 阿克蘇地區拜城縣諸河年最大洪峰流量模比系數綜合頻率曲線圖

表4 頻率為P的洪峰流量模比系數Kp值統計表

本次采用洪水調查成果，計算各評價單元調查斷面的設計洪峰流量。通過綜合頻率曲線查得調查洪水洪峰流量模比系數Kp，用式（1）算出設計洪峰流量。詳見表5所示。

3.2.2 地區綜合經驗公式法

用（3）式和（4）式計算出的CV和CS值在《水利水電工程設計洪水計算手冊》附表3中查P－Ⅲ型曲線KP值，求出調查斷面各設計頻率的洪峰流量。

表5 P－Ⅲ型曲線模比系數KP值

3.2.3 結果分析

表6 分析對象設計洪水結果合理性分析表

由上表可知，P=1%的洪峰流量結果，洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法較地區綜合經驗公式法大，但基本維持在20%左右；P=20%的洪峰流量結果，地區綜合經驗公式法較洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法大50%～60%左右。兩種方法在低頻率時差異較大，但隨著洪水頻率的升高誤差越小，計算結果越可靠。

3.3 預警指標結果分析

3.3.1 預警時段的確定

預警時段指雨量預警指標中采用的典型降雨歷時，是雨量預警指標的重要組成部分。本文充分參考流域單位線信息，結合流域暴雨、下墊面特性以及歷史山洪情況，綜合分析防災對象所處河段的河谷形態、洪水上漲速率、轉移時間及其影響人口等因素后，確定各防災對象的各個典型預警時段，從最小預警時段直至流域匯流時間。

表7 分析對象預警時段預警時段

3.3.2 預警指標結果

將洪峰模比系數地區綜合頻率曲線法和地區綜合經驗公式法計算得出的預警指標進行整理。

表8 預警指標成果匯總

由表8可知，牧場和托普魯克6村2小隊的雨量預警指標成果，綜合經驗公式法較洪峰模比系數地區綜合頻率曲線法的結果偏大一些，而尤勒袞亞村1-4組兩種方法的推求結果一樣。這是由于模比系數地區綜合頻率曲線法采用的是參證站的實測資料進行計算的，而參證站控制的流域面積偏大（≥1000 km2）；而本次分析評價對象流域面積小于200 km2，洪峰模數受地形、植被、土壤以及暴雨分布等多種因素的影響，洪峰模比系數地區差異較大，規律性較差，直接移用較大流域的洪峰模數來估算較小流域的洪峰模比系數，必然會造成小流域的洪峰模比系數偏小，進而造成其預警指標值偏大，因尤勒袞亞村1-4組的流域面積比較大，這種區別相對不明顯。而綜合經驗公式法雖然根據水文變化的地區規律性建立洪峰與流域面積、流域形狀系數、最大一日降雨量等因素的關聯關系，但并未考慮降雨的時空分布、下墊面以及受其他因素影響造成洪水場次間的差異性等情況，因此推求出的洪水結果的可靠性值得懷疑，需要根據實際暴雨洪水資料進行校驗審核，其預警指標的計算結果也有待商榷。

4 結論

（1）模比系數法地區綜合頻率曲線法和綜合經驗公式法在低頻率時差異較大，但隨著洪水頻率的升高誤差越小。兩種方法都有理論或者經驗基礎，但由于其他條件對其限制，其結果各不相同。

（2）當分析評價對象流域面積小于200 km2時，確定雨量預警指標采用洪峰模比系數地區綜合頻率曲線法成果較為可靠。

[1]陳冬君.山洪災害監測預警系統的設計與開發[D].長春:吉林大學,2013:1.

[2]張毅，涂興懷，彭愛華，等.山洪災害雨量預警分析——以樂山市犍為縣敖家鎮為例[J].人民珠江.2016,37(02):59-61.

[3]中國水利水電科學研究院，鄭州大學.山洪災害預警指標檢驗復核技術要求[S].2016.

[4]翟國方.日本洪水風險管理研究新進展及對中國的啟示 [J].地理科學進展.2010,29(01):3-9.

[5]劉志輝.基于“3S”技術的新疆融雪洪水預測預警及決策支持研究[D].中國礦業大學,2009.

[6]段少遠.拜城縣水資源現狀、存在的問題及開發對策[J].新疆農墾經濟,2012(8):50-52.

[7]徐華.地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法和水文比擬法計算洪峰流量對比[J].水利科技與經濟,2014(5):40-42]

[8][李春梅,王書峰.新疆阿克蘇市城市防洪規劃水文計算[J].河南水利與南水北調,2010,(8):55-57].

[9]李春梅,王書峰.新疆阿克蘇市城市防洪規劃水文計算[J].河南水利與南水北調,2010,(8):55-57.

[10]張衛東.小流域設計洪峰流量的計算 [J].水利科技與經濟,2013(7):50-51].