綜合動(dòng)態(tài)閾值在山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)復(fù)核中的應(yīng)用

鄧小霞 彭海波 王井騰

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院 廣州 510000 2.淮河水利委員會(huì)水文局（信息中心） 蚌埠 233000）

1 概況

我國(guó)在2013～2015年間完成了20多萬(wàn)個(gè)重點(diǎn)沿河村落的山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)工作，各地山洪災(zāi)害預(yù)警主要使用雨量預(yù)警指標(biāo)，在分析評(píng)價(jià)中臨界雨量主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的成災(zāi)水位，通過(guò)水位流量關(guān)系推算臨界流量，再由臨界流量反算臨界雨量，在計(jì)算過(guò)程中若缺乏經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果可能產(chǎn)生較大的誤差。因此，有必要運(yùn)用實(shí)際發(fā)生的較大洪水對(duì)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)復(fù)核，驗(yàn)證分析預(yù)警指標(biāo)的合理性，提高預(yù)警指標(biāo)精度。本文采用新安江和SCS兩種模型構(gòu)建綜合動(dòng)態(tài)閾值，以廣東省恩平市大田鎮(zhèn)朗底圩為對(duì)象進(jìn)行山洪災(zāi)害雨量預(yù)警指標(biāo)的檢驗(yàn)復(fù)核，計(jì)算結(jié)果合理，兩種模型均能較好地用于小流域臨界雨量檢驗(yàn)復(fù)核，為雨量預(yù)警指標(biāo)的檢驗(yàn)復(fù)核提供了新思路。

2 研究區(qū)基本情況

2.1 研究區(qū)概況

廣東省恩平市于2016年開展了山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)工作，在2017年6月22日（后文簡(jiǎn)稱20170622）的大暴雨中，恩平市大田鎮(zhèn)成為廣東省山洪災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，在山洪災(zāi)害檢驗(yàn)復(fù)核中具有代表性。檢驗(yàn)復(fù)核對(duì)象位于蓢底水流域，蓢底水河流長(zhǎng)27km，流域面積105.96km2。多年平均降雨量2600mm，平均比降13.4‰，總落差399.6m。

2.2 前期調(diào)查評(píng)價(jià)成果

2.2.1 水位流量關(guān)系

采用曼寧公式進(jìn)行水位—流量關(guān)系分析，糙率取值根據(jù)廣東省天然河道綜合糙率成果表，參照各防治區(qū)斷面溝道河段平面形態(tài)、河床質(zhì)組成、邊灘和河岸植被情況選用；比降由實(shí)測(cè)水面比降獲得。成災(zāi)水位由分析評(píng)價(jià)對(duì)象所在居民區(qū)的最低宅基高程推求，主要由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量確定。成災(zāi)水位45.43m，根據(jù)水位流量關(guān)系，成災(zāi)流量436.3m3/s。

2.2.2 預(yù)警指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的成災(zāi)水位，通過(guò)水位流量關(guān)系推算臨界流量，再由臨界流量反算臨界雨量。1h、2h、3h臨界雨量指標(biāo)為57mm、99mm、118mm。

3 新發(fā)洪水調(diào)查

恩平市大田鎮(zhèn)在2016年山洪調(diào)查評(píng)價(jià)工作完成后又經(jīng)歷了20170622場(chǎng)次洪水的山洪災(zāi)害，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)走訪和實(shí)地調(diào)研，對(duì)洪水演進(jìn)情況進(jìn)行了詳細(xì)了解，并采集到洪痕數(shù)據(jù)和代表雨量站降雨數(shù)據(jù)，見表1。

4 檢驗(yàn)復(fù)核

4.1 水位流量曲線復(fù)核

調(diào)查評(píng)價(jià)中確定河槽糙率為0.035，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，根據(jù)廣東省天然河道綜合糙率成果表，糙率值合理。兩岸灘地糙率取0.08。此次檢驗(yàn)復(fù)核根據(jù)20170622洪痕水位情況，綜合確定水位～流量關(guān)系計(jì)算比降為1‰。結(jié)合實(shí)測(cè)的朗底圩及其上下游的大斷面數(shù)據(jù)，利用HEC-RAS軟件對(duì)水位流量關(guān)系進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，對(duì)復(fù)核對(duì)象所在居民區(qū)的最低宅基高程進(jìn)行測(cè)量，得到成災(zāi)水位45.43m，根據(jù)水位流量關(guān)系，采用MATLAB插值函數(shù)，求得對(duì)應(yīng)成災(zāi)流量588.8m3/s。

表1 洪水雨量站觀測(cè)數(shù)據(jù)摘錄表

此次復(fù)核與原評(píng)價(jià)成果之間存在一定差異，在采用的斷面測(cè)量數(shù)據(jù)完全一致的情況下，同樣的流量值，復(fù)核后的水位要低于原分析評(píng)價(jià)的水位值。其主要原因如下：

（1）原分析評(píng)價(jià)中采用曼寧公式計(jì)算水位流量關(guān)系，結(jié)合上下游斷面的水位值對(duì)比分析，在河道基本順直、斷面無(wú)明顯束窄、且流量相同的條件下，存在上游斷面水位低于下游斷面水位的情況。復(fù)核計(jì)算考慮了上、下游多個(gè)大斷面情況推求水面線，符合能量守恒定律。

（2）上下游斷面之間的距離在沿主河槽、左右灘地分別測(cè)量時(shí)會(huì)有不同，復(fù)核計(jì)算采用多個(gè)斷面推求水面線的方法，考慮了該情況的影響。

（3）依據(jù)《山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)方法指南》中的比降確定原則，歷史洪痕優(yōu)先級(jí)高于分析評(píng)價(jià)中的水面比降，優(yōu)先采用歷史洪痕來(lái)確定。

綜合以上分析，復(fù)核水位流量關(guān)系已經(jīng)充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，并且與新發(fā)洪水進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)分析評(píng)價(jià)中采用的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

4.2 構(gòu)建雨量預(yù)警指標(biāo)綜合動(dòng)態(tài)閾值

臨界雨量的檢驗(yàn)主要是與成災(zāi)洪水特征雨量進(jìn)行比對(duì)分析。特征雨量是指滑動(dòng)統(tǒng)計(jì)成災(zāi)洪水成災(zāi)時(shí)間之前防災(zāi)對(duì)象不同預(yù)警時(shí)段的最大雨量。預(yù)警指標(biāo)偏離度按下式計(jì)算：

對(duì)于成災(zāi)洪水，偏離度分布在10%（各地可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整）范圍內(nèi)，則認(rèn)為臨界雨量合適。

4.2.1 基于SCS模型

SCS模型基本產(chǎn)流方程為：

式中：P為降雨總量（mm）；R為產(chǎn)流量（mm）；Ia為初損（mm）；S為流域土壤最大蓄水能力（mm）。

在確定不同時(shí)段臨界產(chǎn)流量Rt的基礎(chǔ)上，考慮不同前期土壤含水量條件下的流域土壤最大蓄水能力，可以得到一系列反應(yīng)流域綜合動(dòng)態(tài)的雨量預(yù)警閾值P的解析。

4.2.2 基于新安江模型

（1）蒸散發(fā)計(jì)算

新安江模型流域蒸散發(fā)的計(jì)算沒有考慮流域內(nèi)土壤含水量在面上分布的不均勻性，而是按土壤垂向分布的不均勻性將土層分為三層，用三層蒸散發(fā)模型計(jì)算蒸散發(fā)量。計(jì)算如下：

式中： W為總的張力水蓄量（mm）；WU為上層張力水蓄量（mm）；W為下層張力水蓄量（mm）；WD深層張力水蓄量（mm）；E為總的蒸散發(fā)量（mm）；EU為上層蒸散發(fā)量（mm）；EL為下層蒸散發(fā)量（mm）；ED為深層蒸散發(fā)量（mm）；EP為蒸散發(fā)能力（mm）。

（2）產(chǎn)流計(jì)算

按照蓄滿產(chǎn)流的概念，采用蓄水容量面積分配曲線來(lái)考慮土壤缺水量分布不均勻的問題。假定不透水面積IM=0，其線型為：

式中：f為產(chǎn)流面積（km2）；F為全流域面積（km2）；W'為流域單點(diǎn)的蓄水量（mm）；WMM為流域單點(diǎn)最大蓄水量（mm）；B為蓄水容量面積曲線的指數(shù)。

（3）臨界雨量推求

基于新安江模型的臨界降雨量采用窮舉試錯(cuò)法推求。以WM為土壤含水量的最大值設(shè)置不同的初始土壤含水量條件，針對(duì)不同的土壤含水量初始條件，以基于SCS模型推求的臨界值作為初值，以0.1mm為步長(zhǎng)，生成一系列的臨界雨量輸入新安江模型計(jì)算，比較新安江模型計(jì)算的直接徑流產(chǎn)流量以及臨界產(chǎn)流量，當(dāng)兩者的差值小于1mm時(shí)認(rèn)為對(duì)應(yīng)的雨量為臨界雨量。對(duì)所有土壤含水量初始條件重復(fù)以上過(guò)程，可以得到一系列反應(yīng)流域綜合動(dòng)態(tài)的雨量預(yù)警閾值P。

4.2.3 基于國(guó)家新技術(shù)方法

滑動(dòng)統(tǒng)計(jì)成災(zāi)時(shí)間之前不同預(yù)警時(shí)段的最大雨量作為該時(shí)段的特征雨量，同步計(jì)算特征雨量相應(yīng)的前期影響雨量。雨量站觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，20170622場(chǎng)次洪水不屬于旱澇急轉(zhuǎn)情況，并且滿足初損Io很小的要求。因此，基于成災(zāi)暴雨下的臨界雨量檢驗(yàn)復(fù)核，按照前期影響雨量達(dá)到田間持水量來(lái)考慮，主要對(duì)較濕狀態(tài)下的臨界雨量進(jìn)行復(fù)核。

4.3 預(yù)警指標(biāo)復(fù)核

表2 新發(fā)山洪降雨特征值與預(yù)警閾值對(duì)比表

將新發(fā)山洪過(guò)程降雨特征值、原調(diào)查評(píng)價(jià)分析的臨界值以及綜合動(dòng)態(tài)閾值的對(duì)比（見表2）。由于在此次山洪前累積降雨已達(dá)到179.6mm，遠(yuǎn)大于該流域的土壤蓄水能力，可認(rèn)為土壤已達(dá)到飽和狀態(tài)。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析可知，基于SCS模型的臨界雨量、基于新安江模型的臨界雨量與國(guó)家新技術(shù)方法計(jì)算結(jié)果相差不大，三種方法相互佐證，均能對(duì)此次山洪過(guò)程進(jìn)行合理預(yù)警。

5 結(jié)論與建議

（1）用曼寧公式推求水位流量關(guān)系時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)同一流量值對(duì)應(yīng)多個(gè)水位的情況，用此方法求得水位值后需要結(jié)合上下游斷面的水位值對(duì)比分析，甄選出合理的水位值。

（2）水位流量關(guān)系曲線中，流量增大到一定程度后，曲線趨于平緩，較小的水位變化會(huì)引起較大的流量差異，在用成災(zāi)水位推求成災(zāi)流量時(shí)，若直接在曲線讀取數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，建議采用MATLAB三次樣條插值函數(shù)進(jìn)行插值，可以大大減小誤差。

（3）綜合動(dòng)態(tài)雨量閾值很好地考慮了下墊面、前期影響雨量對(duì)洪水過(guò)程的影響，能夠提高預(yù)警指標(biāo)的精確度。新安江模型和SCS模型在流域參數(shù)選取合理情況下，推求的綜合動(dòng)態(tài)閾值與國(guó)家推薦的技術(shù)方法求得的結(jié)果相比，相差很小，結(jié)果合理。

（4）模型對(duì)新發(fā)洪水過(guò)程的模擬受下墊面和前期雨量影響較明顯，因此雨量預(yù)警指標(biāo)的檢驗(yàn)復(fù)核是一個(gè)長(zhǎng)期的工作，應(yīng)根據(jù)不斷發(fā)生的實(shí)際洪水資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，定期對(duì)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行訂正■