蘭州市七里河區雷壇河流域山洪災害臨界雨量分析

杜麗芳 馬德稹 史偉明 楊鈺泉 張鈺

摘要：為提出更科學、專業的山洪災害頇警方法，以蘭州七里河區雷壇河中下游的花寨子村、崖頭村、五里鋪村3個沿河村落為例，選用瞬時單位線的設計洪水計算成果，根據實測控制斷面形態，采用曼寧公式計算其洪水位。結合沿河村落住戶高程進行平面投影，確定了防災對象成災水位，通過分析水位流量關系得出成災流量。基于暴雨洪水同頻率的假定，采用水位流量反推法確定研究區山洪災害臨界雨量預警指標，為研究區山洪災害防御工作提供參考。

關鍵詞：山洪災害;臨界雨量;水位流量反推法;雷壇河;蘭州

中圖法分類號：P338文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.05.006

山洪災害是指山丘區降雨、融雪等引起的山溪洪水、泥石流和滑坡等災害。山洪災害具有暴發突然、運動兇猛、破壞性強、災害歷時短、易成災等基本特點。山洪災害的形成與發生主要與地形地貌、地質構造、降水和人類活動等因素有關。

山洪災害是蘭州市區發生頻次最高、危害最大的自然災害。山洪災害多源于暴雨，其災害程度主要取決于暴雨的強度。據統計，在1949年8月14日、1951年8月1日、1978年8月7日、2004年8月14日，蘭州市七里河區雷壇河流域發生4場大洪水，洪水淹沒農田、沖毀道路，對當地造成巨大損失。

1研究區概況

雷壇河是黃河南岸一級支流，又稱水磨溝，發源于蘭州市榆中縣馬銜山北麓，流向自南向北，匯集了榆中縣馬銜山與興隆山之間馬坡、銀山兩鄉山區水流，于蘭州市七里河區匯入黃河。雷壇河匯水面積259.1km，主溝全長43.35km，縱比降20.02‰，年徑流量987萬m。支溝有59條，總長240.08km，主要有鐵治溝、爛泥溝、大溝、西溝、寨子溝、黃家溝、馬泉溝、黑溝、清水溝。支溝平時干涸，只有在大暴雨時，才有小股洪水流出。雷壇河流域位于黃土丘陵區，海拔1900-2100m，相對高差約200m，山體坡度在15°-35°，植被覆蓋率低，由于長期受洪水侵蝕，水土流失嚴重。流域內居民共計20364戶81458人，土地面積193.1km，耕地面積3384.8hm（50772畝）。

研究主要針對蘭州市七里河區雷壇河中下游區域，選取兩岸住戶較為密集的3個沿河村落，自上游至下游依次為花寨子村、崖頭村和五里鋪村。3個村落的人口分別為1893人、2 800人、1178人;土地面積分別為3.2，4，3.5km;耕地面積分別為95.27（1429畝），67.60（1014畝），20.33hm（305畝）。

2數據收集與研究方法

2.1數據來源

該研究所使用的流域面積、主溝長度、比降數據來源于地形圖的量算。土壤和植被資料從全國山洪災害防治項目組統一制作的各縣工作底圖中獲得。雷壇河3個沿河村落處的斷面數據、住戶高程根據甘肅省測繪局CORS系統，采用RTK測量方式獲得。暴雨資料來源于《甘肅省暴雨洪水圖集》（以下簡稱“《圖集》”）與《甘肅省暴雨特性研究》（以下簡稱“《研究》”）。研究所需各項參數見表1～2。

暴雨時程分配根據《圖集》推薦的24h典型分配，從最大時段開始，一左一右選取雨型值，直至時段個數大致與設計暴雨時段數相等，從而得到小流域不同時段的暴雨時程分配。

2.3設計洪水計算方法

2.3.1蘭州市經驗公式法

根據地理特征（匯流面積、溝道比降、溝道長度、流域形狀系數）、暴雨特征（最大小時降雨量）、洪峰流量特征，采用逐步圖解分析法，通過綜合分析研究后，推求出經驗公式中有關參數。

2.3.3瞬時單位線

選取黃河干支流區主雨峰為3h的綜合概化時程分配雨型，同頻率控制放大，得到不同頻率設計面雨量過程。雷壇河流域下墊面屬黃土區，用黃土區產流期平均入滲率進行產流計算可得出產流歷時tc、產流歷時內的降雨量、產流期平均入滲率，將產流期各時段的降雨量減去時段入滲量即為凈雨過程。產流前的降雨量之和為初損，產流期以后的雨量亦全部下滲。計算平均凈雨強i=h/t。，用黃土區瞬時單位線匯流參數m1和m2地區綜合公式可計算得出n和k。

2.4臨界雨量計算方法

根據保護對象具體情況，確定所在溝道斷面處可能發生山洪災害時的臨界水位值H臨，進而根據斷面特征分析水位一流量關系曲線;再利用臨界水位得到對應流量值Q災。通過計算得到成災頻率尸災，對照雨量頻率關系曲線圖，查圖可得對應時段的設計暴雨，并將其作為不同時段的臨界雨量。

3計算結果

3.1設計暴雨計算

根據《研究》獲取1h、6h和24h暴雨均值和CV值，按照Cs=3.5Cv，查找《圖集》的模比系數KP值，計算各單元不同設計頻率的設計點雨量。根據《山洪災害分析評價技術要求》，暴雨頻率選擇了1%、2%、5%、10%、20%共5種頻率。通過查詢《圖集》可獲得點面折減系數“、流域形狀改正系數y、相應時段的暴雨遞減系數以及對應分區的24h雨型分配過程。按照同頻率放大法，基于流域面積，采用了主雨峰為3h的綜合雨型分配法推求出設計面雨量的時程分配。設計暴雨成果見表3。

3.2設計洪水計算

該研究中的3個村落出口斷面處設計洪水采用蘭州市經驗公式、推理公式、瞬時單位線法計算，見表4。對比3種方法計算成果可知，蘭州市經驗公式和推理公式值設計洪水計算結果接近，瞬時單位線法計算的結果明顯偏大。山洪災害對人民生命財產安全造成巨大的威脅，出于安全考慮，研究選用了瞬時單位線的成果值。

3.3水位一流量一人口關系

繪制水位一流量一人口曲線的目的是統計確定各頻率洪水淹沒高程下的累計人口和房屋數量。參考相關技術規范和研究，首先需收集人口和高程數據等信息;其次，基于平面投影的原理，將房屋高程數據投影到河道縱斷面上;最后，結合河道縱斷面實測數據和計算得到的不同頻率洪水所對應的水位值，統計確定各頻率洪水淹沒高程下的累積人口以及水位一流量一人口關系數據。根據住戶高程投影確定花寨子村、崖頭村、五里鋪村控制斷面處成災水位分別為1707.83，1584.00，1512.21m。

3.4臨界雨量

臨界雨量計算是一個反復試算的過程，通常假定一個初始雨量，按雨量及雨型分析得到相應的降雨過程，并計算出預警地點的洪水過程，進而比較計算所得洪峰流量與預警地點的預警流量。在洪水和降雨頻率相同的假設條件下，采用水位流量反推的方法計算臨界雨量，其中成災流量可通過分析水位一流量關系曲線得出。花寨子村、崖頭村、五里鋪村3個沿河村落所對應的成災流量分別為112，246，156m/s。結合流量頻率曲線，3個村落的成災頻率分別為50.6%、16.8%、26.8%。根據暴雨頻率曲線，成災頻率對應的設計雨量即為臨界雨量。

3.5預警指標

分析防洪評價現狀可知，立即轉移指標以控制斷面當前的成災水位（流量）作為臨界值，而準備轉移指標需考慮洪水漲速及河谷地形等因素影響，然后根據設計洪水數據進行估算。《山洪災害分析評價方法指南》提供了兩種確定雨量預警指標的方法：①在洪水過程線上，成災流量出現前約30min，反推相應時段的雨量作為準備轉移指標;②以控制斷面平灘流量反算相應的時段雨量，將該雨量作為準備轉移指標。3個沿河村落的山洪災害預警指標見表5。

4結論

本文基于暴雨洪水同頻率的假定條件，采用水位流量反推法計算了雷壇河中下游花寨子村、崖頭村、五里鋪村的山洪災害臨界雨量，得出以下結論。

（1）花寨子村、崖頭村、五里鋪村控制斷面處成災水位分別為1707.83，1584.00，1512.21m;對應成災流量分別為112，246，156m3/s;成災頻率分別為50.6%，16.8%，26.8%。

（2）花寨子村、崖頭村、五里鋪村1h臨界雨量預警指標為16.00，20.71，20.69mm;3h臨界雨量預警指標為19.83，25.99，25.96mm。

（3）小流域山洪災害臨界雨量的確定不僅與所在流域特性有關，更與防災對象的現狀防洪能力有關。在山洪災害預警中，需緊密結合沿河村落的現狀防洪能力和臨界雨量等動態指標并進行綜合分析，可為科學、高效預警防災提供依據。