浙江小流域山洪災害雨量預警指標確定分析

高良敏，杜惠敏

(1.浙江中水工程技術有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州世達科技有限公司，浙江 杭州 310000)

1 雨量預警指標確定原理

浙江小流域(面積≤50km2)山洪災害成災時間短、突發性強、危害性大、易發頻發等特征突出，對沿河村落居民生命財產安全構成較大的威脅。由于小流域水文監測資料缺乏，雨量預警為其主要預警措施。雨量預警指標一般采用“水位反推法”求得，即根據沿河村落控制斷面成災水位，采用曼寧公式推算成災流量，由成災流量反推各預警時段的臨界雨量。基于預警提前性和防洪安全性考慮，一般在臨界雨量的基礎上經驗下浮15%作為立即轉移預警雨量，立即轉移雨量下浮15%作為準備轉移預警雨量。雨量預警指標確定原理如圖1所示。

圖1 雨量預警指標推算原理框圖

2 設計暴雨洪水推求

2.1 設計暴雨

由于小流域水文資料缺乏，設計暴雨通常采用《浙江省短歷時暴雨圖集》確定。

ti時段設計雨量Hi計算公式如下：

當ti為10～60min時，

Hi=H10(ti/10)1-n10，60n10，60=1+1.285lg(H10/H60)

(1)

當ti為1～6h時，

Hi=H6(ti/6)1-n1，6n1，6=1+1.285lg(H1/H6)

(2)

當ti為6～24h時，

Hi=H24(ti/24)1-n6，24n6，24=1+1.661lg(H6/H24)

(3)

式中，H10，H60，H6，H24分別為10min、60min、6h、24h設計雨量。

24小時雨型排列規則：時段雨量老大項排列在18:00時刻，時段雨量老二項排在老大項的左邊；其余從大到小奇數項排列在左邊，偶數項排列在右邊，當右邊排滿24:00后，余下各項時段雨量從大到小排列在左邊。

2.2 產流計算

根據小流域山洪特征，考慮前期土壤含水量75mm、90mm兩種工況，采用蓄滿產流模型[1]計算流域產水量，公式如下：

(4)

(5)

當P≤0時，R=0；

當P≥0且P+A≥Wmm時，R=P-(Wm-W0)。

式中，P—時段降雨量，mm；R—時段產流總量，mm；Wm—流域平均蓄水容量，取值100mm；W0—流域初始平均需水量，按照W0=75mm、W0=90mm兩種情況計算；Wmm—流域內最大點蓄水量，取值120mm；B—蓄水含量拋物線指數，小流域取值0.2；IMP—流域不透水面積占全流域面積比，取值為0；A—前期最大點蓄水容量，mm。

2.3 匯流計算

流域面積小于50km2的流域選用浙江省推理公式計算洪峰流量。全面積匯流計算公式如下：

(6)

(7)

(8)

式中，τ—匯流時間，h；hR—τ時段內凈雨量，mm；F—斷面以上流域集雨面積，km2；Qmp—設計洪峰流量，m3/s；Vτ—流域平均匯流速度，m/s；L—自斷面至流域分水嶺的主河長度，km；J—河道坡降；m—匯流參數。

部分面積匯流采用改進的推理公式計算洪水[2]。改進的推理公式法將等流時匯流面積分配曲線簡化為三角形，其計算公式如下：

(9)

(10)

式中，R上—時段為tc的凈雨量，mm；m—匯流參數；F—流域面積，km2；L—沿流程長度，km；J—沿流程的平均比降；tc—凈雨歷時，h；Qm—洪峰流量值，m3/s；T總—三角形匯流過程歷時，h。

3 臨界雨量計算

3.1 預警時段

根據《山洪災害分析評價技術要求》中預警時段選擇原則，并結合浙江省山洪項目組要求，選擇匯流時間τ、1h、2h、3h四個典型時段作為預警時段，對匯流時間τ小于1h的特小流域增加0.5h預警時段。

3.2 成災流量

根據外業調查的成災水位、河床糙率、洪水比降，采用曼寧公式推算成災流量。成災水位取沿河房屋受災的最低高程；河道糙率根據現狀河道護岸、河底底質、兩岸植被等情況，參照經驗糙率表確定；洪水比降一般選用河底比降。

曼寧公式：

(11)

(12)

(13)

式中，A—過流面積，m2；P—濕周，m；R—水力半徑，m；J河道坡降；n—河道糙率；V—流速，m/s；Q災—成災流量，m3/s。

3.3 臨界雨量

假定初始頻率暴雨i，結合《浙江省短歷時暴雨圖集》計算10min、1h、3h、6h、24h典型時段設計雨量，依據雨型分配得到降雨過程。考慮前期土壤含水量90mm工況，采用蓄滿產流模型計算凈雨，通過全面產流推理公式計算洪峰Qi和匯流時間τ。若計算洪峰Qi與成災流量Q災相對誤差小于允許值1%，則沿河村落現狀防洪能力為1/i年一遇，成災流量相應的匯流時間為τ。然后由暴雨頻率i計算τ時段相應的臨界雨量P臨iτ。否則，重新設定另一頻率的暴雨，反復試算，直至計算洪峰Qi與成災流量Q災滿足允許誤差要求。

當匯流時間τ大于預警時間t預警，流域為部分面積產流，則通過試算頻率暴雨j，采用部分面積產流推理公式計算洪峰，直至∣Qt預警-Q災∣/Q災<1%，可求得t預警時段相應的臨界雨量。若匯流時間τ小于預警時間t預警，流域為全面產流，則達到成災流量的預警時段降雨與匯流時段降雨屬同頻率，由匯流時段暴雨頻率i求得預警時段的臨界雨量。同理，可計算前期土壤含水量75mm工況各預警時段的臨界雨量。臨界雨量計算原理如圖2所示。

基于臨界雨量計算原理，利用Excel VBA模塊開發了臨界雨量計算程序，成災流量反推臨界雨量過程全部由計算機電算完成。

4 預警指標綜合確定

考慮預警提前性和防洪安全性，結合浙江省山洪項目組意見，選擇臨界雨量下浮15%作為沿河村落立即轉移預警指標，立即轉移雨量下浮15%作為準備轉移指標。對立即轉移指標過小的村落，可取立即轉移指標等于臨界雨量。對于流域及附近流域有測站的沿河村落，應調查歷史暴雨和村落成災情況，結合預警指標計算成果，綜合確定預警雨量。

圖2 臨界雨量計算框圖

5 計算實例

慶元縣五大堡鄉后廣村沿河房屋最低高程343.28m(85高程)作為控制斷面成災水位。經外業勘測，現狀河道兩岸為干砌石護岸，河底為大狀塊石，根據經驗糙率取值表，河道綜合糙率取0.035。經測量，河道控制斷面位置平均坡降為0.023。據1∶500地形圖量測，控制斷面以上流域面積25.4km2，河長8.04km，河道平均坡降0.041。沿河村落基本特征情況見表1。

表1 沿河村落基本特征表

根據斷面測量成果，成災水位、河道糙率、河底比降等參數取值，采用曼寧公式反推成災流量為232m3/s。將流域特征值、暴雨參數、成災流量輸入到臨界雨量計算模塊，計算各預警時段臨界雨量。考慮臨界雨量指標下浮，得到沿河村落立即轉移、準備轉移雨量預警指標，見表2。

表2 五大堡鄉后廣村預警指標計算表

6 結語

(1)通過試算頻率暴雨，計算不同土壤含水量條件下的臨界雨量，利用Excel VBA模塊開發了臨界雨量計算程序，經實例檢驗該程序計算快捷、結果可靠，可作為浙江小流域確定臨界雨量的方法。

(2)在計算臨界雨量基礎上進行指標下浮作為預警雨量，為保守經驗做法，沿河村落應結合歷史暴雨和洪災發生情況綜合確定預警雨量。

(3)成災水位、河道糙率、洪水比降為外業調查主控因素，參數取值對臨界雨量指標影響較大，在水文計算過程中應結合河道現狀合理取值。