王晶娥

（遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 12300）

無資料地區(qū)山洪預警動態(tài)臨界雨量計算

王晶娥

（遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 12300）

文章基于水位流量反推原理，以遼寧西部某無資料地區(qū)山洪為研究實例，計算該區(qū)域山洪預警的動態(tài)臨界雨量，并結(jié)合二維水動力學模型對區(qū)域山洪進行了淹沒范圍分析。分析結(jié)果表明：水位流量反推方法可較好的解決無資料地區(qū)山洪預警動態(tài)臨界雨量的計算問題，確定的不同時段臨界雨量和區(qū)域?qū)嶋H情況較為吻合。山洪淹沒分析可確定淹沒水深和淹沒范圍，成果可為山洪預警和防洪決策提供重要依據(jù)。

水位流量反推法；動態(tài)臨界雨量計算；無資料地區(qū)；山洪淹沒分析；遼寧西部山洪預警

當前，流域內(nèi)大江大河及中小河流的防洪體系已經(jīng)基本架構(gòu)完成，而小流域山洪由于受暴雨突發(fā)影響，呈現(xiàn)頻發(fā)多發(fā)的態(tài)勢，且山洪致災損失十分嚴重，為此急需要對小流域山洪進行預警研究，從而為山洪災害防治和防汛決策提供重要的依據(jù)。山洪預警的重要指標之一為區(qū)域的臨界雨量，當前國內(nèi)對臨界雨量的計算進行了不同程度的研究［1-6］，但主要是針對有資料山洪地區(qū)的動態(tài)臨界雨量計算，而對于無資料地區(qū)山洪臨界雨量推算的研究相對較少。近些年來，隨著各區(qū)域山洪非工程措施的逐步開展，急需要對一些無資料地區(qū)的山洪預警進行動態(tài)臨界雨量的計算。目前，水位流量反推法在一些區(qū)域中小河流無資料地區(qū)的洪水預警中得到應用［7-9］，但是在山洪災害洪水預警分析中應用還較少，特別是在遼寧西部無資料地區(qū)山洪預警動態(tài)臨界雨量計算中還未得到應用。為此本文引入水位流量反推法，并以遼寧西部某無資料地區(qū)山洪為計算實例，對該實例的山洪預警動態(tài)臨界雨量進行計算。

1 基于水位流量反推方法的山洪預警動態(tài)臨界雨量計算原理

水位流量反推計算山洪預警動態(tài)臨界雨量的基本原理為首先結(jié)合設計暴雨計算成果，得到區(qū)域不同頻率下的設計暴雨曲線，再結(jié)合設計洪水計算，確定得到不同頻率下的洪峰流量曲線，結(jié)合區(qū)域水位流量關(guān)系，確定不同致災水位對應的成災洪峰流量Q，應用確定的設計洪峰頻率曲線反推得到相應的頻率P，結(jié)合該頻率和設計暴雨頻率曲線，動態(tài)反推計算得到區(qū)域不同頻率下的動態(tài)臨界雨量，其主要計算方程包括設計暴雨和設計洪水的計算，計算方程如下：

首先計算設計點暴雨，其計算方程為：

式中，Pp-不同頻率下的設計點雨量，mm；KP-皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數(shù)；-P-不同時段的設計暴雨均值，本文設計時段選為 10min、1h、6h以及24h。

在計算設計點雨量的基礎上，采用動點動面的方式進行點面折減計算區(qū)域的設計面暴雨量，計算方程為：

式中，Pp面-不同頻率下的設計面雨量，mm；K-點面折減系數(shù)，其中點面折減系數(shù)的計算方程為：

式中，a、b、c-計算系數(shù)，本文分別取為-0.027，0.925， 0.0016； F-設計區(qū)域的面積，km2。

在設計暴雨計算的基礎上，需要進行設計洪水的計算，本文選用小流域設計洪水經(jīng)驗公式計算流域的設計洪水，計算方程為：

式中，φp-不同頻率下的洪峰徑流系數(shù)；ip-設計暴雨強度；F-設計區(qū)域面積。其中設計暴雨強度ip的計算方程為：

式中，τ-流域匯流時間，其計算方程為：

式中，L-計算河長，km；J-河段比降，‰；X和Y-流域下墊面特征參數(shù)，本文分別取為0.57和0.65。

本文結(jié)合二維水動力學方程計算小流域山洪的淹沒范圍，考慮文章篇幅原因，二維水動力學方程可詳見參考文獻［10］。

2 計算實例

2.1 區(qū)域概況

本文以遼寧西部某山洪小流域為計算實例，該區(qū)域的地形圖見圖1。區(qū)域集水面積為21.5km2，區(qū)域河長為11.27km，比降為12.1‰，為典型的山區(qū)性河流，區(qū)域內(nèi)有2個行政村落。

圖1 研究區(qū)域地形圖

2.2 設計暴雨計算

根據(jù)沿河村落集水區(qū)（小流域）的位置查遼寧省暴雨參數(shù)圖集中的年最大10m in、1h、6h、24h點雨量均值等值線圖、點雨量Cv等值線圖，得到各個小流域的相應時段的點雨量均值和；查暴雨洪水圖集皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數(shù)Kp值表，可得各計算單元不同設計暴雨頻率相應的Kp值（見表1），乘以暴雨均值可得不同設計暴雨頻率的設計點雨量，即可得到各時段的設計點雨量。

表1 小流域設計暴雨Kp系數(shù)表

根據(jù)遼寧省短歷時暴雨時面深關(guān)系圖，可得各小流域10min、1h、6h、24h、72h暴雨折算系數(shù)KF，乘以設計點雨量得到1h、6h、24h、72h的設計面雨量，小流域因匯流面積小于50km2，各時段KF均為1，由此得到研究小流域的設計暴雨成果。

表2 小流域設計暴雨成果表

2.3 設計洪水計算

在設計面暴雨和流域匯流時間計算基礎上，結(jié)合公式（5）可計算得到區(qū)域不同頻率的暴雨強度，結(jié)合遼寧省水文手冊可得到區(qū)域不同頻率的設計洪峰徑流系數(shù)，各參數(shù)結(jié)構(gòu)見表3。

表3 典型頻率設計洪水參數(shù)表

在設計洪水參數(shù)確定的基礎上，可以計算流域內(nèi)2個防災對象不同頻率下的區(qū)域設計洪水成果，計算結(jié)果見表4。

表4 防災對象推理公式法設計洪水計算成果表

2.4 水位流量關(guān)系的建立

在設計暴雨和設計洪水基礎上，需要確定各防災對象的水位流量關(guān)系，根據(jù)控制斷面測量結(jié)果，采用曼寧公式法，確定防災對象河道控制斷面的水位流量關(guān)系，因各防災對象沒有水面線信息，可采用防災對象的河床比降作為水位流量轉(zhuǎn)換中的比降。因無實測水文資料，根據(jù)溝道特征，參照天然河道典型類型和特征情況下的糙率，確定水位流量轉(zhuǎn)換中的糙率，以相鄰流域水文站實測洪水資料的水位、流量、面積、濕周等，采用曼寧公式反推值進行校正，確定各個防災對象控制河段河床的糙率值。根據(jù)以上方法，基于調(diào)查成果資料，確定各個防災對象水位流量關(guān)系曲線，結(jié)果見圖2。

圖2 各防災對象水位流量關(guān)系圖

2.5 動態(tài)臨界雨量計算

根據(jù)成災流量和洪峰流量關(guān)系曲線可得到成災流量對應的頻率，結(jié)合暴雨頻率曲線可以推算出臨界雨量值，如表5、圖3所示。

從表5中可以看出，隨著時段的增加，1#和2#村落的臨界雨量也逐步增加，1#村落不同時段的臨界雨量在49～128mm之間，其匯流時間內(nèi)的臨界雨量為30mm。2#村落從第1時段到第24時段其臨界雨量在88～249mm之間，其匯流時間的臨界雨量為70mm，2#村落的臨界雨量的等級均大于1#村落。從流域不同時段的臨界雨量動態(tài)變化曲線（圖3）中可以看出，各時段動態(tài)臨界雨量變化曲線呈現(xiàn)較為明顯的線性變化趨勢，各時段動態(tài)臨界雨量變化較為相似，具有一定的相似規(guī)律性，隨著時間的增加，其臨界雨量也逐步較大，表明山洪災害與暴雨量以及暴雨強度都有較為密切的聯(lián)系，從圖3還可看出，降水中心在上游，區(qū)域的臨界雨量雨大，降水中心的分布對區(qū)域臨界雨量動態(tài)變化影響較大。

表5 小流域臨界雨量成果表

圖3 不同時段的臨界雨量動態(tài)變化曲線

2.6 山洪預警指標綜合分析

臨界雨量是從成災水位對應流量的洪水推算得到的，在數(shù)值上認為臨界雨量即為緊急的預警指標；對于告知、警戒指標，在臨界雨量基礎上進行折減處理，得到研究小流域預警指標成果，預警指標結(jié)果見表6。

圖4 區(qū)域不同時段淹沒分析結(jié)果

表6 設計小流域預警指標成果表

從表6中可以看出，1#防災村落其不同預警等級的預警指標在29.4～128.0mm之間，這和區(qū)域暴雨特點情況較為吻合，區(qū)域不同時段2%頻率下的暴雨在36.4～254.0mm之間，1#防災對象預警指標在該范圍之內(nèi)，并且和區(qū)域?qū)嶋H暴雨特點較為吻合。2#防災村落其不同預警等級的預警指標在52.8～249.0mm之間，由于其在下游，其預警雨量值均要大于1#防災村落。綜上設計小流域雨量預警指標結(jié)果可以看出，水位流量反推的動態(tài)臨界雨量和區(qū)域?qū)嶋H情況較為吻合，適用于區(qū)域無資料地區(qū)山洪預警的動態(tài)臨界雨量推求。

2.7 山洪淹沒分析

在預警指標分析的基礎上，本文結(jié)合二維水動力學模型對區(qū)域50年一遇不同時段的淹沒范圍進行了模擬分析，分析結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，研究小流域3h基本上水流已經(jīng)達到流域出口，從50年一遇洪水最大淹沒范圍（最大淹沒水深）可以看出，50年一遇洪水影響最大面積為1.89km2，水深小于0.5m的影響范圍較小，淹沒面積為0.48km2，而當水深大于3m時，其影響面積達到最大1.89km2，其影響面積較小的原因是因為流域地形原因，河道兩邊范圍內(nèi)地形較低，而周圍地形均較高。從圖中可以確定淹沒范圍，由于結(jié)果是矢量結(jié)果，可以應用地理信息軟件提取淹沒面積和淹沒水深，為區(qū)域山洪預警提供決策依據(jù)。

3 結(jié)論

本文結(jié)合水位流量反推原理，以遼寧西部某無資料地區(qū)山洪為實例，計算該區(qū)域動態(tài)臨界雨量，并結(jié)合二維水動力學模型對區(qū)域山洪進行淹沒模擬分析，研究結(jié)論為：

（1）水位流量反推方法可解決無資料地區(qū)山洪預警動態(tài)臨界雨量計算的問題，計算結(jié)果合理，可在山洪預警指標分析計算中進行應用和推廣。

（2）降水中心在上游，區(qū)域的臨界雨量大，降水中心的分布對區(qū)域臨界雨量動態(tài)變化影響較大。

（3）流域受淹范圍受地形條件影響較大，地勢較低區(qū)域山洪淹沒范圍較大，淹沒范圍可為區(qū)域山洪預警提供重要的決策依據(jù)。

［1］毛北平.垂向混合產(chǎn)流模型在無資料地區(qū)山洪災害臨界雨量計算中的應用［J］.應用基礎與工程科學學報，2016（04）：720-730.

［2］樊建勇，單九生，管珉，等.江西省小流域山洪災害臨界雨量計算分析［J］.氣象，2012（09）：1110-1114.

［3］陳桂亞，袁雅鳴.山洪災害臨界雨量分析計算方法研究［J］.人民長江，2005（12）：40-43+54.

［4］祝武斌.甘肅省成縣山洪災害臨界雨量分析計算［J］.水利規(guī)劃與設計，2015（03）：26-28.

［5］段生榮.典型小流域山洪災害臨界雨量計算分析［J］.水利規(guī)劃與設計，2009（02）：20-21+57.

［6］段生榮.典型小流域山洪災害臨界雨量計算分析---以黃河流域大通河支流為例［J］.中國農(nóng)村水利水電，2008（08）：63-65+68.

［7］吳承卿.基于降雨～水位關(guān)系的臨界雨量確定方法研究［J］.人民珠江，2016（11）：21-25.

［8］馬傳波.山區(qū)小流域洪水預警臨界雨量值確定方法的研究與應用［J］.吉林水利，2016（06）：50-52+62.

［9］張玥，楊春輝，孟祥國.尾水位流量關(guān)系在尼爾基水庫的應用［J］.東北水利水電，2015（07）：32-33+36.

［10］王春宇.基于二維水動力學模型的河流水力學特征分布研究［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2016（04）：56-58+101.

P426.6

A

1672-2469（2017）10-0053-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.015

2017-04-20

遼寧省水利廳科技指導計劃性項目（2014-08）

王晶娥（1980年-），女，工程師。