原文林，劉美琪，宋漢振

(鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001)

我國山洪災(zāi)害呈現(xiàn)多發(fā)、易發(fā)、頻發(fā)、重發(fā)的特點，1949年以來因山丘區(qū)爆發(fā)的山洪災(zāi)害所造成的人員傷亡占洪澇災(zāi)害死亡人數(shù)的70%以上[1]。山洪災(zāi)害已成為威脅人民群眾生命財產(chǎn)安全的突出隱患，是我國防洪減災(zāi)工作中亟待解決的突出問題[2]。目前國內(nèi)預(yù)報山洪災(zāi)害發(fā)生與否，采用最多的方法是利用雨量預(yù)警指標(biāo)來判別。因此，提高雨量預(yù)警指標(biāo)精度對于準(zhǔn)確發(fā)布預(yù)警信息，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失具有非常關(guān)鍵的作用。

雨量預(yù)警指標(biāo)(臨界雨量)計算方法眾多，對山丘區(qū)小流域常采用水位流量反推法[3]，而設(shè)計洪峰值是確定雨量預(yù)警指標(biāo)的一個重要參數(shù)。由于山區(qū)較缺乏降雨徑流資料，水文模型參數(shù)無法直接率定[4]，難以精確計算洪峰值。為此，借助地區(qū)暴雨圖集(水文手冊)，通過設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水的方法在實際工程實踐中被廣泛應(yīng)用[5]。在設(shè)計暴雨洪水計算時，涉及降雨量在時程上的分配問題，即雨型的確定。岑國平[6]在1998年研究表明，設(shè)計暴雨雨型對城市、機(jī)場排水設(shè)計中的洪峰流量具有一定影響。Jain等[7]計算無資料地區(qū)洪水時發(fā)現(xiàn)，設(shè)計洪峰對設(shè)計暴雨模式及時間分配比較為敏感。范澤華[8]利用Huff雨型推導(dǎo)了天津市設(shè)計雨型，并提出時段雨型，得到了更為精細(xì)的降雨時程分布。Mca P等[9]通過模擬不同降雨時程分布過程所形成的洪水，發(fā)現(xiàn)降雨時程分布對洪水匯流具有影響。林木生等[10]通過建立洪量與暴雨特征因子的關(guān)系，分析暴雨時空變化對洪水要素的影響，發(fā)現(xiàn)暴雨時間變差系數(shù)對洪峰流量具有顯著影響。侯精明等[11]通過對城市不同雨型的內(nèi)澇或暴雨積水量進(jìn)行模擬，揭示了暴雨雨型對城市內(nèi)澇積水程度的量化規(guī)律。

上述研究體現(xiàn)了雨型在城市暴雨洪水研究中具有一定的作用。但是山洪災(zāi)害預(yù)警研究時，雨型的基礎(chǔ)作用還未過多體現(xiàn)。設(shè)計暴雨洪水計算中若忽略了雨型的基礎(chǔ)作用，當(dāng)實際降雨過程與采用的設(shè)計雨型吻合度較低時，可能導(dǎo)致設(shè)計洪水成果與實際情況相差較大，雨量預(yù)警指標(biāo)就會存在偏差。因此，解決上述問題的關(guān)鍵就在于考慮小流域雨型的準(zhǔn)確性和適用性。本文以裴河小流域夏灣組作為預(yù)警對象，采用模糊識別法分析最可能出現(xiàn)的暴雨雨型，在裴河小流域降雨特性分析基礎(chǔ)上，結(jié)合地區(qū)暴雨圖集中的設(shè)計雨型，分析不同雨型對臨界雨量的影響，并揭示雨型與臨界雨量間的響應(yīng)關(guān)系，研究成果對于提高山洪災(zāi)害雨量預(yù)警指標(biāo)精度具有重要的理論研究和實際應(yīng)用價值。

1 雨量預(yù)警指標(biāo)計算方法及原理

目前常用的雨量預(yù)警指標(biāo)計算方法主要包括數(shù)據(jù)驅(qū)動法、水文水力學(xué)法兩類。其中，數(shù)據(jù)驅(qū)動法應(yīng)用時缺乏一定的物理理論基礎(chǔ)，使統(tǒng)計歸納計算的雨量預(yù)警指標(biāo)存在數(shù)據(jù)系列非一致性的問題。因此，隨著對山洪災(zāi)害雨量預(yù)警指標(biāo)的進(jìn)一步認(rèn)識，根據(jù)流域特征、河道斷面成災(zāi)流量(水位)等信息，通過產(chǎn)匯流計算并反推相應(yīng)降雨量的水文水力學(xué)法也逐漸成為計算雨量預(yù)警指標(biāo)的常用方法，即水位流量反推法。雨量預(yù)警指標(biāo)計算過程中主要涉及設(shè)計洪水計算、臨界雨量計算兩大部分。

1.1 設(shè)計洪水計算方法

設(shè)計洪水計算包括產(chǎn)流計算、匯流計算。產(chǎn)流計算方法常用徑流系數(shù)法[12]、降雨徑流相關(guān)圖法[13]、初損后損法[14]；匯流計算方法常用經(jīng)驗公式法、推理公式法、單位線法等[15]。根據(jù)山丘區(qū)小流域特征，在滿足精度要求并計算方便適用的條件下，產(chǎn)流計算多采用降雨徑流相關(guān)圖法。本文依據(jù)《河南省中小流域設(shè)計暴雨洪水圖集》中“河南省山區(qū)丘陵地區(qū)降雨徑流關(guān)系曲線圖”計算凈雨過程。

由于匯流計算中需要用到暴雨時程分配過程，即雨型，為此選用瞬時單位線法計算洪峰流量。Nash瞬時單位線法基于串聯(lián)線性水庫假設(shè)的水文匯流經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，該模型?yīng)用的關(guān)鍵是確定n、K兩個匯流參數(shù)。其中，n是綜合反映流域調(diào)蓄能力的參數(shù)，K是反映流域匯流時間的參數(shù)。瞬時單位線數(shù)學(xué)公式表達(dá)式為：

(1)

式中：u(0,t)為瞬時單位線縱高；Г(n)為伽瑪函數(shù)。

瞬時單位線是由瞬時凈雨產(chǎn)生的，匯流計算時需通過S(t)曲線將其轉(zhuǎn)換成時段單位線，S(t)曲線為瞬時單位線方程的積分，即：

(2)

時段單元過程線為：

u(Δt,t)=S(t)-S(t-Δt)

(3)

從而推求由瞬時單位線轉(zhuǎn)換的時段單位線公式：

(4)

則匯流出口斷面流量過程為：

(5)

根據(jù)以上原理，瞬時單位線法計算步驟可概括為：①推求設(shè)計暴雨時程分配過程；②利用產(chǎn)流計算方法，計算各時段的凈雨深，并之和等于總的徑流深；③確定n、K兩個匯流參數(shù)；④根據(jù)n、K值，由瞬時單位線推求時段單位線；⑤各時段凈雨量乘以時段單位線，經(jīng)過疊加后生成小流域的洪水出流過程。

1.2 臨界雨量計算方法

本文臨界雨量計算采用廣泛使用的水位流量反推法，其假定小流域控制斷面處有一洪峰流量Qm，存在某個預(yù)警時段的降雨量Ht，經(jīng)產(chǎn)匯流計算后所形成的洪水中洪峰流量等于控制斷面處的洪峰流量Qm，并且該降雨量Ht的設(shè)計頻率等于Qm的設(shè)計頻率。

水位流量反推法基本思路：首先，由設(shè)計暴雨經(jīng)過產(chǎn)流計算其設(shè)計凈雨過程，通過匯流計算推求各典型頻率下的設(shè)計洪峰流量，并點繪設(shè)計洪峰與對應(yīng)頻率的關(guān)系曲線Qm,p～P；然后，依據(jù)成災(zāi)流量Q災(zāi)，在Qm,p～P關(guān)系曲線上確定對應(yīng)的頻率P，基于臨界雨量與成災(zāi)流量同頻率的假定，計算頻率P對應(yīng)的各時段設(shè)計暴雨，即為各預(yù)警時段的臨界雨量。該方法具體計算過程如圖1所示。

圖1 水位流量反推法計算流程Fig.1 Calculation process of inversion method of water level/flow

2 裴河小流域

2.1 研究區(qū)概況

裴河位于河南省信陽市新縣，屬淮河流域潢河水系，控制流域面積為177 km2。研究區(qū)出口斷面處有一座裴河水文站，流域內(nèi)分布著董店、泗店、余河、西畈、余畈、唐畈6個雨量站。本文收集與整理了研究區(qū)內(nèi)各雨量站及水文站1982-2013年降雨、徑流資料。研究區(qū)位置及水文站、雨量站、水系情況示意圖如圖2所示。

裴河小流域所處山地，溝大谷深，呈V字型分布，坡度大多在30°以上。地表植被較少，覆蓋率較低，抗御自然災(zāi)害、水土流失的能力較弱。流域內(nèi)年降雨量充沛，夏季短歷時強(qiáng)降雨較為集中。根據(jù)新縣近50年的山洪災(zāi)害統(tǒng)計資料表明，每次山洪災(zāi)害的發(fā)生，都是在降雨量較大、雨強(qiáng)高的前提條件下形成的，并造成嚴(yán)重?fù)p失。

圖2 研究區(qū)位置及水系示意圖Fig.2 The schematic diagram of location and water system about study area

2.2 研究區(qū)降雨特性分析

統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)多個雨量站32 a長系列降雨資料，采用年最大法選取各站典型降雨過程，并利用泰森多邊形法計算面雨量，總共得到28場完整的面雨量過程，28場面雨量過程包含了不同雨峰位置的降雨過程，具有一定代表性?；诮y(tǒng)計結(jié)果對研究區(qū)降雨歷時、降雨類型及雨峰所處位置進(jìn)行定性分析。

(1)降雨歷時分析。按照雨場分割原則[16]，研究區(qū)降雨歷時統(tǒng)計結(jié)果如表1?？芍芯繀^(qū)多以1～6 h的短歷時降雨為主，占比多達(dá)64%。

表1 降雨歷時統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 The statistical results of the rainfall duration

(2)降雨類型分析。模式雨型將降雨類型劃分為7種(如圖3)，采用模糊識別法[17]將28場雨量過程與模式雨型進(jìn)行相似度識別，對研究區(qū)最可能出現(xiàn)的降雨類型進(jìn)行定性分析。

圖3 模式雨型示意圖Fig.3 The model rainfall pattern

實際降雨過程與七類模式雨型之間的貼合度計算公式如下：

(6)

式中：k表示七種模式雨型序號；Vki表示第k類雨型第i時段的時段雨量占總雨量比例；xi表示某場實際降雨過程第i時段雨量占總雨量比例。

7種模式雨型各時段雨量占總雨量比例如表2所列。在模糊識別各降雨類型時，各場次降雨的貼合度均達(dá)到80%及以上，結(jié)果如表3所列。

表2 模式雨型各時段雨量所占總雨量比例Tab.2 The proportion of total rainfall in each period of model rainfall pattern

注：表中模式雨型各時段雨量占總雨量比例單位為%。

表3 降雨類型統(tǒng)計結(jié)果Tab.3 The statistical results of the rainfall types

表3說明研究區(qū)單峰型降雨最多，占比達(dá)82.1%，其中第Ⅰ類、第Ⅲ類降雨類型出現(xiàn)的可能性最大，即單峰型且雨峰偏前或雨峰居中，28場中占比分別達(dá)到28.6%、35.7%。所以本文對研究區(qū)暴雨雨型的相關(guān)分析將以單峰型降雨為主。

通過表1、表3綜合分析表明，裴河小流域降雨特征可定性描述為：以短歷時單峰型降雨為主，降雨量集中且雨峰偏前或居中?！逗幽鲜≈行×饔蛟O(shè)計暴雨洪水圖集》中6 h設(shè)計雨型的雨峰位置靠后，與裴河小流域降雨特性結(jié)果有所偏差。山洪災(zāi)害分析研究中采用唯一的設(shè)計雨型時，由于降雨的不確定性和隨機(jī)性，可能導(dǎo)致設(shè)計洪水結(jié)果不準(zhǔn)確，影響雨量預(yù)警指標(biāo)的準(zhǔn)確度，因此有必要探究不同暴雨雨型對雨量預(yù)警指標(biāo)的影響程度。

3 實例分析

3.1 設(shè)計洪水結(jié)果分析

山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)的預(yù)警時段多以1、3、6 h為主，夏灣組匯流時間為2 h。綜合分析，為了預(yù)警對象的臨界雨量計算準(zhǔn)確，本文的設(shè)計暴雨洪水歷時均選取6 h。

3.1.1 設(shè)計暴雨計算

由《河南省中小流域設(shè)計暴雨洪水圖集》中設(shè)計暴雨公式計算夏灣組典型頻率下6 h設(shè)計暴雨，其中最大1 h點雨量均值為45 mm，變差系數(shù)Cv=0.40，偏態(tài)系數(shù)Cs=3.5Cv?；谀：R別結(jié)果中第Ⅰ類雨型、第Ⅲ類雨型及設(shè)計雨型，分別得到6 h設(shè)計暴雨時程分配過程，如圖4所示。

圖4 研究區(qū)三種不同的設(shè)計暴雨時程分配過程Fig.4 Time allocation process of three different design rainstorms in the study area

3.1.2 設(shè)計洪峰計算

基于上述三種不同暴雨時程分配，利用降雨徑流相關(guān)法計算其設(shè)計凈雨過程。因研究區(qū)土壤質(zhì)地多以黏性土或壤土為主，土壤保水能力較強(qiáng)，所以夏季多雨期時的前期土壤含水量(Pa)為濕潤狀態(tài)，取土壤最大蓄水量(Wm)的0.8倍，即Pa=0.8Wm=48 mm。

設(shè)計暴雨洪水計算中采用瞬時單位線模型(IUH)計算洪峰流量。IUH涉及的參數(shù)有線性水庫個數(shù)n和調(diào)蓄系數(shù)K。本文采用基于矩法估計的方向加速法確定參數(shù)n、K，其基本思路是利用矩法計算方便快捷的特點，將矩法的結(jié)果作為初始值，以擬合精度為判別準(zhǔn)則通過方向加速法[18,19]進(jìn)行參數(shù)最優(yōu)化選取，即滿足擬合精度時的參數(shù)值為模型最優(yōu)值。

(1)參數(shù)n、K計算。本文以裴河小流域長系列徑流資料，選取“峰高、量大、主峰偏后”的典型洪水20場，由矩法估算的參數(shù)n、K作為初始解，通過計算模擬多場次洪水過程，達(dá)到理論計算流量值與實測流量值盡可能吻合的目的，即擬合精度G達(dá)到收斂條件。

(7)

G(m)-G(m-1)≤ε

(8)

計算模擬了17場典型洪水過程，優(yōu)選確定n=0.39，K=8.80。

(2)參數(shù)n、K驗證。選取裴河其他2場典型洪水進(jìn)行參數(shù)的合理性檢驗，其雨洪編號分別為20040718、20130526，洪峰值及洪峰出現(xiàn)時間差對比結(jié)果如表4所列，模擬洪水過程和實測洪水過程對比如圖5所示。由表4看出洪水過程的模擬洪峰值與實測洪峰值擬合較好。圖5表明模擬的洪水過程與實測洪水過程基本相同，漲洪、退水趨勢也很接近，各時段模擬流量值與實測流量值吻合程度較高。

據(jù)《水文情報預(yù)報規(guī)范(GB/T 22482-2008)》可知，降雨徑流預(yù)報以實測洪峰流量的20%作為許可誤差，驗證結(jié)果中模擬洪峰值與實測洪峰值的最大相對誤差僅為7%，說明本文瞬時單位線模型的參數(shù)值是合理的，并且模型可以滿足計算精度要求。臨界雨量的確定是基于洪峰流量和漲洪過程，因此可利用已建立的瞬時單位線模型計算洪峰，進(jìn)一步確定預(yù)警對象的臨界雨量信息。

表4 瞬時單位線參數(shù)的驗證結(jié)果Tab.4 Verifying results of IUH parameters

圖5 洪水過程模擬值與實測值比較Fig.5 Comparison of calculated and measured data of flood process

基于上述驗證合理的瞬時單位線模型，計算夏灣組各典型頻率的設(shè)計洪峰流量，6 h設(shè)計洪峰結(jié)果如表5所列。

表5 夏灣組不同雨型的設(shè)計洪峰流量計算結(jié)果Tab.5 Calculation result of design flood peak flow of different rainfall patterns of XiaWan

表5結(jié)果表明，不同雨型計算的設(shè)計洪峰流量值存在偏差。同一設(shè)計頻率時，設(shè)計雨型計算的洪峰值遠(yuǎn)大于第Ⅰ類雨型、第Ⅲ類雨型的洪峰值，其中第Ⅲ類雨型的洪峰值大于第Ⅰ類雨型的洪峰值。這是由于前期降雨需要使土壤達(dá)到飽和而下滲損失掉了，然后剩余雨量用于形成地表徑流，恰恰第Ⅰ類雨型和第Ⅲ類雨型的雨峰靠前，其雨強(qiáng)較大時的降雨量多用于下滲來補(bǔ)充土壤水分，后續(xù)較小的雨量形成了地表徑流。但是，設(shè)計雨型前期很長時段內(nèi)雨量較小，該部分小雨量都用于補(bǔ)充土壤水分，當(dāng)后續(xù)雨峰出現(xiàn)時，剩余雨量都用于形成地表徑流，所以設(shè)計雨型的洪峰值要比第Ⅰ類雨型、第Ⅲ類雨型的偏大很多。因此，這也說明了雨峰出現(xiàn)越晚，洪峰流量就越大，匯流形成的洪水就會越危險，然而圖集中的設(shè)計雨型恰恰是體現(xiàn)了洪水“峰高、靠后”的不利情況。

3.2 雨量預(yù)警指標(biāo)結(jié)果分析

3.2.1 臨界雨量計算

本文臨界雨量計算方法采用水位流量反推法，該方法假定降雨和洪水頻率相同，所以僅需要預(yù)警對象所在河道的控制斷面地形資料信息，通過水力計算得到其水位～流量關(guān)系曲線，然后推求各預(yù)警時段成災(zāi)雨量。夏灣組水位～流量關(guān)系如圖6所示，其中河道糙率n取值0.023，河道比降J取值0.055。由山洪災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)獲取夏灣組成災(zāi)水位為281.46 m，對應(yīng)的成災(zāi)流量為94 m3/s。

圖6 夏灣組控制斷面處水位流量關(guān)系Fig.6 Water level discharge relationship of XiaWan at control section

通過典型頻率洪峰流量計算結(jié)果(表5)繪制洪峰流量與頻率關(guān)系曲線，在該曲線上由成災(zāi)流量進(jìn)行插值得到相應(yīng)的成災(zāi)頻率，再依據(jù)設(shè)計暴雨反算各時段臨界雨量。土壤含水量為濕潤情況(Pa=48 mm)下不同雨型的臨界雨量結(jié)果如表6所列。

表6 夏灣組不同雨型對應(yīng)的各預(yù)警時段臨界雨量計算結(jié)果Tab.6 Critical rainfall calculations for each warning period in different rainfall patterns of XiaWan

準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量[20]是指山洪災(zāi)害發(fā)生但未成災(zāi)時，在合理的時間內(nèi)組織人員撤離危險區(qū)而轉(zhuǎn)入安全地帶的雨量。準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量的計算也是基于洪水過程線，并且與洪峰流量有著密切關(guān)系。綜合考慮預(yù)警對象所處河谷河段形態(tài)、洪水上漲速率、預(yù)警響應(yīng)時間及站點位置等多因素，對夏灣組的成災(zāi)雨量進(jìn)行折減處理，在成災(zāi)流量出現(xiàn)前0.5 h左右對應(yīng)的流量經(jīng)過反算相應(yīng)的時段雨量，將該雨量作為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量，如表7所列。

表7 夏灣組不同雨型對應(yīng)的各預(yù)警時段準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量計算結(jié)果Tab.7 Preparation and transfer of rainfall calculation results for each warning period in different rainfall patterns of XiaWan

表6、表7結(jié)果表明，第Ⅰ類雨型對應(yīng)的各預(yù)警時段臨界雨量(或準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量)最大，而設(shè)計雨型對應(yīng)各預(yù)警時段的臨界雨量(或準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量)最小，結(jié)合設(shè)計洪峰流量結(jié)果可知，設(shè)計洪峰流量越大對應(yīng)的臨界雨量越小，如圖7、圖8所示。在同一預(yù)警時段內(nèi)，不同雨型的臨界雨量偏差可達(dá)到14～36 mm，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量偏差約13～32 mm。因此反映出雨型對山洪災(zāi)害臨界雨量的影響較大。

圖7 夏灣組不同雨型對應(yīng)的各預(yù)警時段臨界雨量Fig.7 Critical rainfall calculations for each warning period in different rainfall patterns of XiaWan

圖8 夏灣組不同雨型對應(yīng)的各預(yù)警時段準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量Fig.8 Preparation and transfer of rainfall calculation results for each warning period in different rainfall patterns of XiaWan

3.2.2 雨型對臨界雨量影響規(guī)律分析

圖集中設(shè)計雨型的雨峰偏后，并且在第1.2節(jié)中已知裴河小流域降雨特性是以雨峰偏前或居中的單峰型降雨為主。雨型的偏差會造成洪峰流量產(chǎn)生偏差，于是影響預(yù)警指標(biāo)的精度。為了探究不同雨型與預(yù)警指標(biāo)之間的響應(yīng)關(guān)系，以圖集中設(shè)計雨型作為裴河小流域“最不利”的降雨時程分布過程，引入偏差系數(shù)-B和偏差系數(shù)-M分別來估計雨峰偏前、居中時臨界雨量比設(shè)計雨型的臨界雨量偏大多少，將雨型對預(yù)警指標(biāo)的影響進(jìn)行量化。偏差系數(shù)可表示為：

(9)

(10)

式中：H1,t為雨峰偏前(第Ⅰ類雨型)時t時段臨界雨量，mm；H3,t為雨峰居中(第Ⅲ類雨型)時t時段臨界雨量，mm；Hsj,t為設(shè)計雨型t時段臨界雨量，mm。這里需要說明的是H1,t、H3,t、Hsj,t分別為相同成災(zāi)流量所對應(yīng)的t時段臨界雨量。

為了使雨型與雨量預(yù)警指標(biāo)之間的響應(yīng)關(guān)系更好的適用于整個裴河小流域，而不是僅針對某個防災(zāi)對象。于是將成災(zāi)流量進(jìn)行變化，分析不同雨型的偏差系數(shù)與成災(zāi)流量間的變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 偏差系數(shù)與成災(zāi)流量關(guān)系圖Fig.9 Comparison of calculated transfer rainfalls in different rainfall patterns of the Xia Wan

圖9表明偏差系數(shù)受到成災(zāi)流量變化的影響很小，偏差系數(shù)-B在均值1.67上下微小浮動，偏差系數(shù)-M在均值1.39上下微小浮動。不同成災(zāi)流量對應(yīng)的偏差系數(shù)-B和偏差系數(shù)-M均在5%的變化幅度內(nèi)，所以可以認(rèn)為基本不變。因此，以設(shè)計雨型對應(yīng)的臨界雨量為基本預(yù)警信息，當(dāng)出現(xiàn)雨峰偏前的降雨時，各預(yù)警時段臨界雨量比基本預(yù)警信息偏大67%；出現(xiàn)雨峰居中的降雨時，各預(yù)警時段臨界雨量比基本預(yù)警信息偏大39%。綜合分析，裴河小流域的臨界雨量會受到降雨時程分布的影響，導(dǎo)致各預(yù)警時段臨界雨量具有不確定性，即1 h臨界雨量為43～73 mm，3 h臨界雨量為63～106 mm，6 h臨界雨量82～138 mm，需要根據(jù)降雨時程分布情況來具體分析確定各預(yù)警時段臨界雨量。

由以上結(jié)果，選取夏灣組2016年7月的一場成災(zāi)暴雨洪水，其暴雨編號為20160701，摘取該場次降雨的最大6 h降雨過程，總雨量可達(dá)166.5 mm，其雨峰位于第3時段，屬雨峰居中。由該場實際降雨過程，產(chǎn)匯流計算其形成的洪水過程，當(dāng)流量達(dá)到成災(zāi)流量時所對應(yīng)的累計降雨量為160 mm，約6 h。將其總雨量通過暴雨圖集中設(shè)計雨型進(jìn)行時程分配，產(chǎn)匯流計算后，流量到達(dá)成災(zāi)流量時所對應(yīng)的時段累積雨量為117 mm，約4 h。通過對比結(jié)果可知20160701場次雨峰居中的降雨所對應(yīng)的累積降雨量是雨峰偏后的設(shè)計雨型所對應(yīng)的累積時段雨量的1.36倍，接近上述得到1.39倍的結(jié)果。出現(xiàn)該情況是由于設(shè)計雨型及模式雨型都屬于設(shè)計狀態(tài)，與實際降雨過程會存在一定差異性。經(jīng)實際降雨驗證后表明，本文將雨型對臨界雨量影響的定量化分析是具有一定合理性的，但實際應(yīng)用中需要具體情況具體分析，并不能作為唯一確定的倍比值，可作為參考值。

綜合以上不同雨型計算的臨界雨量結(jié)果看出，雨型的不確定性對雨量預(yù)警指標(biāo)的影響較大，導(dǎo)致雨量預(yù)警指標(biāo)也存在不確定性。其次，雨型的雨峰位置越靠后洪峰流量越大，對應(yīng)的臨界雨量會越小，即雨峰所處位置與臨界雨量大小呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)20160701場次實際降雨過程成災(zāi)流量對應(yīng)的時段累計雨量所用時間6 h，與設(shè)計雨型的時段累積雨量所用時間4 h對比可知，若實際降雨的雨峰出現(xiàn)時間早于設(shè)計雨型的雨峰時刻，則易導(dǎo)致空報；相反易出現(xiàn)漏報，造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，山洪災(zāi)害預(yù)警預(yù)研究中，確定雨量預(yù)警指標(biāo)時需要考慮雨型的合理性、可能性，應(yīng)根據(jù)防災(zāi)對象所在小流域的降雨資料、降雨特性、計算精度等多方面要求，綜合選擇適宜的雨型推求方法，得出更接近小流域?qū)嶋H降雨過程的典型雨型，或利用實測降雨資料驗證暴雨圖集中設(shè)計雨型的合理性，弱化雨型對洪水及臨界雨量的影響，從而提高雨量預(yù)警指標(biāo)的精度，準(zhǔn)確發(fā)布預(yù)警信息，減少空報、漏報的現(xiàn)象。

4 結(jié) 語

本研究通過模糊識別小流域最可能出現(xiàn)的雨型，在降雨特性分析基礎(chǔ)上，結(jié)合圖集中設(shè)計雨型，采用合理的產(chǎn)匯流方法和水位流量反推法，確定了預(yù)警對象的臨界雨量和準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量，研究了不同雨型對雨量預(yù)警指標(biāo)的影響程度，以及兩者之間的響應(yīng)關(guān)系。

基于不同雨型計算得到的臨界雨量進(jìn)行了對比分析，具體結(jié)論如下。

(1)山丘區(qū)小流域降雨在時間分布上并不是唯一的，具有隨機(jī)性和不確定性。利用實測降雨資料模糊識別小流域降雨類型，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)頻次較高的雨型與圖集中設(shè)計雨型存在一定偏差，主要體現(xiàn)為雨峰位置不同，雨峰前、后雨強(qiáng)隨時間的變化趨勢有差別。

(2)基于多場次實測洪水過程建立了瞬時單位線模型，通過17場典型洪水對參數(shù)進(jìn)行率定，2場典型洪水對模型進(jìn)行了模擬驗證，結(jié)果表明該瞬時單位線能夠較好的模擬裴河小流域洪水過程，模擬值與實測值最大相對誤差僅為7%，滿足精度要求。通過設(shè)計洪計算發(fā)現(xiàn)，不同雨型得到的設(shè)計洪峰流量偏差較大，雨峰越靠后計算的設(shè)計洪峰流量越大，說明雨峰出現(xiàn)的位置對洪峰流量存在影響。

(3)土壤水分較濕潤的條件下，即Pa=48 mm(0.8Wm)時，雨峰靠后對應(yīng)的1、3、6 h內(nèi)臨界雨量比雨峰靠前、居中時的臨界雨量偏小較多，雨峰位置對雨量預(yù)警指標(biāo)的影響較大。分析得出裴河小流域夏灣組在降雨雨峰偏前時，各預(yù)警時段的臨界雨量是設(shè)計雨型對應(yīng)臨界雨量的1.67倍；降雨雨峰居中時，各預(yù)警時段的臨界雨量是設(shè)計雨型對應(yīng)臨界雨量的1.39倍。準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量可依據(jù)降雨前期土壤含水量及臨界雨量的大小進(jìn)行綜合確定。

本研究有助于進(jìn)行更合理的山洪災(zāi)害分析計算工作，研究結(jié)果也說明了雨型對雨量預(yù)警指標(biāo)的影響較大，工作中需要考慮小流域雨型的合理性及適用性，從而提高山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)的準(zhǔn)確度。同時，研究內(nèi)容也為開展山丘區(qū)山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)檢驗復(fù)核工作提供新的切入點，具有一定的研究與應(yīng)用前景，對山洪災(zāi)害預(yù)警的發(fā)展具有一定意義。但由于本文只針對具體小流域不同雨峰位置的單峰型降雨過程進(jìn)行了研究分析，未考慮多峰型降雨，所以多樣性雨型與小流域山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)的影響規(guī)律有待于深入研究。

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