樊洪林，寶 順

（通遼水文水資源分中心，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

山洪災害是指發(fā)生在山區(qū)流域面積較小的溪溝或周期性流水的荒溪水中，歷時較短、暴漲暴落的地表徑流[1]。我國因山丘面積占比高、地形地質(zhì)條件復雜、暴雨多發(fā)和人類活動強度大等原因，一直遭受著山洪災害的嚴重威脅[2]。山洪破壞性極強，災后恢復困難，開展山洪災害預警是一項切實關系到人民生命財產(chǎn)安全的重要工作[3]。

2009 年，水利部和財政部在全國103 個縣開展了以監(jiān)測、通信、預報和預警等措施為主的山洪防治非工程建設試點工作[4]。在此背景下，內(nèi)蒙古自治區(qū)敖漢旗于2012 年12 月竣工并交付使用了該地區(qū)山洪災害防治非工程措施項目，在近10 a 來發(fā)揮了重要作用[5]。本研究以敖漢旗為例，討論了危險區(qū)域劃分和臨界雨量計算這兩大山洪災害預警中關鍵的水文問題，為摸清相關地區(qū)山洪特征和發(fā)布山洪風險預警提供技術支撐。

1 研究區(qū)域及其山洪特點

1.1 自然地理概況

敖漢旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市東南部（41°42'～43°01'N，119°32'～120°54'E），全旗南北長176 km，東西寬122 km，總土地面積8 300 km2，如圖1 所示。該區(qū)域處于燕山山地丘陵與松遼平原的過渡區(qū)域，境內(nèi)山巒起伏、溝谷縱橫，海拔多在400～800 m，以侵蝕剝蝕地貌為主。

圖1 敖漢旗基本地理信息

敖漢旗為大陸性季風氣候，旗內(nèi)雨量充沛，多年平均降水量430.0 mm，但年內(nèi)分布嚴重不均。受華北低壓、渤海氣旋、臺風及冷鋒影響，該區(qū)域在6—9月容易集中發(fā)生強降雨，且次數(shù)多、歷時長，汛期降水量可達全年的80%。

1.2 河流水庫概況

敖漢旗境內(nèi)大小河流超過30 條，河流總長1 189.2 km，總集水面積8 300 km2。主要河流包括西遼河水系的教來河、孟克河、老虎山河，以及大凌河水系的老哈河、牤牛河等。全旗共建設有14座水庫，總集水面積3 190.41 km2，總庫容1.93×108m3，興利庫容4.24×107m3，在防洪、灌溉、發(fā)電、供水和水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面具有顯著的綜合效益。

1.3 山洪災害特點

敖漢旗地質(zhì)多為遇水易軟化崩解的侵蝕土壤，近年來人類活動破壞了植被、侵占了河道，該地區(qū)在汛期易發(fā)生山洪災害。山洪災害具有季節(jié)性強、破壞性強、重發(fā)性強和成災迅速等顯著特點。調(diào)查顯示，1949—2007 年敖漢旗共發(fā)生較大山洪災害23起，嚴重威脅著人民的生命財產(chǎn)安全。

2 山洪災害預警的水文問題

2.1 山洪災害預警系統(tǒng)簡介

為有效防御山洪災害，敖漢旗建設了山洪災害預警系統(tǒng)，如圖2—3 所示。該系統(tǒng)主要由以下4 個部分組成。

圖2 敖漢旗山洪災害監(jiān)測網(wǎng)絡

圖3 敖漢旗山洪災害預警系統(tǒng)

（1）雨情監(jiān)測模塊。雨情監(jiān)測主要是降雨量監(jiān)測，即將各監(jiān)測站點的降雨數(shù)據(jù)及時傳輸至預警決策模塊，包括監(jiān)測站網(wǎng)布設、雨情信息采集及監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)取１灸K建設了由89 個自動雨量監(jiān)測站和8 個自動水位監(jiān)測站組成的觀測站網(wǎng)，站點布設如圖2所示。

（2）數(shù)據(jù)接口模塊。考慮到防御泥石流、滑坡等災害需求，該模塊用于接收氣象、國土等相關專業(yè)部門發(fā)布的最新信息，并傳遞至預警決策模塊。

（3）預警決策模塊。該模塊用于處理接收數(shù)據(jù)及發(fā)布山洪預警，由可視化界面、計算機網(wǎng)絡、接收數(shù)據(jù)庫等部分組成，具有資料查詢、信息發(fā)布等功能。

（4）山洪聯(lián)防機制。建立健全旗、鄉(xiāng)/鎮(zhèn)、村、組、戶的五級山洪災害聯(lián)合防御體系，設立一至三級山洪災害應急響應預案，最大限度降低生命財產(chǎn)損失。

2.2 山洪預警中的關鍵水文問題

在進行山洪災害預警工作時，主要需要解決以下2個方面的關鍵水文問題。

（1）危險區(qū)域劃分。由于研究區(qū)域內(nèi)地勢高低起伏，因此各地遭遇山洪災害的概率也不盡相同。通過計算一定頻率洪水的水面線，結合地形資料確定受山洪災害影響顯著的危險區(qū)域，進而為精準防治山洪造成危害提供支撐。

（2）臨界雨量確定。山洪災害的主要驅(qū)動因素是降雨，當區(qū)域內(nèi)降雨量達到某一臨界數(shù)值時，該區(qū)域極有可能形成洪水并誘發(fā)山洪災害。確定這一臨界雨量對于預報和防治山洪災害具有重要意義。

3 山洪災害的危險區(qū)域劃分

3.1 危險區(qū)域劃分方法

從降低山洪災害造成危害的角度，通常將研究區(qū)域劃分為危險區(qū)域、警戒區(qū)域和安全區(qū)域。危險區(qū)域是指受山洪災害威脅的區(qū)域，一般處于河谷、溝口、河灘或其他低洼地帶，一旦發(fā)生山洪、滑坡及泥石流將直接造成區(qū)域內(nèi)房屋、設施破壞及人員傷亡。安全區(qū)域是指不受山洪災害威脅、地質(zhì)結構較為穩(wěn)定、可安全從事生產(chǎn)生活活動的區(qū)域。而警戒區(qū)域是介于危險區(qū)域和安全區(qū)域之間的地帶[6]。

具體來說，危險區(qū)域多為已發(fā)生明顯變形或存在裂縫的區(qū)域、含有軟弱夾層的順向坡以及處于歷史洪水線和河流10 a 一遇洪水淹沒線范圍內(nèi)的區(qū)域。安全區(qū)域多為處于歷史最高洪水線或各河流100 a 一遇洪水淹沒線以外的區(qū)域[7]。

由于危險區(qū)域?qū)θ嗣裆敭a(chǎn)的威脅最為顯著，研究主要確定敖漢旗山洪預警中的危險區(qū)域。為此，對敖漢旗各主要河流進行了實地調(diào)查踏勘，逐一確定可能發(fā)生山洪災害的地點，并搜集了歷史洪水資料。勘探表明，威脅敖漢旗境內(nèi)村莊的山洪溝多為直接流向村莊的小型山洪溝。通過洪水淹沒線進行區(qū)域劃分，即認為10 a 一遇洪水淹沒線以內(nèi)為危險區(qū)域。

3.2 流域洪峰流量計算

由于敖漢旗歷史上發(fā)生過山洪災害的區(qū)域均屬小流域無資料地區(qū)，在每條踏勘河流上布設若干控制斷面，且斷面之間的距離小于2 km，利用推理公式法根據(jù)實測暴雨資料推算各河流斷面的設計洪峰流量。

10 a一遇（P=10%）設計洪峰流量由以下公式計算：

式中：QP為10 a一遇目標頻率的設計洪峰流量（m3/s）；KP為年最大24 h 暴雨不同頻率的模比系數(shù)；ΨP為不同頻率的洪峰徑流系數(shù)；QC為不因目標頻率而變的常數(shù)流量（m3/s）；Ki為計算系數(shù)（10-3·s-1），由于內(nèi)蒙古自治區(qū)幅員遼闊而敖漢旗與遼寧省接壤，因此本研究查《遼寧省水文手冊》確定為年最大24 h暴雨均值（mm）；F為流域面積（km2）。

3.3 流域洪峰水位計算

敖漢旗各河流斷面可概化為“V”形、“U”形、矩形或?qū)挏\型。將10 a一遇設計洪峰流量計算成果帶入曼寧公式，采用試算法計算10 a 一遇設計流量時的過水斷面面積，進而得到設計洪水的過水斷面水深并繪制出洪水水面線，即劃分山洪災害的危險區(qū)域。

曼寧公式為：

式中：Q為設計洪峰流量（m3/s）；n為河床糙率，通過查閱各年水文統(tǒng)計年鑒及敖漢旗洪水調(diào)查資料確定；A為過水斷面面積（m2）；R為水力半徑（m）；I為水面比降。

將計算獲得的洪水水面線繪制在地形圖上，得到敖漢旗山洪災害預警的危險區(qū)域，如圖4 所示。由圖4可見，危險區(qū)域基本均勻分布在全旗各處，北部略偏少，危險區(qū)域約占全旗面積21.86%，研究區(qū)域受山洪災害影響較為嚴重。

圖4 敖漢旗山洪災害預警的危險區(qū)域

4 山洪預警的臨界雨量確定

4.1 典型區(qū)域的確定

臨界雨量是指某流域或區(qū)域內(nèi)的降雨量達到或超過某一量級時，具有形成洪水并誘發(fā)山洪災害的風險。目前臨界雨量的計算方法主要包括單站臨界雨量代表法、區(qū)域臨界雨量法和災害與降雨頻率分析法[8]，本研究采用單站臨界雨量代表法，用災害與降雨頻率分析法加以校核調(diào)整。

臨界雨量與氣象、地質(zhì)條件有關，如果某區(qū)域內(nèi)的地形地貌、下墊面及暴雨洪水特性相似，可按流域劃分臨界雨量的典型區(qū)域。典型區(qū)域的確定需考慮區(qū)域內(nèi)具有一定數(shù)量且分布均勻的雨量監(jiān)測站，具有較為完整的歷史山洪、雨量、地質(zhì)、水文和氣候資料。同時，區(qū)域內(nèi)應具有典型的山洪災害地理特征、山洪災害頻繁，且人口密度較大、歷史受災情況嚴重。將敖漢旗劃分為5個典型區(qū)域，詳見表1。

表1 敖漢旗典型區(qū)域劃分

4.2 單站臨界雨量代表法

基于敖漢旗山洪災害預警系統(tǒng)中各雨量站的歷史觀測資料，首先確定各站觀測降雨的開始時間與結束時間。其中，開始時間是指連續(xù)3 d內(nèi)每日雨量均不大于1 mm 而后出現(xiàn)日雨量大于1 mm 的時間，結束時間是指降雨開始后發(fā)生山洪災害的時間。然后在每次降雨過程中依次查找10 min、30 min、1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 以及3 d 降雨量對應的起止時間。若過程時間長度小于對應項的時間跨度，則只統(tǒng)計過程雨量而不統(tǒng)計最大雨量及其起止時間。

對于典型區(qū)內(nèi)的每一個雨量站，其各時間段的單站臨界雨量計算為若干次山洪災害時間中記錄的該時間段最小雨量?？蓪Φ湫蛥^(qū)內(nèi)各雨量站的同一時間段臨界雨量作進一步分析。對典型區(qū)內(nèi)所有站點的同一時段臨界雨量進行平均，反映典型區(qū)內(nèi)的平均情況，即當面降雨大于該平均值時，典型區(qū)內(nèi)可能發(fā)生山洪災害。典型區(qū)內(nèi)單站或所有站點的同一時段臨界雨量的最小值分別為該典型區(qū)內(nèi)致災降雨強度的必要條件和充分條件，即至少有一個雨量站觀測降雨大于最小值時，典型區(qū)內(nèi)才可能發(fā)生山洪災害，而所有雨量站的觀測降雨均大于最小值時，典型區(qū)內(nèi)必定發(fā)生山洪災害[9]。

基于上述方法，為確定敖漢旗各典型區(qū)的臨界雨量，首先查找各雨量站各次山洪事件的各時段最大雨量中的最小值，以此確定為各站的臨界雨量初值。然后計算各次山洪事件中各站不同時間段最大值的面平均值，將面平均值的最小值記為區(qū)域臨界雨量初值。最后在臨界雨量初值的基礎上確定單站及區(qū)域臨界雨量的變幅，該變幅取值區(qū)間即為臨界雨量?；趩握九R界雨量代表法計算的敖漢旗各典型區(qū)內(nèi)的臨界雨量，詳見表2。

表2 由單站臨界雨量代表法確定的各區(qū)域臨界雨量 mm

4.3 災害與降雨頻率分析法

假設降雨與山洪災害同頻，則可調(diào)查山洪災害的場次并分析其發(fā)生頻率，從而計算與災害同頻率的臨界雨量初值。本研究通過調(diào)查歷史資料，確定敖漢旗從1949年至今發(fā)生了23次較大的山洪災害，各典型區(qū)內(nèi)山洪災害發(fā)生的概率約為33%。基于敖漢旗山洪災害預警系統(tǒng)的雨量觀測網(wǎng)絡，統(tǒng)計各典型區(qū)內(nèi)各雨量站10 min、30 min、1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 以及3 d 最大降水量。然后基于泰森多邊形法加權計算區(qū)域內(nèi)各時間段的面平均最大降水量，分別繪制各時間段的面平均最大降雨量頻率曲線（P-Ⅲ型曲線），其中Cs/Cv取值為3.5。最后基于山洪災害發(fā)生頻率在P-Ⅲ型曲線上查找出相應頻率的降水量，從而確定各典型區(qū)內(nèi)臨界雨量的計算值[10]?；跒暮εc降雨頻率分析法計算的敖漢旗各典型區(qū)內(nèi)的臨界雨量，詳見表3。

表3 由災害與降雨頻率分析法確定的各區(qū)域臨界雨量 mm

4.4 結果對比與分析

對比表2 和表3 2 種方法計算結果可知，敖漢旗不同典型區(qū)域的臨界雨量存在明顯的時空差異，其中Ⅲ區(qū)的各時間段臨界雨量均較大，其次是Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的各時間段臨界雨量計算結果總體相近。不同方法計算的臨界雨量也有一定差距，總體上看，單站臨界雨量代表法的計算結果大于災害與降雨頻率分析法的計算結果。2 種方法均存在一定局限性，其中單站臨界雨量代表法因雨量站可能不位于降雨中心而存在不能充分控制區(qū)域臨界雨量的問題，同時也不能考慮前期雨量大小、土壤濕潤程度等因素在山洪災害形成過程中的影響；降雨與災害頻率分析法的問題主要在于雨量選樣超定量、降雨資料不全和災害調(diào)查不全等問題。因此，需要基于2 種方法的計算結果綜合確定敖漢旗各區(qū)域臨界雨量。

地質(zhì)條件、地形地貌及前期降雨量等多種因素均對臨界雨量有顯著影響，與湖南省瀏陽市、甘肅省成縣等地區(qū)確定的山洪災害臨界雨量相比，本研究確定的敖漢旗臨界雨量明顯偏小，即在本研究區(qū)域內(nèi)較小的降雨便能引起山洪災害，敖漢旗地理地質(zhì)條件面臨的山洪災害風險更大。也因如此，區(qū)域臨界雨量通常是一個范圍而非一個常數(shù)。該范圍一般包括所確定的平均臨界雨量，即臨界雨量可能略大于或小于平均臨界雨量，但只要實際降雨量在該范圍內(nèi)，典型區(qū)內(nèi)便可能發(fā)生山洪災害。同時，應當注意該范圍不宜過大，否則對于實際防止山洪造成危害意義不大。因此，本研究綜合單站臨界雨量代表法和降雨與災害頻率分析法確定敖漢旗各典型區(qū)臨界雨量，詳見表4。

表4 基于綜合分析確定的各區(qū)域臨界雨量 mm

5 結論

作為一種常見的自然災害，山洪已成為威脅我國群眾生命財產(chǎn)安全的重大隱患。以內(nèi)蒙古自治區(qū)敖漢旗為例，針對山洪預警中危險區(qū)域劃分和臨界雨量計算的兩大主要水文問題進行了計算與討論，為摸清東北地區(qū)山洪特征和發(fā)布山洪風險預警提供了技術支撐。通過計算10 a一遇洪水水面線，劃分了山洪災害的危險區(qū)域，計算的危險區(qū)域約占全旗面積21.86%，敖漢旗受山洪災害影響較為嚴重。在劃分典型區(qū)域的基礎上，結合單站臨界雨量代表法和災害與降雨頻率分析法確定了山洪預警的不同時間段臨界雨量；計算的臨界雨量與相關研究相比偏小，相同降雨條件下敖漢旗形成山洪災害的風險更大。