劉元鋒 李書博

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司沈陽分公司，沈陽 110003）

0 引 言

防洪預(yù)警可以對可能發(fā)生的洪水進(jìn)行預(yù)警，提前安排部署相關(guān)防洪措施，最大降低洪水災(zāi)害產(chǎn)生的影響[1]，是當(dāng)前流域防洪指揮決策的重要依據(jù)。遼寧省已完成大江大河部分站點(diǎn)及山洪災(zāi)害的預(yù)警指標(biāo)體系研究[2-13]，但在中小河流預(yù)警指標(biāo)的分析研究方面還是空白[14]。近些年，大江大河水利工程調(diào)度以及高防洪標(biāo)準(zhǔn)等綜合作用，大江大河的洪水災(zāi)害已經(jīng)得到有效控制，而中小河流洪水和山洪由于突發(fā)性強(qiáng)、局地短歷時(shí)強(qiáng)降水影響，產(chǎn)生的洪水災(zāi)害已超過大江大河產(chǎn)生的災(zāi)害影響，成為當(dāng)前防汛的重點(diǎn)[15]，亟須對區(qū)域中小河流洪水預(yù)警技術(shù)進(jìn)行研究。本文在全省各防汛分區(qū)選取流域面積小于2 000 km2的中小河流的22 個(gè)代表站，結(jié)合各代表站時(shí)段降雨量和場次洪峰數(shù)據(jù)，按照5年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，對各代表站不同計(jì)算時(shí)段的雨量預(yù)警閾值進(jìn)行確定，并按照防洪分區(qū)進(jìn)行區(qū)域綜合分析，得到全省不同防洪分區(qū)的時(shí)段降雨量預(yù)警指標(biāo)。

1 中小河流分區(qū)預(yù)警指標(biāo)確定方法

導(dǎo)致洪水的原因有多種，如暴雨、冰凌、潰壩等。其中，暴雨是導(dǎo)致洪水發(fā)生的主要原因。洪水預(yù)警指標(biāo)可由導(dǎo)致洪水災(zāi)害發(fā)生的最小臨界雨量表征。由于洪水大小、是否成災(zāi)等特性極為復(fù)雜，致洪洪水預(yù)警指標(biāo)存在不確定性和模糊性。

水文模型法和統(tǒng)計(jì)分析法是雨量預(yù)警指標(biāo)確定常用的兩種方法。水文模型法是對站點(diǎn)所在流域建立產(chǎn)匯流計(jì)算模型，通過模型按照防洪標(biāo)準(zhǔn)對其雨量預(yù)警閾值進(jìn)行確定。統(tǒng)計(jì)分析法是結(jié)合中小河流站點(diǎn)長序列的暴雨洪水觀測資料通過樣本選擇的方式，對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定超過防洪標(biāo)準(zhǔn)條件下的雨量閾值。由于水文模型法受前期降雨量影響較大，故本文采用統(tǒng)計(jì)分析法計(jì)算致洪暴雨臨界雨量。

致洪暴雨計(jì)算以水文站集水區(qū)為計(jì)算單元，計(jì)算方法如下：

（1）資料收集。收集計(jì)算單元（水文站集水區(qū)）基本信息，包括水文站年最大洪峰流量、3 d洪量、洪水發(fā)生次數(shù)、各次洪水要素信息（洪峰、洪量等）、集水區(qū)雨量站分布情況、各次洪水的降雨資料（各站降雨量、面雨量及時(shí)空分布特征）等。

（2）確定選樣標(biāo)準(zhǔn)。建立水文站暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)集，計(jì)算致洪暴雨時(shí)首先需確定選樣標(biāo)準(zhǔn)，一般情況有3種樣本選擇標(biāo)準(zhǔn)：①造成洪水災(zāi)害的場次暴雨對應(yīng)的洪水流量過程；②超水位或者流量預(yù)警時(shí)該場次暴雨對應(yīng)的洪水過程峰值；③超過防洪標(biāo)準(zhǔn)的場次暴雨對應(yīng)的洪峰和洪量值。

（3）雨量閾值的單點(diǎn)計(jì)算。對于復(fù)雜下墊面和流域面積較大的中小河流水文站點(diǎn)，由于降雨時(shí)空分布的差異，短歷時(shí)強(qiáng)降水會在區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生高于防洪標(biāo)準(zhǔn)的洪水量級，因此，需要對雨量閾值進(jìn)行單個(gè)站點(diǎn)的計(jì)算，計(jì)算過程主要為：

若計(jì)算流域范圍內(nèi)雨量站的個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)值為S，超過防洪標(biāo)準(zhǔn)的洪水次數(shù)為N，統(tǒng)計(jì)不同計(jì)算時(shí)段內(nèi)的總降雨量，Rti為在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的降雨量最大值，將選取的中小河流代表站按照洪水次數(shù)j進(jìn)行不同時(shí)間段降雨量統(tǒng)計(jì)，雨量預(yù)警閾值為其統(tǒng)計(jì)值的最小值，即：

（4）區(qū)域面平均雨量預(yù)警閾值計(jì)算。對于下墊面條件較為單一且流域面積較小的中小河流站點(diǎn)，由于區(qū)域降水時(shí)空分布差異程度較低，因此可以直接計(jì)算其面平均降雨量閾值。對計(jì)算區(qū)域內(nèi)的面平均降雨量最大值進(jìn)行不同時(shí)段的統(tǒng)計(jì)，若計(jì)算區(qū)域內(nèi)的雨量站點(diǎn)數(shù)為S，且統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的超標(biāo)準(zhǔn)洪水次數(shù)N，面平均降雨量統(tǒng)計(jì)時(shí)段為T個(gè)，可采用算術(shù)平均、泰森多邊形、等值線方法對其面平均降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照區(qū)域?qū)嶋H降雨量特征進(jìn)行設(shè)定，但要確定面平均降雨量計(jì)算誤差。Rtj為采用滑動平均計(jì)算得到第j次洪水對應(yīng)的時(shí)段雨量，則T個(gè)計(jì)算時(shí)段內(nèi)的雨量面平均值的計(jì)算方程為：

2 中小河流代表站選擇

遼寧省產(chǎn)流機(jī)制復(fù)雜：遼東地區(qū)為蓄滿產(chǎn)流，遼西地區(qū)為超滲產(chǎn)流，遼東南半島是蓄滿和超滲產(chǎn)流同時(shí)兼具。土壤包氣帶在蓄滿產(chǎn)流區(qū)凈雨主要產(chǎn)生在飽和后，隨著雨量的遞增其逐步增加，造鋒雨多在9～24 h。在遼西超滲產(chǎn)流區(qū)，凈雨和雨強(qiáng)和雨量累計(jì)值聯(lián)系密切，造鋒雨多在3～9 h。結(jié)合遼寧省防汛分區(qū)（圖1）對不同時(shí)段降雨量及其峰量進(jìn)行系統(tǒng)識別，按照降雨空間分布特征、樣本資料的完整和可靠程度，按照流域面積小于2 000 km2選取22個(gè)中小河流水文站點(diǎn)作為研究代表站，對各代表站的雨量和峰量進(jìn)行相關(guān)性分析，選取的代表站所在防汛分區(qū)情況如表1所示。

圖1 遼寧省防汛分區(qū)示意圖

表1 代表站點(diǎn)信息

3 各防汛分區(qū)不同時(shí)段降水與洪峰關(guān)系分析

按照峰高量大在選取的中小河流代表站選取10場典型洪水過程，按照洪水一致性、可靠性進(jìn)行場次洪水?dāng)?shù)據(jù)的篩選，建立樣本數(shù)據(jù)系列。在站點(diǎn)以上流域匯水區(qū)域內(nèi)，選取觀測系列高于20 a的雨量站點(diǎn)作為分析站點(diǎn)。采用泰森多邊形方法對時(shí)段長為1 h的面平均降雨量進(jìn)行合理計(jì)算?；谝陨蠑?shù)據(jù)集，分析各代表性水文站不同時(shí)段降雨與洪峰關(guān)系，本文選取部分站點(diǎn)進(jìn)行成果展示。

3.1 太平哨水文站

結(jié)合太平哨水文站1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h降雨量數(shù)據(jù)和對應(yīng)的洪峰流量，統(tǒng)計(jì)分析其不同時(shí)段最大降雨量與洪峰流量相關(guān)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 太平哨水文站不同時(shí)段最大降雨量與洪峰流量相關(guān)圖

由圖2可知，太平哨水文站洪峰流量與集水區(qū)不同時(shí)段最大降雨量呈正相關(guān)關(guān)系，與最大1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h降雨量的相關(guān)系數(shù)分別為0.281 8、0.516 5、0.620 8、0.880 6、0.697 1、0.577 3。可見，洪峰流量與最大9 h降雨量相關(guān)性最強(qiáng)，最大1～9 h降雨量相關(guān)性逐漸增強(qiáng)，最大9～24 h 降雨量相關(guān)性逐漸減弱。最大9 h 降雨量是形成太平哨水文站洪峰的重要指標(biāo)。

3.2 占貝水文站

結(jié)合撫順占貝水文站1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h時(shí)段降雨量數(shù)據(jù)和對應(yīng)的洪峰流量，統(tǒng)計(jì)分析其不同時(shí)段最大降雨量與洪峰流量相關(guān)關(guān)系，如圖3所示。

由圖3可知，占貝水文站洪峰流量與集水區(qū)不同時(shí)段最大降雨量呈正相關(guān)關(guān)系，與最大1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h 降雨量的相關(guān)系數(shù)分別為0.537 5、0.708 4、0.836 6、0.843 7、0.802 1、0.815 2?？梢?，占貝水文站洪峰流量與最大9 h 降雨量相關(guān)性最強(qiáng)，最大1～9 h 降雨量相關(guān)性逐漸增強(qiáng)，最大9～24 h 降雨量相關(guān)性逐漸減弱。最大9 h 降雨量是形成占貝水文站洪峰的重要指標(biāo)。

圖3 占貝水文站不同時(shí)段最大降水與洪峰流量相關(guān)圖

3.3 韓家杖子水文站

結(jié)合阜新韓家杖子水文站1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h時(shí)段降雨量數(shù)據(jù)和對應(yīng)的洪峰流量，統(tǒng)計(jì)分析其不同時(shí)段最大降雨量與洪峰流量相關(guān)關(guān)系，如圖4所示。

圖4 阜新韓家杖子水文站不同時(shí)段最大降水與洪峰流量相關(guān)圖

由圖4可知，韓家杖子水文站洪峰流量與集水區(qū)不同時(shí)段最大降水量呈正相關(guān)關(guān)系，與最大1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h降雨量的相關(guān)系數(shù)分別為0.566 2、0.786 4、0.776 9、0.674 2、0.601 5、0.586 9?？梢?，洪峰流量與最大3 h降雨量相關(guān)性最強(qiáng)，最大1～3 h 降雨量相關(guān)性逐漸增強(qiáng)，最大3～24 h降雨量相關(guān)性逐漸減弱。最大3 h降雨量是形成韓家杖子水文站洪峰的重要指標(biāo)。

3.4 團(tuán)山子水文站

結(jié)合葫蘆島團(tuán)山子水文站1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h時(shí)段降雨量數(shù)據(jù)和對應(yīng)的洪峰流量，統(tǒng)計(jì)分析其不同時(shí)段最大降雨量與洪峰流量相關(guān)關(guān)系，如圖5所示。

圖5 團(tuán)山子水文站不同時(shí)段最大降水量與洪峰流量相關(guān)圖

由圖5可知，團(tuán)山子水文站洪峰流量與集水區(qū)不同時(shí)段最大降雨量呈正相關(guān)關(guān)系，與最大1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h 降雨量的相關(guān)系數(shù)分別為0.637 9、0.757 5、0.705 1、0.669 0、0.623 0、0.604 3?？梢?，洪峰流量與最大3 h降雨量相關(guān)性最強(qiáng)，最大1～3 h降雨量相關(guān)性逐漸增強(qiáng)，最大3～24 h 降雨量相關(guān)性逐漸減弱。最大3 h 降雨量是形成團(tuán)山子水文站洪峰的重要指標(biāo)。

3.5 遼寧省各防汛分區(qū)

在以上站點(diǎn)不同時(shí)段最大降水與洪峰流量相關(guān)分析基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)分析其他防汛分區(qū)站點(diǎn)不同時(shí)段最大降水與洪峰流量相關(guān)分析（表2）。

表2 各防汛分區(qū)站點(diǎn)洪峰流量與不同時(shí)段最大降水量相關(guān)系數(shù)表

由表2可知，在防汛區(qū)劃各防汛分區(qū)中，Ⅰ區(qū)洪峰流量與9～24 h 降雨量相關(guān)性較好；Ⅱ區(qū)洪峰流量與6～9 h 降雨量相關(guān)性較好；Ⅳ區(qū)洪峰流量與12 h 降雨量相關(guān)性較好，Ⅴ區(qū)洪峰流量與3～9 h 降雨量相關(guān)性較好；Ⅵ區(qū)洪峰流量與與3～12 h降雨量相關(guān)性較好。Ⅲ區(qū)為平原區(qū)，無中小河流代表站，其洪水主要為大型河流洪水及城市內(nèi)澇，不在本次統(tǒng)計(jì)中。

4 預(yù)警指標(biāo)確定

4.1 各水文站雨量預(yù)警指標(biāo)確定

考慮到遼寧省部分中小河流的防洪標(biāo)準(zhǔn)不高，此外水利部水文局《水情預(yù)警信息發(fā)布管理辦法（試行）》推薦采用洪水要素重現(xiàn)期接近5 a 為藍(lán)色預(yù)警指標(biāo)，達(dá)到或超過5 a為黃色預(yù)警指標(biāo)。中小河流洪水預(yù)警采用重現(xiàn)期5 a作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮遼寧省不同區(qū)域的防洪特征，洪峰和3 日洪量均進(jìn)行頻率分析，超過5 年一遇標(biāo)準(zhǔn)對場次洪水的洪峰進(jìn)行選取，5 年一遇對應(yīng)的3 日洪量作為其洪量的選取。按照上述原則共對22 個(gè)代表站選取398 場超過5年一遇標(biāo)準(zhǔn)的洪水，將1964年以前降水觀測數(shù)據(jù)系列質(zhì)量較低的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，共選取340場洪水進(jìn)行分析，作為雨量預(yù)警指標(biāo)閾值分析的數(shù)據(jù)系列。依據(jù)各防汛分區(qū)站點(diǎn)洪峰流量與不同時(shí)段最大降雨量相關(guān)系數(shù)分析成果，采用前述預(yù)警指標(biāo)確定方法，分別計(jì)算各水文站3 h、6 h、12 h、24 h預(yù)警指標(biāo)，如表3所示。

表3 各水文站不同時(shí)段雨量預(yù)警閾值 mm

4.2 各水文站洪水預(yù)警指標(biāo)確定

綜合各站點(diǎn)洪峰流量與不同時(shí)段最大降水量相關(guān)性分析成果，對于防汛區(qū)劃Ⅰ區(qū)，采用24 h 降雨量作為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，對于防汛區(qū)劃Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ區(qū)，采用12 h 降雨量作為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)；對于防汛區(qū)劃Ⅴ區(qū)，采用5 h 降雨量作為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合表3成果，采用平均法，確定遼寧省各防汛分區(qū)中小河流洪水綜合預(yù)警指標(biāo)，如表4所示。

表4 遼寧省各防汛分區(qū)中小河流洪水預(yù)警指標(biāo)

5 結(jié) 論

（1）在遼東蓄滿產(chǎn)流區(qū)，土壤包氣帶達(dá)到飽和后形成凈雨，并隨著降水的增大凈雨逐漸增大，造鋒雨多在9～24 h。在遼西超滲產(chǎn)流區(qū)，凈雨除與累計(jì)雨量相關(guān)外，還與雨強(qiáng)密切相關(guān)，造鋒雨多在3～9 h。

（2）對于遼寧防汛區(qū)劃Ⅰ區(qū)，建議采用24 h降雨量作為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，對于防汛區(qū)劃Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ區(qū)，采用12 h降雨量作為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)；對于防汛區(qū)劃Ⅴ區(qū)，采用5 h降雨量作為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。

（3）由于遼寧省集水面積＜2 000 km2的中小河流水文站點(diǎn)建設(shè)時(shí)間較晚，缺乏長系列的分析資料，在后期隨著監(jiān)測資料的逐步增多，應(yīng)重點(diǎn)對集水面積＜2 000 km2的中小河流站點(diǎn)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行分析。