小流域臨界雨量計算方法研究

宋 翔 ，陳 通 ，孫元森

（1.南水北調(diào)山東干線有限責任公司，山東 濟南 250012；2.東港區(qū)水政監(jiān)察大隊，山東 日照 276800）

小流域臨界雨量計算方法研究

宋 翔1，陳 通1，孫元森2

（1.南水北調(diào)山東干線有限責任公司，山東 濟南 250012；2.東港區(qū)水政監(jiān)察大隊，山東 日照 276800）

引發(fā)山洪災害的外動力因素是降雨，而降雨需要達到一定的量級或強度時才能激發(fā)山洪災害。臨界雨量是山洪災害預測預報的重要依據(jù)之一。本文提出了臨界雨量的計算方法，同時通過對典型區(qū)域的實例分析，表明提出的方法是可行的。

山洪災害；臨界雨量；計算方法；莒縣

引發(fā)山洪災害的外動力因素是降雨，而降雨需要達到一定的量級或強度時才能激發(fā)山洪災害。臨界雨量是指一個流域或區(qū)域某一時段內(nèi)降雨量達到或超過某一量級和強度時，該流域或區(qū)域?qū)l(fā)生山溪洪水、泥石流、滑坡等山洪災害，把這時的降雨量或降雨強度，稱為該流域或區(qū)域的臨界雨量。

根據(jù) 《山洪災害防治縣級監(jiān)測預警系統(tǒng)建設技術(shù)要求》，臨界雨量預警指標分為兩類：第一類為警戒雨量指標，即準備轉(zhuǎn)移的指標，雨量達到或接近該指標后，應提高警惕，隨時監(jiān)控，做好轉(zhuǎn)移的準備；第二類為轉(zhuǎn)移雨量指標，即立刻轉(zhuǎn)移指標，達到該指標后，結(jié)合山洪點的現(xiàn)場監(jiān)測情況，當發(fā)生山洪的可能性較大時，立刻組織人員轉(zhuǎn)移。

1 臨界雨量的計算方法

臨界雨量是判斷山洪災害的主要參數(shù)，對于臨界雨量的確定，根據(jù)有無實測洪水資料，可采用不同的計算方法。我國大部分地區(qū)的小溪流由于無雨量站，未能測得系列降水資料，為了增強成果的可靠性及可信度，必須采用多種方法進行對比分析，確定臨界雨量。臨界雨量按災害種類劃分為山溪洪水災害臨界雨量、泥石流災害臨界雨量、滑坡災害臨界雨量，因典型區(qū)域內(nèi)泥石流、滑坡災害較少且缺乏相關(guān)資料，臨界雨量可合并進行分析計算（假定三者臨界雨量相同），以典型區(qū)域為單位進行計算，下面介紹典型區(qū)域臨界雨量的分析計算方法。

1.1 典型區(qū)確定

典型區(qū)域的確定應考慮以下主要條件。

1）區(qū)域內(nèi)應有一定數(shù)量的雨量站點（平均單站控制面積在200～300 km2以下，資料條件差的地區(qū)可適當放寬），且分布比較均勻；有較完整、詳細的山洪災害歷史發(fā)生記錄或調(diào)查資料；各站點具有時間序列較完整的雨量資料、地質(zhì)資料、水文資料和氣候資料。

2）區(qū)域內(nèi)人口密度較大，具有典型山洪災害地理特征，山洪災害頻繁，受災情況嚴重。

3）典型區(qū)域可以是一個流域，也可以是一個區(qū)域，在劃分典型區(qū)域邊界線時，區(qū)域內(nèi)可包含若干完整的流域面積不超過200 km2的小流域，應盡量避免將小流域分割開，區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件和氣象條件相差不大。

1.2 典型區(qū)域臨界雨量計算

1.2.1 基于災害統(tǒng)計雨量的臨界雨量計算

1）首先根據(jù)區(qū)域內(nèi)歷次山洪災害發(fā)生的時間，收集區(qū)域及周邊鄰近地區(qū)各雨量站對應的雨量資料（區(qū)域內(nèi)有的地方可能未發(fā)生山洪，但雨量資料也應一并收集），以水文部門的雨量資料為主，氣象站網(wǎng)和實地調(diào)查雨量資料作為補充。確定對應的降雨過程開始和結(jié)束時間，降雨過程的開始時間是連續(xù)3 d每日雨量≤1 mm后出現(xiàn)日雨量＞1 mm的時間；結(jié)束時間是山洪災害發(fā)生的時間 （這里確定的是降雨過程統(tǒng)計時間，如災害發(fā)生后降雨仍在持續(xù)，災害會加重）。過程時間確定后，在每次過程中依次查找并統(tǒng)計 10 min、30 min、1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 最大雨量，過程總雨量及其每項對應的起止時間。如果過程時間長度小于對應項的時段跨度，則不統(tǒng)計（如降雨過程小于12 h，則不統(tǒng)計12 h、24 h最大雨量及其起止時間），但過程雨量必須統(tǒng)計。當降雨過程時間較長時（超過3 d），降雨強度可能會出現(xiàn)2個或以上的峰值，則統(tǒng)計最靠近災害發(fā)生時刻各時間段最大雨量。如果收集的資料中已包含各時段雨量統(tǒng)計值，則可直接進行下步工作。

2）假設區(qū)域內(nèi)共有S個雨量站，發(fā)生山洪災害N次，統(tǒng)計T個時間段的雨量，Rtij為t時段第i個雨量站第j次山洪災害的最大雨量，則各站每個時間段N次統(tǒng)計值中，最小的一個為單站臨界雨量初值，即初步認為這個值是單站臨界雨量，計算公式如下：

將區(qū)域內(nèi)各站同一時段的臨界雨量進行統(tǒng)計分析

Rtmin可視為區(qū)域內(nèi)致災降雨強度的必要條件，即只有當區(qū)域內(nèi)至少有1個站雨強超過Rtmin時，區(qū)域內(nèi)才有可能發(fā)生山洪災害。

1.2.2 基于長系列降雨頻率計算

山區(qū)主要河流堤防的防洪標準普遍為5～10年一遇，典型區(qū)域內(nèi)5年一遇和10年一遇的降雨值也可作為臨界雨量計算的重要參考。本文采用P-Ⅲ型頻率分析法進行計算。P-Ⅲ型頻率分析法主要包括目估適線法和優(yōu)化適線法。隨著計算機的推廣普及，帶有一定準則的計算機優(yōu)化適線法被廣泛應用。優(yōu)化適線法是在一定的適線準則(即目標函數(shù))下，估計與經(jīng)驗點據(jù)擬合最優(yōu)頻率曲線參數(shù)的方法。適線時采用的主要準則是離差平方和最小準則(OLS)即最小二乘估計法，是使經(jīng)驗點據(jù)與同頻率的頻率曲線縱坐標之差的平方和達到最小。

1.2.3 臨界雨量指標確定

在實際應用中，一般將臨界雨量分為預警雨量和轉(zhuǎn)移雨量。預警雨量指在山洪未發(fā)生前，發(fā)布山洪可能出現(xiàn)的一種危險警告信號雨量；轉(zhuǎn)移雨量指在山洪即將發(fā)生或山洪處于極限危險狀態(tài)時，發(fā)布避免山洪的行動信號雨量。從最安全的角度看，發(fā)布的轉(zhuǎn)移信號越早越好，但若發(fā)布了轉(zhuǎn)移信號，災害卻未發(fā)生又可能造成不必要的損失和混亂。因此，必須在臨界雨量初值的基礎(chǔ)上進一步劃分預警雨量和轉(zhuǎn)移雨量，具體方法如下。

將基于長系列降雨資料計算的典型區(qū)5年一遇雨量與基于災害統(tǒng)計雨量計算的區(qū)域臨界雨量值最小值進行比較，取兩者中的較小值作為該典型區(qū)的預警雨量參考值；將基于長系列降雨資料計算的典型區(qū)10年一遇雨量與基于災害統(tǒng)計雨量計算的區(qū)域臨界雨量平均值取平均值，作為該典型區(qū)轉(zhuǎn)移雨量參考值。

1.3 基于GIS的典型流域風險區(qū)劃分

山洪災害風險區(qū)劃是指通過對山洪災害防治區(qū)內(nèi)可能發(fā)生的不同頻率的山洪災害進行預測，按照山洪災害可能發(fā)生的程度和范圍，劃分危險區(qū)、警戒區(qū)和安全區(qū)，并繪制風險區(qū)劃圖。危險區(qū)為受10年一遇山洪及其誘發(fā)的泥石流、滑坡威脅的區(qū)域；警戒區(qū)為危險區(qū)以外，受100年一遇山洪及其誘發(fā)的泥石流、滑坡威脅的區(qū)域；安全區(qū)為不受100一遇山洪及其誘發(fā)的泥石流、滑坡威脅的區(qū)域。

2 實例分析

以山東省莒縣山洪災害區(qū)為典型實例，闡述上述兩種臨界雨量的計算方法。

2.1 典型區(qū)基本情況

莒縣位于山東省東南部，日照市西部，總面積1 952.4 km2，其中低山區(qū)面積250 km2，丘陵區(qū)面積1 222.4 km2，平原區(qū)面積 480 km2。

莒縣境內(nèi)地勢北高南低，綜合地面坡降約1/1 000~1/800。四周山丘環(huán)繞，中部平原和洼地交接，大小山頭450余座，大多呈南北走向，東有屋樓崮、嶠子山，海拔600 m左右，西有洛山、浮來山，海拔200 m有余，南有馬亓山、老營頂，海拔都在600 m左右，北有碁山、金華山等，海拔400 m以上，天然形成四周高、中間低，南北狹長的長槽地形，沿沭河兩岸為沖積平原區(qū)。莒縣大部分水庫、塘壩分布在四周山丘地區(qū)。

2.2 歷史雨量資料的選擇

預警雨量計算時，根據(jù)莒縣北部和東部地理位置，選擇區(qū)域內(nèi)有長系列雨量資料的雨量站，并在該區(qū)域相關(guān)河流的上游，適當補充其他區(qū)（縣）的雨量站。此次莒縣預警雨量計算選擇的是莒縣、小仕陽、陳家莊、青峰嶺4個雨量站的雨量資料。

2.3 臨界雨量計算

1）經(jīng)調(diào)查，莒縣山洪防治區(qū)主要河流堤防的防洪標準普遍為5~10年一遇，因此預警雨量應參考5~10年一遇的降雨量。根據(jù)所選典型區(qū)有長系列雨量站資料，計算典型區(qū)逐年最大 1 h、3 h、6 h、12 h、24 h平均降雨量，并對其進行頻率分析和計算，如表1示。

表1 基于長系列統(tǒng)計資料的典型區(qū)平均雨量計算表 mm

2）根據(jù)長系列降雨資料和典型區(qū)內(nèi)發(fā)生山洪災害的時間，計算山洪災害發(fā)生時間時對應典型區(qū)1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 平均降雨量，如表 2 示。

表2 山洪發(fā)生時典型區(qū)平均雨量計算表 mm

參照上述典型區(qū)雨量特征值的計算結(jié)果，以典型區(qū)5年一遇降水特征值和典型區(qū)山洪災害發(fā)生系列最小平均雨量，結(jié)合前期雨量等因素，確定該典型區(qū)預警雨量；以典型區(qū)10年一遇降水特征值和典型區(qū)山洪災害發(fā)生系列平均雨量，結(jié)合前期雨量等因素，確定典型區(qū)轉(zhuǎn)移雨量，如表3示。

說明：表3中預警雨量的計算過程中沒有考慮前期雨量的影響，所列各級預警雨量值為基礎(chǔ)參考值，如在24 h之前已有較大降雨，應適當降低警戒雨量和轉(zhuǎn)移雨量的值。在實際的操作中，可結(jié)合前期降雨情況、當?shù)叵聣|面情況，對該指標進行實時調(diào)整。

表3 莒縣山洪預警雨量值參考表 mm

當降雨達到警戒預警雨量（準備轉(zhuǎn)移雨量）后，相關(guān)監(jiān)測人員應提高警惕，密切關(guān)注山洪危險區(qū)的情況，并派專人值守，隨時監(jiān)控山洪危險區(qū)的情況，同時將信息通知到受威脅的村民，并應及時組織群眾做好轉(zhuǎn)移的準備，隨時根據(jù)降雨的發(fā)展，決定進行轉(zhuǎn)移；當降雨達到或接近轉(zhuǎn)移雨量（立即轉(zhuǎn)移雨量）后，結(jié)合山洪危險區(qū)實際情況，當發(fā)生山洪的可能性較大時，立刻組織轉(zhuǎn)移。

2.4 危險區(qū)劃分

結(jié)合莒縣典型流域山洪特性及防洪現(xiàn)狀，通過暴雨洪水的頻率分析，確定各個典型斷面10年一遇洪峰流量，依據(jù)各個典型斷面洪峰流量確定各風險區(qū)并繪制山洪災害風險圖。根據(jù)普查的結(jié)果，山洪多發(fā)區(qū)域主要位于莒縣北部和東部地區(qū)，在此基礎(chǔ)上劃分危險區(qū)和安全區(qū)。

危險區(qū)：主要包括大石頭河、濰河、繡珍河、茅埠河、袁公河、鶴河、小店河和潯河等流域，覆蓋了莒縣南部、北部和東部地區(qū)。

安全區(qū)：主要包括浮來山鎮(zhèn)、劉官莊鎮(zhèn)、夏莊鎮(zhèn)、陵陽鎮(zhèn)、城陽街道等。

3 結(jié)語

本文介紹了有實測資料和無實測資料的區(qū)域臨界雨量法計算分析方法，實際應用中，應根據(jù)災情、地質(zhì)、地貌及降雨特性等實際情況綜合分析確定。在此基礎(chǔ)上基于GIS技術(shù)對山洪防治區(qū)域進行了安全區(qū)和危險區(qū)劃分。通過在莒縣山洪災害防治中的實例分析，表明本文提出的方法是可行的。在實際應用中應根據(jù)災情、地質(zhì)、地貌及降雨特性等實際情況綜合分析確定。

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1009-6159（2012）-09-0047-03

宋翔（1984—），男，助理工程師

（責任編輯趙其芬）