集安市小流域山洪災害臨界雨量分析

王 潔，趙榮飛，張舒寧，何 巾

(1.沈陽農業大學，遼寧 沈陽 110866;2.吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

集安市小流域臨界雨量分析計算工作是在山洪災害調查、遙感影像、水文氣象等基礎資料上，運用衛星遙感、GIS、水文分析計算等手段，結合山洪災害現場調查資料，通過分析計算，較為全面和準確地掌握山洪災害小流域暴雨區洪水基本特性，以及小流域暴雨區內人員分布情況，分析沿河村落的山洪暴發臨界雨量，進一步提高集安市山洪災害區預報預警能力和水平，保障山丘區人民社會經濟可持續發展。

集安市地處吉林省東南部，全市幅員面積3355km2，2016年總人口為21.9萬人。轄區內主要河流為小新開河、葦沙河、渾江、通溝河、鴨綠江，均屬于鴨綠江水系。其流域示意圖如圖1所示。

1 臨界雨量分析計算

臨界雨量是指降水量大于等于某一量級時，該流域發生洪水災害時的降雨量。本次臨界雨量計算采用試算法，通過水科院和SCS單位線兩種方法進行分析計算。

1.1 水科院法

水科院法是由陳家琦等人于1958年提出的一種暴雨資料推求洪水的方法，在我國水利水電部門得到廣泛應用，現行《水利水電工程設計洪水計算規范》中的小流域設計洪水就是采用水科院法?；竟綖椋?/p>

(1)

式中，0.278—單位換算系數；s—雨力，mm/min；φ—洪峰徑流系數；τ—匯流歷時，h。

1.1.1 設計雨力計算

設計雨力計算公式為：

(2)

式中，Sp—設計雨力，mm/h；H24—24h設計暴雨量，mm；t—暴雨歷時(t=24h)，h；n—暴雨遞減指數，根據工程流域的重心所在位置確定。

1.1.2 產流歷時計算

雨量損失參數μ是流域產流時段內平均損失率，可按以下公式計算：

(3)

式中，tc—產流歷時，h；n—暴雨遞減指數，按工程流域的重心所在位置確定；Sp—設計雨力，mm/h；μ—流域雨量損失參數，mm/h；hR—設計徑流深，mm。

1.1.3 匯流參數m值確定

匯流參數m值是水科院法推理公式計算設計洪峰流量的重要定量參數，不能通過儀器直接測出，可通過實測雨洪資料反推，或根據有關成果經驗確定。地區綜合計算法是采用吉林省水文水資源局2014年主編刊印的《吉林省水文計算手冊》中的成果，計算公式如下：

圖1 集安市流域示意圖

(4)

m=BρY

(5)

式中，ρ—流域特征參數；Lr—河道長度，km；Jr—河道坡度，用小數表示；F—流域面積，km2;m—流域匯流參數；B、Y—地區綜合系數。

1.2 單位線法

美國農業部水土保持局于1954年開發的SCS(Soil Conservation Service，SCS)模型，是目前應用最為廣泛的流域水文模型之一。本次SCS單位線法中采用了以下坡面流速計算公式：

V=K×S

(6)

式中，V—水流速度，m/s；S—流域上某處沿著水流方向的坡度；K—流速系數。

在計算小流域單位線時，通常假定凈雨空間分布均勻，因此，為了計算DEM每一個柵格內的水流速度，需要得到每一個柵格地形坡度及流速系數。

利用上面的流速計算公式，計算出每一個DEM柵格內的水流速度?；井a流方程為：

(7)

式中，P—降雨總量，mm；Pe—徑流量，mm；Ia—初損，mm；S—流域當時的可能最大滯留量，mm。

因Ia不易求，模型引入Ia=0.2S，以CN值確定S：

S=25400CN-254

(8)

式中，CN通過查算SCS模型的前期土壤分類表、CN值表、和土壤濕潤程度表得到。

2 典型沿河村落成果

根據暴雨與洪水同頻率的假定，集安市沿河村落設計洪水頻率確定為5、10、20、50、100年一遇5種。在此基礎上，對各沿河村落進行了防洪現狀評價，以榆林鎮治安村二組為例，成果見表1和如圖2所示。

治安村二組臨界雨量計算成果見表2、3。

序號行政區劃名稱時段臨界雨量/mm1治安村二組149264374

表3 SCS單位線法計算臨界雨量成果表

對比表2、3可知，水科院法推求的預警臨界雨量值與SCS單位線法土壤濕潤狀態下的計算臨界雨量值較為接近。經分析，水科院法計算結果是設計水平下的洪水成果，從工程角度考慮，是一種偏于安全的結果，故與SCS單位線法土壤濕潤狀態下的計算結果接近是合理的。

《吉林省水文計算手冊》中水科院法，推求設計洪水過程中涉及的參數是基于對吉林省小流域降雨及洪水資料分析確定的，是無數水文工作者集體智慧與經驗的結晶，在吉林省小流域無資料地區短歷時暴雨徑流分析計算工作中取得了良好的效果。而單位線法中初損和穩滲量的計算具有一定的主觀性。因此，通過預警臨界雨量計算的洪峰流量成果，與推理公式法計算的成果基本一致，所以，本次臨界雨量分析計算采用水科院法計算成果，成果如圖3、4所示。

圖3 治安村二組預警雨量臨界線圖

3 結語

本次臨界雨量分析計算工作針對集安市的117個沿河村落進行，從整個區域角度全面系統地反映出集安市山丘區沿河村落山洪災害現狀防御力、危險區劃分以及預警臨界雨量的情況。部分成果見圖5～10所示。

3.1 沿河村落危險區人口分布

通過臨界雨量分析評價，得到了影響集安市117個沿河村落各級危險區人口數量及分布情況。山洪災害區集安市117個沿河村落中，受威脅總人口為3789人，其中極高危險區為1050人，高危險區人口為1675人，危險區1064人。

3.2 沿河村落現狀防洪能力

通過臨界雨量分析計算表明，117個沿河村落中，22個沿河村落的現狀防洪能力非常高，受溪河暴雨山洪災害影響的幾率不高，現狀防洪能力小于1年一遇的有0個，1～5年一遇的有59個，5～20年一遇的有22個，20～100年一遇的有14個。

圖4 治安村二組危險區劃分圖

圖5 百年一遇洪峰圖圖6 百年一遇洪峰模數圖圖7 小流域計算單元圖圖8 小流域匯流歷時圖

圖9 臨界雨量圖(一般/3h)圖10 臨界雨量圖(濕潤/3h)

3.3 后續山洪災害防治支撐

根據對本次計算成果的初步分析，總結出以下特點，充分認識這些特點將為集安市后續山洪災害防治提供重要支撐。

(1)深入理解小流域暴雨山洪特性。山丘區降雨具有短歷史、強降雨等特點，且多發生在河流源頭地區，涉及面積較小，流域坡面比降和溝道比降均較大，洪水具有陡漲陡落的特點，洪峰模數較大。通過確定各個沿河村落的預警臨界雨量值，為集安市鄉村各級山洪災害防治預案起到見豐富和補充的作用，一旦發生強降雨，可以提前做好人員財產的轉移工作。

(2)完善山洪災害預警系統。集安市現有山洪災害防治非工程措施自動監測站、預警廣播站的數量和分布基本能滿足防御和預報要求。但仍存在部分站點盲區情況，建議在青石鎮秋皮村七組、榆林鎮治安村二組、榆林鎮復興村九組、頭道鎮南溝村一組、清河鎮二道村二組增設自動監測站，在榆林鎮治安村二組、清河鎮天橋村四組增設預警廣播站。另外，建議市防汛辦安排專項資金，邀請技術單位每年汛前對各類站點進行汛前檢查和維修，確保所有站點在汛期發揮應有作用。

(3)臨界雨量值尚需進一步進行檢驗和率定。受無資料地區小流域洪水計算中水文基礎數據所限，國內目前采用的推求無資料地區暴雨洪水的技術方法均會產生一定誤差，且在由控制斷面水位流量關系反推臨界雨量的過程中也不可避免地會產生一定誤差，因此在下一步工作中，有必要在有條件的地區開展臨界雨量值的檢驗和率定工作。