小流域山洪災害預警指標確立研究

文 彥

(運城市水文水資源勘測站，山西 運城 044000)

0 引言

山洪災害是指由于短時強降雨在山丘區(qū)引發(fā)的洪水災害，以及由山洪誘發(fā)的滑坡、泥石流等次生災害[1-2]。山洪災害預警指標通常分為雨量預警指標和水位預警指標。雨量預警指標是根據(jù)各時段山洪災害的臨界雨量綜合測算，水位則按照洪水演進規(guī)則測算所得。稷山縣通過現(xiàn)狀山洪災害防治能力評價，選取2個典型村落完成預警指標的分析確定。

1 評價區(qū)概況及防洪能力現(xiàn)狀

稷山縣位于汾河下游，山西省西南部，總面積686.28 km2。其中平原369 km2，丘陵189 km2，山地128 km2，分別占全縣總面積的53.7%、27.6%和18.7%。縣域56個重點防治區(qū)中，防洪能力小于等于5 a一遇的有22個，5 a～20 a一遇的有6個，大于等于20 a一遇的有28個。其中受河道水流影響的35個沿河村落中，現(xiàn)狀防洪能力小于等于5 a一遇的有22個，5 a～20 a一遇的有5個，大于等于20 a一遇的有8個；受坡面流影響的21個村落中，致災暴雨重現(xiàn)期小于等于5 a一遇的有0個，5 a～20 a一遇的有1個，大于等于20 a一遇的有20個，見圖1。

2 預警指標分析

預警指標主要是針對集鎮(zhèn)等人口較為密集的各重點防治區(qū)設定，對于地貌形態(tài)類似，位置接近的防災對象可使用同一個指標。

2.1 雨量預警指標

在局地暴雨形成洪水后水位超高形成漫灘，根據(jù)河水漫灘的水位，結合實測河流斷面資料計算出相應的流量，即為危險流量。從危險流量形成時間倒推，在一定時段內的累積降水量即為臨界雨量。

圖1 稷山縣現(xiàn)狀防洪能力分布圖

山洪大小除了受降水強度影響外，還和前期降水量及流域土壤飽和程度相關。因此，在設定臨界雨量指標時，應詳細調查流域前期降水量以完善指標修正。采用雙曲正切產流模型計算重點防治區(qū)雨量預警指標。

2.1.1 預警時段確定

預警時段就是選定的降雨歷時，受防災對象集雨面大小、土壤含水量和前期降雨等因素影響，各因素變化導致預警時段隨之變化。

確定典型時段根據(jù)防災對象所在流域的上述下墊面性狀，確定匯流時間較小的短歷時時段，如0.5 h、1 h、3 h等。通常選定2～3個典型預警時段，南方濕潤區(qū)最小預警時段可按1 h確定，北方干旱區(qū)由于降水強度和超滲產流影響，按0.5 h確定。

按上述，綜合考慮本流域的匯流時間，確定如下預警時段：①基本預警時段，0.5 h、1 h、2 h、3 h、6 h。②若匯流時間≥6 h，預警時段為0.5 h、1 h、2 h、3 h、6 h和匯流時間；若匯流時間<6 h，則預警時段按照匯流時間或小于匯流時間的基本預警時段確定。

2.1.2 流域土壤含水量

流域前期持水度B0作為綜合反映流域土壤含水量或土壤濕度的間接指標。B0取值為0、0.3和0.6分別代表土壤濕度較干、一般和較濕3種情況。

2.1.3 臨界雨量計算

在確定了成災水位、預警時段以及產匯流分析方法后，就可以計算不同前期影響雨量下各典型時段的危險區(qū)臨界雨量。具體計算步驟如下：

(1)假設一個最大第2小時～最大第6小時的降雨總量初值H。根據(jù)設計雨型，分別計算出最大第2小時～最大第6小時的降雨量P2′～P6′。

(2)計算暴雨參數(shù)。由公式(1)和(2)計算得到不同暴雨參數(shù)下的最大1小時～最大6小時的降雨總量值H1～H6及最大第2小時～最大第6小時的降雨量P2～P6。根據(jù)表1中暴雨參數(shù)的范圍，可以得到多組P2～P6，將每組P2～P6與P2′～P6′進行比較，誤差平方和最小的那組P2～P6所用參數(shù)即為所要求的暴雨參數(shù)。

(1)

(2)

式中：n、ns分別為雙對數(shù)坐標系中設計暴雨時～強關系曲線的坡度及t=1 h時的斜率；Sp為設計雨力，即1 h設計雨量，mm/h；t為暴雨歷時，h；λ為經驗參數(shù)。

表1 暴雨參數(shù)取值范圍表

(3)由步驟(2)計算得的暴雨參數(shù)值，用式(1)和(2)可以計算最大第1～最大第6小時的雨量；根據(jù)設計雨型，得到典型時段內每小時的雨量Hp1，Hp2，……Hp6。

(4)使用雙曲正切產流模型與單位線流域匯流模型進行產匯流分析，計算由典型時段內各個小時降雨所形成的洪峰流量Qm。

(5)如果|Qm-Q|>1 m3/s，則用二分法重新假設H。

(6)重復(2)～(5)步驟，直到|Qm-Q|≤1 m3/s時，典型時段內各小時的降雨總量即為臨界雨量。

依據(jù)上述計算步驟，選取南翟村和小河推得到這兩個村落的動態(tài)臨界雨量，填寫臨界雨量成果表，見表2。并由動態(tài)臨界雨量繪制出的預警雨量臨界曲線圖，見圖3～圖4。

表2 臨界雨量成果表

綜上計算方法，按照成災水位和不同預警時段完成產流分析后，計算各要素下相應的臨界雨量。稷山縣1 h臨界雨量指標見圖2。

圖2 稷山縣1 h臨界雨量指標

2.1.4 雨量預警指標確定

(1)立即轉移指標

臨界雨量和成災水位成函數(shù)對應關系，則將臨界雨量認定為立即轉移指標。

(2)準備轉移指標

準備轉移指標根據(jù)預警時段分成兩類：①當預警時段不大于1 h時，準備轉移指標=立即轉移指標×0.7；②預警時段在2 h～6 h范圍內時，準備轉移指標=之前預警時段的立即轉移指標。選取稷山縣兩個典型沿河村落預警分析成果見圖3～圖4。

圖3 南翟村預警雨量臨界曲線圖

圖4 小河預警雨量臨界曲線圖

2.2 水位預警指標

2.2.1 適用條件

水位預警指標通常由防災對象所在地上游一定范圍的洪水位推算確定作為預警水位。通常，水位站點至預警對象間的洪水推進時間不得低于0.5 h，否則會因時間太短而失去預警的意義。因此，只需針對適用水位預警條件的預警對象分析水位預警指標。

2.2.2 臨界水位計算方法

水位預警指標是下游危險區(qū)成災水位推算至上游水位站確定，其計算有兩種方法：①水面線推算，根據(jù)成災水位對應的流量按水面線法推算上游水位站的相應水位；②首先推求水位站的水位流量關系，在關系線上查下游危險村成災流量的相應水位。水位站水位流量關系采用比降面積法。本次工作采用第二種方法推求。

比降面積法計算公式如下：

(3)

式中：Qc為恒定流流量，m3/s；A上、A下為速度，g=9.81 m/s2；L為比降上、下端面間距，m；Sc為恒定流態(tài)下的水面比降；ξ為端面沿程收縮或擴散系數(shù)(收縮取負號，擴散取正號帶入公示)，河段端面收縮時，一般可取ξ=0；端面突然擴散時，ξ=0.5～1.0；逐漸擴散時，ξ=0.3～0.5，一般可取ξ=0.3。α為動能矯正系數(shù)，與斷面上流速分布均勻是否有關，一般比較順直、底坡不大且端面較規(guī)則的河段，其值介于1.05～1.15之間，取α=1.1。

對于山區(qū)河流，當?shù)灼螺^大，且斷面較規(guī)則、流速分布極不均勻時，可用式(4)近似計算。

(4)

(5)

式中：N為河段平均糙率；A上、A中、A下為上、中、下比降斷面過水面積，m2；R上、R中、R下為比降上、中、下斷面的水力半徑，m。

2.2.3 水位預警指標綜合確定

水位預警指標包括準備轉移和立即轉移兩級指標，臨界水位即為立即轉移指標，差值取值參考見表3。

表3 立即轉移與準備轉移指標差值取值表

稷山縣境內共有自動水位站7處，簡易水位站4處，均為山洪災害站點。山洪從水位站演進至下游預警對象的時間不應小于30 min，否則將失去預警的意義。

(1)鋪頭水位站控制斷面水位為604.44 m，依據(jù)水面線推算至上游水位站相應洪水位作為該預警對象控制斷面的臨界水位。

1)臨界水位即為水位預警的立即轉移指標。立即轉移指標為622.07 m。

2)根據(jù)河段地形地貌及河谷形態(tài)，將臨界水位減去某一差值作為水位預警的準備轉移指標，差值取值參考見表1。準備轉移指標為621.77 m。

(2)黃華峪水庫水位站控制斷面水位為563.93 m，依據(jù)水面線推算至上游水位站相應洪水位作為該預警對象控制斷面的臨界水位。

1)臨界水位即為水位預警的立即轉移指標。立即轉移指標為593.98 m。

2)根據(jù)河段地形地貌及河谷形態(tài)，將臨界水位減去某一差值作為水位預警的準備轉移指標，差值取值參考見表1。準備轉移指標為593.68 m。

(3)佛峪口水位站控制斷面水位為603.73 m，依據(jù)水面線推算至上游水位站相應洪水位作為該預警對象控制斷面的臨界水位。

1)臨界水位即為水位預警的立即轉移指標。立即轉移指標為635.95 m。

2)根據(jù)河段地形地貌及河谷形態(tài)，將臨界水位減去某一差值作為水位預警的準備轉移指標，差值取值參考見表1。準備轉移指標為635.65 m。

3 結語

針對稷山縣防災對象的現(xiàn)狀防洪能力，綜合分析研判了雨量預警指標和水位預警指標應考量的各因素。同時，以兩典型村落為例，按照上游流域前期降雨量和土壤含水量分析了各典型時段的水量預警指標。同時，按照適用水位預警指標的對象確立了立即轉移和準備轉移指標。這為稷山縣后期編制山洪預警預案、預設防災措施等提供全面、科學的信息支撐。