山洪災(zāi)害預(yù)警中的關(guān)鍵水文問(wèn)題研究

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(zāi)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(shí)較短、暴漲暴落的地表徑流[1]。我國(guó)因山丘面積占比高、地形地質(zhì)條件復(fù)雜、暴雨多發(fā)和人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度大等原因，一直遭受著山洪災(zāi)害的嚴(yán)重威脅[2]。山洪破壞性極強(qiáng)，災(zāi)后恢復(fù)困難，開(kāi)展山洪災(zāi)害預(yù)警是一項(xiàng)切實(shí)關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要工作[3]。

2009 年，水利部和財(cái)政部在全國(guó)103 個(gè)縣開(kāi)展了以監(jiān)測(cè)、通信、預(yù)報(bào)和預(yù)警等措施為主的山洪防治非工程建設(shè)試點(diǎn)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(zāi)害防治非工程措施項(xiàng)目，在近10 a 來(lái)發(fā)揮了重要作用[5]。本研究以敖漢旗為例，討論了危險(xiǎn)區(qū)域劃分和臨界雨量計(jì)算這兩大山洪災(zāi)害預(yù)警中關(guān)鍵的水文問(wèn)題，為摸清相關(guān)地區(qū)山洪特征和發(fā)布山洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域及其山洪特點(diǎn)

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(zhǎng)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(guò)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(fēng)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(yán)重不均。受華北低壓、渤海氣旋、臺(tái)風(fēng)及冷鋒影響，該區(qū)域在6—9月容易集中發(fā)生強(qiáng)降雨，且次數(shù)多、歷時(shí)長(zhǎng)，汛期降水量可達(dá)全年的80%。

1.2 河流水庫(kù)概況

敖漢旗境內(nèi)大小河流超過(guò)30 條，河流總長(zhǎng)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(lái)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(shè)有14座水庫(kù)，總集水面積3 190.41 km2，總庫(kù)容1.93×108m3，興利庫(kù)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(zāi)害特點(diǎn)

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

2 山洪災(zāi)害預(yù)警的水文問(wèn)題

2.1 山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)簡(jiǎn)介

為有效防御山洪災(zāi)害，敖漢旗建設(shè)了山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，如圖2—3 所示。該系統(tǒng)主要由以下4 個(gè)部分組成。

圖2 敖漢旗山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

圖3 敖漢旗山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)

（1）雨情監(jiān)測(cè)模塊。雨情監(jiān)測(cè)主要是降雨量監(jiān)測(cè)，即將各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的降雨數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至預(yù)警決策模塊，包括監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)、雨情信息采集及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)取１灸K建設(shè)了由89 個(gè)自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)站和8 個(gè)自動(dòng)水位監(jiān)測(cè)站組成的觀測(cè)站網(wǎng)，站點(diǎn)布設(shè)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(zāi)害需求，該模塊用于接收氣象、國(guó)土等相關(guān)專(zhuān)業(yè)部門(mén)發(fā)布的最新信息，并傳遞至預(yù)警決策模塊。

（3）預(yù)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(yù)警，由可視化界面、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、接收數(shù)據(jù)庫(kù)等部分組成，具有資料查詢(xún)、信息發(fā)布等功能。

（4）山洪聯(lián)防機(jī)制。建立健全旗、鄉(xiāng)/鎮(zhèn)、村、組、戶的五級(jí)山洪災(zāi)害聯(lián)合防御體系，設(shè)立一至三級(jí)山洪災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，最大限度降低生命財(cái)產(chǎn)損失。

2.2 山洪預(yù)警中的關(guān)鍵水文問(wèn)題

在進(jìn)行山洪災(zāi)害預(yù)警工作時(shí)，主要需要解決以下2個(gè)方面的關(guān)鍵水文問(wèn)題。

（1）危險(xiǎn)區(qū)域劃分。由于研究區(qū)域內(nèi)地勢(shì)高低起伏，因此各地遭遇山洪災(zāi)害的概率也不盡相同。通過(guò)計(jì)算一定頻率洪水的水面線，結(jié)合地形資料確定受山洪災(zāi)害影響顯著的危險(xiǎn)區(qū)域，進(jìn)而為精準(zhǔn)防治山洪造成危害提供支撐。

（2）臨界雨量確定。山洪災(zāi)害的主要驅(qū)動(dòng)因素是降雨，當(dāng)區(qū)域內(nèi)降雨量達(dá)到某一臨界數(shù)值時(shí)，該區(qū)域極有可能形成洪水并誘發(fā)山洪災(zāi)害。確定這一臨界雨量對(duì)于預(yù)報(bào)和防治山洪災(zāi)害具有重要意義。

3 山洪災(zāi)害的危險(xiǎn)區(qū)域劃分

3.1 危險(xiǎn)區(qū)域劃分方法

從降低山洪災(zāi)害造成危害的角度，通常將研究區(qū)域劃分為危險(xiǎn)區(qū)域、警戒區(qū)域和安全區(qū)域。危險(xiǎn)區(qū)域是指受山洪災(zāi)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(shè)施破壞及人員傷亡。安全區(qū)域是指不受山洪災(zāi)害威脅、地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定、可安全從事生產(chǎn)生活活動(dòng)的區(qū)域。而警戒區(qū)域是介于危險(xiǎn)區(qū)域和安全區(qū)域之間的地帶[6]。

具體來(lái)說(shuō)，危險(xiǎn)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(méi)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(méi)線以外的區(qū)域[7]。

由于危險(xiǎn)區(qū)域?qū)θ嗣裆?cái)產(chǎn)的威脅最為顯著，研究主要確定敖漢旗山洪預(yù)警中的危險(xiǎn)區(qū)域。為此，對(duì)敖漢旗各主要河流進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查踏勘，逐一確定可能發(fā)生山洪災(zāi)害的地點(diǎn)，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(guò)洪水淹沒(méi)線進(jìn)行區(qū)域劃分，即認(rèn)為10 a 一遇洪水淹沒(méi)線以?xún)?nèi)為危險(xiǎn)區(qū)域。

3.2 流域洪峰流量計(jì)算

由于敖漢旗歷史上發(fā)生過(guò)山洪災(zāi)害的區(qū)域均屬小流域無(wú)資料地區(qū)，在每條踏勘河流上布設(shè)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(shí)測(cè)暴雨資料推算各河流斷面的設(shè)計(jì)洪峰流量。

10 a一遇（P=10%）設(shè)計(jì)洪峰流量由以下公式計(jì)算：

式中：QP為10 a一遇目標(biāo)頻率的設(shè)計(jì)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(biāo)頻率而變的常數(shù)流量（m3/s）；Ki為計(jì)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(cè)》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(jì)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(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果帶入曼寧公式，采用試算法計(jì)算10 a 一遇設(shè)計(jì)流量時(shí)的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，進(jìn)而得到設(shè)計(jì)洪水的過(guò)水?dāng)嗝嫠畈⒗L制出洪水水面線，即劃分山洪災(zāi)害的危險(xiǎn)區(qū)域。

曼寧公式為：

式中：Q為設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）；n為河床糙率，通過(guò)查閱各年水文統(tǒng)計(jì)年鑒及敖漢旗洪水調(diào)查資料確定；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2）；R為水力半徑（m）；I為水面比降。

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

圖4 敖漢旗山洪災(zāi)害預(yù)警的危險(xiǎn)區(qū)域

4 山洪預(yù)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(dá)到或超過(guò)某一量級(jí)時(shí)，具有形成洪水并誘發(fā)山洪災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。目前臨界雨量的計(jì)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(zāi)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(zāi)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(guān)，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(cè)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(shí)，區(qū)域內(nèi)應(yīng)具有典型的山洪災(zāi)害地理特征、山洪災(zāi)害頻繁，且人口密度較大、歷史受災(zāi)情況嚴(yán)重。將敖漢旗劃分為5個(gè)典型區(qū)域，詳見(jiàn)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(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)中各雨量站的歷史觀測(cè)資料，首先確定各站觀測(cè)降雨的開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間。其中，開(kāi)始時(shí)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(shí)間，結(jié)束時(shí)間是指降雨開(kāi)始后發(fā)生山洪災(zāi)害的時(shí)間。然后在每次降雨過(guò)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(duì)應(yīng)的起止時(shí)間。若過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)度小于對(duì)應(yīng)項(xiàng)的時(shí)間跨度，則只統(tǒng)計(jì)過(guò)程雨量而不統(tǒng)計(jì)最大雨量及其起止時(shí)間。

對(duì)于典型區(qū)內(nèi)的每一個(gè)雨量站，其各時(shí)間段的單站臨界雨量計(jì)算為若干次山洪災(zāi)害時(shí)間中記錄的該時(shí)間段最小雨量。可對(duì)典型區(qū)內(nèi)各雨量站的同一時(shí)間段臨界雨量作進(jìn)一步分析。對(duì)典型區(qū)內(nèi)所有站點(diǎn)的同一時(shí)段臨界雨量進(jìn)行平均，反映典型區(qū)內(nèi)的平均情況，即當(dāng)面降雨大于該平均值時(shí)，典型區(qū)內(nèi)可能發(fā)生山洪災(zāi)害。典型區(qū)內(nèi)單站或所有站點(diǎn)的同一時(shí)段臨界雨量的最小值分別為該典型區(qū)內(nèi)致災(zāi)降雨強(qiáng)度的必要條件和充分條件，即至少有一個(gè)雨量站觀測(cè)降雨大于最小值時(shí)，典型區(qū)內(nèi)才可能發(fā)生山洪災(zāi)害，而所有雨量站的觀測(cè)降雨均大于最小值時(shí)，典型區(qū)內(nèi)必定發(fā)生山洪災(zāi)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(shí)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(jì)算各次山洪事件中各站不同時(shí)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(chǔ)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。基于單站臨界雨量代表法計(jì)算的敖漢旗各典型區(qū)內(nèi)的臨界雨量，詳見(jiàn)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(zāi)害與降雨頻率分析法

假設(shè)降雨與山洪災(zāi)害同頻，則可調(diào)查山洪災(zāi)害的場(chǎng)次并分析其發(fā)生頻率，從而計(jì)算與災(zāi)害同頻率的臨界雨量初值。本研究通過(guò)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(zāi)害，各典型區(qū)內(nèi)山洪災(zāi)害發(fā)生的概率約為33%。基于敖漢旗山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的雨量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)計(jì)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(quán)計(jì)算區(qū)域內(nèi)各時(shí)間段的面平均最大降水量，分別繪制各時(shí)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(zāi)害發(fā)生頻率在P-Ⅲ型曲線上查找出相應(yīng)頻率的降水量，從而確定各典型區(qū)內(nèi)臨界雨量的計(jì)算值[10]。基于災(zāi)害與降雨頻率分析法計(jì)算的敖漢旗各典型區(qū)內(nèi)的臨界雨量，詳見(jiàn)表3。

表3 由災(zāi)害與降雨頻率分析法確定的各區(qū)域臨界雨量 mm

4.4 結(jié)果對(duì)比與分析

對(duì)比表2 和表3 2 種方法計(jì)算結(jié)果可知，敖漢旗不同典型區(qū)域的臨界雨量存在明顯的時(shí)空差異，其中Ⅲ區(qū)的各時(shí)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(shí)間段臨界雨量計(jì)算結(jié)果總體相近。不同方法計(jì)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(jì)算結(jié)果大于災(zāi)害與降雨頻率分析法的計(jì)算結(jié)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(wèn)題，同時(shí)也不能考慮前期雨量大小、土壤濕潤(rùn)程度等因素在山洪災(zāi)害形成過(guò)程中的影響；降雨與災(zāi)害頻率分析法的問(wèn)題主要在于雨量選樣超定量、降雨資料不全和災(zāi)害調(diào)查不全等問(wèn)題。因此，需要基于2 種方法的計(jì)算結(jié)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(duì)臨界雨量有顯著影響，與湖南省瀏陽(yáng)市、甘肅省成縣等地區(qū)確定的山洪災(zāi)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(zāi)害，敖漢旗地理地質(zhì)條件面臨的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)更大。也因如此，區(qū)域臨界雨量通常是一個(gè)范圍而非一個(gè)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(shí)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(zāi)害。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意該范圍不宜過(guò)大，否則對(duì)于實(shí)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(zāi)害頻率分析法確定敖漢旗各典型區(qū)臨界雨量，詳見(jiàn)表4。

表4 基于綜合分析確定的各區(qū)域臨界雨量 mm

5 結(jié)論

作為一種常見(jiàn)的自然災(zāi)害，山洪已成為威脅我國(guó)群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的重大隱患。以?xún)?nèi)蒙古自治區(qū)敖漢旗為例，針對(duì)山洪預(yù)警中危險(xiǎn)區(qū)域劃分和臨界雨量計(jì)算的兩大主要水文問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算與討論，為摸清東北地區(qū)山洪特征和發(fā)布山洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供了技術(shù)支撐。通過(guò)計(jì)算10 a一遇洪水水面線，劃分了山洪災(zāi)害的危險(xiǎn)區(qū)域，計(jì)算的危險(xiǎn)區(qū)域約占全旗面積21.86%，敖漢旗受山洪災(zāi)害影響較為嚴(yán)重。在劃分典型區(qū)域的基礎(chǔ)上，結(jié)合單站臨界雨量代表法和災(zāi)害與降雨頻率分析法確定了山洪預(yù)警的不同時(shí)間段臨界雨量；計(jì)算的臨界雨量與相關(guān)研究相比偏小，相同降雨條件下敖漢旗形成山洪災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)更大。