山洪災(zāi)害動態(tài)臨界雨量確定方法研究

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003)

防御山洪災(zāi)害的最有效手段是及時預(yù)警，有序避險。臨界雨量是山洪災(zāi)害預(yù)報預(yù)警的關(guān)鍵指標(biāo)，當(dāng)某一區(qū)域或流域在某個時間段的降雨量達到一定程度，這個區(qū)域或流域?qū)霈F(xiàn)山洪災(zāi)害，這時的降雨量就被稱作臨界雨量。目前國內(nèi)確定臨界雨量一般采用水位流量反推法[1]、災(zāi)害與降雨頻率分析法、災(zāi)害實例調(diào)查法[2]、比擬法等方法。以往的經(jīng)驗表明在同一地區(qū)采用不同統(tǒng)計歸納方法得到的臨界雨量指標(biāo)并不一致，多數(shù)情況下獲得的臨界雨量初值不能直接應(yīng)用，需結(jié)合專家經(jīng)驗進一步確認(rèn)，也有地區(qū)將臨界雨量指標(biāo)取為下限值或自下限值開始的某一數(shù)值區(qū)間。

實際上國內(nèi)廣泛采用的方法都不能定量地確定臨界雨量，都沒有考慮到前期影響雨量的問題。由于洪水不僅與當(dāng)前降雨有關(guān)，還與流域前期洼蓄量、土壤濕度等因素有關(guān),在不同條件下，導(dǎo)致某一溪河發(fā)生洪水所需的降雨量也不同，因此，臨界雨量不是一個固定值，而是動態(tài)變化的。本文以遼寧省清原縣海陽河小流域為例，嘗試研究無資料地區(qū)的動態(tài)臨界雨量的確定方法。

1 動態(tài)臨界雨量的確定方法

傳統(tǒng)臨界雨量推求時，前期影響雨量采用設(shè)計狀態(tài)下土壤含水量。本文針對無資料地區(qū)，將前期影響雨量分為三個水平：Pa=0.25Wm，Pa=0.50Wm，Pa=0.75Wm(其中Pa為前期影響雨量，Wm為流域最大蓄水量)，并采用水位流量反推法，分別求解3種情況下臨界雨量。

對于每個Pa值情況下的臨界雨量，采用試算法進行求解，具體操作是先假定24h的初始雨量，并按雨量及雨型分析得到相應(yīng)的降雨過程系列，作為最初的輸入，計算預(yù)警地點的洪水過程。比較計算所得的洪峰流量與預(yù)警地點的預(yù)警流量。如果二者接近，該雨量即為時段的臨界雨量，如果差異較大，需重新設(shè)定初始雨量，反復(fù)進行試算，直至計算所得洪峰流量與防災(zāi)對象的預(yù)警流量差值小于預(yù)定的允許值。

2 動態(tài)臨界雨量確定示例

2.1 南口前村概況

南口前村位于海陽河下游。海陽河發(fā)源于清原縣清原鎮(zhèn)斗虎屯南部，流經(jīng)清原鎮(zhèn)、南口前鎮(zhèn)，于清原縣南口前鎮(zhèn)南口前村匯入渾河，流域面積190km2，河長29km，平均比降7.76‰?？导冶ず邮呛ｊ柡拥妮^大支流，流域面積52.20km2，河長17km，平均比降20.30‰。流域匯流時長5.60h。

2.2 雨型的確定

推求設(shè)計洪峰流量時需要給出任一歷時的設(shè)計平均雨強或雨量。通常用暴雨公式，即暴雨強度歷時關(guān)系將年最大24h(或6h等)設(shè)計暴雨轉(zhuǎn)化為所需歷時的設(shè)計暴雨。本文采用如下暴雨公式：

(1)

式中at,p——歷時為t，頻率為P的平均暴雨強度，mm/h;

Sp——t=1h，頻率為P的平均雨強，俗稱雨力，mm/h;

n——暴雨參數(shù)或暴雨遞減指數(shù)。

Xt,p=Sptn-1

(2)

式中Xt,p——頻率P，歷時為t的暴雨量，mm。

Sp=X24,p×24(n2-1)

(3)

Sp及n值確定之后，即可用暴雨公式進行不同歷時暴雨間的轉(zhuǎn)換。

2.3 臨界水位

南口前村的控制斷面測量成果見圖1。根據(jù)南口前村的山洪災(zāi)害調(diào)查情況，結(jié)合斷面測量成果，確定南口前村所在河流控制斷面處可能發(fā)生山洪災(zāi)害時的臨界水位為178.48m。

圖1 南口前村溝道斷面成果

2.4 臨界流量

根據(jù)控制斷面測量結(jié)果，采用曼寧公式法，確定南口前村河道控制斷面的水位流量關(guān)系。根據(jù)水位流量關(guān)系確定臨界水位對應(yīng)的流量。比降采用河床比降作水面線比降，0.00776；糙率根據(jù)溝道特征，參照天然或人工河道典型類型和特征情況下的糙率，取值0.028；水位流量計算采用下式計算流量：

(4)

R=A/P

(5)

式中Q——流量，m3/s；

A——過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

R——水力半徑，m；

J——比降；

n——河床糙率；

P——濕周，m。

南口前村控制斷面水位流量關(guān)系轉(zhuǎn)換見下表。

南口前村控制斷面水位流量關(guān)系轉(zhuǎn)換表

在水位流量關(guān)系曲線中，曲線的末端斜率較小，較小的水位變動會引起較大的流量差異。在用水位流量關(guān)系圖通過成災(zāi)水位查算成災(zāi)流量時，很小的成災(zāi)水位誤差就會帶來很大的流量誤差。這也是預(yù)警指標(biāo)誤差的主要來源。為解決該問題，本文采用規(guī)劃求解的方法，借助excel實現(xiàn)，最終確定控制斷面處臨界水位處對應(yīng)的臨界流量為603m3/s。

2.5 動態(tài)臨界雨量

采用文中描述的方法，分別對Pa=0.25Im，Pa=0.50Im，Pa=0.75Im三種情況下的臨界雨量，采用試算法進行求解。最終獲得不同前期影響雨量情況下，各典型時段(10min，1h，5.6h，6h，24h)的動態(tài)臨界雨量(見圖2)。

圖2 典型時段動態(tài)臨界雨量

3 結(jié) 論

臨界雨量是山洪災(zāi)害預(yù)報預(yù)警的關(guān)鍵指標(biāo)，是決定預(yù)警是否及時準(zhǔn)確的最重要因素。本文針對大部分受山洪災(zāi)害威脅的小流域?qū)儆跓o資料地區(qū)的現(xiàn)狀，以遼寧省海陽河小流域為例，嘗試研究了無資料地區(qū)的動態(tài)臨界雨量的確定方法，為國內(nèi)外廣大無資料小流域動態(tài)臨界雨量的推求提供參考和借鑒。

[1] 李昌志,孫東亞.山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)確定方法[J].中國水利,2012(9):54-56.

[2] 程衛(wèi)帥.山洪災(zāi)害臨界雨量研究綜述[J].水科學(xué)進展,2013,24(6):901-908.