丘陵地區(qū)重要集鎮(zhèn)預(yù)警雨量值計(jì)算技術(shù)研究
——以廣西巴馬縣燕洞鎮(zhèn)為例

楊 宇

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋工程學(xué)院，南寧 530216）

1 研究背景及對象

1.1 研究背景

我國自2010年起，開始對受山洪災(zāi)害威脅的村屯進(jìn)行山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)工作。重要城鎮(zhèn)、集鎮(zhèn)的山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)工作開始于2021年，目前仍有大部分城集鎮(zhèn)尚未開展此項(xiàng)工作。預(yù)警指標(biāo)計(jì)算則是重要城集鎮(zhèn)山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)中最為關(guān)鍵的工作。

1.2 研究對象

巴馬瑤族自治縣位于廣西壯族自治區(qū)西北部，處于云貴高原東南麓，屬亞熱帶山區(qū)類型，縣境內(nèi)河流均屬珠江水系。

本次研究對象巴馬縣燕洞鎮(zhèn)所處流域?yàn)檠喽春恿饔?。燕洞河是靈歧河左岸一級支流，發(fā)源于廣西鳳山縣與巴馬瑤族自治縣交界的桑嶺東南麓，向南流經(jīng)坤屯、干樓后匯入干鏟溶洞形成16.5 km 長的地下伏流，伏流在燕洞鄉(xiāng)賴滿村那建屯上游3.5 km的百干洞出露地表。繼續(xù)向南經(jīng)巴馬燕洞、巖廷及田東縣農(nóng)荷等村屯，于田東縣甲分村匯入靈歧河，全長90 km，流域面積584 km2。

燕洞鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害主要由暴雨造成，該地區(qū)降雨特點(diǎn)是：雨量多，強(qiáng)度大。山洪發(fā)生季節(jié)與暴雨發(fā)生情況基本一致，可造成較大或特大洪水。從洪水過程來看，洪水過程以單峰為主，來勢兇猛，洪量集中，傳播時(shí)間短。

2 山洪災(zāi)害分析

綜合分析燕洞鎮(zhèn)所處流域特性和洪水成因，燕洞河燕洞鎮(zhèn)上游有伏流，洪水組成主要受地表徑流影響的河流，其預(yù)警指標(biāo)采用雨量進(jìn)行預(yù)警，設(shè)計(jì)洪水采用實(shí)測水文站資料及降雨量資料兩種方法組合進(jìn)行推求。

2.1 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

設(shè)計(jì)暴雨采用查算圖表法進(jìn)行推求。根據(jù)《廣西暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖研究（2010 版）》，查得設(shè)計(jì)河段流域重心最大1 h、6 h、24 h的均值、Cv值，取Cs=3.5Cv，計(jì)算得各頻率設(shè)計(jì)暴雨，成果見表1。

表1 燕洞鎮(zhèn)設(shè)計(jì)暴雨成果表mm

2.1.1 分析步驟

（1）根據(jù)重點(diǎn)防治區(qū)（小流域）的位置查《廣西壯族自治區(qū)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖研究》中的不同時(shí)段點(diǎn)雨量均值等值線圖和點(diǎn)雨量Cv等值線圖，得到各個(gè)小流域不同時(shí)段的Hˉ和Cv；據(jù)Cv值和相應(yīng)頻率，由《廣西壯族自治區(qū)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖研究》附表1“皮爾遜III型曲線模比系數(shù)Kp值表”，可得各計(jì)算單元不同設(shè)計(jì)暴雨頻率相應(yīng)的Kp值，乘以暴雨均值可得不同設(shè)計(jì)暴雨頻率的設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量，即H24點(diǎn)=H24點(diǎn)×Kp、H6點(diǎn)=H6點(diǎn)×Kp、H1點(diǎn)=H1點(diǎn)×Kp。

（2）查《廣西壯族自治區(qū)暴雨徑流查算圖表》表1“二區(qū)T～F～α關(guān)系表”，得各計(jì)算單元1、6、24 h點(diǎn)面雨量轉(zhuǎn)換系數(shù)α，乘以設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量得到1、6、24 h的設(shè)計(jì)面雨量。當(dāng)流域面積小于100 km2時(shí)，則由點(diǎn)雨量代替面雨量，當(dāng)流域面積大于100 km2時(shí)，則需計(jì)算面雨量。

（3）根據(jù)面暴雨遞減指數(shù)n的求解公式，求得n1p，n2p，n3p三種時(shí)段的面暴雨遞減指數(shù)。

（4）根據(jù)第二步求得的1、6、24 h 的設(shè)計(jì)面雨量，計(jì)算求得不同歷時(shí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量。

2.1.2 點(diǎn)面系數(shù)

整治河段各斷面集雨面積小于100 km2，不考慮點(diǎn)面系數(shù)。

2.1.3 設(shè)計(jì)雨型

設(shè)計(jì)雨型采用《廣西暴雨徑流查算圖表》雨型。項(xiàng)目區(qū)屬第3雨型區(qū)，最大1 h暴雨發(fā)生在第24小時(shí)。

2.2 設(shè)計(jì)洪水分析

2.2.1 設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

（1）流域特征參數(shù)。本次采用1∶10 000地形圖對各河流流域特征參數(shù)進(jìn)行量算，同時(shí)結(jié)合《廣西河川主要特征表》、河流“一河（湖）一策”成果進(jìn)行對比分析，經(jīng)比較分析，本次計(jì)算河流流域特征值與已有成果相差不大，說明流域特征值量算成果合理，各河流流域特征參數(shù)采用《廣西河川主要特征表》已有成果，見表2。

表2 流域特征參數(shù)值

（2）設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果。根據(jù)各河流流域特征參數(shù)、設(shè)計(jì)暴雨成果以及產(chǎn)匯流參數(shù)，采用《廣西暴雨徑流查算圖表》中推理公式法和瞬時(shí)單位線法兩種方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。

經(jīng)計(jì)算，各河流設(shè)計(jì)洪水成果見表3。

表3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果采用表

由表3 可知，各河流推理公式法和瞬時(shí)單位線法各頻率計(jì)算成果相差不大，經(jīng)綜合分析，推理公式法更適合中小流域的洪水計(jì)算，本次采用推理公式法成果。

2.2.2 水位比擬法推求設(shè)計(jì)洪水

（1）計(jì)算方法。燕洞河干流燕洞鎮(zhèn)斷面集水面積在322 km2，該河段在燕洞鎮(zhèn)建有總長3.742 km的護(hù)岸，治理河長1.96 km，本次燕洞河干流燕洞鎮(zhèn)河段設(shè)計(jì)洪水經(jīng)復(fù)核后采用《燕洞鎮(zhèn)河段整治工程初設(shè)》中洪水成果。

（2）設(shè)計(jì)斷面特征參數(shù)。各控制斷面集水面積1：1 萬地形圖進(jìn)行圈量，燕洞河燕洞鎮(zhèn)斷面位置集水面積為322 km2。

（3）燕洞河燕洞鎮(zhèn)設(shè)計(jì)洪水成果。燕洞河下游段設(shè)計(jì)洪水經(jīng)復(fù)核后采用《燕洞鎮(zhèn)河段整治工程初設(shè)》中洪水成果，燕洞河地下河出口以上匯流面積為137 km2。

燕洞河流域內(nèi)無實(shí)測洪水資料，可通過與相似流域特征條件的盤陽河上的鳳山水文站的設(shè)計(jì)資料作為參考。鳳山站流域與燕洞河流域的特征較為相似，流域內(nèi)巖溶發(fā)育，上游均有一段伏流滯洪。本次設(shè)計(jì)洪水以鳳山水文站為參證站，按比擬法計(jì)算。對鳳山水文站1959—2006年共48年實(shí)測洪水資料進(jìn)行頻率計(jì)算，采用P-Ⅲ型曲線擬合。燕洞河下游河段洪水主要由地下伏流和區(qū)間洪水組成，區(qū)間洪水采用設(shè)計(jì)暴雨推求，將兩部分洪水疊加即得燕洞河下游段設(shè)計(jì)洪水，成果見表4。

表4 燕洞河燕洞鎮(zhèn)控制斷面設(shè)計(jì)洪水成果表

2.3 水位流量轉(zhuǎn)換

2.3.1 水位流量關(guān)系轉(zhuǎn)換

根據(jù)本次現(xiàn)場調(diào)查，燕洞河燕洞鎮(zhèn)下游1.7 km建有攔河壩1 座，本次各鄉(xiāng)鎮(zhèn)控制斷面考慮下游水利工程或干流回水影響，燕洞河燕洞鎮(zhèn)采用寬頂堰流公式計(jì)算下游攔河壩水位流量關(guān)系曲線，并采用伯努利方程反推鎮(zhèn)區(qū)水位水量關(guān)系曲線。

（1）計(jì)算斷面。燕洞河本次計(jì)算河段長度為2.03 km，共布置5 個(gè)計(jì)算斷面，最小斷面間距為0.43 km，最大斷面間距0.59 km，平均間距0.51 km。

（2）糙率。根據(jù)各斷面河槽兩岸植被分布情況及現(xiàn)場查勘情況、歷史洪水水位對水面線的復(fù)核情況來確定，河段糙率取0.030～0.060。

（3）起推水位。燕洞河燕洞鎮(zhèn)下游1.7 km 建有攔河壩1 座，下游控制斷面采用寬頂堰流公式計(jì)算下游攔河壩水位流量關(guān)系曲線，燕洞河攔河壩H～Q關(guān)系見表5。

表5 燕洞河攔河壩H～Q關(guān)系成果

（4）水面線成果。根據(jù)以上基本計(jì)算參數(shù)，水面線成果見表6。

表6 燕洞河燕洞鎮(zhèn)河段設(shè)計(jì)洪水位成果表

（5）燕洞河燕洞鎮(zhèn)控制斷面流量關(guān)系曲線。本次采用燕洞河燕洞鎮(zhèn)中心小學(xué)斷面作為燕洞河燕洞鎮(zhèn)控制斷面，根據(jù)伯努利方程反推燕洞河燕洞鎮(zhèn)中心小學(xué)斷面H～Q關(guān)系見表7。

表7 燕洞河燕洞鎮(zhèn)中心小學(xué)斷面H～Q關(guān)系成果

2.3.2 控制斷面各頻率設(shè)計(jì)洪水位

根據(jù)前述分析的設(shè)計(jì)洪峰流量及各斷面的水文流量關(guān)系成果，分別查詢得到其相應(yīng)的各頻率設(shè)計(jì)洪水位見表8。

表8 燕洞鎮(zhèn)斷面各頻率設(shè)計(jì)洪水位成果表

2.4 合理性分析

（1）兩種計(jì)算方法成果對比。本次按兩種計(jì)算方法復(fù)核設(shè)計(jì)洪水結(jié)果見表4，兩種計(jì)算方法的設(shè)計(jì)洪水成果接近，相互驗(yàn)證，說明設(shè)計(jì)洪水成果可靠。

（2）與周邊工程對比。為了更進(jìn)一步論證設(shè)計(jì)洪水成果的合理性，現(xiàn)將本次工程設(shè)計(jì)洪水成果與鄰近流域部分工程和水文站設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行比較分析。本次選取流域附近已建或者已批復(fù)的工程洪水成果，點(diǎn)匯集水面積與P=10%設(shè)計(jì)洪峰的雙對數(shù)圖（見圖1）。各河段點(diǎn)據(jù)處在點(diǎn)群中心線附近，可見本次洪水成果與鄰近區(qū)域洪水成果較協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)成果合理。部分點(diǎn)距與趨勢線略有偏差，主要是由降雨特性、流域概況、河道參數(shù)、產(chǎn)匯流條件差異所致。

圖1 10年一遇洪峰～集水面積關(guān)系圖

綜上所述，本次洪水計(jì)算成果是合理可用的。

3 預(yù)警指標(biāo)分析

3.1 預(yù)警時(shí)段確定

預(yù)警時(shí)段指雨量預(yù)警指標(biāo)中采用的典型降雨歷時(shí)，是雨量預(yù)警指標(biāo)的重要組成部分。受防災(zāi)對象上游集雨面積大小、降雨強(qiáng)度、流域形狀及其地形地貌、植被、土壤含水量等因素的影響，預(yù)警時(shí)段會(huì)發(fā)生變化，因此，需要合理地確定[1]。在本次研究中，預(yù)警時(shí)段確定如下：

（1）典型時(shí)段確定。針對每個(gè)集鎮(zhèn)、城鎮(zhèn)，對于除了匯流時(shí)段之外的其他時(shí)段的確定，根據(jù)防災(zāi)對象所在地區(qū)暴雨特性、流域面積大小、平均比降、形狀系數(shù)、下墊面情況等因素，確定預(yù)警時(shí)段1 h、3 h、6 h等，一般選取2～3個(gè)典型預(yù)警時(shí)段，最小預(yù)警時(shí)段選為1 h。

（2）綜合確定。充分參考前期基礎(chǔ)工作成果的流域單位線信息，結(jié)合流域暴雨、下墊面特性以及歷史山洪情況，綜合分析防災(zāi)對象所處河段的河谷形態(tài)、洪水上漲速率、轉(zhuǎn)移時(shí)間及其影響人口等因素后，確定各防災(zāi)對象的各個(gè)典型預(yù)警時(shí)段，從最小預(yù)警時(shí)段直至流域匯流時(shí)間[2]。

按照前述原則，燕洞河燕洞鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)的預(yù)警時(shí)段為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h。

3.2 土壤的含水量確定

流域土壤含水量對流域產(chǎn)流有重要影響，是雨量預(yù)警的重要基礎(chǔ)信息，主要用于凈雨分析計(jì)算時(shí)考慮，并進(jìn)而用于分析臨界雨量閾值[3]。

計(jì)算土壤含水量時(shí)，采用了部分水文部門的現(xiàn)有成果；部分地區(qū)資料高度缺乏，采用前期降雨對流域土壤含水量進(jìn)行估算，推薦采用流域最大蓄水量估算法。采用Pa=0.2Wm、Pa=0.5Wm、Pa=0.8Wm三個(gè)臨界值對前期降雨很少、中等、很多3種情況的前期降雨進(jìn)行界定，代表流域土壤含水量較干（0.2Wm＜Pa＜0.5Wm）、一般（0.5Wm≤Pa＜0.8Wm）以及較濕（Pa≥0.8Wm）3 種典型情況?？紤]土壤含水量是為了計(jì)算臨界雨量時(shí)的雨量扣損，扣損包括初損和穩(wěn)定下滲兩部分。

3.3 臨界雨量計(jì)算方法

以實(shí)測的斷面測量資料為基礎(chǔ)，根據(jù)已分析得到各控制斷面的水位流量關(guān)系，針對研究對象，計(jì)算得其成災(zāi)水位為302.56 m，對應(yīng)臨界流量為349 m3/s。

根據(jù)分析確定的預(yù)警時(shí)段，采用推理公式法及《暴雨徑流查算圖表》率定的水文參數(shù)進(jìn)行洪水計(jì)算，確定各個(gè)預(yù)警時(shí)段的臨界雨量數(shù)據(jù)。計(jì)算時(shí)通過假設(shè)匯流時(shí)間下的雨量數(shù)據(jù)，經(jīng)過點(diǎn)面轉(zhuǎn)換后，按照對應(yīng)的雨型進(jìn)行時(shí)程分配得到暴雨過程，以此暴雨過程數(shù)據(jù)作為模型輸入，按照模型參數(shù)進(jìn)行反復(fù)試算，直到洪水達(dá)到警戒流量為止，則此時(shí)假設(shè)的時(shí)段雨量即為該等級對應(yīng)的臨界雨量。不同含水狀態(tài)下，各時(shí)段臨界雨量計(jì)算成果見表9。

表9 預(yù)警對象各預(yù)警時(shí)段臨界雨量計(jì)算成果表mm

3.4 綜合確定預(yù)警指標(biāo)

通常情況下，由于臨界雨量是從成災(zāi)水位對應(yīng)流量的洪水推算得到，故在數(shù)值上認(rèn)為臨界雨量即立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)；對于準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)，是在臨界雨量基礎(chǔ)上根據(jù)準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移時(shí)間及洪水過程線綜合進(jìn)行“折減”處理，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量=（立即轉(zhuǎn)移雨量-部分損失）×折減系數(shù)0.7+部分損失。

各預(yù)警對象的預(yù)警指標(biāo)分析成果見表10。

表10 燕洞鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)各預(yù)警對象預(yù)警指標(biāo)成果表

4 建議

（1）建議當(dāng)?shù)貞?yīng)急、水利部門充分運(yùn)用好本次研究獲得的預(yù)警指標(biāo)等信息，做好山洪災(zāi)害防治預(yù)案的完善工作。同時(shí)定期開展預(yù)警指標(biāo)率定工作，確保預(yù)警指標(biāo)的時(shí)效性[4]。

（2）本次分析評價(jià)主要針對小流域溪河洪水引發(fā)的山洪災(zāi)害，因巖溶低洼內(nèi)澇、大江大河頂托而造成的山洪災(zāi)害未能充分考慮。建議結(jié)合巖溶地區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害的調(diào)查成果，開展巖溶內(nèi)澇災(zāi)害成因與區(qū)劃方法研究，全面提高廣西巴馬縣的山洪災(zāi)害防御能力。

5 結(jié)語

本次研究工作對以巴馬縣燕洞鎮(zhèn)為代表的丘陵地區(qū)小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水特性、沿河集鎮(zhèn)現(xiàn)狀防洪能力以及預(yù)警指標(biāo)分析等方面，都取得了一定成果。后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步整編，完善提升山洪災(zāi)害信息，充分運(yùn)用好預(yù)警指標(biāo)，進(jìn)一步改進(jìn)預(yù)警指標(biāo)以及預(yù)警信息的關(guān)聯(lián)等工作。同時(shí)，預(yù)警指標(biāo)確定不可一蹴而就，當(dāng)?shù)厮?yīng)急部門應(yīng)在預(yù)警指標(biāo)計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際動(dòng)態(tài)優(yōu)化預(yù)警指標(biāo)。