小流域临界雨量计算方法研究

宋 翔 ，陈 通 ，孙元森

（1.南水北调山东干线有限责任公司，山东 济南 250012；2.东港区水政监察大队，山东 日照 276800）

小流域临界雨量计算方法研究

宋 翔1，陈 通1，孙元森2

（1.南水北调山东干线有限责任公司，山东 济南 250012；2.东港区水政监察大队，山东 日照 276800）

引发山洪灾害的外动力因素是降雨，而降雨需要达到一定的量级或强度时才能激发山洪灾害。临界雨量是山洪灾害预测预报的重要依据之一。本文提出了临界雨量的计算方法，同时通过对典型区域的实例分析，表明提出的方法是可行的。

山洪灾害；临界雨量；计算方法；莒县

引发山洪灾害的外动力因素是降雨，而降雨需要达到一定的量级或强度时才能激发山洪灾害。临界雨量是指一个流域或区域某一时段内降雨量达到或超过某一量级和强度时，该流域或区域将发生山溪洪水、泥石流、滑坡等山洪灾害，把这时的降雨量或降雨强度，称为该流域或区域的临界雨量。

根据 《山洪灾害防治县级监测预警系统建设技术要求》，临界雨量预警指标分为两类：第一类为警戒雨量指标，即准备转移的指标，雨量达到或接近该指标后，应提高警惕，随时监控，做好转移的准备；第二类为转移雨量指标，即立刻转移指标，达到该指标后，结合山洪点的现场监测情况，当发生山洪的可能性较大时，立刻组织人员转移。

1 临界雨量的计算方法

临界雨量是判断山洪灾害的主要参数，对于临界雨量的确定，根据有无实测洪水资料，可采用不同的计算方法。我国大部分地区的小溪流由于无雨量站，未能测得系列降水资料，为了增强成果的可靠性及可信度，必须采用多种方法进行对比分析，确定临界雨量。临界雨量按灾害种类划分为山溪洪水灾害临界雨量、泥石流灾害临界雨量、滑坡灾害临界雨量，因典型区域内泥石流、滑坡灾害较少且缺乏相关资料，临界雨量可合并进行分析计算（假定三者临界雨量相同），以典型区域为单位进行计算，下面介绍典型区域临界雨量的分析计算方法。

1.1 典型区确定

典型区域的确定应考虑以下主要条件。

1）区域内应有一定数量的雨量站点（平均单站控制面积在200～300 km2以下，资料条件差的地区可适当放宽），且分布比较均匀；有较完整、详细的山洪灾害历史发生记录或调查资料；各站点具有时间序列较完整的雨量资料、地质资料、水文资料和气候资料。

2）区域内人口密度较大，具有典型山洪灾害地理特征，山洪灾害频繁，受灾情况严重。

3）典型区域可以是一个流域，也可以是一个区域，在划分典型区域边界线时，区域内可包含若干完整的流域面积不超过200 km2的小流域，应尽量避免将小流域分割开，区域内的地质条件和气象条件相差不大。

1.2 典型区域临界雨量计算

1.2.1 基于灾害统计雨量的临界雨量计算

1）首先根据区域内历次山洪灾害发生的时间，收集区域及周边邻近地区各雨量站对应的雨量资料（区域内有的地方可能未发生山洪，但雨量资料也应一并收集），以水文部门的雨量资料为主，气象站网和实地调查雨量资料作为补充。确定对应的降雨过程开始和结束时间，降雨过程的开始时间是连续3 d每日雨量≤1 mm后出现日雨量＞1 mm的时间；结束时间是山洪灾害发生的时间 （这里确定的是降雨过程统计时间，如灾害发生后降雨仍在持续，灾害会加重）。过程时间确定后，在每次过程中依次查找并统计 10 min、30 min、1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 最大雨量，过程总雨量及其每项对应的起止时间。如果过程时间长度小于对应项的时段跨度，则不统计（如降雨过程小于12 h，则不统计12 h、24 h最大雨量及其起止时间），但过程雨量必须统计。当降雨过程时间较长时（超过3 d），降雨强度可能会出现2个或以上的峰值，则统计最靠近灾害发生时刻各时间段最大雨量。如果收集的资料中已包含各时段雨量统计值，则可直接进行下步工作。

2）假设区域内共有S个雨量站，发生山洪灾害N次，统计T个时间段的雨量，Rtij为t时段第i个雨量站第j次山洪灾害的最大雨量，则各站每个时间段N次统计值中，最小的一个为单站临界雨量初值，即初步认为这个值是单站临界雨量，计算公式如下：

将区域内各站同一时段的临界雨量进行统计分析

Rtmin可视为区域内致灾降雨强度的必要条件，即只有当区域内至少有1个站雨强超过Rtmin时，区域内才有可能发生山洪灾害。

1.2.2 基于长系列降雨频率计算

山区主要河流堤防的防洪标准普遍为5～10年一遇，典型区域内5年一遇和10年一遇的降雨值也可作为临界雨量计算的重要参考。本文采用P-Ⅲ型频率分析法进行计算。P-Ⅲ型频率分析法主要包括目估适线法和优化适线法。随着计算机的推广普及，带有一定准则的计算机优化适线法被广泛应用。优化适线法是在一定的适线准则(即目标函数)下，估计与经验点据拟合最优频率曲线参数的方法。适线时采用的主要准则是离差平方和最小准则(OLS)即最小二乘估计法，是使经验点据与同频率的频率曲线纵坐标之差的平方和达到最小。

1.2.3 临界雨量指标确定

在实际应用中，一般将临界雨量分为预警雨量和转移雨量。预警雨量指在山洪未发生前，发布山洪可能出现的一种危险警告信号雨量；转移雨量指在山洪即将发生或山洪处于极限危险状态时，发布避免山洪的行动信号雨量。从最安全的角度看，发布的转移信号越早越好，但若发布了转移信号，灾害却未发生又可能造成不必要的损失和混乱。因此，必须在临界雨量初值的基础上进一步划分预警雨量和转移雨量，具体方法如下。

将基于长系列降雨资料计算的典型区5年一遇雨量与基于灾害统计雨量计算的区域临界雨量值最小值进行比较，取两者中的较小值作为该典型区的预警雨量参考值；将基于长系列降雨资料计算的典型区10年一遇雨量与基于灾害统计雨量计算的区域临界雨量平均值取平均值，作为该典型区转移雨量参考值。

1.3 基于GIS的典型流域风险区划分

山洪灾害风险区划是指通过对山洪灾害防治区内可能发生的不同频率的山洪灾害进行预测，按照山洪灾害可能发生的程度和范围，划分危险区、警戒区和安全区，并绘制风险区划图。危险区为受10年一遇山洪及其诱发的泥石流、滑坡威胁的区域；警戒区为危险区以外，受100年一遇山洪及其诱发的泥石流、滑坡威胁的区域；安全区为不受100一遇山洪及其诱发的泥石流、滑坡威胁的区域。

2 实例分析

以山东省莒县山洪灾害区为典型实例，阐述上述两种临界雨量的计算方法。

2.1 典型区基本情况

莒县位于山东省东南部，日照市西部，总面积1 952.4 km2，其中低山区面积250 km2，丘陵区面积1 222.4 km2，平原区面积 480 km2。

莒县境内地势北高南低，综合地面坡降约1/1 000~1/800。四周山丘环绕，中部平原和洼地交接，大小山头450余座，大多呈南北走向，东有屋楼崮、峤子山，海拔600 m左右，西有洛山、浮来山，海拔200 m有余，南有马亓山、老营顶，海拔都在600 m左右，北有碁山、金华山等，海拔400 m以上，天然形成四周高、中间低，南北狭长的长槽地形，沿沭河两岸为冲积平原区。莒县大部分水库、塘坝分布在四周山丘地区。

2.2 历史雨量资料的选择

预警雨量计算时，根据莒县北部和东部地理位置，选择区域内有长系列雨量资料的雨量站，并在该区域相关河流的上游，适当补充其他区（县）的雨量站。此次莒县预警雨量计算选择的是莒县、小仕阳、陈家庄、青峰岭4个雨量站的雨量资料。

2.3 临界雨量计算

1）经调查，莒县山洪防治区主要河流堤防的防洪标准普遍为5~10年一遇，因此预警雨量应参考5~10年一遇的降雨量。根据所选典型区有长系列雨量站资料，计算典型区逐年最大 1 h、3 h、6 h、12 h、24 h平均降雨量，并对其进行频率分析和计算，如表1示。

表1 基于长系列统计资料的典型区平均雨量计算表 mm

2）根据长系列降雨资料和典型区内发生山洪灾害的时间，计算山洪灾害发生时间时对应典型区1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 平均降雨量，如表 2 示。

表2 山洪发生时典型区平均雨量计算表 mm

参照上述典型区雨量特征值的计算结果，以典型区5年一遇降水特征值和典型区山洪灾害发生系列最小平均雨量，结合前期雨量等因素，确定该典型区预警雨量；以典型区10年一遇降水特征值和典型区山洪灾害发生系列平均雨量，结合前期雨量等因素，确定典型区转移雨量，如表3示。

说明：表3中预警雨量的计算过程中没有考虑前期雨量的影响，所列各级预警雨量值为基础参考值，如在24 h之前已有较大降雨，应适当降低警戒雨量和转移雨量的值。在实际的操作中，可结合前期降雨情况、当地下垫面情况，对该指标进行实时调整。

表3 莒县山洪预警雨量值参考表 mm

当降雨达到警戒预警雨量（准备转移雨量）后，相关监测人员应提高警惕，密切关注山洪危险区的情况，并派专人值守，随时监控山洪危险区的情况，同时将信息通知到受威胁的村民，并应及时组织群众做好转移的准备，随时根据降雨的发展，决定进行转移；当降雨达到或接近转移雨量（立即转移雨量）后，结合山洪危险区实际情况，当发生山洪的可能性较大时，立刻组织转移。

2.4 危险区划分

结合莒县典型流域山洪特性及防洪现状，通过暴雨洪水的频率分析，确定各个典型断面10年一遇洪峰流量，依据各个典型断面洪峰流量确定各风险区并绘制山洪灾害风险图。根据普查的结果，山洪多发区域主要位于莒县北部和东部地区，在此基础上划分危险区和安全区。

危险区：主要包括大石头河、潍河、绣珍河、茅埠河、袁公河、鹤河、小店河和浔河等流域，覆盖了莒县南部、北部和东部地区。

安全区：主要包括浮来山镇、刘官庄镇、夏庄镇、陵阳镇、城阳街道等。

3 结语

本文介绍了有实测资料和无实测资料的区域临界雨量法计算分析方法，实际应用中，应根据灾情、地质、地貌及降雨特性等实际情况综合分析确定。在此基础上基于GIS技术对山洪防治区域进行了安全区和危险区划分。通过在莒县山洪灾害防治中的实例分析，表明本文提出的方法是可行的。在实际应用中应根据灾情、地质、地貌及降雨特性等实际情况综合分析确定。

P332

B

1009-6159（2012）-09-0047-03

宋翔（1984—），男，助理工程师

（责任编辑赵其芬）