山溪洪水临界雨量基本概念剖析及方法分析

张红萍，刘 舒，刘媛媛，胡昌伟

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

山溪洪水临界雨量基本概念剖析及方法分析

张红萍，刘 舒，刘媛媛，胡昌伟

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

山洪灾害监测预警系统建设是我国当前山洪灾害防治非工程措施建设的重要的内容之一。我国的山洪灾害监测预警系统主要是依据实测雨量与临界雨量的对比而进行预警的。在临界雨量的分析和应用过程中，对临界雨量的认识和理解，还存在较大的分歧，从而导致临界雨量的分析计算及其应用尚存在一些误区。本文根据山溪洪水的特性和致灾机制，对山溪洪水临界雨量的基本概念进行剖析，并对山溪洪水临界雨量的分析计算和应用进行研究。

山溪洪水；临界雨量；早期预警

1 研究背景

2003年，根据全国山洪灾害防治规划工作的需要，我国防汛部门较先给出了关于临界雨量定义，即“在一个流域或区域内，降雨量达到或超过某一量级和强度时，该流域或区域发生山溪洪水、泥石流、滑坡等山洪灾害。把这时的降雨量和降雨强度，称为该流域或区域的临界雨量（强）”［1］。关于临界雨量分析，目前我国研究和应用较多的方法是有资料区域的单站临界雨量法与区域临界雨量法，以及资料缺乏和无资料区域的内插法、比拟法、灾害实例调查法、灾害与降雨频率分析法等临界雨量的估算方法［2-4］。

上述关于临界雨量的定义和分析方法，可以满足规划工作的需要，但在进行山洪监测预警时，对临界雨量的概念，尚需要进一步的剖析和明确。当前我国相关文献中通常引用的“山洪灾害”其实包含了山溪洪水、泥石流、滑坡等三种典型的灾害形式。这三者之间存在一定的联系，常常相伴相生，但三者成灾机制存在很大的区别，例如，滑坡主要与局地降雨有关，而山溪洪水不仅与溪河局地降雨有关，还与溪河上游整个流域上的降雨都有关。因此，这三种灾害的临界雨量的分析和应用方法，也存在很大的差别。在山洪灾害监测预警系统中分析和应用临界雨量时，首先须从概念上区分是导致山溪洪水的临界雨量，还是导致滑坡的临界雨量，或者是导致泥石流的临界雨量。本文仅对山溪洪水的临界雨量进行分析。

2 山溪洪水临界雨量基本概念剖析

我国大部分山区溪河洪水，主要是由暴雨引起的，具有历时短、强度大、暴涨暴落的特性。山溪流域内突降暴雨，导致溪河洪水暴涨，淹没分布在溪河两侧的村落、工矿企业等防洪保护对象，从而造成溪河洪水灾害。根据灾害学原理，暴雨、山溪流域的下垫面条件，以及分布于溪河两侧的防洪保护对象，分别构成了山溪洪水灾害的致灾因子、孕灾环境、承灾体等3个灾害要素。要分析导致某地发生山洪的临界雨量，需要考虑4个关键环节，即：（1）受威胁对象（或称防洪保护对象）；（2）受威胁对象临近的溪河断面；（3）溪河断面上游汇流区域；（4）汇流区域内的雨量观测站点观测的雨量，如图1所示。

从上述山溪洪水致灾机制看，山溪洪水的临界雨量是指导致山溪河流某一断面处发生洪水所需的上游流域一定时段的降雨量。分析和应用山溪洪水临界雨量时，需要注意以下几点。

（1）临界雨量，是与某一具体受威胁对象相关的。临近于不同溪河断面的受威胁对象，由于上游汇流面积不同，对应的临界雨量也是不同的。

（2）临界雨量，是指受威胁对象所临近的溪河断面上游流域内所有的降雨量。流域内的降雨量，是面平均雨量的概念。对于流域面积较小、汇流时间较短的溪河流域，可以用流域内测站的点雨量来代表流域面平均雨量。对于流域面积较大、汇流时间较长的流域，仅采用流域面雨量进行预警存在较大的不确定性，因此，建议在上游地区布设水位测站进行预警。

（3）临界雨量，是指一定时间的累积雨量，根据水文分析计算的传统和习惯，通常采用1、3、6、24 h等几个特征时段的雨量。

（4）由于溪河洪水不仅与当前降雨有关，还与流域前期洼蓄量、土壤湿度等因素有关，在不同的前期降雨条件下，导致溪河发生洪水所需的降雨量也不同，因此，理论上讲，临界雨量不是一个固定值。例如美国的FFG，就是根据前期降雨量并采用水文预报模型而实时估算的［5-6］。而我国当前山溪河流水文预报还没形成固定的预报作业模式，因此在山洪灾害监测预警实际应用过程中，大部分地区暂时还没有考虑前期降雨的影响，而是将临界雨量简化成一个或一组固定值。

图1 受山洪威胁对象流域示意图

3 资料匮乏地区山溪洪水临界雨量分析方法

根据山溪洪水临界雨量的基本概念可知，受威胁对象、溪河预警断面、断面上游流域，以及流域内的测站，构成了如图2所示的关系图。要分析某地山溪洪水临界雨量，须根据受威胁对象的空间分布情况，合理选取溪河预警断面，勾画预警断面上游全部汇流区域，并采用一定的水文分析方法，分析流域内降雨与预警断面之间的产汇流关系，从而分析确定临界雨量。本文以北京市门头沟区为例，根据“暴雨洪水同频”假定，即山溪小流域洪水频率与暴雨频率相等，采用小流域设计洪水和设计暴雨的方法，提出一套适合资料匮乏区山溪洪水临界雨量分析计算方法。

图2 山溪洪水临界雨量分析关键要素关系

3.1 预警断面及流域确定根据山溪流域内村庄、城镇、以及水文测站分布位置，确定预警断面，并通过实地调查，测量断面形状，确定警戒水位Hj和危险水位Hw；基于DEM提取预警断面上游流域面积、主沟长度、坡降等参数。图3所示为门头沟区下苇甸村所在沟道断面及上游汇流区域。

3.2 设计洪水分析计算根据《北京市水文手册》推荐的方法及参数［7］，采用推理公式法，即式（1）—式（3），推求2、5、10、20、50和100年一遇等若干频率P对应的洪峰流量Qm，如表1所示。绘制设计洪峰流量频率曲线图，即Qm～P散点图，拟合其关系曲线Qm=fq( ) P，见图4。

式中：QmP为频率P的洪峰流量，m3/s；SP为频率P的最大1 h雨量，又称雨力，mm/h；τ为汇流时间，h；μ为损失强度，mm/h；n为暴雨递减系数；F为流域面积，km2；L为流域出口断面至分水岭的最大路径长，km；0.278为单位换算系数。

3.3 设计暴雨分析计算由于计算流域面积较小，以流域中心点雨量代表流域面雨量。根据文献［7］暴雨图集可以查到1、6、24 h 3个标准历时的均值-H和变差系数Cv，取偏态系数Cs=3.5Cv，代入式（4）计算PIII型频率曲线的3个参数，即：

图3 下苇甸村预警断面位置及上游汇流流域

表1 下苇甸村上游流域设计洪峰流量

利用Microsoft Excel的GAMMAINV函数（式（5）），计算得2、5、10、20、50、100年一遇等若干频率下的3个标准历时的设计雨量［8-9］。

式中：HTp为频率P的标准历时（T=0.5，1，6，24 h）的设计暴雨。例如，24 h设计雨量如表 2和图 5所示。

3.4 临界雨量分析确定

（1）采用水力学方法，即式（6），计算警戒水位Hj和危险水位Hw对应的警戒流量Qj和危险流量Qw：

图4 下苇甸村上游流域设计洪峰流量频率曲线

式中：Q为流量；n为糙率；A为断面过流面积；R为断面水力半径；S0为断面处底坡。

表2 下苇甸村上游流域24h设计雨量

（2）根据Qm～P关系曲线Qm=fq(P )，确定警戒流量Qj和危险流量Qw对应的频率Pj和Pw。

（3）根据Rt～P关系曲线Rt=fq(P )，确定Pj和Pw频率下1、3、6、24 h的设计暴雨量作为临界雨量。

图5 下苇甸村上游流域24 h设计雨量频率曲线

4 山溪洪水临界雨量的应用

如前文所述，山溪临界雨量分析计算时，是从受威胁对象出发，沿着预警断面、汇流流域到流域内观测站点的思路进行。在山洪监测预警系统中利用临界雨量进行山洪预警时，则是反过来，根据测站降雨量来分析判断可能受威胁的对象。一般情况下，山洪监测预警系统自动实时监测雨量站点最近1、3、6、24 h等特征时段降雨量，并针对每一预警断面，根据断面上游关联的测站，实时计算断面上游流域相应时段的平均雨量，并与断面对应的临界雨量进行比对，从而判断山洪发生的可能，最后根据预警断面与受威胁对象的关系，分析判断可能受山溪洪水影响的对象。其基本流程如图6所示。

图6 利用临界雨量进行山洪预警的基本流程示意图

5 结论

本文针对当前我国山洪灾害临界雨量认识和理解上的分歧，从溪河洪水特性及其致灾机制出发，分析了受威胁对象、溪河断面、断面上游流域、流域内测站等临界雨量相关因素的关联关系，剖析了山溪洪水临界雨量的基本概念，即山溪洪水的临界雨量，是指导致山溪河流某一断面处发生洪水所需的上游流域一定时段的雨量。根据山溪洪水临界雨量基本概念，以北京市门头沟区为例，提出了资料匮乏地区山溪洪水临界雨量的分析计算方法，并探讨了山溪洪水临界雨量在山洪监测预警平台中应用的基本思路。

［1］ 全国山洪灾害防治规划领导小组办公室.山洪灾害临界雨量分析计算细则［R］.全国山洪灾害防治规划领导小组办公室，2003.

［2］ 陈桂亚，袁雅鸣.山洪灾害临界雨量分析计算方法研究［J］.人民长江，2005（12）：40-43.

［3］ 刘哲，张鹏远，刘广成.黑龙江省山洪灾害防治临界雨量计算分析［J］.黑龙江水利科技，2005（5）：6.

［4］ 王仁乔，周月华，王丽，等.湖北省山洪灾害临界雨量及降雨区划研究［J］.高原气象，2006（2）：330-334.

［5］ Flash flood early warning system reference guide［R］.University Corporation for Atmospheric Research，2010.

［6］ H A P H，Q J W，T C P.A review of advances in flash flood forecasting［J］.Hydrological Process，2011（25）：2771-2784.

［7］ 北京市水利局.北京市水文手册［R］.北京：北京市水利局，1999.

［8］ 黄继文.P-Ⅲ型分布频率分析在Excel中的实现及应用［J］.水资源研究，2006，27（4）：7-9.

［9］ 杨柏桢，王志红.应用Excel绘制水文频率曲线的方法［J］.吉林水利，2010（2）：31-33.

Research on the critical rainfall of flash floods in moutainous areas

ZHANG Hong-ping，LIU Shu，LIU Yuan-yuan，HU Chang-wei
（Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Early Warning System（EWS） is an important measure for flash floods disaster control in moutainous areas.In China early warning for flash flood in mountainous areas is usually based on the criti⁃cal rainfall.However，there is some misunderstanding on the critical rainfall during calculation and applica⁃tion of it in EWS，which leads to more uncertainty.Therefore，it is necessary to describe the basic con⁃cept of the critical rainfall.Based on that，a method to calculate the critical rainfall and how to use it in EWS is proposed.

mountain flood；critical rainfall；early warning system

P333.2

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.02.011

1672-3031（2014）02-0185-05

（责任编辑：王学凤）

2013-05-20

“十二五”国家科技支撑计划课题（2012BAC21B02）；水利部2012年公益性行业科研专项（201201058）

张红萍（1976-），女，湖北红安人，高级工程师，主要从事山洪监测预警和洪水风险分析研究。E-mail：luckyzhanghp@iwhr.com