综合动态阈值在山洪灾害预警指标复核中的应用

邓小霞 彭海波 王井腾

（1.广东省水利水电科学研究院 广州 510000 2.淮河水利委员会水文局（信息中心） 蚌埠 233000）

1 概况

我国在2013～2015年间完成了20多万个重点沿河村落的山洪灾害分析评价工作，各地山洪灾害预警主要使用雨量预警指标，在分析评价中临界雨量主要是根据现场调查的成灾水位，通过水位流量关系推算临界流量，再由临界流量反算临界雨量，在计算过程中若缺乏经验，计算结果可能产生较大的误差。因此，有必要运用实际发生的较大洪水对预警指标进行检验复核，验证分析预警指标的合理性，提高预警指标精度。本文采用新安江和SCS两种模型构建综合动态阈值，以广东省恩平市大田镇朗底圩为对象进行山洪灾害雨量预警指标的检验复核，计算结果合理，两种模型均能较好地用于小流域临界雨量检验复核，为雨量预警指标的检验复核提供了新思路。

2 研究区基本情况

2.1 研究区概况

广东省恩平市于2016年开展了山洪灾害分析评价工作，在2017年6月22日（后文简称20170622）的大暴雨中，恩平市大田镇成为广东省山洪灾害最为严重的地区之一，在山洪灾害检验复核中具有代表性。检验复核对象位于蓢底水流域，蓢底水河流长27km，流域面积105.96km2。多年平均降雨量2600mm，平均比降13.4‰，总落差399.6m。

2.2 前期调查评价成果

2.2.1 水位流量关系

采用曼宁公式进行水位—流量关系分析，糙率取值根据广东省天然河道综合糙率成果表，参照各防治区断面沟道河段平面形态、河床质组成、边滩和河岸植被情况选用；比降由实测水面比降获得。成灾水位由分析评价对象所在居民区的最低宅基高程推求，主要由现场测量确定。成灾水位45.43m，根据水位流量关系，成灾流量436.3m3/s。

2.2.2 预警指标

根据现场调查的成灾水位，通过水位流量关系推算临界流量，再由临界流量反算临界雨量。1h、2h、3h临界雨量指标为57mm、99mm、118mm。

3 新发洪水调查

恩平市大田镇在2016年山洪调查评价工作完成后又经历了20170622场次洪水的山洪灾害，通过现场走访和实地调研，对洪水演进情况进行了详细了解，并采集到洪痕数据和代表雨量站降雨数据，见表1。

4 检验复核

4.1 水位流量曲线复核

调查评价中确定河槽糙率为0.035，结合现场调查情况，根据广东省天然河道综合糙率成果表，糙率值合理。两岸滩地糙率取0.08。此次检验复核根据20170622洪痕水位情况，综合确定水位～流量关系计算比降为1‰。结合实测的朗底圩及其上下游的大断面数据，利用HEC-RAS软件对水位流量关系进行复核计算，对复核对象所在居民区的最低宅基高程进行测量，得到成灾水位45.43m，根据水位流量关系，采用MATLAB插值函数，求得对应成灾流量588.8m3/s。

表1 洪水雨量站观测数据摘录表

此次复核与原评价成果之间存在一定差异，在采用的断面测量数据完全一致的情况下，同样的流量值，复核后的水位要低于原分析评价的水位值。其主要原因如下：

（1）原分析评价中采用曼宁公式计算水位流量关系，结合上下游断面的水位值对比分析，在河道基本顺直、断面无明显束窄、且流量相同的条件下，存在上游断面水位低于下游断面水位的情况。复核计算考虑了上、下游多个大断面情况推求水面线，符合能量守恒定律。

（2）上下游断面之间的距离在沿主河槽、左右滩地分别测量时会有不同，复核计算采用多个断面推求水面线的方法，考虑了该情况的影响。

（3）依据《山洪灾害分析评价方法指南》中的比降确定原则，历史洪痕优先级高于分析评价中的水面比降，优先采用历史洪痕来确定。

综合以上分析，复核水位流量关系已经充分考虑了现场实际情况，并且与新发洪水进行验证，对分析评价中采用的参数进行了优化。

4.2 构建雨量预警指标综合动态阈值

临界雨量的检验主要是与成灾洪水特征雨量进行比对分析。特征雨量是指滑动统计成灾洪水成灾时间之前防灾对象不同预警时段的最大雨量。预警指标偏离度按下式计算：

对于成灾洪水，偏离度分布在10%（各地可根据实际情况适当调整）范围内，则认为临界雨量合适。

4.2.1 基于SCS模型

SCS模型基本产流方程为：

式中：P为降雨总量（mm）；R为产流量（mm）；Ia为初损（mm）；S为流域土壤最大蓄水能力（mm）。

在确定不同时段临界产流量Rt的基础上，考虑不同前期土壤含水量条件下的流域土壤最大蓄水能力，可以得到一系列反应流域综合动态的雨量预警阈值P的解析。

4.2.2 基于新安江模型

（1）蒸散发计算

新安江模型流域蒸散发的计算没有考虑流域内土壤含水量在面上分布的不均匀性，而是按土壤垂向分布的不均匀性将土层分为三层，用三层蒸散发模型计算蒸散发量。计算如下：

式中： W为总的张力水蓄量（mm）；WU为上层张力水蓄量（mm）；W为下层张力水蓄量（mm）；WD深层张力水蓄量（mm）；E为总的蒸散发量（mm）；EU为上层蒸散发量（mm）；EL为下层蒸散发量（mm）；ED为深层蒸散发量（mm）；EP为蒸散发能力（mm）。

（2）产流计算

按照蓄满产流的概念，采用蓄水容量面积分配曲线来考虑土壤缺水量分布不均匀的问题。假定不透水面积IM=0，其线型为：

式中：f为产流面积（km2）；F为全流域面积（km2）；W'为流域单点的蓄水量（mm）；WMM为流域单点最大蓄水量（mm）；B为蓄水容量面积曲线的指数。

（3）临界雨量推求

基于新安江模型的临界降雨量采用穷举试错法推求。以WM为土壤含水量的最大值设置不同的初始土壤含水量条件，针对不同的土壤含水量初始条件，以基于SCS模型推求的临界值作为初值，以0.1mm为步长，生成一系列的临界雨量输入新安江模型计算，比较新安江模型计算的直接径流产流量以及临界产流量，当两者的差值小于1mm时认为对应的雨量为临界雨量。对所有土壤含水量初始条件重复以上过程，可以得到一系列反应流域综合动态的雨量预警阈值P。

4.2.3 基于国家新技术方法

滑动统计成灾时间之前不同预警时段的最大雨量作为该时段的特征雨量，同步计算特征雨量相应的前期影响雨量。雨量站观测数据显示，20170622场次洪水不属于旱涝急转情况，并且满足初损Io很小的要求。因此，基于成灾暴雨下的临界雨量检验复核，按照前期影响雨量达到田间持水量来考虑，主要对较湿状态下的临界雨量进行复核。

4.3 预警指标复核

表2 新发山洪降雨特征值与预警阈值对比表

将新发山洪过程降雨特征值、原调查评价分析的临界值以及综合动态阈值的对比（见表2）。由于在此次山洪前累积降雨已达到179.6mm，远大于该流域的土壤蓄水能力，可认为土壤已达到饱和状态。

根据表2数据分析可知，基于SCS模型的临界雨量、基于新安江模型的临界雨量与国家新技术方法计算结果相差不大，三种方法相互佐证，均能对此次山洪过程进行合理预警。

5 结论与建议

（1）用曼宁公式推求水位流量关系时，可能会出现同一流量值对应多个水位的情况，用此方法求得水位值后需要结合上下游断面的水位值对比分析，甄选出合理的水位值。

（2）水位流量关系曲线中，流量增大到一定程度后，曲线趋于平缓，较小的水位变化会引起较大的流量差异，在用成灾水位推求成灾流量时，若直接在曲线读取数据会产生较大的误差，建议采用MATLAB三次样条插值函数进行插值，可以大大减小误差。

（3）综合动态雨量阈值很好地考虑了下垫面、前期影响雨量对洪水过程的影响，能够提高预警指标的精确度。新安江模型和SCS模型在流域参数选取合理情况下，推求的综合动态阈值与国家推荐的技术方法求得的结果相比，相差很小，结果合理。

（4）模型对新发洪水过程的模拟受下垫面和前期雨量影响较明显，因此雨量预警指标的检验复核是一个长期的工作，应根据不断发生的实际洪水资料和现场实际情况，定期对预警指标进行订正■