浙江小流域山洪灾害雨量预警指标确定分析

高良敏，杜惠敏

(1.浙江中水工程技术有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州世达科技有限公司，浙江 杭州 310000)

1 雨量预警指标确定原理

浙江小流域(面积≤50km2)山洪灾害成灾时间短、突发性强、危害性大、易发频发等特征突出，对沿河村落居民生命财产安全构成较大的威胁。由于小流域水文监测资料缺乏，雨量预警为其主要预警措施。雨量预警指标一般采用“水位反推法”求得，即根据沿河村落控制断面成灾水位，采用曼宁公式推算成灾流量，由成灾流量反推各预警时段的临界雨量。基于预警提前性和防洪安全性考虑，一般在临界雨量的基础上经验下浮15%作为立即转移预警雨量，立即转移雨量下浮15%作为准备转移预警雨量。雨量预警指标确定原理如图1所示。

图1 雨量预警指标推算原理框图

2 设计暴雨洪水推求

2.1 设计暴雨

由于小流域水文资料缺乏，设计暴雨通常采用《浙江省短历时暴雨图集》确定。

ti时段设计雨量Hi计算公式如下：

当ti为10～60min时，

Hi=H10(ti/10)1-n10，60n10，60=1+1.285lg(H10/H60)

(1)

当ti为1～6h时，

Hi=H6(ti/6)1-n1，6n1，6=1+1.285lg(H1/H6)

(2)

当ti为6～24h时，

Hi=H24(ti/24)1-n6，24n6，24=1+1.661lg(H6/H24)

(3)

式中，H10，H60，H6，H24分别为10min、60min、6h、24h设计雨量。

24小时雨型排列规则：时段雨量老大项排列在18:00时刻，时段雨量老二项排在老大项的左边；其余从大到小奇数项排列在左边，偶数项排列在右边，当右边排满24:00后，余下各项时段雨量从大到小排列在左边。

2.2 产流计算

根据小流域山洪特征，考虑前期土壤含水量75mm、90mm两种工况，采用蓄满产流模型[1]计算流域产水量，公式如下：

(4)

(5)

当P≤0时，R=0；

当P≥0且P+A≥Wmm时，R=P-(Wm-W0)。

式中，P—时段降雨量，mm；R—时段产流总量，mm；Wm—流域平均蓄水容量，取值100mm；W0—流域初始平均需水量，按照W0=75mm、W0=90mm两种情况计算；Wmm—流域内最大点蓄水量，取值120mm；B—蓄水含量抛物线指数，小流域取值0.2；IMP—流域不透水面积占全流域面积比，取值为0；A—前期最大点蓄水容量，mm。

2.3 汇流计算

流域面积小于50km2的流域选用浙江省推理公式计算洪峰流量。全面积汇流计算公式如下：

(6)

(7)

(8)

式中，τ—汇流时间，h；hR—τ时段内净雨量，mm；F—断面以上流域集雨面积，km2；Qmp—设计洪峰流量，m3/s；Vτ—流域平均汇流速度，m/s；L—自断面至流域分水岭的主河长度，km；J—河道坡降；m—汇流参数。

部分面积汇流采用改进的推理公式计算洪水[2]。改进的推理公式法将等流时汇流面积分配曲线简化为三角形，其计算公式如下：

(9)

(10)

式中，R上—时段为tc的净雨量，mm；m—汇流参数；F—流域面积，km2；L—沿流程长度，km；J—沿流程的平均比降；tc—净雨历时，h；Qm—洪峰流量值，m3/s；T总—三角形汇流过程历时，h。

3 临界雨量计算

3.1 预警时段

根据《山洪灾害分析评价技术要求》中预警时段选择原则，并结合浙江省山洪项目组要求，选择汇流时间τ、1h、2h、3h四个典型时段作为预警时段，对汇流时间τ小于1h的特小流域增加0.5h预警时段。

3.2 成灾流量

根据外业调查的成灾水位、河床糙率、洪水比降，采用曼宁公式推算成灾流量。成灾水位取沿河房屋受灾的最低高程；河道糙率根据现状河道护岸、河底底质、两岸植被等情况，参照经验糙率表确定；洪水比降一般选用河底比降。

曼宁公式：

(11)

(12)

(13)

式中，A—过流面积，m2；P—湿周，m；R—水力半径，m；J河道坡降；n—河道糙率；V—流速，m/s；Q灾—成灾流量，m3/s。

3.3 临界雨量

假定初始频率暴雨i，结合《浙江省短历时暴雨图集》计算10min、1h、3h、6h、24h典型时段设计雨量，依据雨型分配得到降雨过程。考虑前期土壤含水量90mm工况，采用蓄满产流模型计算净雨，通过全面产流推理公式计算洪峰Qi和汇流时间τ。若计算洪峰Qi与成灾流量Q灾相对误差小于允许值1%，则沿河村落现状防洪能力为1/i年一遇，成灾流量相应的汇流时间为τ。然后由暴雨频率i计算τ时段相应的临界雨量P临iτ。否则，重新设定另一频率的暴雨，反复试算，直至计算洪峰Qi与成灾流量Q灾满足允许误差要求。

当汇流时间τ大于预警时间t预警，流域为部分面积产流，则通过试算频率暴雨j，采用部分面积产流推理公式计算洪峰，直至∣Qt预警-Q灾∣/Q灾<1%，可求得t预警时段相应的临界雨量。若汇流时间τ小于预警时间t预警，流域为全面产流，则达到成灾流量的预警时段降雨与汇流时段降雨属同频率，由汇流时段暴雨频率i求得预警时段的临界雨量。同理，可计算前期土壤含水量75mm工况各预警时段的临界雨量。临界雨量计算原理如图2所示。

基于临界雨量计算原理，利用Excel VBA模块开发了临界雨量计算程序，成灾流量反推临界雨量过程全部由计算机电算完成。

4 预警指标综合确定

考虑预警提前性和防洪安全性，结合浙江省山洪项目组意见，选择临界雨量下浮15%作为沿河村落立即转移预警指标，立即转移雨量下浮15%作为准备转移指标。对立即转移指标过小的村落，可取立即转移指标等于临界雨量。对于流域及附近流域有测站的沿河村落，应调查历史暴雨和村落成灾情况，结合预警指标计算成果，综合确定预警雨量。

图2 临界雨量计算框图

5 计算实例

庆元县五大堡乡后广村沿河房屋最低高程343.28m(85高程)作为控制断面成灾水位。经外业勘测，现状河道两岸为干砌石护岸，河底为大状块石，根据经验糙率取值表，河道综合糙率取0.035。经测量，河道控制断面位置平均坡降为0.023。据1∶500地形图量测，控制断面以上流域面积25.4km2，河长8.04km，河道平均坡降0.041。沿河村落基本特征情况见表1。

表1 沿河村落基本特征表

根据断面测量成果，成灾水位、河道糙率、河底比降等参数取值，采用曼宁公式反推成灾流量为232m3/s。将流域特征值、暴雨参数、成灾流量输入到临界雨量计算模块，计算各预警时段临界雨量。考虑临界雨量指标下浮，得到沿河村落立即转移、准备转移雨量预警指标，见表2。

表2 五大堡乡后广村预警指标计算表

6 结语

(1)通过试算频率暴雨，计算不同土壤含水量条件下的临界雨量，利用Excel VBA模块开发了临界雨量计算程序，经实例检验该程序计算快捷、结果可靠，可作为浙江小流域确定临界雨量的方法。

(2)在计算临界雨量基础上进行指标下浮作为预警雨量，为保守经验做法，沿河村落应结合历史暴雨和洪灾发生情况综合确定预警雨量。

(3)成灾水位、河道糙率、洪水比降为外业调查主控因素，参数取值对临界雨量指标影响较大，在水文计算过程中应结合河道现状合理取值。