山洪危险区雨量预警阈值分析

刘 海

(湖南省岳阳水文水资源勘测中心，湖南 岳阳 414000)

山洪灾害的形成和发展主要受降雨强度、降雨量等级、地质地貌及人类的活动影响。降雨量是引发山洪灾害的直接因素和主要条件。主汛期为山洪灾害的多发期，具有明显的季节性强、频率较高的特征。山洪灾害的防范存在突发性强、山洪洪水陡涨陡落、防御难度较大的特点，本文通过研究湖南岳阳相思山珠港村典型的山洪灾害危险区，根据暴雨洪水湖南省暴雨查算手册推算出的雨量阈值指标，结合危险区关联雨量遥测站点，可实现实时雨量预警，提高预警及时性，在基层山洪防御工作中更具操作性。

1 概况

本文选取典型的山洪灾害危险区坐落在相思山是湖南省岳阳市岳阳县毛田镇下辖的行政村，相思山在湖南省岳阳县的东部，与湖北通城接壤，绵延10余km，平均海拔700m以上，其主峰相思峰海拔957.2m，年平均气温15℃，位于幕阜山西北侧，这一特殊的地理位置既具有亚热带多雨且集中在4—7月的特点，又具有地形雨形成条件，多年平均降雨量1395.6mm，多年平均蒸发量903.6mm，因此在岳阳县东部山区便形成了湖南省著名的暴雨中心。该区域内溪沟纵横，山体多以粗粒花岗岩形式存在，其岩性属片麻岩类，一般强风化深度10～30m，风化后岩体结构松散，表层严重风化，节理发育，在强降雨地表水浸入后，均可能导致山体崩解，山地坡面、河流坡降较陡的地貌特点，这一特点反映在降雨过程中便是地表径流快，产流时间短的特性，因此山洪汇流时间短，峰值大，流速快，洪水陡涨势陡落破坏力强。

2 分析计算

相思山珠港村危险区其控制流域面12.3km2、河流长度4.5km、河流平均坡降14.9‰。本次调查的相思山珠港村区域为无水文历史资料区域，主要利用《湖南省暴雨查算手册》(湖南省水利厅，2015版)利用推理公式法来推求出该危险区P=2%、5%、10% 3种频率设计洪水，结合河道测量断面及历史洪水调查，求得3种不同频率洪水水位。

2.1 推求设计暴雨

根据现场调查与内业整理相思山珠港村的地理位置及控制流域面积(F=12.3km2、L=4.5km，J=14.9‰)，由《湖南省暴雨查算手册》查得该水系属湖南省暴雨一致区第1区，产流分区第Ⅴ区，则降雨初损为35mm，典型调查区域最大24h点雨量均值为131.4mm，最大24h点雨量变差系数为Cv为0.37，偏态系数Cs为3.5Cv，河口处点面折算的系数α为0.996，见表1。

表1 相思山珠港村设计暴雨查算成果表

参照《湖南省暴雨查算手册》，最大1～6h暴雨的时程分配公式为：

Ht=H24×24n3-1×6n2-n3×t1-n2

(1)

最大6～24小时暴雨的时程分配公式为：

Ht=H24×24n3-1×t1-n3

(2)

式中，Ht—1～24小时内的任一时段降雨量，；n2和n3—根据地理位置、集雨面积以及降雨量而变动的参数；t—对应Ht的时间，h。

流域的初损值Io=35mm，即扣除流域的初损值得到净雨深，地表的径流深R上=R总×ψ。

2.2 计算设计洪峰

通过对相思山珠港村危险区2%、5%、10% 3种频率降雨时程的分配计算，可绘制出各频率下的Rt/t～t关系曲线。如图1—3所示。

图1 相思山珠港村危险区频率2%Rt/t～t关系图

图2 相思山珠港村危险区频率5%Rt/t～t关系图

图3 相思山珠港村危险区频率10%Rt/t～t关系图

结合Rt/t～t关系图，查算《湖南省暴雨查算手册》图41，采用试算法计算洪峰公式如下所示，见表2。

(3)

图4 相思山珠港村危险区控制断面

表2 相思山珠港村危险区设计洪峰计算成果表

m=0.123θ0.52(θ≤25)

(4)

净峰流量：Qm=0.278×F×(Rt/t)

(5)

(6)

计算得到危险洪水成果见表3。

表3 相思山珠港村危险区设计洪水成果表(推理公式法) 单位：m3/s

2.3 水位～流量关系曲线

水位流量的关系曲线可以反映出沿河村落山洪危险区所在测验河段河道地形的不同，导致该地区山洪洪水上涨和淹没范围上产生较大的差别，造成对危险区山洪灾害的预警、转移上的影响。

本次的调查对象处于天然河道边，其控制断面大多为V形与U断面，因此在选择水位～流量关系计算方法时，选取适用范围较广的曼宁公式，公式如下：

(7)

式中，Q—流量，m3/s；A—断面过流面积，m2；v—过流断面平均流速，m/s；n—糙率；R—水力半径，m；J—洪水比降。

糙率和比降是水位流量转换中十分重要的具体参数，糙率和比降参数的确定是否正确合理，对设计洪水的推算成果举足轻重，本次根据现场历史洪水调查确定比降，外业断面测量河道照片结合天然河道及滩地常见糙率表，综合确定各河道糙率为0.040～0.050调查对象控制断面情况如图4所示。

在此基础上，采用曼宁公式分析和估算了控制断面的水位～流量关系如图5所示。

图5 相思山珠港村危险区控制断面水位～流量关系图

2.4 设计洪水洪峰水位

为给相思山珠港村危险区现状的防洪能力评价提供技术支撑，结合山洪灾害的特点，分析山洪灾害洪水要素。相关技术要求明确规定，分析的洪水要素主要是洪量、洪峰流量、洪水历时，根据水位流量的关系，推求出不同频率的洪峰流量对应的洪水水位。另外，因为在洪水分析时有多种计算方法，每种计算方法对要素的分析不同，计算的成果精度也是有所差别的。

由相思山珠港村危险区控制断面设计洪峰流量及断面水位流量关系，即可得到其设计洪峰流量对应的水位，相思山珠港村危险区控制断面各频率设计洪峰水位见表4。

表4 相思山珠港村危险区设计水位计算成果表

表5 相思山珠港村危险区预警阈值成果表

综合考虑相思山珠港村危险区所在的河段河道形态、洪水的上涨速度、山洪预警转移的响应时间和关联雨量站点的位置等因素，在临界雨量的数据上对危险区准备转移及立即转移的雨量阈值预警指标进行综合确定；在实际的工作中可通过对雨量阈值预警指标进行实测的暴雨洪水分析调校，以减小当地成灾水位与对应的暴雨洪水频率的差距问题。

在通常情况下，山洪危险区的临界雨量是根据成灾水位所对应流量的洪水水位推导值，所以在数值上认为临界的雨量数值为立即转移的阈值指标；通过对临界雨量和准备转移的时间以及洪水过程线进行综合“折减”处理，可得到准备转移的阈值指标。

危险区预警时段主要是指雨量预警指标中使用典型降雨的历时，是危险区雨量预警指标中的重要因素。受到山洪危险区防御对象上游的集水面积、流域形态、降雨强度及其所处位置的植被、地质、土壤前期含水量等相关因素影响，山洪预警的时段也会随之变化，因此，在珠港村分析评价中需要合理地确定，结合该流域的暴雨和下垫面等情况，分析所处河段的河道地形、洪水的上涨速度、山洪预警转移的响应时间和关联雨量站点的位置以及其影响范围内人口等因素，综合确定危险区典型预警时段。通过洪水分析计算根据上述原则，最终确定珠港村最小预警时段为1h，最长预警时段为6h。

3 结语

针对无水文历史资料的山洪灾害危险区流域，通过实地调查和暴雨洪水的分析计算，获取山洪危险区的现状防洪能力及转移雨量预警阈值指标等信息，为当地的山洪灾害的防范转移提供科学依据。通过流域关联的雨量遥测站点实时情报，使基层工作中更具操作性，取得良好的预警转移的效果，分析成果在邻近相同的流域也具有一定的参考性，弥补了在无水文历史资料的地区山洪预警方法，由于实地影响洪水的调查资料不足、计算方法参数的选取等都会对计算结果产生较大影响，未来，还需用出现的洪水过程对预警指标进行复核检验修订，提高预警的准确度。