山洪灾害预警雨量指标讨论及在无资料地区的确定

，， (.西安理工大学 水利水电学院，西安 70048；.新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049)

1 对预警雨量内涵的讨论

根据《山洪灾害评价分析方法指南》中的描述，预警指标包括预警水位和预警雨量，其中预警雨量是通过分析不同预警时段(不是预见期的给定时段)的临界雨量得出。临界雨量概念广泛出现在包括滑坡和泥石流在内的广义山洪灾害预报预警研究中[2-5]。目前临界雨量定义有如下几种。

(1)《全国山洪灾害防治规划》[1]定义：当时段的降雨量达到或超过某一雨量时，山洪灾害发生，这个时段雨量就是临界雨量。

(2)《山洪灾害分析评价方法指南》[6]定义：临界雨量是指导致一个流域或区域发生山溪洪水可能致灾时，即达到成灾水位时，降雨达到或超过的最小量级和强度。

(3)《中小河流山洪监测与预警预测技术研究》[7]定义：由于径流是由降雨产生的，从达到上滩流量的时间开始往前推，在一定时间之内的累积降雨量称之为警戒临界雨量。

(4)Hapuarachchi等[8]从溪河临界水位(流量) 间接定义某目标河段断面生成临界水位(流量) 的累积降雨量为临界雨量。

分析以上关于临界雨量的定义，可以分为2类：一类是以降雨过程中时段最大雨量作为临界雨量；另一类则是山洪灾害出现前不同时间的累积雨量作为临界雨量。在这2类不同的定义中，预警时段解读不同：前者依据最有利于灾害形成的雨量过程确定出预警时段，这个预警时段对应的临界雨量即为描述降雨过程中时段最大雨量，因其更适合山洪灾害工程防御规划使用，故这里将预警时段称为规划预警时段，所对应的雨量为规划预警雨量；后者是以预报灾害发生的预见期为目标确定出的预警时段，该预警时段对应的累积雨量显然适用于山洪灾害的应急防御，故这里称其为应急预警时段和应急预警雨量。2种预警时段相比，后者更贴近灾害预警的含义。以10 min预警雨量为例，10 min规划预警雨量的发生并不能对应于临界流量，只有各(长、短)时段预警雨量都发生才能对应临界流量，而后者表示的10 min预警雨量则明确告知未来10 min后将出现临界流量，此时对应的累积雨量即为应急预警雨量。解读方式不同，则所求出的预警雨量不同。故山洪灾害评价分析工作中只采用规划预警雨量是不够全面的。从山洪灾害防御角度出发，兼顾对防御工程措施和非工程措施的支撑，均应给出这2种预警雨量，以便更好地支撑山洪灾害风险管理的灾前评价和临灾评价。

2 应急预警雨量计算的研究进展

关于规划预警雨量，按照《全国山洪灾害防治规划》，为成灾降雨过程中的时段最大雨量，只要成灾降雨过程一定，时段最大雨量便可求出。故本文只就应急预警雨量的分析计算展开讨论。

前人在山洪灾害应急预警雨量计算的研究中，多数都是通过分析确定成灾临界累计雨量作为判断指标。

针对临界雨量的研究，不同学者提出了不同的计算方法。在国外，美国水文研究中心(HRC) 提出了山洪灾害早期预警方法，即FFG(flash flood guidance)法(山洪指南法)[9-10]，其实质就是推求临界雨量。该方法自从20世纪70年代至今一直在持续改进[11-14]，最新进展是将FFG与分布式水文模型结合起来，给出网格FFG(GFFG)[15]。国内方面，陈桂亚等[16]利用区域内所有雨量站和发生过的山洪灾害资料，确定出区域的临界雨量，作为判断区域内有无山洪灾害发生的定量指标；赵然杭等[17]认为“这种方法无法判别区域内受灾面积的大小及灾害严重程度，并且临界雨量的变幅不能太大，否则对山洪灾害防治无实质意义”；程卫帅[18]通过确定引发山洪灾害的临界流量(水位)，进而推求对应的不同历时的临界径流(净雨)，即建立一定土壤饱和度条件的降雨-径流关系，根据临界径流(净雨)推求相应的临界雨量；叶金印等[19]提出通过降雨径流模型确定临界雨量：建立流域平均雨量和产生的径流量的定量相关关系，在进行汇流计算时，通过Nash汇流模型模拟计算，但是Nash汇流模型在我国北方地区相对较难实现；刘志雨等[20]提出建立土壤饱和度和降雨量的关系图，将山洪灾害警戒雨量指标问题转化为模式识别问题。

另外，前面的研究方法主要应用在有降雨、径流资料的区域，但山洪灾害易发地区往往监测站点的密度小，降雨以及径流的观测资料无法满足上述方法进行山洪灾害的预警雨量计算的要求。对于无上述资料的地区，也有学者提出了如下方法。

(1)灾害洪水与降雨频率分析法：假定灾害洪水与降雨同频率，分析山洪灾害洪水发生的频率,计算和灾害洪水相同频率的降雨量，综合对比分析合理确定临界雨量[18]。

(2)内插法[18]：确定各个单站的临界雨量，通过勾绘等值线图的方法，解决无资料地区山洪沟的临界雨量。这种方法要求流域上具有能够控制等值线走向的观测站点，这在山区一般不太容易满足。

(3)比拟法：目标区域的降水条件、地质条件、气象条件、水文条件与典型区域某一条山洪沟较为相似时，可视为2个区域的临界雨量基本相同，此方法适用于典型区之外无资料条件作临界雨量分析的相似区域[18]，比拟内容可以为特征值或者水文数学模型(分布式水文模型)的参数。

(4)叶勇等[21]根据河道控制断面不同特征水位，通过水利计算确定相应的流量及相应频率，然后根据《浙江省短历时暴雨》(2003年2月)推算该流量的设计暴雨过程，得到该频率下不同时段最大雨量与暴雨频率关系曲线图，根据预警时段查图确定临界雨量，其实质是规划预警雨量。

(5)刘志雨等[20]在有资料地区分析流量、地貌特征与降雨的关系，建立流量、流域面积、比降的经验关系，推广应用到无资料地区，即经验公式法。建立经验公式也需要至少12个站点的子流域实测降雨径流资料，以保证经验公式的残差满足要求。

事实上，由于降雨特征、地貌特征、植被情况以及土地利用类型等的空间变异导致所有在有资料地区得出的规律均不能很好地表述无资料地区的水文变化特征。因此，在无资料地区，使用简单模型的效果不一定比复杂模型差[22]。故本文本着简单、物理概念明确的指导思想，针对山洪灾害评价这一工作，提出基于产汇流物理背景的简单概化方法来确定应急预警雨量。

3 预警雨量的计算方法

水文手册是解决无资料地区水文分析计算的重要工具。其中设计暴雨和设计洪水过程是依据当地水文站记载的暴雨、洪水资料中具有较好代表性、较高精度、对工程不利的多场次典型暴雨和洪水过程线进行概化得到。它们是归纳总结的结果，代表了研究流域暴雨洪水的一般性特征。

因此，本文针对无资料地区分析预警雨量,所采用的资料为水文手册所提供的概化暴雨过程及概化洪水过程。

3.1 成灾流量的确定

成灾流量指当河道内的水位到达成灾水位时的流量,可以通过现场调查勘测确定。当确定出成灾水位后，通过实地测量得到的河道断面形态，利用曼宁公式或水动力学计算模型得到相应的成灾流量。

一般地，当一场洪水的洪峰流量大于成灾流量时，这场洪水的降雨会比以洪峰为成灾流量的降雨大。从考虑预警安全的角度判断，数值小的预警雨量对于山洪灾害的安全防御更有利。故这里令成灾流量等于洪峰流量，这种情形下的应急预警雨量结果偏保守和安全。

3.2 基于产汇流物理背景的应急预警雨量确定

已知成灾流量(即洪峰流量)后，对于有降雨、径流资料的地区，可以查阅相关记载和实测资料，根据不同灾害程度的山洪直接获得各自相应的暴雨和洪水过程。这时的暴雨和洪水过程有着明确的时间对应关系。即降雨的起始时刻确定，洪水过程的起涨时刻确定，从而可直接根据选定的洪峰预警时间长度和以其确定出的预警时刻，得出从降雨开始到预警时刻的累积降雨量，即为给定灾害特征下的应急预警雨量。由大量多场次资料统计，就可以得到统计意义下，不同灾害特征的洪峰流量与预警雨量的关系。

对于无实测的降雨、径流资料的地区，可利用当地的水文手册提供的概化洪水和降雨过程线,假定暴雨与洪水同频率，根据与成灾流量相对应的发生频率，由暴雨概化过程线假设雨量，按产汇流模式推求流量过程，利用直至假设雨量满足设计洪水过程的试错法，得到设计暴雨过程。得到暴雨过程后，从此过程中可直接选出不同时段的最大降雨量作为规划预警雨量。对于应急预警雨量，值得说明的是由于得到的洪水过程和设计暴雨过程并无时间上的联系，不能直接由此得到相应的应急预警雨量，故关键问题则是根据降雨-径流关系，确定降雨过程的开始时间，一旦起始确定便可以根据成灾洪峰的预见期(预警时段)获得自降雨开始至预警开始时刻的累积雨量，即为应急预警雨量。

3.3 无资料地区设计暴雨起始时刻的确定

前面讨论了将洪水过程和设计暴雨过程按照时间坐标联系起来，是得到应急预警雨量的关键。由一般产汇流原理知，从降雨形成到流出流域出口断面的径流需经历产汇流过程，耗费在下垫面植物截留、填洼、下渗、蒸发的时间为产流时间，令其为t0；各点产生的径流汇集到流域出口断面所需的时间为汇流时间，令其为τ。因此降雨开始点到洪水起涨点间的时段即为产汇流时间t0+τ，它也是将降雨和洪水过程统一到一个时间坐标系的纽带，见图1。图1中Δti为洪水过程中洪峰出现时刻提前的时段，即预见期(预警时段)，对应从降雨开始时刻到(t峰现-Δti)的累积雨量pi即为应急预警雨量。

图1 概化洪水过程线与设计暴雨过程线示意图Fig.1 Diagram of generalized flood hydrograph and design storm hydrograph

由于山洪多发生在河流的源头区，大部分为小流域，流域面积、河道长度都很小，受地形和地势的影响，径流在坡面上和河网中的汇流时间都很短，因此假定τ=0，产汇流时间近似为产流时间t0，对于山洪灾害预警来说这种做法也是偏安全的。在此条件下，对于无资料或资料缺乏的地区，t0为地区概化降雨过程的前期初损历时，由试错法得到。在确定出降雨起点和洪水过程起涨点的时间间隔t0后，即可将降雨过程与洪水流量过程联系起来确定成灾流量下不同预见期(预警时段)Δti的累积雨量pi,即为应急预警雨量。

4 实例应用

以陕西省汉中市镇巴县三溪乡安全村为例，详细说明无降雨、径流资料的地区预警雨量指标的确定。

三溪乡属北亚热带东南季风湿润区，大陆性较强，气温年差较大，而且地势较高。该地区一般暴雨来势凶猛，强度大，持续时间长，雨量分布冬春少、夏秋多，汛期降雨量占全年的80%，主汛期(7—9月份)的降雨量占全年降雨量的60%。三溪乡安全村位于镇巴县东部的渔渡河上，流域面积较小，雨量站资料匮乏。外业勘测的安全村控制断面面积为34.6 km2，沟道长7.3 km，比降为5.194%，当地洪水多为陡涨陡落型的过程。安全村辖7个村27个村民小组，面积156.6 km2，耕地1.75万亩(15亩=1 hm2)，据当地政府网站2007年数据显示辖区常住居民1 500多户,共6 200多人，全村实现了村村通水泥路，交通便利。根据暴雨洪水和社会经济特点，取预见期(预警时段)Δti分别为10,30，60,180 min，其相应预警雨量计算如下。

首先，根据外业实地测量地形资料，并结合历史调查，确定成灾水位693.15 m，在此基础上利用曼宁公式确定出临界水位为693.1 m，相对应成灾流量为165.8 m3/s，其发生频率大概为4 a一遇。

其次，在假定设计洪水与设计暴雨同频率条件下，根据成灾流量的发生频率，推求出设计暴雨量，依据典型暴雨时程分配，在综合考虑土壤含水量和下垫面特性的基础上，确定出设计暴雨的暴雨过程并修正为成灾流量时的降雨量过程及其净雨过程，结果见表1。经分析，此频率下的初损量为28 mm，后期下渗率为3.12 mm/h，产流历时t0为2 h。

表1 设计暴雨洪水计算过程Table 1 Calculation process of design storm flood

注：p为本时段面雨量；Pa为前期影响雨量

对于应急预警雨量指标值，根据《汉中市水文手册》，计算出成灾流量对应的概化洪水过程线；再利用t0=2 h将累积暴雨过程和洪水过程统一放入到坐标系(见表2第3列)中。然后在洪水过程线的洪峰出现时间点处分别向前移预警时段10,30，60,180 min，以移动后的时间在累积降雨量过程线上读出不同的累积降雨量，即为应急预警雨量指标值。而规划预警雨量则是以设计暴雨过程后从时段暴雨过程(见表2第2列)中分别摘出最大10,30，60,180 min的降雨量。

表2 设计暴雨过程和洪水过程线数据Table 2 Accumulated rainfall process and flood process

注:表中加粗的数值即为相对应的4个预警时段的应急预警雨量指标值

5 讨 论

将2种预警雨量列入表3，由表3对比可以看出，2种预警雨量随预警时段的变化规律完全不同。

表3预警雨量指标
Table3Indicatorsofrainfallamountforearlywarning

预警时段/min规划预警雨量/mm应急预警雨量/mm101．2102．1 303．599．9 607．096．6 18079．856．0

规划预警雨量随着预警时段的增加而增加，这只能说明，当时段最大雨量达到相应时段的规划预警雨量时，将产生山洪灾害风险，因此只要防洪工程措施能够抵御如此大的降雨洪水，就能防范山洪灾害的发生；应急预警雨量随着预警时段的增加而减小，这在有可能发生山洪灾害的情况下具有实际指导意义，即：当某一地区监测到的累积降雨达到某一预警指标时，可以知道距离可能发生的山洪灾害还有多长时间，这样可以为相关职能部门指示人民群众具体防洪撤离提供决策支持。在对某地区作山洪灾害分析评价时，需要同时分别考虑2种情况，这样才能得到一个完整、全面、安全的山洪灾害评价结果。

6 结 论

(1)本文根据预警时段的2种不同解读方式，明确定义了规划预警时段和应急预警时段所对应的雨量即为规划预警雨量和应急预警雨量。由于定义的不同，分析方法和各自服务的目标也不相同，故区分它们的含义十分必要。

(2)从产汇流机理出发，提出了基于产汇流物理背景的2种预警雨量指标计算方法，该方法不仅可以用在有降雨、径流资料的地区，同时也可以推广应用到无实测降雨、径流资料的地区。

(3)以无降雨、径流观测资料的镇巴县安全村为例，详细介绍了该地区的规划和应急预警雨量的计算方法，说明该方法具有可操作性。对比2种预警雨量所呈现出的不同规律，认为在具体做相关工作时，需要根据目标确定分析方法。建议在山洪灾害分析评价中均给出2种预警雨量。

参考文献：

[1] 全国山洪灾害防治规划领导小组办公室.全国山洪灾害防治规划[R].北京：全国山洪灾害防治规划领导小组办公室，2006.

[2] NEARY D G, SWIFT JR L W. Rainfall Thresholds for Triggering a Debris Avalanching Event in the Southern Appalachian Mountains[J]. Reviews in Engineering Geology,1987,7:81-92.

[3] DAHAL R K, HASEGAWA S. Representative Rainfall Thresholds for Landslides in the Nepal Himalaya[J]. Geomorphology，2008，100(3/4)：429-443.

[4] MOGIL H M, MONRO J C, GROPER H S. NWS’s Flash Flood Warning and Disaster Preparedness Programs[J]. Bulletin of the American Meteorological Society，1978，59(6)：690-699.

[5] SMITH K T, AUSTIN G L.Nowcasting Precipitation—A Proposal for a Way Forward [J].Journal of Hydrology, 2000, 239(1/4):34-45.

[6] 全国山洪灾害防治项目组.山洪灾害分析评价方法指南[Z].北京：全国山洪灾害防治项目组，2015.

[7] 水利部水文局(水利信息中心).中小河流山洪监测与预警预测技术研究[M].北京:科学出版社，2010.

[8] HAPUARACHCHI H, WANG Q J, PAGANO T C. A Review of Advances in Flash Flood Forecasting[J]. Hydrological Processes，2011，25(18)：2771-2784.

[9] NORBIATO D, BORGA M, DINALE R. Flash Flood Warning in Ungauged Basins by Use of the Flash Flood Guidance and Model-based Runoff Thresholds[J]. Meteorological Applications，2009,16(1):65-75.

[10] SHAMIR E, GEORGAKAKOS K P, SPENCER C,etal. Evaluation of Real-time Flash Flood Forecasts for Haiti During the Passage of Hurricane Tomas, November 4-6, 2010[J]. Natural Hazards, 2013, 67(2):459-482.

[11] SEO D, LAKHANKAR T, MEJIA J,etal. Evaluation of Operational National Weather Service Gridded Flash Flood Guidance over the Arkansas Red River Basin[J]. Journal of the American Water Resources Association, 2013，49(6):1296-1307.

[12] NORBIATO D, BORGA M, ESPOSTI S D,etal. Flash Flood Warning Based on Rainfall Thresholds and Soil Moisture Conditions: An Assessment for Gauged and Ungauged Basins[J]. Journal of Hydrology, 2008, 362(3):274-290.

[13] CARPENTER T M, SPERFSLAGE J A, GEORGAKAKOS K P,etal. National Threshold Runoff Estimation Utilizing GIS in Support of Operational Flash Flood Warning Systems[J]. Journal of Hydrology，1999，224(1/2)：21-44.

[14] GEORGAKAKOS K P. Analytical Results for Operational Flash Flood Guidance[J]. Journal of Hydrology,2006,317(1/2):81-103.

[15] PERTERS J C. HEC-HMS Hydrologic Modeling System: User’s Manual[M]. Davis, CA, USA: Hydrologic Engineering Center, 1998.

[16] 陈桂亚,袁雅鸣.山洪灾害临界雨量分析计算方法研究[J].水资源研究,2004,25(4):36-38,40.

[17] 赵然杭,王 敏,陆小蕾.山洪灾害预警雨量指标确定方法研究[J].水电能源科学，2011,29(9):49-53.

[18] 程卫帅.山洪灾害临界雨量研究综述[J].水科学进展，2013,24(6):901-908.

[19] 叶金印，李致家，吴勇拓.一种用于缺资料地区山洪预警方法研究与应用[J].水力发电学报，2013,32(3):15-19,33.

[20] 刘志雨，杨大文，胡健伟.基于动态临界雨量的中小河流山洪预警方法及其应用[J].北京师范大学学报(自然科学版),2010,46(3): 317-321.

[21] 叶 勇,王振宇,范波芹.浙江省小流域山洪灾害临界雨量确定方法分析[J].水文,2008,28(1):56-58.

[22] 秦 毅，沈 冰，李怀恩，等.基于物理成因概念的水文系统模型及其应用[J].水利学报,2004,(4):52-56.