基于GIS的小流域山洪灾害临界雨量研究

李 立

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司， 甘肃 兰州 730000)

近年来，受气候变化影响，极端天气事件频发，加剧了我国山洪灾害发生的频率、范围及危害程度，特别是山区、丘陵区小流域坡降大，暴雨强度大、历时短、涨幅大、洪峰高，易发性强，易伴生滑坡、泥石流等地质灾害[1-2]，严重威胁着人民群众生命财产安全，并影响着乡村振兴战略的实施。因此，开展小流域山洪灾害的预报预警工作显得十分重要。

本文以甘肃省成县为例，在获得DEM数据的基础上，运用ArcGIS软件提取叠加该县小流域的水文、地形地貌等信息，并进行分析计算，再结合现场山洪灾害调查，分析确定县域内沿河村落的山洪暴发临界雨量，旨在为区域山洪灾害预报预警提供科学依据。

1 山洪灾害临界雨量研究方法

当前临界雨量的量化研究方法主要有两种：一是采用降雨量的直接定义，即在特定时段的降雨量达到或超过临界雨量的情况下，山洪灾害随之产生，通常采用统计归纳法计算，通过统计分析特定时段中累积雨量与山洪灾害之间的关系，利用时段雨量作为临界雨量，进一步有效识别灾害的产生状况；二是以河道临界水位流量来进行间接定义，也就是结合具体的断面来获得临界水位(流量)，对应累积降雨量作为临界雨量[9-10]。这种方法是以河道水位(流量)来判断灾害发生与否，并根据安全水位(流量)来实现反推的效果，此法也称水文水力学方法[11]。

甘肃山丘区小流域雨量站分布稀疏，资料较少，流域下垫面条件较易发生变化，统计归纳法计算临界雨量要求雨量系列资料充足，才能保证计算精度；而水文水力学方法从河道断面临界流量反推临界雨量，考虑地貌、土壤、植被等下垫面特征参数对临界雨量的影响，暴雨参数较统计归纳法更关注降雨分配过程，适用于山丘区小流域临界雨量分析，本文以水文水力学法作为研究方法。水文水力学法的计算步骤[11]如下：

(1) 计算沿河村落成灾水位对应的临界流量。

(2) 根据确定的2～3个预警时段，逐个选择计算时段。

(3) 雨量初值采用24 h的降雨数据，依据雨力计算公式，分析预警的各个时段的综合雨量值，参照具体的雨型分布特征信息，进而获得5年一遇频率的具体划分，并获得各个时段步长的雨量数据和降雨过程，以此作为试算环节最初阶段的输入数据。

(4) 参照预设的较干、一般和较湿三类典型水文情形，选定各计算时间段以及流域汇流期间作为降雨环节的对应序列参数。

(5) 采用试算的方法推求临界雨量。首先假设特殊的初始雨量，通过特定的雨量以及雨型特征分析，得到对应的降雨过程系列，并以此作为系统初始阶段的输入，进而分析预警区域的洪水过程；其次对比分析所获得的流量和成灾水位对应的预警流量，若二者接近，则该雨量可作为对应的临界雨量，而若是二者差别较为显著，则重设参数进行试算，直至获得数据的差值小于预设的允许误差方可停止[12]。

2 成县山洪灾害临界雨量的推求

2.1 研究区概况

成县地处甘肃省东南部陇南山区，西北属北秦岭山脉南麓，中部属徽成盆地，南部为南秦岭山脉北缘。地貌形态分为河谷冲积地、丘陵地和中山地三个类型，主要为中山区，次为丘陵和小面积川坝。成县位于嘉陵江上游，属南北过渡性半湿润气候，四季分明，温暖干燥。

成县辖12镇5乡，总人口26.27万人，总面积1 690 km2。境内河谷密布、水系发达，主要河流有西汉水、长丰河、南河、洛河，是山洪灾害重点区。境内降雨季节分布极不均匀，局部暴雨经常发生，山洪灾害频发，其中7、8月份出现最多，特别是7月中下旬为集中高发期。受深沟地形及植被覆盖的影响，暴雨造成的洪水陡涨陡落，历时短，洪峰高，突发性强，不易防范。暴雨常淹没农田，冲毁水坝、房屋、工业交通设施等，甚至造成人畜伤亡，对当地国民经济造成很大损失。

2.2 基础资料

2.2.1 小流域划分

根据“全国山洪灾害防治项目组”提供的基础DEM数据，得到成县县域小流域工作底图，运用ArcGIS软件对其进行小流域划分和处理，得到成县小流域共121个，沿河村落118个(见图1)。

图1成县小流域划分结果图

2.2.2 数据来源

水文暴雨资料采用《甘肃省暴雨洪水图集》成果；根据“全国山洪灾害防治项目组”提供的相关工作底图、基础数据和山洪调查数据，从而得到成县全部小流域的下垫面条件及水文信息等资料，包括流域形状、面积、坡度，河系组成，各河道的长度、比降等；河流测量结果包含了防护对象及上下游200 m各一个横断面、对应河段一条纵断面，可供沿河村落成灾水位下对应的预警流量计算。

2.3 临界雨量试算模型构建

临界雨量计算模型构建原理采用水文水力学法。在成县小流域工作底图的基础上，利于GIS技术构建临界雨量分析模型。首先对成县工作底图进行小流域划分，在ArcGIS软件中将小流域下垫面、暴雨资料等资料叠加到小流域底图上，假设一个初始雨量作为模型输入，模型利用SCS单位线法计算各小流域洪水过程，通过试算获得的输入对应的洪水流量，然后与该流域成灾水位对应的临界流量比较试算直至二者接近，从而确定临界雨量。

2.3.1 模型试算原理

模型洪水流量的试算原理主要包括降雨、产流、汇流以及演进四个环节。

2.3.1.1 确定预警时段

在GIS软件中输入现场调查的山洪数据(山洪持续时间，洪水流量等)，并参照防灾对象具体的河谷、上涨、转移和影响等基础要素之后，从而判断防灾对象具体的预警时段，预警时段应在最小时段到最终的汇流期间，小流域预警时段较短，主要为1 h、3 h等[13]。

2.3.1.2 降雨及产流

在降雨过程中需要分析实际的雨量以及雨型数据，主要依据设计暴雨进行分析，并参考《甘肃省暴雨洪水图集》等相关规范。

产流过程需要计算雨量扣损。雨量扣损计算采用初损后损法，同时考虑土壤、植被覆盖等综合因素。图2和图3分别给出了成县121个小流域的土壤类型、分布及植被覆盖情况。从图中可以看出，计算小流域中，土壤类型主要为壤土，有关资料表明，壤土的损失率在1.27 mm/h～3.81 mm/h之间，砂壤土的损失率在3.81 mm/h～7.47 mm/h之间[14]。还可以看出，评价对象所在小流域中，植被覆盖分为条件较好和一般。有关研究资料表明，较好植被的截流量仅在0.25 mm～1.25 mm之间，在山洪净雨分析中通常可以忽略；但对森林覆盖较大的小流域而言，林冠层截留降雨作用与郁闭度、树种、林型以及地面枯枝落叶层等因素有关，低雨量时波动较大，高雨量时达到定值，一般截流量可达13 mm～17 mm[15]。

图2 成县计算小流域土壤类型分布图

图3成县计算小流域植被覆盖图

扣损主要包括初损以及稳定下渗两方面。初损在暴雨的开始时刻起损除、扣除时，充分考虑流域的植被覆盖情况、土壤情况、流域土壤含水率等信息，逐时段合理扣除，直至扣除的雨量累积和等于初损值为止。初损扣除之后，以稳定下渗率作为扣损，基于控制下渗率的原因，有必要系统的计算土壤的具体特征等信息[16]。

初损和稳定下渗扣除时，根据对流域土壤含水率情况概化，成县属于我国南北气候过度区，采用Pa=0.2Im、Pa=0.8Im两个临界值对前期降雨很少、中等、很多3种情况的前期降雨进行界定，即实际含水状况较干(Pa≤0.2Im)、一般(0.2Im≤Pa≤0.8Im)和较湿(Pa≥0.8Im)三类情形[17]，Pa为前期影响雨量，Im为最大初损。在含水率相对较低的情形下，在降雨历时中，若是逐时段扣除总数不及缺水量，则不进行补充处理；而在较湿的情形下，若是特定时段中实际扣除的数量等同缺水量，在后续的时间参照稳定下渗率来进行扣除处理。

根据《甘肃省暴雨水文手册》各分区实测雨洪初损值统计分析，土石山林区大中洪水平均初损值为8.7 mm，初损取7.0 mm，稳定下渗量取3.0 mm/h，以此为依据并结合当地实际情况确定各评价对象的初损值，依据土壤类型确定评价对象的稳渗值。成县曹河、广化两个典型沿河村落的预警指标分析时的雨量扣除过程见表1。

表1 曹河、广化两个预警指标分析雨量扣损值

2.3.1.3 汇流

汇流过程采用了SCS模型法进行计算，SCS模型基本产流方程[18]为：

式中：P为一次降雨的降雨总量，mm；Q为径流量，mm；Ia为初损，mm，是产生地表径流之前的降雨损失；S为流域当时的可能最大滞留量，mm。因Ia不易求，模型引入Ia=0.2S，同时又引入Cn值确定S：

式中：Cn为反映降雨前流域特征的综合参数，综合考虑了前期土壤湿润程度、 土壤类型和土地利用现状等因素，可以通过查算SCS模型的前期土壤湿润程度表、土壤分类表和Cn值表得到[19]。

2.3.2 模型构建

结合成县在甘肃省的降雨分区和小流域特性，选择降雨、产流、汇流以及演进四个环节的计算参数，构建模型。模型的核心为流域、气象组件的建立。

(1) 流域组件建立：参照相关的流域河网特性和相关的预警位置，将流域划分为适当子流域、河段、合流地点，进而建立流域组件模型；输入各计算单元的基本参数[20]。

(2) 气象组件建立：对于计算中假定的初始雨量，按照《甘肃省暴雨洪水图集》中不同流域分区的雨型分析得到相应的净雨过程建立气象组件。

2.4 模型临界雨量计算及结果分析

2.4.1 临界雨量计算成果

根据以上思路及方法，首先计算小流域沿河村落成灾水位对应的临界流量，然后通过模型试算使输出的洪水流量接近成灾临界流量，从而确定成县118个周边村落临界雨量参数，在考虑流域土壤情况的基础上，计算得到了不同预警时段的临界雨量计算结果，图4为成县各流域1 h临界雨量成果，图5为各小流域1 h临界雨量图。

图5成县各流域1 h临界雨量(单位：mm)

2.4.2 临界雨量结果分析

由图4和图5可以看出，本次临界雨量确定分解到每个小流域，对应到各沿河村落，精度较高。成县118个小流域中45个临界雨量为零，说明受山洪灾害影响的几率不大，其余73个小流域临界雨量变化有以下规律：

(1) 同一流域土壤含水率越高，发生山洪灾害的临界雨量越小。

(2) 预警时段越长，临界雨量也越大。

(3) 在空间上看，成县山洪灾害多发于各河沟源头区。

3 结 论

本文采用水文水力学方法基于GIS软件构建了临界雨量试算模型，探讨了甘肃成县小流域临界雨量推求问题，结果表明：同一流域土壤含水率越高，发生山洪灾害的临界雨量越小，土壤资料对临界雨量的确定是至关重要的。

对于山丘区小流域，地貌、土壤、植被等下垫面资料为山洪灾害临界雨量试算模型的构建提供了数据支撑，采用水文水力学试算比传统的统计归纳法更能合理地确定临界雨量。本次临界雨量确定分解到各小流域，对应到每个沿河村落，对沿河村路危险区的划分提供重要依据，对合理制定流域山洪灾害预警指标具有指导意义，对完善县级山洪灾害预警平台、提高山洪灾害防治能力具有重要作用。

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