集安市小流域山洪灾害临界雨量分析

王 洁，赵荣飞，张舒宁，何 巾

(1.沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110866;2.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

集安市小流域临界雨量分析计算工作是在山洪灾害调查、遥感影像、水文气象等基础资料上，运用卫星遥感、GIS、水文分析计算等手段，结合山洪灾害现场调查资料，通过分析计算，较为全面和准确地掌握山洪灾害小流域暴雨区洪水基本特性，以及小流域暴雨区内人员分布情况，分析沿河村落的山洪暴发临界雨量，进一步提高集安市山洪灾害区预报预警能力和水平，保障山丘区人民社会经济可持续发展。

集安市地处吉林省东南部，全市幅员面积3355km2，2016年总人口为21.9万人。辖区内主要河流为小新开河、苇沙河、浑江、通沟河、鸭绿江，均属于鸭绿江水系。其流域示意图如图1所示。

1 临界雨量分析计算

临界雨量是指降水量大于等于某一量级时，该流域发生洪水灾害时的降雨量。本次临界雨量计算采用试算法，通过水科院和SCS单位线两种方法进行分析计算。

1.1 水科院法

水科院法是由陈家琦等人于1958年提出的一种暴雨资料推求洪水的方法，在我国水利水电部门得到广泛应用，现行《水利水电工程设计洪水计算规范》中的小流域设计洪水就是采用水科院法。基本公式为：

(1)

式中，0.278—单位换算系数；s—雨力，mm/min；φ—洪峰径流系数；τ—汇流历时，h。

1.1.1 设计雨力计算

设计雨力计算公式为：

(2)

式中，Sp—设计雨力，mm/h；H24—24h设计暴雨量，mm；t—暴雨历时(t=24h)，h；n—暴雨递减指数，根据工程流域的重心所在位置确定。

1.1.2 产流历时计算

雨量损失参数μ是流域产流时段内平均损失率，可按以下公式计算：

(3)

式中，tc—产流历时，h；n—暴雨递减指数，按工程流域的重心所在位置确定；Sp—设计雨力，mm/h；μ—流域雨量损失参数，mm/h；hR—设计径流深，mm。

1.1.3 汇流参数m值确定

汇流参数m值是水科院法推理公式计算设计洪峰流量的重要定量参数，不能通过仪器直接测出，可通过实测雨洪资料反推，或根据有关成果经验确定。地区综合计算法是采用吉林省水文水资源局2014年主编刊印的《吉林省水文计算手册》中的成果，计算公式如下：

图1 集安市流域示意图

(4)

m=BρY

(5)

式中，ρ—流域特征参数；Lr—河道长度，km；Jr—河道坡度，用小数表示；F—流域面积，km2;m—流域汇流参数；B、Y—地区综合系数。

1.2 单位线法

美国农业部水土保持局于1954年开发的SCS(Soil Conservation Service，SCS)模型，是目前应用最为广泛的流域水文模型之一。本次SCS单位线法中采用了以下坡面流速计算公式：

V=K×S

(6)

式中，V—水流速度，m/s；S—流域上某处沿着水流方向的坡度；K—流速系数。

在计算小流域单位线时，通常假定净雨空间分布均匀，因此，为了计算DEM每一个栅格内的水流速度，需要得到每一个栅格地形坡度及流速系数。

利用上面的流速计算公式，计算出每一个DEM栅格内的水流速度。基本产流方程为：

(7)

式中，P—降雨总量，mm；Pe—径流量，mm；Ia—初损，mm；S—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，以CN值确定S：

S=25400CN-254

(8)

式中，CN通过查算SCS模型的前期土壤分类表、CN值表、和土壤湿润程度表得到。

2 典型沿河村落成果

根据暴雨与洪水同频率的假定，集安市沿河村落设计洪水频率确定为5、10、20、50、100年一遇5种。在此基础上，对各沿河村落进行了防洪现状评价，以榆林镇治安村二组为例，成果见表1和如图2所示。

治安村二组临界雨量计算成果见表2、3。

序号行政区划名称时段临界雨量/mm1治安村二组149264374

表3 SCS单位线法计算临界雨量成果表

对比表2、3可知，水科院法推求的预警临界雨量值与SCS单位线法土壤湿润状态下的计算临界雨量值较为接近。经分析，水科院法计算结果是设计水平下的洪水成果，从工程角度考虑，是一种偏于安全的结果，故与SCS单位线法土壤湿润状态下的计算结果接近是合理的。

《吉林省水文计算手册》中水科院法，推求设计洪水过程中涉及的参数是基于对吉林省小流域降雨及洪水资料分析确定的，是无数水文工作者集体智慧与经验的结晶，在吉林省小流域无资料地区短历时暴雨径流分析计算工作中取得了良好的效果。而单位线法中初损和稳渗量的计算具有一定的主观性。因此，通过预警临界雨量计算的洪峰流量成果，与推理公式法计算的成果基本一致，所以，本次临界雨量分析计算采用水科院法计算成果，成果如图3、4所示。

图3 治安村二组预警雨量临界线图

3 结语

本次临界雨量分析计算工作针对集安市的117个沿河村落进行，从整个区域角度全面系统地反映出集安市山丘区沿河村落山洪灾害现状防御力、危险区划分以及预警临界雨量的情况。部分成果见图5～10所示。

3.1 沿河村落危险区人口分布

通过临界雨量分析评价，得到了影响集安市117个沿河村落各级危险区人口数量及分布情况。山洪灾害区集安市117个沿河村落中，受威胁总人口为3789人，其中极高危险区为1050人，高危险区人口为1675人，危险区1064人。

3.2 沿河村落现状防洪能力

通过临界雨量分析计算表明，117个沿河村落中，22个沿河村落的现状防洪能力非常高，受溪河暴雨山洪灾害影响的几率不高，现状防洪能力小于1年一遇的有0个，1～5年一遇的有59个，5～20年一遇的有22个，20～100年一遇的有14个。

图4 治安村二组危险区划分图

图5 百年一遇洪峰图图6 百年一遇洪峰模数图图7 小流域计算单元图图8 小流域汇流历时图

图9 临界雨量图(一般/3h)图10 临界雨量图(湿润/3h)

3.3 后续山洪灾害防治支撑

根据对本次计算成果的初步分析，总结出以下特点，充分认识这些特点将为集安市后续山洪灾害防治提供重要支撑。

(1)深入理解小流域暴雨山洪特性。山丘区降雨具有短历史、强降雨等特点，且多发生在河流源头地区，涉及面积较小，流域坡面比降和沟道比降均较大，洪水具有陡涨陡落的特点，洪峰模数较大。通过确定各个沿河村落的预警临界雨量值，为集安市乡村各级山洪灾害防治预案起到见丰富和补充的作用，一旦发生强降雨，可以提前做好人员财产的转移工作。

(2)完善山洪灾害预警系统。集安市现有山洪灾害防治非工程措施自动监测站、预警广播站的数量和分布基本能满足防御和预报要求。但仍存在部分站点盲区情况，建议在青石镇秋皮村七组、榆林镇治安村二组、榆林镇复兴村九组、头道镇南沟村一组、清河镇二道村二组增设自动监测站，在榆林镇治安村二组、清河镇天桥村四组增设预警广播站。另外，建议市防汛办安排专项资金，邀请技术单位每年汛前对各类站点进行汛前检查和维修，确保所有站点在汛期发挥应有作用。

(3)临界雨量值尚需进一步进行检验和率定。受无资料地区小流域洪水计算中水文基础数据所限，国内目前采用的推求无资料地区暴雨洪水的技术方法均会产生一定误差，且在由控制断面水位流量关系反推临界雨量的过程中也不可避免地会产生一定误差，因此在下一步工作中，有必要在有条件的地区开展临界雨量值的检验和率定工作。