小流域山洪灾害预警指标确立研究

文 彦

(运城市水文水资源勘测站，山西 运城 044000)

0 引言

山洪灾害是指由于短时强降雨在山丘区引发的洪水灾害，以及由山洪诱发的滑坡、泥石流等次生灾害[1-2]。山洪灾害预警指标通常分为雨量预警指标和水位预警指标。雨量预警指标是根据各时段山洪灾害的临界雨量综合测算，水位则按照洪水演进规则测算所得。稷山县通过现状山洪灾害防治能力评价，选取2个典型村落完成预警指标的分析确定。

1 评价区概况及防洪能力现状

稷山县位于汾河下游，山西省西南部，总面积686.28 km2。其中平原369 km2，丘陵189 km2，山地128 km2，分别占全县总面积的53.7%、27.6%和18.7%。县域56个重点防治区中，防洪能力小于等于5 a一遇的有22个，5 a～20 a一遇的有6个，大于等于20 a一遇的有28个。其中受河道水流影响的35个沿河村落中，现状防洪能力小于等于5 a一遇的有22个，5 a～20 a一遇的有5个，大于等于20 a一遇的有8个；受坡面流影响的21个村落中，致灾暴雨重现期小于等于5 a一遇的有0个，5 a～20 a一遇的有1个，大于等于20 a一遇的有20个，见图1。

2 预警指标分析

预警指标主要是针对集镇等人口较为密集的各重点防治区设定，对于地貌形态类似，位置接近的防灾对象可使用同一个指标。

2.1 雨量预警指标

在局地暴雨形成洪水后水位超高形成漫滩，根据河水漫滩的水位，结合实测河流断面资料计算出相应的流量，即为危险流量。从危险流量形成时间倒推，在一定时段内的累积降水量即为临界雨量。

图1 稷山县现状防洪能力分布图

山洪大小除了受降水强度影响外，还和前期降水量及流域土壤饱和程度相关。因此，在设定临界雨量指标时，应详细调查流域前期降水量以完善指标修正。采用双曲正切产流模型计算重点防治区雨量预警指标。

2.1.1 预警时段确定

预警时段就是选定的降雨历时，受防灾对象集雨面大小、土壤含水量和前期降雨等因素影响，各因素变化导致预警时段随之变化。

确定典型时段根据防灾对象所在流域的上述下垫面性状，确定汇流时间较小的短历时时段，如0.5 h、1 h、3 h等。通常选定2～3个典型预警时段，南方湿润区最小预警时段可按1 h确定，北方干旱区由于降水强度和超渗产流影响，按0.5 h确定。

按上述，综合考虑本流域的汇流时间，确定如下预警时段：①基本预警时段，0.5 h、1 h、2 h、3 h、6 h。②若汇流时间≥6 h，预警时段为0.5 h、1 h、2 h、3 h、6 h和汇流时间；若汇流时间<6 h，则预警时段按照汇流时间或小于汇流时间的基本预警时段确定。

2.1.2 流域土壤含水量

流域前期持水度B0作为综合反映流域土壤含水量或土壤湿度的间接指标。B0取值为0、0.3和0.6分别代表土壤湿度较干、一般和较湿3种情况。

2.1.3 临界雨量计算

在确定了成灾水位、预警时段以及产汇流分析方法后，就可以计算不同前期影响雨量下各典型时段的危险区临界雨量。具体计算步骤如下：

(1)假设一个最大第2小时～最大第6小时的降雨总量初值H。根据设计雨型，分别计算出最大第2小时～最大第6小时的降雨量P2′～P6′。

(2)计算暴雨参数。由公式(1)和(2)计算得到不同暴雨参数下的最大1小时～最大6小时的降雨总量值H1～H6及最大第2小时～最大第6小时的降雨量P2～P6。根据表1中暴雨参数的范围，可以得到多组P2～P6，将每组P2～P6与P2′～P6′进行比较，误差平方和最小的那组P2～P6所用参数即为所要求的暴雨参数。

(1)

(2)

式中：n、ns分别为双对数坐标系中设计暴雨时～强关系曲线的坡度及t=1 h时的斜率；Sp为设计雨力，即1 h设计雨量，mm/h；t为暴雨历时，h；λ为经验参数。

表1 暴雨参数取值范围表

(3)由步骤(2)计算得的暴雨参数值，用式(1)和(2)可以计算最大第1～最大第6小时的雨量；根据设计雨型，得到典型时段内每小时的雨量Hp1，Hp2，……Hp6。

(4)使用双曲正切产流模型与单位线流域汇流模型进行产汇流分析，计算由典型时段内各个小时降雨所形成的洪峰流量Qm。

(5)如果|Qm-Q|>1 m3/s，则用二分法重新假设H。

(6)重复(2)～(5)步骤，直到|Qm-Q|≤1 m3/s时，典型时段内各小时的降雨总量即为临界雨量。

依据上述计算步骤，选取南翟村和小河推得到这两个村落的动态临界雨量，填写临界雨量成果表，见表2。并由动态临界雨量绘制出的预警雨量临界曲线图，见图3～图4。

表2 临界雨量成果表

综上计算方法，按照成灾水位和不同预警时段完成产流分析后，计算各要素下相应的临界雨量。稷山县1 h临界雨量指标见图2。

图2 稷山县1 h临界雨量指标

2.1.4 雨量预警指标确定

(1)立即转移指标

临界雨量和成灾水位成函数对应关系，则将临界雨量认定为立即转移指标。

(2)准备转移指标

准备转移指标根据预警时段分成两类：①当预警时段不大于1 h时，准备转移指标=立即转移指标×0.7；②预警时段在2 h～6 h范围内时，准备转移指标=之前预警时段的立即转移指标。选取稷山县两个典型沿河村落预警分析成果见图3～图4。

图3 南翟村预警雨量临界曲线图

图4 小河预警雨量临界曲线图

2.2 水位预警指标

2.2.1 适用条件

水位预警指标通常由防灾对象所在地上游一定范围的洪水位推算确定作为预警水位。通常，水位站点至预警对象间的洪水推进时间不得低于0.5 h，否则会因时间太短而失去预警的意义。因此，只需针对适用水位预警条件的预警对象分析水位预警指标。

2.2.2 临界水位计算方法

水位预警指标是下游危险区成灾水位推算至上游水位站确定，其计算有两种方法：①水面线推算，根据成灾水位对应的流量按水面线法推算上游水位站的相应水位；②首先推求水位站的水位流量关系，在关系线上查下游危险村成灾流量的相应水位。水位站水位流量关系采用比降面积法。本次工作采用第二种方法推求。

比降面积法计算公式如下：

(3)

式中：Qc为恒定流流量，m3/s；A上、A下为速度，g=9.81 m/s2；L为比降上、下端面间距，m；Sc为恒定流态下的水面比降；ξ为端面沿程收缩或扩散系数(收缩取负号，扩散取正号带入公示)，河段端面收缩时，一般可取ξ=0；端面突然扩散时，ξ=0.5～1.0；逐渐扩散时，ξ=0.3～0.5，一般可取ξ=0.3。α为动能矫正系数，与断面上流速分布均匀是否有关，一般比较顺直、底坡不大且端面较规则的河段，其值介于1.05～1.15之间，取α=1.1。

对于山区河流，当底坡较大，且断面较规则、流速分布极不均匀时，可用式(4)近似计算。

(4)

(5)

式中：N为河段平均糙率；A上、A中、A下为上、中、下比降断面过水面积，m2；R上、R中、R下为比降上、中、下断面的水力半径，m。

2.2.3 水位预警指标综合确定

水位预警指标包括准备转移和立即转移两级指标，临界水位即为立即转移指标，差值取值参考见表3。

表3 立即转移与准备转移指标差值取值表

稷山县境内共有自动水位站7处，简易水位站4处，均为山洪灾害站点。山洪从水位站演进至下游预警对象的时间不应小于30 min，否则将失去预警的意义。

(1)铺头水位站控制断面水位为604.44 m，依据水面线推算至上游水位站相应洪水位作为该预警对象控制断面的临界水位。

1)临界水位即为水位预警的立即转移指标。立即转移指标为622.07 m。

2)根据河段地形地貌及河谷形态，将临界水位减去某一差值作为水位预警的准备转移指标，差值取值参考见表1。准备转移指标为621.77 m。

(2)黄华峪水库水位站控制断面水位为563.93 m，依据水面线推算至上游水位站相应洪水位作为该预警对象控制断面的临界水位。

1)临界水位即为水位预警的立即转移指标。立即转移指标为593.98 m。

2)根据河段地形地貌及河谷形态，将临界水位减去某一差值作为水位预警的准备转移指标，差值取值参考见表1。准备转移指标为593.68 m。

(3)佛峪口水位站控制断面水位为603.73 m，依据水面线推算至上游水位站相应洪水位作为该预警对象控制断面的临界水位。

1)临界水位即为水位预警的立即转移指标。立即转移指标为635.95 m。

2)根据河段地形地貌及河谷形态，将临界水位减去某一差值作为水位预警的准备转移指标，差值取值参考见表1。准备转移指标为635.65 m。

3 结语

针对稷山县防灾对象的现状防洪能力，综合分析研判了雨量预警指标和水位预警指标应考量的各因素。同时，以两典型村落为例，按照上游流域前期降雨量和土壤含水量分析了各典型时段的水量预警指标。同时，按照适用水位预警指标的对象确立了立即转移和准备转移指标。这为稷山县后期编制山洪预警预案、预设防灾措施等提供全面、科学的信息支撑。