山洪灾害预警中的关键水文问题研究

樊洪林，宝 顺

（通辽水文水资源分中心，内蒙古 通辽 028000）

山洪灾害是指发生在山区流域面积较小的溪沟或周期性流水的荒溪水中，历时较短、暴涨暴落的地表径流[1]。我国因山丘面积占比高、地形地质条件复杂、暴雨多发和人类活动强度大等原因，一直遭受着山洪灾害的严重威胁[2]。山洪破坏性极强，灾后恢复困难，开展山洪灾害预警是一项切实关系到人民生命财产安全的重要工作[3]。

2009 年，水利部和财政部在全国103 个县开展了以监测、通信、预报和预警等措施为主的山洪防治非工程建设试点工作[4]。在此背景下，内蒙古自治区敖汉旗于2012 年12 月竣工并交付使用了该地区山洪灾害防治非工程措施项目，在近10 a 来发挥了重要作用[5]。本研究以敖汉旗为例，讨论了危险区域划分和临界雨量计算这两大山洪灾害预警中关键的水文问题，为摸清相关地区山洪特征和发布山洪风险预警提供技术支撑。

1 研究区域及其山洪特点

1.1 自然地理概况

敖汉旗位于内蒙古自治区赤峰市东南部（41°42'～43°01'N，119°32'～120°54'E），全旗南北长176 km，东西宽122 km，总土地面积8 300 km2，如图1 所示。该区域处于燕山山地丘陵与松辽平原的过渡区域，境内山峦起伏、沟谷纵横，海拔多在400～800 m，以侵蚀剥蚀地貌为主。

图1 敖汉旗基本地理信息

敖汉旗为大陆性季风气候，旗内雨量充沛，多年平均降水量430.0 mm，但年内分布严重不均。受华北低压、渤海气旋、台风及冷锋影响，该区域在6—9月容易集中发生强降雨，且次数多、历时长，汛期降水量可达全年的80%。

1.2 河流水库概况

敖汉旗境内大小河流超过30 条，河流总长1 189.2 km，总集水面积8 300 km2。主要河流包括西辽河水系的教来河、孟克河、老虎山河，以及大凌河水系的老哈河、牤牛河等。全旗共建设有14座水库，总集水面积3 190.41 km2，总库容1.93×108m3，兴利库容4.24×107m3，在防洪、灌溉、发电、供水和水产养殖等方面具有显著的综合效益。

1.3 山洪灾害特点

敖汉旗地质多为遇水易软化崩解的侵蚀土壤，近年来人类活动破坏了植被、侵占了河道，该地区在汛期易发生山洪灾害。山洪灾害具有季节性强、破坏性强、重发性强和成灾迅速等显著特点。调查显示，1949—2007 年敖汉旗共发生较大山洪灾害23起，严重威胁着人民的生命财产安全。

2 山洪灾害预警的水文问题

2.1 山洪灾害预警系统简介

为有效防御山洪灾害，敖汉旗建设了山洪灾害预警系统，如图2—3 所示。该系统主要由以下4 个部分组成。

图2 敖汉旗山洪灾害监测网络

图3 敖汉旗山洪灾害预警系统

（1）雨情监测模块。雨情监测主要是降雨量监测，即将各监测站点的降雨数据及时传输至预警决策模块，包括监测站网布设、雨情信息采集及监测数据传输等。本模块建设了由89 个自动雨量监测站和8 个自动水位监测站组成的观测站网，站点布设如图2所示。

（2）数据接口模块。考虑到防御泥石流、滑坡等灾害需求，该模块用于接收气象、国土等相关专业部门发布的最新信息，并传递至预警决策模块。

（3）预警决策模块。该模块用于处理接收数据及发布山洪预警，由可视化界面、计算机网络、接收数据库等部分组成，具有资料查询、信息发布等功能。

（4）山洪联防机制。建立健全旗、乡/镇、村、组、户的五级山洪灾害联合防御体系，设立一至三级山洪灾害应急响应预案，最大限度降低生命财产损失。

2.2 山洪预警中的关键水文问题

在进行山洪灾害预警工作时，主要需要解决以下2个方面的关键水文问题。

（1）危险区域划分。由于研究区域内地势高低起伏，因此各地遭遇山洪灾害的概率也不尽相同。通过计算一定频率洪水的水面线，结合地形资料确定受山洪灾害影响显著的危险区域，进而为精准防治山洪造成危害提供支撑。

（2）临界雨量确定。山洪灾害的主要驱动因素是降雨，当区域内降雨量达到某一临界数值时，该区域极有可能形成洪水并诱发山洪灾害。确定这一临界雨量对于预报和防治山洪灾害具有重要意义。

3 山洪灾害的危险区域划分

3.1 危险区域划分方法

从降低山洪灾害造成危害的角度，通常将研究区域划分为危险区域、警戒区域和安全区域。危险区域是指受山洪灾害威胁的区域，一般处于河谷、沟口、河滩或其他低洼地带，一旦发生山洪、滑坡及泥石流将直接造成区域内房屋、设施破坏及人员伤亡。安全区域是指不受山洪灾害威胁、地质结构较为稳定、可安全从事生产生活活动的区域。而警戒区域是介于危险区域和安全区域之间的地带[6]。

具体来说，危险区域多为已发生明显变形或存在裂缝的区域、含有软弱夹层的顺向坡以及处于历史洪水线和河流10 a 一遇洪水淹没线范围内的区域。安全区域多为处于历史最高洪水线或各河流100 a 一遇洪水淹没线以外的区域[7]。

由于危险区域对人民生命财产的威胁最为显著，研究主要确定敖汉旗山洪预警中的危险区域。为此，对敖汉旗各主要河流进行了实地调查踏勘，逐一确定可能发生山洪灾害的地点，并搜集了历史洪水资料。勘探表明，威胁敖汉旗境内村庄的山洪沟多为直接流向村庄的小型山洪沟。通过洪水淹没线进行区域划分，即认为10 a 一遇洪水淹没线以内为危险区域。

3.2 流域洪峰流量计算

由于敖汉旗历史上发生过山洪灾害的区域均属小流域无资料地区，在每条踏勘河流上布设若干控制断面，且断面之间的距离小于2 km，利用推理公式法根据实测暴雨资料推算各河流断面的设计洪峰流量。

10 a一遇（P=10%）设计洪峰流量由以下公式计算：

式中：QP为10 a一遇目标频率的设计洪峰流量（m3/s）；KP为年最大24 h 暴雨不同频率的模比系数；ΨP为不同频率的洪峰径流系数；QC为不因目标频率而变的常数流量（m3/s）；Ki为计算系数（10-3·s-1），由于内蒙古自治区幅员辽阔而敖汉旗与辽宁省接壤，因此本研究查《辽宁省水文手册》确定为年最大24 h暴雨均值（mm）；F为流域面积（km²）。

3.3 流域洪峰水位计算

敖汉旗各河流断面可概化为“V”形、“U”形、矩形或宽浅型。将10 a一遇设计洪峰流量计算成果带入曼宁公式，采用试算法计算10 a 一遇设计流量时的过水断面面积，进而得到设计洪水的过水断面水深并绘制出洪水水面线，即划分山洪灾害的危险区域。

曼宁公式为：

式中：Q为设计洪峰流量（m3/s）；n为河床糙率，通过查阅各年水文统计年鉴及敖汉旗洪水调查资料确定；A为过水断面面积（m2）；R为水力半径（m）；I为水面比降。

将计算获得的洪水水面线绘制在地形图上，得到敖汉旗山洪灾害预警的危险区域，如图4 所示。由图4可见，危险区域基本均匀分布在全旗各处，北部略偏少，危险区域约占全旗面积21.86%，研究区域受山洪灾害影响较为严重。

图4 敖汉旗山洪灾害预警的危险区域

4 山洪预警的临界雨量确定

4.1 典型区域的确定

临界雨量是指某流域或区域内的降雨量达到或超过某一量级时，具有形成洪水并诱发山洪灾害的风险。目前临界雨量的计算方法主要包括单站临界雨量代表法、区域临界雨量法和灾害与降雨频率分析法[8]，本研究采用单站临界雨量代表法，用灾害与降雨频率分析法加以校核调整。

临界雨量与气象、地质条件有关，如果某区域内的地形地貌、下垫面及暴雨洪水特性相似，可按流域划分临界雨量的典型区域。典型区域的确定需考虑区域内具有一定数量且分布均匀的雨量监测站，具有较为完整的历史山洪、雨量、地质、水文和气候资料。同时，区域内应具有典型的山洪灾害地理特征、山洪灾害频繁，且人口密度较大、历史受灾情况严重。将敖汉旗划分为5个典型区域，详见表1。

表1 敖汉旗典型区域划分

4.2 单站临界雨量代表法

基于敖汉旗山洪灾害预警系统中各雨量站的历史观测资料，首先确定各站观测降雨的开始时间与结束时间。其中，开始时间是指连续3 d内每日雨量均不大于1 mm 而后出现日雨量大于1 mm 的时间，结束时间是指降雨开始后发生山洪灾害的时间。然后在每次降雨过程中依次查找10 min、30 min、1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 以及3 d 降雨量对应的起止时间。若过程时间长度小于对应项的时间跨度，则只统计过程雨量而不统计最大雨量及其起止时间。

对于典型区内的每一个雨量站，其各时间段的单站临界雨量计算为若干次山洪灾害时间中记录的该时间段最小雨量。可对典型区内各雨量站的同一时间段临界雨量作进一步分析。对典型区内所有站点的同一时段临界雨量进行平均，反映典型区内的平均情况，即当面降雨大于该平均值时，典型区内可能发生山洪灾害。典型区内单站或所有站点的同一时段临界雨量的最小值分别为该典型区内致灾降雨强度的必要条件和充分条件，即至少有一个雨量站观测降雨大于最小值时，典型区内才可能发生山洪灾害，而所有雨量站的观测降雨均大于最小值时，典型区内必定发生山洪灾害[9]。

基于上述方法，为确定敖汉旗各典型区的临界雨量，首先查找各雨量站各次山洪事件的各时段最大雨量中的最小值，以此确定为各站的临界雨量初值。然后计算各次山洪事件中各站不同时间段最大值的面平均值，将面平均值的最小值记为区域临界雨量初值。最后在临界雨量初值的基础上确定单站及区域临界雨量的变幅，该变幅取值区间即为临界雨量。基于单站临界雨量代表法计算的敖汉旗各典型区内的临界雨量，详见表2。

表2 由单站临界雨量代表法确定的各区域临界雨量 mm

4.3 灾害与降雨频率分析法

假设降雨与山洪灾害同频，则可调查山洪灾害的场次并分析其发生频率，从而计算与灾害同频率的临界雨量初值。本研究通过调查历史资料，确定敖汉旗从1949年至今发生了23次较大的山洪灾害，各典型区内山洪灾害发生的概率约为33%。基于敖汉旗山洪灾害预警系统的雨量观测网络，统计各典型区内各雨量站10 min、30 min、1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 以及3 d 最大降水量。然后基于泰森多边形法加权计算区域内各时间段的面平均最大降水量，分别绘制各时间段的面平均最大降雨量频率曲线（P-Ⅲ型曲线），其中Cs/Cv取值为3.5。最后基于山洪灾害发生频率在P-Ⅲ型曲线上查找出相应频率的降水量，从而确定各典型区内临界雨量的计算值[10]。基于灾害与降雨频率分析法计算的敖汉旗各典型区内的临界雨量，详见表3。

表3 由灾害与降雨频率分析法确定的各区域临界雨量 mm

4.4 结果对比与分析

对比表2 和表3 2 种方法计算结果可知，敖汉旗不同典型区域的临界雨量存在明显的时空差异，其中Ⅲ区的各时间段临界雨量均较大，其次是Ⅳ区和Ⅴ区，Ⅰ区和Ⅱ区的各时间段临界雨量计算结果总体相近。不同方法计算的临界雨量也有一定差距，总体上看，单站临界雨量代表法的计算结果大于灾害与降雨频率分析法的计算结果。2 种方法均存在一定局限性，其中单站临界雨量代表法因雨量站可能不位于降雨中心而存在不能充分控制区域临界雨量的问题，同时也不能考虑前期雨量大小、土壤湿润程度等因素在山洪灾害形成过程中的影响；降雨与灾害频率分析法的问题主要在于雨量选样超定量、降雨资料不全和灾害调查不全等问题。因此，需要基于2 种方法的计算结果综合确定敖汉旗各区域临界雨量。

地质条件、地形地貌及前期降雨量等多种因素均对临界雨量有显著影响，与湖南省浏阳市、甘肃省成县等地区确定的山洪灾害临界雨量相比，本研究确定的敖汉旗临界雨量明显偏小，即在本研究区域内较小的降雨便能引起山洪灾害，敖汉旗地理地质条件面临的山洪灾害风险更大。也因如此，区域临界雨量通常是一个范围而非一个常数。该范围一般包括所确定的平均临界雨量，即临界雨量可能略大于或小于平均临界雨量，但只要实际降雨量在该范围内，典型区内便可能发生山洪灾害。同时，应当注意该范围不宜过大，否则对于实际防止山洪造成危害意义不大。因此，本研究综合单站临界雨量代表法和降雨与灾害频率分析法确定敖汉旗各典型区临界雨量，详见表4。

表4 基于综合分析确定的各区域临界雨量 mm

5 结论

作为一种常见的自然灾害，山洪已成为威胁我国群众生命财产安全的重大隐患。以内蒙古自治区敖汉旗为例，针对山洪预警中危险区域划分和临界雨量计算的两大主要水文问题进行了计算与讨论，为摸清东北地区山洪特征和发布山洪风险预警提供了技术支撑。通过计算10 a一遇洪水水面线，划分了山洪灾害的危险区域，计算的危险区域约占全旗面积21.86%，敖汉旗受山洪灾害影响较为严重。在划分典型区域的基础上，结合单站临界雨量代表法和灾害与降雨频率分析法确定了山洪预警的不同时间段临界雨量；计算的临界雨量与相关研究相比偏小，相同降雨条件下敖汉旗形成山洪灾害的风险更大。