贺兰山东麓石嘴山段山洪灾害气象预警指标研究

周翠芳, 陈彦虎, 贾宏元

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室,宁夏 银川 750002;2.宁夏气象防灾减灾重点实验室,宁夏 银川 750002; 3.石嘴山市气象局,宁夏 石嘴山 753000;4.宁夏回族自治区气象局，宁夏 银川 750002)

贺兰山东麓石嘴山段是宁夏主要的暴雨中心[1-3],也是宁夏山洪地质灾害较严重的地区之一.近年来,受气候变暖的影响,全球极端天气事件日渐增多,贺兰山暴雨也逐年增加.如2018年7月11日、7月19日、7月22日至23日及8月13日发生4场暴雨,均引发山洪灾害,最大降雨强度为66.9 mm/h.特别是7月 22日至23 日,贺兰山中北段突发历史性特大暴雨洪水,汝箕沟洪沟的洪峰流量为950 m3/s,为200 a一遇洪水过程；大武口沟山洪沟的洪峰流量为1 500 m3/s,为100 a一遇洪水过程.贺兰山石嘴山段分布大小山洪沟28条,总长达445 km,历史上每条山洪沟都暴发过山洪、塌方和落石等地质灾害,并造成一定的人员伤亡和财产损失.笔者选取贺兰山东麓石嘴山段2个典型、易发生山洪灾害且有较长流量及降水观测资料的大武口沟(1973年设站,位于大武口沟沟口)、汝箕沟(1956年设站,位于汝箕沟沟口),进行预警指标研究.目前,山洪预警预报中的主要手段是临界雨量法[4-6]、预报模型法[7-8]和山洪经验预报法[9-10]，气象工作者大多采用风险临界雨量判别山洪灾害的发生[11-12],这也是目前山洪灾害预警公认的依据.由于流量、湿润程度、植被覆盖率、降雨强度等与面雨量密切相关,客观、简便及准确地计算面雨量,对防灾减灾有重要的意义[12].

贺兰山东麓山洪灾害主要由暴雨造成,多为短历时局地暴雨,年际变化大,有明显的季节性和地区性.洪水特性与暴雨特性相对应,汇流时间短,来势凶猛,暴涨暴落,一般洪水过程3～6 h.山洪灾害的突发性、区域性和季节性较明显,危害性、破坏性极强.由于山洪灾害的突发性和局地性,给预报预警工作带来了很大的困难.近年来,气象部门对中小流域精细化预报服务提出越来越高的要求.为做好石嘴山市山洪地质灾害的精细化预报服务工作,笔者提出适用于贺兰山东麓石嘴山段山洪预报的动态临界面雨量预报分析方法,并结合石嘴山市2018年几次重大洪水过程，对该方法的应用效果及服务效果进行检验,可为提升当地应对突发山洪灾害的能力和水平提供参考.

1 流域概况

贺兰山东麓石嘴山段分布大小山洪沟28条,总长达445 km(图1).大武口沟河流位于贺兰山东麓石嘴山段北段(图1),总长35.229 km,流域面积576 km2,是贺兰山最大的一条山洪沟.沟道西自贺兰山宁蒙边界,东至第三排水沟,南至山水大道、301省道,南北长20 km,东西宽约28 km.汝箕沟位于贺兰山东麓的中段(图1),沟道全长22.2 km,流域面积79.8 km2,流域内为石质山区,土层薄、植被差,为暴雨多发区,易形成山洪并造成灾害.

图1 贺兰山沿山石嘴山段的山洪沟系分布

2 研究资料

贺兰山东麓石嘴山段分布大小山洪沟28条,现有水文站点2处.大武口站建于1973年,位于大武口沟沟口；汝箕沟站建于1956年,位于汝箕沟沟口.两站均有较长时间的流量、降水资料,可用于进行暴雨洪水分析.笔者选取大武口站及汝箕沟站水文和气象雨量站点12处(图略),均为自记雨量站.其中,大武口沟所辖站点有呼鲁斯太、八号泉、石炭井、塔塔沟、大灯沟、马连滩、大武口;汝箕沟所辖站点有西沟门、黄草滩、汝箕沟口、崇港镇汝箕沟、老哥仨.12处雨量站点都分布在贺兰山东麓地区的山洪沟道上,多年的雨量资料有较好的代表性.

3 研究方法

3.1 临界面雨量

临界面雨量表示在某一给定河段、时间段内,一定面积上的平均降雨量达到或超过某一量级和强度时,该流域可能会发生洪水灾害,该值及强度称为该流域的致灾临界面雨量[10].

3.2 临界面雨量的计算方法

统计N次山洪灾害各时段最大面雨量平均值的最小值,即为各时段区域山洪临界面雨量初值:

式中:t为10,30 min等降雨时间.

统计最大值,即

Rt,max=max(Rti)，i=1,2,…,N.

Rt,max可视为区域内发生山洪灾害的充分条件,即当区域内每个站点的降雨强度都超过Rt,max时,区域内将有大范围的山洪灾害发生.

3.3 临界面雨量关系式

分析筛选出1980—2017年贺兰山沿山石嘴山段大武口沟、汝箕沟山洪灾害过程29次,其中,3 h过程10次,6 h过程9次,12 h过程10次;水文和气象自记雨量站点12处及其地质、水文、降水资料.因为河流涨水是一个连续过程,不是按照以往从一个过程找不同时间段临界面雨量的方法,而是根据过程实际的降水时间,找不同时间尺度(3,6,12 h)的临界面雨量.

分析历史个例中贺兰山沿山石嘴山段大武口沟、汝箕沟水文站过程面雨量,与前期流量、洪峰流量、流量增量、土壤湿润程度、植被覆盖率、上下游水文站水位梯度、径流系数、过程小时降雨量、前期降水量等因子的相关性,选择前期降水量、小时降雨量和过程流量增量为回归因子,通过最小二乘法建立过程面雨量与前期降水量、小时降雨量和过程流量增量等因子的多元线性回归方程.为了满足精细化服务的要求,分别得出大武口沟及汝箕沟3,6,12 h的临界面雨量关系式.

4 临界面雨量的计算结果与检验

4.1 大武口沟及汝箕沟各站山洪的临界面雨量

大武口沟及汝箕沟各站山洪的临界面雨量见表1.

表1 大武口沟、汝箕沟各站山洪的临界面雨量

4.2 大武口沟3,6,12 h洪水的临界面雨量

以大武口沟为例,分析临界面雨量与前期降水量(参考文献[4],取前5日的降水量)、小时降雨量和过程流量增量的相关关系,通过多元回归方法得到3,6,12 h动态临界面雨量的预报关系式.同时，结合2018年汛期几次较大致灾洪水过程，对临界面雨量预报公式进行检验(2018年没有3 h洪水过程,用2012年的洪水过程数据进行检验) .

3,6,12 h洪水的临界面雨量拟合公式:

R3 h=7.34+0.13R1+0.68R2+0.07L,

(1)

R6 h=24.3-0.03R1+1.23R2+0.01L,

(2)

R12 h=44.8-0.38R1+2.14R2+0.02L,

(3)

式中:R3 h,R6 h,R12 h分别为大武口沟3,6,12 h的临界面雨量;R1为前5日的降水量;R2为小时降雨量;L为流量增量. 对于回归系数及常数,通过F检验判定回归模型的回归效果.复相关系数R2分别为0.957 1,0.890 0,0.913 9,表明它们之间为正相关关系.F显著性统计量的P分别为0.0402 0,0.043 10,0.037 9,小于显著性水平0.05,说明3,6,12 h回归方程的回归效果较好.

4.3 结果检验

取 2012-07-13洪水过程(没有用来建模)对式(1)进行检验.2012-07-13为3 h暴雨过程,此次暴雨山洪造成4人死亡、2人受伤、221户居民受灾.其中,大武口沟实测最大洪峰流量为300 m3/s,是2012年以前10 a的最大洪峰流量.选取该次洪水过程对式(1)进行检验,计算得到3 h临界面雨量为58.9 mm,较实况偏小3.9 mm.根据历史个例分析,3 h 山洪的临界面雨量定义域R3 h(18.9,28.5),当R3 h≥40.4 mm时,肯定发生山洪灾害,一定要注意防范.

取 2018-07-19洪水过程对公式(2)进行检验.计算得到6 h临界面雨量为58.2 mm,较实况偏小0.36 mm.根据历史个例分析,6 h 山洪的临界面雨量定义域R6 h(24.0,37.0),降雨量超过临界雨量时,可能会发生洪灾,当R6 h≥51.2 mm 时,肯定发生山洪灾害.此次过程大武口沟、汝箕沟、崇岗镇沿山西峰沟、归德沟、大水沟、小水沟等均出现山洪.

取 2018-07-22—23洪水过程对式(3)进行检验,计算得到12 h临界面雨量为50.4 mm,较实况偏小0.76 mm.根据历史个例分析,12 h山洪的临界面雨量定义域R12 h(26.1,48.7),当R12 h≥80.8 mm时,肯定发生山洪灾害.该次暴雨降水强度大,洪水持续时间长,洪水量超历史最大记录,造成大武口沟、汝箕沟、小水沟等出现不同程度洪水过程.石嘴山市水文局监测数据显示,大武口沟最大洪水流量达1 500 m3/s(超100 a一遇),汝箕沟最大洪水流量达950 m3/s(超200 a一遇),造成直接经济损失约16 956.1万元,无人员伤亡.针对该降水过程也及时发布了暴雨和山洪红色预警信号.

5 结论

1)提出的山洪预警方法是基于贺兰山东麓大武口沟、汝箕沟前期的降水量、小时降雨量和过程流量增量,建立贺兰山石嘴山段动态山洪气象风险预警指标,克服了静态临界面雨量方法中存在的局限.

2)前期降水量、小时降雨量和过程流量增量与面雨量呈正相关关系,3,6,12 h临界面雨量指标对山洪预报预测具有指导意义.

3)对2018年两次洪水过程的检验结果显示,该方法的预报预警效果较好,用于山洪预警是可行的，可将该方法推广到其他流域.