張紅萍，劉 舒，劉媛媛，胡昌偉

（中國水利水電科學研究院，北京 100038）

山溪洪水臨界雨量基本概念剖析及方法分析

張紅萍，劉 舒，劉媛媛，胡昌偉

（中國水利水電科學研究院，北京 100038）

山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)建設是我國當前山洪災害防治非工程措施建設的重要的內(nèi)容之一。我國的山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)主要是依據(jù)實測雨量與臨界雨量的對比而進行預警的。在臨界雨量的分析和應用過程中，對臨界雨量的認識和理解，還存在較大的分歧，從而導致臨界雨量的分析計算及其應用尚存在一些誤區(qū)。本文根據(jù)山溪洪水的特性和致災機制，對山溪洪水臨界雨量的基本概念進行剖析，并對山溪洪水臨界雨量的分析計算和應用進行研究。

山溪洪水；臨界雨量；早期預警

1 研究背景

2003年，根據(jù)全國山洪災害防治規(guī)劃工作的需要，我國防汛部門較先給出了關于臨界雨量定義，即“在一個流域或區(qū)域內(nèi)，降雨量達到或超過某一量級和強度時，該流域或區(qū)域發(fā)生山溪洪水、泥石流、滑坡等山洪災害。把這時的降雨量和降雨強度，稱為該流域或區(qū)域的臨界雨量（強）”［1］。關于臨界雨量分析，目前我國研究和應用較多的方法是有資料區(qū)域的單站臨界雨量法與區(qū)域臨界雨量法，以及資料缺乏和無資料區(qū)域的內(nèi)插法、比擬法、災害實例調查法、災害與降雨頻率分析法等臨界雨量的估算方法［2-4］。

上述關于臨界雨量的定義和分析方法，可以滿足規(guī)劃工作的需要，但在進行山洪監(jiān)測預警時，對臨界雨量的概念，尚需要進一步的剖析和明確。當前我國相關文獻中通常引用的“山洪災害”其實包含了山溪洪水、泥石流、滑坡等三種典型的災害形式。這三者之間存在一定的聯(lián)系，常常相伴相生，但三者成災機制存在很大的區(qū)別，例如，滑坡主要與局地降雨有關，而山溪洪水不僅與溪河局地降雨有關，還與溪河上游整個流域上的降雨都有關。因此，這三種災害的臨界雨量的分析和應用方法，也存在很大的差別。在山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)中分析和應用臨界雨量時，首先須從概念上區(qū)分是導致山溪洪水的臨界雨量，還是導致滑坡的臨界雨量，或者是導致泥石流的臨界雨量。本文僅對山溪洪水的臨界雨量進行分析。

2 山溪洪水臨界雨量基本概念剖析

我國大部分山區(qū)溪河洪水，主要是由暴雨引起的，具有歷時短、強度大、暴漲暴落的特性。山溪流域內(nèi)突降暴雨，導致溪河洪水暴漲，淹沒分布在溪河兩側的村落、工礦企業(yè)等防洪保護對象，從而造成溪河洪水災害。根據(jù)災害學原理，暴雨、山溪流域的下墊面條件，以及分布于溪河兩側的防洪保護對象，分別構成了山溪洪水災害的致災因子、孕災環(huán)境、承災體等3個災害要素。要分析導致某地發(fā)生山洪的臨界雨量，需要考慮4個關鍵環(huán)節(jié)，即：（1）受威脅對象（或稱防洪保護對象）；（2）受威脅對象臨近的溪河斷面；（3）溪河斷面上游匯流區(qū)域；（4）匯流區(qū)域內(nèi)的雨量觀測站點觀測的雨量，如圖1所示。

從上述山溪洪水致災機制看，山溪洪水的臨界雨量是指導致山溪河流某一斷面處發(fā)生洪水所需的上游流域一定時段的降雨量。分析和應用山溪洪水臨界雨量時，需要注意以下幾點。

（1）臨界雨量，是與某一具體受威脅對象相關的。臨近于不同溪河斷面的受威脅對象，由于上游匯流面積不同，對應的臨界雨量也是不同的。

（2）臨界雨量，是指受威脅對象所臨近的溪河斷面上游流域內(nèi)所有的降雨量。流域內(nèi)的降雨量，是面平均雨量的概念。對于流域面積較小、匯流時間較短的溪河流域，可以用流域內(nèi)測站的點雨量來代表流域面平均雨量。對于流域面積較大、匯流時間較長的流域，僅采用流域面雨量進行預警存在較大的不確定性，因此，建議在上游地區(qū)布設水位測站進行預警。

（3）臨界雨量，是指一定時間的累積雨量，根據(jù)水文分析計算的傳統(tǒng)和習慣，通常采用1、3、6、24 h等幾個特征時段的雨量。

（4）由于溪河洪水不僅與當前降雨有關，還與流域前期洼蓄量、土壤濕度等因素有關，在不同的前期降雨條件下，導致溪河發(fā)生洪水所需的降雨量也不同，因此，理論上講，臨界雨量不是一個固定值。例如美國的FFG，就是根據(jù)前期降雨量并采用水文預報模型而實時估算的［5-6］。而我國當前山溪河流水文預報還沒形成固定的預報作業(yè)模式，因此在山洪災害監(jiān)測預警實際應用過程中，大部分地區(qū)暫時還沒有考慮前期降雨的影響，而是將臨界雨量簡化成一個或一組固定值。

圖1 受山洪威脅對象流域示意圖

3 資料匱乏地區(qū)山溪洪水臨界雨量分析方法

根據(jù)山溪洪水臨界雨量的基本概念可知，受威脅對象、溪河預警斷面、斷面上游流域，以及流域內(nèi)的測站，構成了如圖2所示的關系圖。要分析某地山溪洪水臨界雨量，須根據(jù)受威脅對象的空間分布情況，合理選取溪河預警斷面，勾畫預警斷面上游全部匯流區(qū)域，并采用一定的水文分析方法，分析流域內(nèi)降雨與預警斷面之間的產(chǎn)匯流關系，從而分析確定臨界雨量。本文以北京市門頭溝區(qū)為例，根據(jù)“暴雨洪水同頻”假定，即山溪小流域洪水頻率與暴雨頻率相等，采用小流域設計洪水和設計暴雨的方法，提出一套適合資料匱乏區(qū)山溪洪水臨界雨量分析計算方法。

圖2 山溪洪水臨界雨量分析關鍵要素關系

3.1 預警斷面及流域確定根據(jù)山溪流域內(nèi)村莊、城鎮(zhèn)、以及水文測站分布位置，確定預警斷面，并通過實地調查，測量斷面形狀，確定警戒水位Hj和危險水位Hw；基于DEM提取預警斷面上游流域面積、主溝長度、坡降等參數(shù)。圖3所示為門頭溝區(qū)下葦?shù)榇逅跍系罃嗝婕吧嫌螀R流區(qū)域。

3.2 設計洪水分析計算根據(jù)《北京市水文手冊》推薦的方法及參數(shù)［7］，采用推理公式法，即式（1）—式（3），推求2、5、10、20、50和100年一遇等若干頻率P對應的洪峰流量Qm，如表1所示。繪制設計洪峰流量頻率曲線圖，即Qm～P散點圖，擬合其關系曲線Qm=fq( ) P，見圖4。

式中：QmP為頻率P的洪峰流量，m3/s；SP為頻率P的最大1 h雨量，又稱雨力，mm/h；τ為匯流時間，h；μ為損失強度，mm/h；n為暴雨遞減系數(shù)；F為流域面積，km2；L為流域出口斷面至分水嶺的最大路徑長，km；0.278為單位換算系數(shù)。

3.3 設計暴雨分析計算由于計算流域面積較小，以流域中心點雨量代表流域面雨量。根據(jù)文獻［7］暴雨圖集可以查到1、6、24 h 3個標準歷時的均值-H和變差系數(shù)Cv，取偏態(tài)系數(shù)Cs=3.5Cv，代入式（4）計算PIII型頻率曲線的3個參數(shù)，即：

圖3 下葦?shù)榇孱A警斷面位置及上游匯流流域

表1 下葦?shù)榇迳嫌瘟饔蛟O計洪峰流量

利用Microsoft Excel的GAMMAINV函數(shù)（式（5）），計算得2、5、10、20、50、100年一遇等若干頻率下的3個標準歷時的設計雨量［8-9］。

式中：HTp為頻率P的標準歷時（T=0.5，1，6，24 h）的設計暴雨。例如，24 h設計雨量如表 2和圖 5所示。

3.4 臨界雨量分析確定

（1）采用水力學方法，即式（6），計算警戒水位Hj和危險水位Hw對應的警戒流量Qj和危險流量Qw：

圖4 下葦?shù)榇迳嫌瘟饔蛟O計洪峰流量頻率曲線

式中：Q為流量；n為糙率；A為斷面過流面積；R為斷面水力半徑；S0為斷面處底坡。

表2 下葦?shù)榇迳嫌瘟饔?4h設計雨量

（2）根據(jù)Qm～P關系曲線Qm=fq(P )，確定警戒流量Qj和危險流量Qw對應的頻率Pj和Pw。

（3）根據(jù)Rt～P關系曲線Rt=fq(P )，確定Pj和Pw頻率下1、3、6、24 h的設計暴雨量作為臨界雨量。

圖5 下葦?shù)榇迳嫌瘟饔?4 h設計雨量頻率曲線

4 山溪洪水臨界雨量的應用

如前文所述，山溪臨界雨量分析計算時，是從受威脅對象出發(fā)，沿著預警斷面、匯流流域到流域內(nèi)觀測站點的思路進行。在山洪監(jiān)測預警系統(tǒng)中利用臨界雨量進行山洪預警時，則是反過來，根據(jù)測站降雨量來分析判斷可能受威脅的對象。一般情況下，山洪監(jiān)測預警系統(tǒng)自動實時監(jiān)測雨量站點最近1、3、6、24 h等特征時段降雨量，并針對每一預警斷面，根據(jù)斷面上游關聯(lián)的測站，實時計算斷面上游流域相應時段的平均雨量，并與斷面對應的臨界雨量進行比對，從而判斷山洪發(fā)生的可能，最后根據(jù)預警斷面與受威脅對象的關系，分析判斷可能受山溪洪水影響的對象。其基本流程如圖6所示。

圖6 利用臨界雨量進行山洪預警的基本流程示意圖

5 結論

本文針對當前我國山洪災害臨界雨量認識和理解上的分歧，從溪河洪水特性及其致災機制出發(fā)，分析了受威脅對象、溪河斷面、斷面上游流域、流域內(nèi)測站等臨界雨量相關因素的關聯(lián)關系，剖析了山溪洪水臨界雨量的基本概念，即山溪洪水的臨界雨量，是指導致山溪河流某一斷面處發(fā)生洪水所需的上游流域一定時段的雨量。根據(jù)山溪洪水臨界雨量基本概念，以北京市門頭溝區(qū)為例，提出了資料匱乏地區(qū)山溪洪水臨界雨量的分析計算方法，并探討了山溪洪水臨界雨量在山洪監(jiān)測預警平臺中應用的基本思路。

［1］ 全國山洪災害防治規(guī)劃領導小組辦公室.山洪災害臨界雨量分析計算細則［R］.全國山洪災害防治規(guī)劃領導小組辦公室，2003.

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［3］ 劉哲，張鵬遠，劉廣成.黑龍江省山洪災害防治臨界雨量計算分析［J］.黑龍江水利科技，2005（5）：6.

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［9］ 楊柏楨，王志紅.應用Excel繪制水文頻率曲線的方法［J］.吉林水利，2010（2）：31-33.

Research on the critical rainfall of flash floods in moutainous areas

ZHANG Hong-ping，LIU Shu，LIU Yuan-yuan，HU Chang-wei
（Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Early Warning System（EWS） is an important measure for flash floods disaster control in moutainous areas.In China early warning for flash flood in mountainous areas is usually based on the criti?cal rainfall.However，there is some misunderstanding on the critical rainfall during calculation and applica?tion of it in EWS，which leads to more uncertainty.Therefore，it is necessary to describe the basic con?cept of the critical rainfall.Based on that，a method to calculate the critical rainfall and how to use it in EWS is proposed.

mountain flood；critical rainfall；early warning system

P333.2

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.02.011

1672-3031（2014）02-0185-05

（責任編輯：王學鳳）

2013-05-20

“十二五”國家科技支撐計劃課題（2012BAC21B02）；水利部2012年公益性行業(yè)科研專項（201201058）

張紅萍（1976-），女，湖北紅安人，高級工程師，主要從事山洪監(jiān)測預警和洪水風險分析研究。E-mail：luckyzhanghp@iwhr.com