張艷玲，邰高曦

(陜西省水文水資源勘測局，西安 710068)

漢江子午河流域洪水預警指標及閾值計算方法

張艷玲，邰高曦

(陜西省水文水資源勘測局，西安 710068)

利用漢江子午河流域水文站及雨量站監(jiān)測資料，采用區(qū)域臨界雨量法、洪水與降雨頻率分析法對預警斷面臨界雨量分析確定；以警戒流量(水位)、保證流量(水位)等防汛特征值為目標，結合洪水頻率結果，確定預警斷面的臨界流量(水位)。結果表明：預警斷面有水文站控制的采用臨界流量(水位)為預警指標，預警斷面無水文站控制的采用臨界雨量為控制指標，并將結果應用于子午河流域預警發(fā)布，取得了良好效果，對秦嶺北麓及漢江支流的洪水預警預報有一定的參考價值。

中小河流洪水；預警指標；閾值；計算方法

隨著超強厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生，極端天氣頻繁出現(xiàn)，中小河流洪水呈多發(fā)頻發(fā)之勢，造成的社會影響及經(jīng)濟損失也越來越大，已成為防洪減災的最薄弱環(huán)節(jié)，也是今后防汛工作的重點和難點。建立中小河流洪水預警指標是中小河流洪水預警系統(tǒng)建設的主要目標之一，也是中小流域洪水預警的有效方法。研究中小河流洪水預警閾值的目的是在洪水發(fā)生之前判斷洪水的危險性及可能發(fā)生的時間，及時發(fā)出預警，最大限度地采取防御措施，使保護對象免受或減輕洪水災害。為了滿足決策指揮要求，需要確定2個指標：一是臨界雨量或水位(流量)，即多大的降雨可能會導致洪水暴發(fā)；二是預警響應時間，即從發(fā)出預警到洪水暴發(fā)的時間是否能讓保護對象安全轉(zhuǎn)移[1]。依據(jù)陜西省中小河流洪水成因及防汛減災工作需要，選取漢江子午河流域為代表流域，研究秦嶺北麓及漢江支流致災洪水預警閾值，為中小河流預警進行有益探索。

1 概況

1.1 流域水文特征

子午河系漢江上游北岸一級支流，分屬寧陜、佛坪縣管轄。主源汶水河發(fā)源于寧陜、周至、戶縣交界的秦嶺南麓，由東北向西南流經(jīng)寧陜縣境內(nèi)，在寧陜縣與佛坪縣交界處與蒲河、椒溪河匯合后稱子午河，子午河由北向南于石泉縣三華石鄉(xiāng)白沙渡附近入漢江。

子午河屬山溪性河流，主要流經(jīng)秦嶺深山區(qū)，流域呈扇形。子午河全長161 km，流域面積3 010 km2，河道平均比降5.44‰。三河口以上汶水河全長106 km，流域面積1 094 km2，河道平均比降9.3‰；椒溪河長70 km，流域面積596 km2，河道平均比降18.7‰；蒲河長58 km，流域面積496 km2，河道平均比降26.6‰。

子午河流域年平均降雨量在600～1 300 mm之間，多年平均降水量為866.2 mm，年降水較為豐沛，為陜西降雨量高值區(qū)之一，全年降雨多集中在5—9月,這段時間內(nèi)的降水占全年降水的81%。一年中7月降水量最大,多年平均為186.4 mm,占全年降水的21%；最小為1月，多年平均為2.7 mm，最大月降水為最小月的69倍。多年平均徑流量為10.62億m3。徑流量主要集中在5—10月(汛期)，共8.83億m3，占全年的83.2%；非汛期累計徑流量1.79億m3，占16.8%。徑流量年內(nèi)分配不勻。

1.2 流域水文站網(wǎng)

子午河流域1963年3月設有兩河口水文站，2010年4月設立大河壩專用水文站；自1959年起，先后設立了四畝地、鋼鐵、筒車灣、龍草坪、十畝地、新廠街、菜子坪、黃草坪、興坪、佛坪等10處雨量站，2012年將四畝地、筒車灣、佛坪3站改建為水文站。除四畝地、鋼鐵、筒車灣、新廠街、興坪等5站有30 a以上的雨量資料，其余站點觀測年限均較短。

1.3 資料搜集及處理

依據(jù)流域內(nèi)水文站網(wǎng)情況，利用兩河口水文站1964—2015年平均月降水量、月最大降雨量、實測降水量和洪水資料及大河壩水文站2002—2015年雨洪資料，分析研究子午河流域降雨徑流特性及產(chǎn)流匯流特性。

根據(jù)兩河口站1964—2015年實測洪水資料統(tǒng)計，年最大洪水6月出現(xiàn)的概率為7.69%，7—9月為80.8%，10月9.6%，11月1.91%(表1)。52場洪水中單峰型35場，占67.3%，雙峰型和復峰型17場，占32.7%；一次洪水過程單峰約4 d，雙峰及復峰約6 d；實測最大洪峰流量6 270 m3/s(2002年6月9日)，為超100 a特大洪水，洪水過程洪量為2.79億m3。

表1 1964—2015年子午河兩河口站年最大洪峰各月出現(xiàn)頻次和概率

搜集區(qū)域內(nèi)已有最新最大1 h、3 h、6 h、12 h、24 h雨量均值等值線圖、最大1 h、3 h、6 h、12 h、24 h雨量離差系數(shù)等值線圖，查出對應的降雨量均值、離差系數(shù)(Cv)及偏態(tài)系數(shù)(Cs)。離差系數(shù)為均方差與均值之比，是衡量系列相對離散程度的一個參數(shù)；偏態(tài)系數(shù)表示系列在均值兩邊分配不對稱的程度。

2 預警指標確定方法

2.1 雨量預警指標

雨量預警指標確定方法主要包括：單站臨界雨量分析法、區(qū)域臨界雨量分析法、洪水與降雨頻率分析法[2]、動態(tài)臨界雨量法[3]。

單站臨界雨量法：通過對不同雨量站長系列資料進行綜合對比分析篩選, 計算出臨界雨量值, 對雨量站和雨量站點資料精度要求較高。同時可以根據(jù)單站臨界雨量推算出區(qū)域臨界雨量。

區(qū)域臨界雨量分析法：根據(jù)區(qū)域內(nèi)各雨量站歷史災害發(fā)生的時間，整理對應的雨量資料，計算區(qū)域內(nèi)與歷史山洪災害對應的各時段最大面平均雨量，區(qū)域臨界雨量包括區(qū)域平均臨界雨量、區(qū)域最小臨界雨量和區(qū)域最大臨界雨量。

洪水與降雨頻率分析法：通過對洪水災害場次調(diào)查，分析洪水災害發(fā)生頻率，分析計算與災害相同頻率的降雨量等值線圖和變差系數(shù)等值線圖，即可計算洪水災害區(qū)域的各頻率設計雨量，取與洪水災害發(fā)生頻率相同的降雨量設計值即為臨界雨量初值，這里假定災害與降雨同頻率。通過與周邊鄰近地區(qū)的臨界雨量進行綜合對比分析確定合理臨界雨量值。

動態(tài)臨界雨量法：洪水量級大小除了與降雨總量、降雨強度有關外，還和流域土壤飽和度或前期影響雨量指數(shù)(API)密切相關。因此，在建立洪水警戒臨界雨量指標時，應考慮洪水防治區(qū)中小流域土壤飽和情況，給出不同初始土壤含水量條件下的警戒臨界雨量。

2.2 流量預警指標

對于具有長系列水位與流量資料的地區(qū)，可以通過河道斷面推求漫灘水位，將漫灘水位作為警戒水位；其次，建立河道水位與流量之間的相關關系，確定與警戒水位對應的警戒流量[1](可以通過水力計算獲取，也可以通過實測資料直接建立相關關系獲取)。

對于資料相對缺乏的地區(qū)，則可以通過推求洪峰流量的頻率曲線，結合當?shù)貙嶋H情況與相關規(guī)定，選取一定頻率(即幾年一遇)的流量作為警戒流量。

2.3 水位預警指標

有雨量、流量、水位資料(歷史觀測資料不少于5 a)的流域，可以選取降雨徑流相關圖法、經(jīng)驗單位線法、馬斯京根河道演算法、API模型、新安江模型、GBHM分布式水文模型等方法[4]來確定水位預警指標。

有雨量和水位觀測資料(歷史觀測資料不少于5 a)但無流量資料，同時無法建立水位流量關系曲線的流域，可直接選用多元回歸統(tǒng)計模型等數(shù)學模型建立雨量和水位的關系，進而直接預報水位。

不能滿足上述兩個條件的無資料或缺資料流域，可以根據(jù)已收集的場次洪水資料初步建立預報方案，或?qū)ΜF(xiàn)有資料進行延展，移用流域水文特性相近的其他流域水文模型參數(shù)建立預報模型方案，待觀測資料逐步完善后重新率定參數(shù)或建立新的預報方案。

3 預警斷面選擇及預警指標選擇

依據(jù)防汛重點、流域特性及水系站網(wǎng)，選擇椒溪河佛坪、子午河兩河口作為預警研究斷面，并進行洪水災害預警指標選擇。

洪水災害預警指標是指為預測洪水災害發(fā)生時間及空間，定性與定量相結合的衡量指數(shù)或參考值。預警指標一般取臨界雨量、臨界水位或臨界流量。

依據(jù)《中小河流洪水預報及水情服務系統(tǒng)建設技術指導意見》，流域匯流時間小于1 h的流域，應采用臨界雨量作為預警指標；流域匯流時間大于1 h的流域，有雨量和水位觀測資料(歷史觀測資料不少于5 a)，但無流量資料，同時無法建立水位流量關系曲線的流域，可直接選用多元回歸統(tǒng)計模型等數(shù)學模型建立雨量和水位的關系，采用臨界水位或雨量作為預警指標。采用經(jīng)驗推理公式計算流域匯流時間

(1)

式中，J為流域平均縱比降；Qm為洪峰流量(m3/s)；L為河流最遠點到出口斷面的長度(km)；m為經(jīng)驗性匯流參數(shù)。經(jīng)計算，預警斷面匯流時間見表2。

表2 利用經(jīng)驗推理公式法計算的預警斷面匯流時間 h

綜合考慮匯流時間、站網(wǎng)分布、信息收集等因素，對佛坪站預警斷面采用臨界雨量及臨界水位作為預警指標；對兩河口預警斷面采用臨界流量及水位作為預警指標。

4 預警指標確定

4.1 佛坪斷面預警指標確定

4.1.1 臨界雨量確定 佛坪斷面以上2012年新建小南坪、上沙窩、下沙窩3個雨量站，加上原來龍草坪及佛坪2站共有5站降雨資料。其中龍草坪及佛坪2站資料超過20 a，上沙窩、下沙窩、小南坪有2013年以后4 a資料，依據(jù)2.1雨量預警指標確定方法，采用區(qū)域臨界雨量法及降雨頻率法確定靜態(tài)臨界雨量。因2012年前佛坪為雨量站，選取兩河口站2000年以后年最大流量在1 000～4 000 m3/s致災洪水日期，整理佛坪斷面以上各雨量站對應的雨量，計算區(qū)域內(nèi)與歷史災害對應的各時段最大面平均降雨量，區(qū)域臨界雨量包括平均臨界雨量、最小臨界雨量及最大臨界雨量。計算結果見表3。

子午河兩河口水文站1964—2015年共發(fā)生致災洪水14次，致災洪水頻率(P)為26.4%，根據(jù)最新水文分析計算查圖得到佛坪雨量站1 h、3 h、6 h、12 h、24 h雨量均值分別為27.8 mm,40.2 mm,50.9 mm,65.1 mm,72.0 mm,對應的Cv分別為0.58，0.56，0.54，0.51，0.51，取Cs/Cv=3.5,計算得出P=26.4%時1 h、3 h、6 h、12 h、24 h致災雨量分別為：32.4 mm,47.3 mm,59.2 mm,75.6 mm,84.5 mm。

雨量預警發(fā)布等級可分為藍色預警、黃色預警及紅色預警。藍色預警表示降雨強度已達到臨界雨量閾值范圍，且降雨可能持續(xù)，可能發(fā)生致災洪水，提醒相應機構、相關部門密切關注天氣變化及河流變化情況，做好相關防御措施。黃色預警表示降雨強度已達到致災洪水臨界雨量閾值，且降雨可能持續(xù)，可能發(fā)生5～10 a一遇的洪水，相關部門進入防汛緊急狀態(tài)，密切監(jiān)視雨情、水情，及時對受災害威脅的人員及財產(chǎn)進行撤離和轉(zhuǎn)移。紅色預警表示降雨強度已超過致災洪水臨界雨量閾值，且降雨可能長時間持續(xù)，已經(jīng)發(fā)生了災害性洪水，且態(tài)勢發(fā)展嚴重，相關部門應啟動防汛預案，保證受災威脅的人員及財產(chǎn)在規(guī)定時間內(nèi)迅速進行撤離和轉(zhuǎn)移至安全地方，并實施搶險救災。通過對臨界雨量閾值(范圍)對比，充分考慮雨強、歷時等影響因素，確定藍色預警、黃色預警閾值；依據(jù)調(diào)查歷史暴雨洪水量級，參考流域內(nèi)有關水文站的歷史調(diào)查洪水信息，確定紅色預警閾值。

表3 佛坪預警斷面區(qū)域致災洪水各時段面平均臨界雨量 mm

注：2002-06-09(極大值)未參與平均值的計算。

依據(jù)以上分析，藍色預警臨界雨量閾值：1 h區(qū)域平均雨量達到20 mm或3 h雨量達到35 mm或6 h雨量超過45 mm。黃色預警臨界雨量閾值：1 h區(qū)域平均雨量達到38 mm或3 h雨量達到55 mm或6 h雨量超過70 mm。紅色預警臨界雨量閾值：1 h區(qū)域平均雨量達到70 mm或3 h雨量達到100 mm或6 h雨量超過120 mm。

4.1.2 臨界水位確定 佛坪站位于椒溪河中游佛坪縣城，由陜西省水文水資源勘測局于2015年設立(建)，該水文站斷面較穩(wěn)定，河段順直，水流集中，無水利工程影響，現(xiàn)狀可監(jiān)測中、高水位。依據(jù)曼寧公式可計算水位流量關系。

依據(jù)《2016年陜西省城市防洪預案》，佛坪縣城三級預警標準分別為：預警流量550 m3/s,洪水平灘，發(fā)布藍色預警，對應佛坪站水位836.90 m；警戒流量700 m3/s,堤防及護岸部分臨水，發(fā)布黃色預警，對應佛坪站水位837.31 m；超標準洪水1 200 m3/s,部分堤防可能決口，部分低洼地區(qū)受淹，發(fā)布紅色預警，對應佛坪站水位838.78 m。

4.2 兩河口斷面預警指標確定

兩河口水文站設立于1963年1月，位于石泉縣兩河口鎮(zhèn)腰道河村，為子午河流域出口控制站，控制流域面積2 816 km2，距河源131 km，距河口30 km。測驗項目有水位、流量、雨量等。該站具有長系列水位與流量資料，有實時水情信息及相應的洪水預報方案，洪水預報方案等級為乙級，可以正式發(fā)布洪水預報，依據(jù)長系列資料可以確定預警流量及預警響應時間。

4.2.1 預警流量確定 依據(jù)安汛字〔2015〕32號文件《安康市洪水預警信號發(fā)布實施辦法(試行)》附件中“安康市主要江河洪水預警發(fā)布標準”，兩河口站藍色預警流量800 m3/s,黃色預警流量1 500 m3/s,橙色預警流量2 000 m3/s,紅色預警流量4 500 m3/s,可進行實時及預報預警信號發(fā)布。實時信息為河道實時監(jiān)控的水情；預報信息為兩河口站洪水預報結果，將其作為斷面預警信息發(fā)布的依據(jù)。

4.2.2 預警響應時間 分析子午河流域洪峰滯時，將洪峰滯時確定為預警響應時間[5]。洪峰滯時是指凈雨質(zhì)心到洪峰出現(xiàn)時間的時距，可由實測資料直接統(tǒng)計出來。洪水滯時一是與降水空間分布有關,二是與流域下墊面情況有關，三是與前期影響雨量、雨型、時段平均降水強度等有關。經(jīng)分析該區(qū)域洪水滯時與洪峰流量大小的關系不明顯,與最大降雨強度之間存在較密切的聯(lián)系，同時流域平均最大時段降雨量對洪水滯時的作用與流域暴雨中心最大時段降雨量的作用相近。

據(jù)統(tǒng)計，兩河口斷面以上最小洪峰滯時為6 h；強度較大，降雨時段比較集中的降雨過程，洪峰滯時一般在6～20 h；降雨歷時較長，強度較小，降雨時段分散的降雨過程，洪峰滯時可達到80～90 h。綜合確定預警響應時間為6～20 h，有足夠的時間讓保護對象安全轉(zhuǎn)移。

4.3 成果應用

2016年7月18日20時至19日2時，椒溪河6 h累計面平均降雨量63.1 mm,依據(jù)佛坪斷面藍色預警臨界雨量閾值，6 h雨量超過45 mm，陜西省水文局于19日3時發(fā)布椒溪河雨量藍色預警，提請沿河施工單位關注河道變化情況，做好相關防御措施。在此期間，子午河流域出現(xiàn)強降雨過程，主要雨區(qū)位于椒溪河中下游、蒲河中下游以及汶水河的下游，面平均降雨量58.9 mm,依據(jù)子午河流域兩河口站預報方案，預測兩河口站7月19日10時將出現(xiàn)600～800 m3/s的洪水，省水文局于19日4：30發(fā)布子午河兩河口站藍色預警信號，提請沿河相關單位及鄉(xiāng)鎮(zhèn)加強防范，做好防御及避險減災工作。兩河口站實際洪峰出現(xiàn)時間為19日10：30，洪峰640 m3/s，提前6 h發(fā)出預警信號，受到安康市防辦的表揚。

5 結論及建議

(1)雨量預警指標是重要的山洪預警指標，特別是對于預警響應時間短的小流域。確定合理的臨界雨量閾值，可以為防御中小河流山洪爭取寶貴時間。文中采用區(qū)域臨界雨量法、洪水與降雨頻率分析法兩種方法確定的臨界雨量閾值對子午河流域?qū)嶋H發(fā)生的洪水進行運用，與實際情況基本吻合，說明臨界雨量閾值用于中小河流預警是合理可靠的。

(2)預警流量(水位)指標確定，主要以警戒流量(水位)、保證流量等防汛特征值為基礎，結合實時河道水情及水文預報計算結果，確定相應的預警指標，符合防汛實際情況。

(3)臨界雨量基本采用靜態(tài)臨界雨量，由于資料搜集難度大，對于動態(tài)雨量研究尚不成熟，對于前期影響雨量、降雨強度、土壤飽和度等因素未做仔細分析，建議在使用時綜合考慮這幾個因素的影響，使預警閾值更加合理。

(4)由于洪水調(diào)查資料缺乏，致災洪水均以兩河口水文站的洪水進行判斷，與實際略有偏差，隨著山洪災害調(diào)查成果的公布，可修定預警閾值。

[1] 梁家志，劉志雨.中小河流山洪監(jiān)測與預警預測技術研究[M].北京：科學出版社，2010：42-43.

[2] 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(試行)[A].北京：全國山洪災害防治規(guī)劃領導小組辦公室，2004.

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P338

A

張艷玲，邰高曦. 漢江子午河流域洪水預警指標及閾值計算方法[J].陜西氣象，2017(6)：1-5.

1006-4354(2017)06-0001-05

2017-06-27

張艷玲(1967—)，女，漢族，陜西大荔人，學士，正高級工程師，從事水情工作及水文預警預報。

陜西省水利科技計劃項目(2013slkj-26)