山洪灾害预警指标确定方法研究

山洪灾害预警指标确定方法研究

蒙希

（长江科学院 山洪地质灾害防治工程技术研究中心，湖北 武汉 430010）

摘要：确定山洪灾害预警指标，极大程度有利于山洪灾害的防治和治理，是降低山洪灾害损失的关键。对此，本文重点从理论法和经验法两方面详细研究了山洪灾害预警指标的确定方法，希望能够为山洪预警指标确定工作提供依据。

关键词：山洪灾害；预警指标；指标确定

引言：我国山区占地面积较大，而该区域洪水问题频发，一旦发生危害性极强，为维护山区安全，避免受山洪灾害侵害，降低损失程度，重视山洪灾害预警预防和相关指标研究已成为目前防灾救灾的重点工作。山洪灾害预警指标的确定，是山洪监测预警工作开展的基础和关键，因此，进一步研究山洪灾害预警指标确定方法具有重要意义。

1. 山洪灾害预警指标研究背景

参照以往山洪灾害预警项目的资料,重点问题在于临界温度和临界降水指数。这里,临界水位指一些特征水位,如平滩水位、警戒水位、过渡水位等;而临界点降水则指在一定范围内,降水达到或者大于某一等级的，该区域会发生滑坡、泥石流、洪水等灾害，将这一降雨量作为预警指标。近年来,中国先后在许多地方实施山洪灾害治理项目工程,并陆续在国内相关领域进行山洪灾害治理非工程项目建设。在此进程中,各级流域组织委员会、水利部水文局、高等学校、科研机构等,都对山洪灾害预警方法开展了大量的研究工作,并积极推广应用了山洪灾害预警的试点经验，重点集中在临界雨量方面，其覆盖了我国多个地区，山洪灾害预警指标的确定方法大致分为经验法和理论法。

2. 山洪灾害预警指标确定方法
   1. 理论法

理论法中资料较为全面，相关配套要求较高，且具备较为完善的物理机理及理论推导过程。其中包括地区相关地形、降雨量、洪水情况、土地利用方式等多类信息资料,并与当地的山洪场次情况和具体流域环境状况密切相关。

2.1.1暴雨临界曲线法

暴雨临界值曲线法中，重点涉及水量平衡方程，以此为基础，绘制暴雨临界曲线,横坐标为累计降水量,纵坐标为时段临界降水量，由此得出了累计降水量和时段临界降水量之间的对应曲线值。在预警过程中,以真实的降水情况为依据,确定了暴雨临界曲线,并由此判断山洪预警的阈值。根据相关区域所处的河流断面情况，确定其临界水位，也就是安全水位，并将水位与流量的关系确定为临界水位流量值。其中最小的临界雨量计算公式为：I最小临界值=3.6tQ临/F。最高临界值的推算方式,即通过临界流速与设置峰值相同时所对应的最高雨量,或利用设计雨水与计算设计洪流的反推方法求得。在降雨过程中,由于累积雨量不断增大,其在同一时间段内的临界雨量持续下降。以最小值为最低临界降雨量，最大值为最高临界降雨量，绘制双曲函数，表达式为I=（ax+b）/x，其中I为时段下的临界雨量，ab分别为参数，x是降雨过程中，I所对应的累积雨量。其中，最大临界雨量点为x=I最大临界，I=I最大临界，最小临界点为I=I最小临界，x，代入公式，即可求出参数值。该方法计算结果较为准确，但其最大临界雨量值主要是通过暴雨计算方法得出，所以物理意义不大，缺少物理基础。

2.1.2经典水文理论法

经典水文理论法,以水文学理论为基础,计算临界降雨量或临界水位。在计算过程中,必须对各个运算单位经过雨量计算、汇流解析、产流分析等多个环节。测算雨量时,开始进行点雨量计算，后进行面雨量计算,确定出雨量最高的时段等；而产流分析过程常包括超渗产流和蓄满产流二大类别；汇流分析过程主要包括经典单位线法、等流时线法、瞬时单位线法等；洪水演进过程，包括马斯京根法和动力波法等。每一个环节还能够进一步细化计算。在该方法中，计算单元可能是整体网络，也可能针对于小流域。经典水文理论法的物理背景和机理基础相对较强，涉及资料较为全面，能够为临界水文、临界雨量等计算过程提供充分的科学依据，保证计算结果的准确合理[1]。但该方法也存在一定不足，主要为相关山洪易发地的资料较为欠缺，且验证和建模过程受到限制；山丘区域若是布设雨量站，密度过大，难以满足预警功能要求；一般为了预测山洪预报期，还需模拟计算未来降雨预报水文情况，所以计算的准确度还会受到影响。当前针对这一方法的研究还相对较少，相关资料也尚未完全达到建模要求。

2.1.3水位/流量反推法

水位/流量反推法，首先选择一个控制断面，确定其预警水位和历史最高水位等相关指标信息，计算水位流量的关系。其次，以1h、3h、6h时间段作为标准，计算出各时段的不同频率降雨情况，并绘成暴雨频率的联系曲线图，进而确定出在不同时段下，暴雨频率与各不相同时间的降水所形成断面洪水的过程线，并以此为基础，描绘了各个时间下的洪水洪峰流量与暴雨速率之间的联系曲线图。另外，分析其流量特征,并以此为根据,通过比较频繁的洪水洪峰流量和降雨频率曲线图,找出其特点流速所相应的频次值,再针对该频次值,决定降水量,而该降水量也就是临界降水量值。这种方法的实际应用要假定洪水与暴雨同频率，并需要丰富准确的材料支撑。

2.1.4土壤饱和度-降雨量关系法

山洪大小不仅与降雨强度、降雨量有关，还联系着土壤饱和度。若是流域土壤较为干燥，那么降雨的下渗加大，产生的地表径流就相对较小；若是流域土壤较为湿润，那么降雨的下渗变小，地表径流更易形成。所以，在计算山洪灾害预警指标时，应充分考虑土壤饱和度问题。在分析过程中，结合土壤饱和度与降雨量之间的关系，设定动态临界雨值。根据流域的土壤饱和度与最大降水数据,绘制土壤饱和度-最大降水的散点图,图中的时间尺度设为1h、3h、6h等,同时还依据历史数据中,以及该流域以往所曾出现的大水现象,并根据其二十四时辰的最大降雨量时间,分别测算出各个时辰中的最大降水量,以及最大降水出现时的土壤饱和度数据[2]。制图人员在同一时间段内,依照土壤饱和度与雨水关系的分散地点图,并依据大水的警戒流量与否将其分成二种,在图上还应该画一个临界的雨量线为界，将状态空间分成不同两部分。如此一来，可将山洪临界雨量的指标确定过程转变为数学问题-模式识别，较快地得出相应结果。

2.2经验法

经验法与理论法不同，没有明确的物理原因和物理推论方法,主要是根据不同地理环境的差异、灾害的关联性等,判断山洪灾害预警因素,比较常用的方法有统计归纳法、比拟分析法和内插分析法。

2.2.1统计归纳法

统计归纳法是在2003年所下发的指导性文件中提出的指导方式,因此需要有专门的资料研究。而统计归纳法则是基于历史山洪灾害出现时的实际降水状况,并根据其当地的地形地质环境、雨水性质以及前期降水状况等,研究该地区所发生的历史山洪灾害临界降水数值,因此这个方法是需要非常大量而详实的历史降水数据做为基础的。首先,依据需求,根据以往的降水资料,按照不同雨量站、不同次山洪，和不同时间段（以小时为单位）等进行分别统计，计算出该区域的雨量最大值、最小值和平均值。其次，计算临界雨量初值，对区域和单雨量站的临界雨量初值加以计算。根据计算结果，分析临界雨量，根据以往资料，进一步分析区域的临界雨量，并确定临界雨量[3]。通过以上分析，将阈值控制在一定浮动区间内，确定不同时段下的临界雨量。这种方法应用较为广泛 ，在试点工作中常有使用，且操作性较强。

2.2.2比拟法

比拟法较适用于资料较少，但与典型区情况较为相似的区域。相似意味着地质条件、气候条件（如气候特征、地理位置、年均降雨量）、降水条件、水文条件（如年均流量、河道比降、流域面积、河道长度等）等情况相似。若是区域与典型区域的这些条件相一致，可以典型区域参考，确定山洪灾害预警指标，并根据实际情况做适当调整。

2.2.3内插法

内插法常用在单站临界雨量区域，其雨量站相对较少。在运用该方法时，需要确保从气候角度看降雨量分布空间是连续性的，这是因为临界雨量与区域的气候条件和地质条件关系较为密切。如区域内的气候条件和地质条件基本相似，则认为该区域的临界雨量为连续性。这种方法在对应的雨量站点位置填入单站各时间段下的临界雨量，并以勾绘方式，确定空白区域临界雨量，常使用反距离加权插值法、克里金插值法等。

结论：综上所述，要想更有效地抵御山洪灾害，避免山洪灾害带来重大损失，加强山洪灾害预警指标的确定十分重要。在日后的研究中，还需加强分析确定监测预警指标的方法，并注意相关材料的积累和运用，结合地域实际情况，不断修改完善预警指标，加强技术优化和规范，注意基层技术人员的培训等，保证山洪灾害预警指标确定的准确性。

参考文献：

[1]王宏伟. 自动雨量站山洪灾害预警指标确定分析[J]. 东北水利水电,2019,37(08):35-36+38.

[2]刘美琪. 基于特征雨型的山洪灾害雨量预警模式研究[D].郑州大学,2019.

[3]田野. 本溪县山洪灾害雨量预警方法研究[J]. 水利规划与设计,2017,(05):66-69.