基于降雨径流关系的山洪动态临界雨量计算研究.pdf

第43卷第5期2023年10月水 文JOURNAL OF CHINA HYDROLOGYVol.43 No.5Oct.,2023基于降雨径流关系的山洪动态临界雨量计算研究韩臻悦1，赖瑞勋2，王金星3，马利4，汤业海1，刘成帅1，胡彩虹1（1.郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450000；2.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；3.水利部信息中心，北京 100053；4.禹州市人民政府，河南 禹州 461670）摘 要：为解决初始土壤含水量不确定性给山洪快速准确预警带来的难题，实现山洪临界雨量的动态计算，以初始土壤含水量、降雨量和径流深之间的指数型关系为基础，构建考虑初始土壤含水量的降雨径流关系，并通过试算法得临界雨量。以陕西省子洲县岔巴沟流域为典型区域，构建同历时降雨初始土壤含水量和临界雨量间的响应关系曲线，用19802019年间的21场降雨数据进行验证。结果表明：临界雨量计算准确率为85.7%，因此基于降雨径流关系的山洪动态临界雨量计算方法具有一定可行性。关键词：山洪灾害；降雨径流关系；动态临界雨量；预警指标中图分类号：P338+.9 文献标识码：A 文章编号：1000-0852（2023）05-0012-060引言我国山洪灾害点多面广、突发性强、破坏力大，受极端天气及人类活动的影响呈频发、多发态势1，是威胁人民生命财产安全的主要灾种之一2。山洪多发于缺资料、少资料的山区小流域，具有急涨急落、突发性强的重要特征3。因此，在山洪预警中，不仅要提高预警效率，也要降低对水文资料的依赖性。临界雨量作为山洪预警的重要指标，其计算方法随着大量研究的推进，逐渐由基于历史数据驱动的分析计算法4-6，发展到考虑物理机制的水文模型计算法7-10，有效提高了指标的可靠性和适用性。但水文模型的运算通常以繁复的率定验证工作为前提，大大制约了在实际应用中的效率。因此构建结构简单、参数少的降雨径流关系，是实现山洪快速预警的重要突破口。在降雨径流关系的构建中，径流量的决定性影响因素除了降雨量之外还有流域的土壤含水量情况，其动态变化直接影响降雨下渗、包气带蒸散发及产流等过程。在相同情况下较饱和的土壤条件产流量更大，更容易诱发山洪11。因此临界雨量应是考虑累计降雨量、初始土壤含水量等多种因素的综合动态阈值12。目前国内对动态临界雨量的计算，在探究降雨的雨型13、空间异质性14对指标的影响，以及山洪灾害的分级预警15等多方面有长足的研究和发展，但较少侧重于分析临界雨量与初始土壤含水量间的动态变化关系。为了进一步探索山洪动态临界雨量的计算方法，充分考虑初始土壤含水量的影响，计算同历时降雨初始土壤含水量和临界雨量间的响应关系。选取位于陕西省频受山洪灾害威胁的岔巴沟流域作为研究对象，通过构建结构简单、计算效率高的降雨径流关系进行动态临界雨量计算，探究该计算方法的可靠性，为减少山洪灾害和保护人民生命财产安全提供技术支撑。1研究方法1.1动态临界雨量计算方法山洪动态临界雨量计算的本质是探究在初始土壤含水量影响下的降雨径流关系，采用情景模拟分析方法，根据设计暴雨得到不同历时的降雨时程分配结果，通过构建考虑初始土壤含水量的降雨径流关系试算山洪动态临界雨量。DOI：10.19797/ki.1000-0852.20220235收稿日期：2022-06-28 网络首发日期：2023-10-20网络首发地址：https:/ km2（图 1），平均海拔约 1 080 m，沟道比降为0.757%，沟长约24 km17。岔巴沟流域地处半干旱地区，70%的暴雨集中于 7、8 月份，全年平均降水量约为430 mm18，并且具有雨强大、历时短的特点。近年来开展的小流域综合治理与加强河堤工程建设等工作，显著减少了岔巴沟流域的水土流失，提高了抗洪能力。但由于基础抗洪条件较差，导致山洪灾害防治工程措施依然滞后，与当地经济社会的发展不相适应，防洪形势依旧严峻。通过实地调查得到岔巴沟流域致灾水位为903.56 m，由曼宁公式计算得临界流量为52 m/s。流域内共分布有 1 个水文站、10 个雨量站，并收集得到19802019年多场降雨、径流过程的小时监测数据。2.1设计暴雨对岔巴沟流域历史降雨数据的分析，根据流域暴雨特性假定1、2、3、6、12 h的降雨量。根据 陕西省中小流域设计暴雨洪水图集 中的时程分配表，对不同历时的暴雨进行分配结果见表1。2.2模型构建2.2.1参数取值结果山洪动态临界雨量计算方法参数主要包括：流域蓄水容量Wm、稳定下渗率fc、初始土壤含水量W0、降雨径流关系参数、纳希瞬时单位线法参数n和k、线性水库法地下水库蓄量常数Kg。各参数计算方法及取值见表2。2.2.2山洪模拟结果利用降雨径流关系，对16场典型山洪过程进行模拟，选取洪峰流量、洪水总量、纳什效率系数作为判别模拟精度的指标，统计结果见表3。其中16场山洪模图1大理河流域图及站点分布Fig.1Dali River basin and its stations distribution13水 文第43卷拟过程洪峰误差和洪量误差均在20%以内，峰现时差均在1小时以内，平均纳什效率系数为0.843，山洪模拟效果较好。图2为次洪模拟过程。3结果与分析3.1动态临界雨量线以1 mm为初始土壤含水量的计算步长，基于降雨径流关系，确定岔巴沟流域1 h、2 h、3 h、6 h、12 h降雨的临界雨量分别为1.123.5 mm、1.941.1 mm、2.657.5 mm、4.292.5 mm和6.7155.8 mm。从图3临界雨量分布规律可以看出，随着初始土壤含水量从0Wm的变化，计算得到的动态临界雨量逐渐减小，与降雨径流规律一致，即土壤条件越湿润，相同降雨条件对应的产流量越大，诱发山洪的临界雨量越小。不同降表3岔巴沟流域山洪模拟精度评估Table 3Accuracy assessment of flash flood simulation in the Chabagou watershed洪号19810620198108051982073019830826198307291988071319880715201807071981070719820708198309041985051119870826201307262013080520160813洪峰误差17.62%1.38%-5.85%10.73%5.49%-6.71%-8.25%-10.11%3.26%-14.00%-17.85%-17.59%2.24%6.65%-4.61%-5.94%洪量误差-18.83%-5.42%-3.58%-17.06%-12.09%16.85%12.04%11.86%-13.04%-5.59%15.60%15.78%-5.16%-5.56%13.32%-7.11%峰现时差/h0000-10000000-1-10-1纳什效率系数0.7380.8280.7430.9590.8980.9280.8830.9300.9780.8330.8580.6580.8200.7150.8610.853表1降雨时程分配比例Table 1Rainfall time distribution ratios预警时段/h123612降雨时程分配/%1 h10052.235.510.69.42 h47.82911.914.53 h35.517.97.64 h21.955 h15.27.66 h22.53.17 h4.48 h13.89 h7.610 h7.511 h9.412 h10.1表2参数汇总Table 2Parameter Summary产流部分汇流部分参数符号WmW0nkfcKg参数含义降雨径流关系参数流域蓄水容量/mm初始土壤含水量/mm瞬时单位线参数瞬时单位线参数稳定下渗率/（mm/h）地下水库蓄量常数/h参数计算方法根据历史洪水推求16逐次逼近法16公式（1）（2）矩法矩法根据水文气象条件取值根据地下汇水公式计算岔巴沟流域参数值0.903621.151.542.740.6714第5期韩臻悦等：基于降雨径流关系的山洪动态临界雨量计算研究雨历时初始土壤含水量与临界雨量之间的对应关系符合多项式分布规律，以最小二乘法准则进行三次多项式拟合，R2均高于0.99，回归效果显著（表4）。3.2基于动态临界雨量的山洪预警应用选取21场典型洪水过程进行验证，其中有12场洪水成灾，9场洪水未成灾，将场次降雨的初始土壤含水量输入到对应降雨历时的动态临界雨量拟合多项式函数中，计算得到对应的临界雨量。若实际降雨量高于临界雨量则触发山洪预警，反之则表明山洪未成灾，无需进行预警。由检验结果（表5）可知，基于降雨径流关系计算得到的动态临界雨量在实际山洪预警应用中的准确率达到了85.7%，总体上能够实现较准确的山洪预警。为了更好的提高山洪预警准确度，对本次验证中预警错误的场次进行分析，发现在21场山洪预警的验证中共出现了两次漏报及一次误报。其中漏报的山洪洪号分别为19820730和19900704，即实际降雨量并未达到临界雨量，但实测洪峰流量已达到预警流量，导致未正确发出山洪预警。洪号为20160813的洪水在验证中发生误报，即实际降雨并未引发山洪，但根据临界雨量的计算触发了山洪预警。3.3合理性分析对动态临界雨量计算原理进行分析后，选取影响产流过程的参数土壤蓄水容量Wm，分析其变化对预警结果的影响。以19802019年间20场降雨数据为基础，逐次逼近法计算岔巴沟流域蓄水容量（图4）。在动态临界雨量计算中，为了方便，流域蓄水容量取多年平均值Wm=62 mm，但其变化总体呈波动上升的趋势。由于小流域综合治理等举措的实施，岔巴沟流域在19802019年间下垫面发生了明显的变化，其中以植被覆盖变化为代表的影响因素会改变流域蓄水容量的大小。植被能够延缓径流、增加下渗时间，因此植物生长过程中根茎的生长可以起到松动土壤、改变土壤蓄水容量的作用19-20。岔巴沟流域19822015年年平均NDVI表现为波动上升趋势21，NDVI值介于0.20图2岔巴沟流域山洪模拟结果Fig.2Simulation results of flash floods in the Chabagou watershed图3不同历时降雨动态临界雨量Fig.3Critical rainfall for different rainfall duration distribution表4不同历时降雨动态临界雨量拟合函数Table 4Fitted polynomial functions for different rainfall duration distribution降雨历时1 h2 h3 h6 h12 h拟合函数y=23.89-0.38x+0.006 3x2-0.000 097x3y=41.2-0.49x+0.001 5x2-0.000 06x3y=57.64-0.72x+0.003 6x2-0.000 1x3y=92.82-1.19x+0.007 6x2-0.000 18x3y=157.39-2.31x+0.027x2-0.000 45x3R20.9970.9990.9970.9990.99915水 文第43卷0.32之间，平均增长速率为0.022/10a，说明植被丰度在34a间有明显增加（图5）。已有研究表明，植被覆盖情况的增加会导致流域蓄水容量的增加，径流量减小，这样的研究成果也证实了岔巴沟流域蓄水容量在19802019年间的增长趋势。以退耕还林政策的实施作为时间节点，将岔巴沟流域蓄水容量变化特征分为两个阶段，第一阶段是 19801999，平均流域蓄水容量是59 mm，第二阶段是20002019，平均流域蓄水容量为68 mm。因此发生在第一阶段的洪水场次，实际流域蓄水容量低于62 mm，这使计算产流小于实际产流，从而可能导致山洪洪峰与临界流量十分接近的场次，如19820730和19900704场次山洪的漏报。发生在第二阶段的洪水场次，实际流域蓄水容量高于62 mm，故计算产流大于实际产流，从而导致20160813场次山洪的误报。因此在实际应用中，流域蓄水容量值结合下垫面变化情况进行计算，是降低预警误差的一种有效手段。4结论本文探讨了基于降雨径流关系的动态临界雨量计算方法，拟定了动态临界雨量函数。以岔巴沟流域为研究对象，评估了该山洪预警方法的适用性并分析，为图4岔巴沟流域蓄水容量及其变化Fig.4Changes in water storage capacity and NDVI in the Chabagou watershed图5岔巴沟流域19822015年NDVI及其变化Fig.5NDVI and its changes in Chabagou watershed from 1982 to 2015表5山洪预警结果统计Table 5Statistics of flash flood warning results洪号198107071983072919870826198106201982073020130726201807071988071519820708198907162016081319810805198308261983090419850511198508111986070319900704199008272013080520130807实测洪峰流量/（m/s）73.412318613.152.977.580.21193130932.933.318.745.228.741295477.573.854.8初始土壤含水量/mm393610203314454924462827524635453734444348总降雨量/mm29.2233.15470.6680.2341.0220.164452.166.8333.1825.527.4820.4515.9714.8915.6935.9723.752518.06降雨历时/h33312122266622132226222临界雨量/mm29.131.850.8118.692.934.516.831.666.136.527.427.98.222.523.216.82254.217.418.114.6是否成灾是是是否是是是是否是否否否否否否否是是是是是否预警是是是否否是是是否是是否否否否否否否是是是是否正确16第5期韩臻悦等：基于降雨径流关系的山洪动态临界雨量计算研究山洪预警技术提供了理论支撑和应用经验。（1）基于1 h、2 h、3 h、6 h和12 h不同历时的设计暴雨，在厘清降雨径流关系规律的基础上，构建了同降雨历时初始土壤含水量和临界雨量的响应关系曲线。（2）利用21场历史山洪数据模拟预警检验，准确率达到85.7%，预警效果相对准确可靠，为山洪动态临界雨量的计算提供了新思路。（3）下垫面变化会对流域蓄水容量的大小有所影响，采用20场降雨数据计算流域蓄水容量并取均值带入，与实际蓄水容量的误差导致当山洪洪峰流量与临界流量较接近时，预警错误的概率会增加。参考文献：1 LIU C，GUO L，YE L，et al.A review of advances in Chinas flash flood early-warning systemJ.Natural Hazards，2018，92（2）：619-634.2 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runoff relationship was constructed by considering the initial soil water content,and the critical amount of rainfall was inferred.Taking the Chabagou watershed in Zizhou County,Shaanxi Province as a typical area,the paper constructed response relationship curves of the initial amount of soil water and the critical amount of rainfall with rainfall records.The relationship was verified using 21 rainfall data points from 1980 to 2019.The results show an accuracy of 85.7%.Thus,the dynamic critical rainfall calculation method for predicting a flash flood based on the rainfall-runoff relationship could be feasible.Keywords：flash flood;rainfall-runoff relationship;dynamic critical rainfall;early warning indicators17