張珊珊，王江婷,2，徐征和

(1.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022；2.湖北江河盛騰工程咨詢有限公司，武漢 430000)

山洪廣義上指山區(qū)溪溝中發(fā)生的洪水暴漲，包括暴雨山洪、融雪山洪等[1]。本文針對中國北方小流域的暴雨山洪[2]分析計算。頻發(fā)的山洪災(zāi)害，對人民的生命財產(chǎn)安全造成威脅[3,4]，因此準(zhǔn)確及時地預(yù)警尤為重要。部分山洪頻發(fā)地區(qū)因缺乏水文資料，使山洪預(yù)警的難度加大[5,6]。通常山洪預(yù)警指標(biāo)分為臨界雨量預(yù)警指標(biāo)、臨界水位預(yù)警指標(biāo)[7]，前者運用更普及[8]。成災(zāi)水位為河道發(fā)生暴雨洪水有可能誘發(fā)山洪災(zāi)害的最小水位，其對應(yīng)的斷面流量為臨界流量，由水位流量關(guān)系可對應(yīng)確定數(shù)值[9]。當(dāng)降雨量達(dá)到或超過某一量級和強(qiáng)度時，則可能會引發(fā)山洪等災(zāi)害，此時對應(yīng)時間段的降雨量為該區(qū)域的臨界雨量[10,11]。臨界雨量有靜態(tài)臨界雨量、動態(tài)臨界雨量，二者對土壤含水量的處理不同[12]。預(yù)警時段是在預(yù)警指標(biāo)分析中研究對象的典型降雨歷時，分析預(yù)警時段的臨界雨量可得雨量預(yù)警指標(biāo)[13]。

HEC-HMS模型為半分布式次洪降雨徑流模型[14]，國外很早就將其用于徑流模擬[15,16]。李燕[17]等將HEC-HMS模型應(yīng)用于國內(nèi)中湯流域，效果較好，表明該模型可在無實測資料的地區(qū)進(jìn)行山洪預(yù)警。基于此，本文選取萊蕪市通天河流域的一個子流域作為研究區(qū)，基于HEC-HMS模型，計算預(yù)警指標(biāo)并檢驗復(fù)核。

1 研究區(qū)HEC-HMS模型建立

通天河流域處于山東省萊蕪市北部山區(qū)，處于東經(jīng)117°23′～117°37′，北緯36°24′～36°33′。源于雪野鎮(zhèn)紅哨子村的通天河，向南匯入雪野水庫，全長16.1 km，流域面積98 km2。降雨量年內(nèi)年際變化較大，10-4月降水量約占全年1/4；呈三面(東西北)高、南面低的貝殼形地勢，地表大多被青石風(fēng)化土層覆蓋，易飽和，降雨產(chǎn)流較快。

利用HEC-GeoHMS模塊對通天河流域30 m×30 m DEM進(jìn)行填洼處理，采用D8法計算水流方向，用HEC-GeoHMS模塊Stream Definition工具提取河網(wǎng)，通過HEC-GeoHMS模塊生成Stream Link，用Catchment Grid Delineation工具給河段分級，得到子流域，再用Drain Line Processing工具將柵格流域圖矢量化。HEC-GeoHMS模塊依據(jù)選定的出水口自動劃分出10個子流域，形成流域數(shù)字水系。選子流域2為研究區(qū)，選取官正村、富家莊、房干村、安子灣4個沿河村落為研究對象。研究區(qū)、研究對象、雨量站位置見圖1。

研究區(qū)土地利用類型約95%為有林地和耕地，棕壤土和粗骨土為主要土壤類型，研究對象基本分布于棕壤土，研究區(qū)基本情況見表1。因通天河流域外的雨量站相距較遠(yuǎn)，與該流域相關(guān)性較差，故只采用流域內(nèi)上游雨量站的資料。創(chuàng)建研究區(qū)HEC-HMS模型，經(jīng)分析比較后選擇初損穩(wěn)滲法、Synder單位線法、指數(shù)衰減法、馬斯京根法分別計算產(chǎn)流、直接徑流、基流和河道匯流演算。參考《萊城區(qū)山洪災(zāi)害分析評價報告》，研究區(qū)降雨土壤初損值為10 mm，穩(wěn)定下滲率為1.56～3.66 mm/h。按照土地利用情況，分析其不透水面積；流域滯時為降雨量質(zhì)心與洪峰流量之間的時距，由相應(yīng)公式計算可得。據(jù)研究區(qū)實際情況以及美國陸軍工程兵團(tuán)水文水資源中心的推薦值，確定峰值系數(shù)的范圍為0.4～1；由流量過程線計算流量變化率，確定衰減指數(shù)和退水拐點比率的初值；K為穩(wěn)定流情況下河段傳播時間，流量比重因子X取值通常為0～0.5。采用人工調(diào)參法和目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化法相結(jié)合的方式調(diào)整模型參數(shù)，將模擬與實測水文過程對比，采用單變量梯度優(yōu)化法將參數(shù)初始值重復(fù)迭代修正，通過單純形法檢索目標(biāo)函數(shù)得最優(yōu)解。分別選取1966-2016年間的7場、3場洪水過程率定、驗證模型參數(shù)，率定和驗證后的模型參數(shù)取值見表2。

表1 研究區(qū)基本情況表Tab.1 Basic information of the research area

表2 率定和驗證后的模型參數(shù)取值表Tab.2 The value of the model parameters after calibration and verification

2 預(yù)警指標(biāo)分析

2.1 預(yù)警時段和臨界流量

將研究對象的匯流時間設(shè)置成最長預(yù)警時段，根據(jù)地區(qū)降雨特征等確定其他典型時段。根據(jù)《山東省水文圖集》，土壤最大蓄水量為60 mm，土壤較干、一般、較濕三種情況的初損值Ia依次為24、10、0 mm，本文臨界雨量計算中Ia取10 mm。根據(jù)已有資料所建立的水位流量關(guān)系曲線，由成災(zāi)水位可得對應(yīng)的臨界流量值。根據(jù)之前模型模擬洪水過程獲得的洪峰流量值，采用插值法計算其防洪能力，詳見表3，如房干村的臨界流量為105 m3/s，處于5 a一遇到10 a一遇的洪峰流量之間，推算其防洪能力為6.9 a。而富家莊的臨界流量達(dá)到305 m3/s，遠(yuǎn)大于100 a一遇的洪峰流量，可知富家莊河道防洪能力較好，河道防護(hù)治理能力較強(qiáng)，受災(zāi)概率較小。

表3 臨界流量和防洪能力表Tab.3 Critical flow and flood control capacity

2.2 研究區(qū)預(yù)警指標(biāo)

2.2.1 臨界雨量

根據(jù)實測資料借助曼寧公式建立水位流量關(guān)系，由斷面成災(zāi)水位對應(yīng)出臨界流量；由《山東省中小河流治理工程初步設(shè)計設(shè)計洪水計算指導(dǎo)意見》中的泰沂山南區(qū)1 h雨型，結(jié)合實際，擬定降雨系列，作為模型輸入值，通過雨型分配降雨，研究對象的降雨序列見表4；利用模型試算法，將洪峰流量與臨界流量相比較，若二者相近，則為所需臨界雨量，若相差較大，重新假定初始雨量，重復(fù)上述步驟[18]，直到小于允許誤差為止。不同土壤干濕條件下的臨界雨量值如表5所示。

2.2.2 雨量預(yù)警指標(biāo)

預(yù)警指標(biāo)通常分準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)與立即轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)[19]，相應(yīng)地，臨界雨量包括準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量和立即轉(zhuǎn)移雨量[20]，在臨界雨量基礎(chǔ)上，分別乘以系數(shù)0.9、1.1作為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)和立即轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)，見表5。

3 雨量預(yù)警指標(biāo)檢驗復(fù)核

參考《山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)檢驗復(fù)核技術(shù)要求(試行)》，對研究區(qū)雨量預(yù)警指標(biāo)檢驗復(fù)核。

表4 研究對象的設(shè)計雨型表Tab.4 The design rain type of the research objects

表5 臨界雨量及雨量預(yù)警指標(biāo)表Tab.5 Critical rainfall and rainfall early warning indicators

3.1 水位流量關(guān)系

采用復(fù)核后的方法、比降、糙率等對20160722場次洪水計算現(xiàn)水位流量關(guān)系，與原水位流量關(guān)系比較，如表6所示，官正村、富家莊和房干村的現(xiàn)成災(zāi)水位大于原成災(zāi)水位，故三者的成災(zāi)水位仍為原成災(zāi)水位；安子灣的現(xiàn)成災(zāi)水位雖小于原成災(zāi)水位，而實際仍發(fā)生了山洪，故將現(xiàn)成災(zāi)水位定為其成災(zāi)水位；臨界流量誤差分別為-3.6%、7.9%、8.6%、-6.1%，均小于10%，表明水位流量關(guān)系相對合理。

表6 水位流量檢驗結(jié)果表Tab.6 Check results of water level and flow

3.2 HEC-HMS計算洪峰方法

(1)同一條河流上下游不同位置的洪峰流量及洪峰模數(shù)。富家莊、安子灣、李家莊位于同一條河流上下游的不同位置，如表7所示，可知三者的設(shè)計洪水洪峰流量呈上小下大趨勢，洪峰模數(shù)相差不大。

表7 同一條河流上下游不同位置的洪峰流量及洪峰模數(shù)表Tab.7 The flood peak flow and flood peak modulus of the same river at different locations

(2)相似小流域的洪峰流量及洪峰模數(shù)。通天河流域的子流域1和子流域4形狀相似，比降、植被和土壤分布類似，可認(rèn)為二者具有一定相似性。如表8所示，可知二者的洪峰模數(shù)相近。20160722、20120708場次的洪水過程模擬圖見圖2，兩個子流域洪水過程線形狀類似，峰現(xiàn)時間相近。

表8 相似小流域?qū)Ρ缺鞹ab.8 Comparison of similar small watersheds

圖2 流域出口處洪水過程模擬圖Fig.2 Flood process simulation diagram at the outlet of the basin

3.3 臨界雨量及預(yù)警指標(biāo)

成災(zāi)之前不同預(yù)警時段的最大雨量作為該時段特征雨量，同步計算前期影響雨量Pa,t，應(yīng)選用與成災(zāi)洪水特征雨量相同前期影響雨量下的臨界雨量計算偏離度。對于成災(zāi)洪水，偏離度分布在10%范圍內(nèi)，則臨界雨量基本合理；否則，需再用頻率區(qū)間分析，若特征雨量和臨界雨量位于同一頻率區(qū)間，則臨界雨量視為合理，否則應(yīng)重新計算。因富家莊河道防洪能力大于100 a一遇，故不再檢驗。臨界雨量的偏離度計算結(jié)果見表9。

(1)

4 結(jié) 語

官正村臨界雨量偏離度除20120708場次(洪水最大)合理外，其余偏大；房干村臨界雨量20160722、20120708場次偏離度偏小，其余偏大；安子灣臨界雨量偏離度除19960730場次偏大外，其余偏小。分析預(yù)警指標(biāo)誤差的影響因素：雨量站資料代表性不足；成災(zāi)水位換算至控制斷面時有誤差；由水位流量關(guān)系曲線對應(yīng)出的臨界流量有誤差；參數(shù)取值大多據(jù)流域平均狀態(tài)選取，具體至每個研究對象會有偏差等。

從偏離度來看，部分臨界雨量偏離度小于10%，預(yù)警指標(biāo)部分合理，需更多場次洪水來精確預(yù)警指標(biāo)閾值；從頻率區(qū)間分析，除19960730場次外，其余場次特征雨量與臨界雨量基本位于同一頻率區(qū)間，預(yù)警指標(biāo)基本合理?？傊跓o更精確的獲取預(yù)警指標(biāo)的方法時，此方法為小流域山洪預(yù)警指標(biāo)分析提供了參考。

表9 預(yù)警指標(biāo)檢驗成果表Tab.9 The checked and verified results of early warning indicators

注：t為預(yù)警時段；Pa,t為前期影響雨量；D為偏離度；Pt為特征雨量，Pl為臨界雨量，表中分別用*、√表示。