高良敏，杜惠敏

(1.浙江中水工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州世達(dá)科技有限公司，浙江 杭州 310000)

1 雨量預(yù)警指標(biāo)確定原理

浙江小流域(面積≤50km2)山洪災(zāi)害成災(zāi)時(shí)間短、突發(fā)性強(qiáng)、危害性大、易發(fā)頻發(fā)等特征突出，對(duì)沿河村落居民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成較大的威脅。由于小流域水文監(jiān)測(cè)資料缺乏，雨量預(yù)警為其主要預(yù)警措施。雨量預(yù)警指標(biāo)一般采用“水位反推法”求得，即根據(jù)沿河村落控制斷面成災(zāi)水位，采用曼寧公式推算成災(zāi)流量，由成災(zāi)流量反推各預(yù)警時(shí)段的臨界雨量?；陬A(yù)警提前性和防洪安全性考慮，一般在臨界雨量的基礎(chǔ)上經(jīng)驗(yàn)下浮15%作為立即轉(zhuǎn)移預(yù)警雨量，立即轉(zhuǎn)移雨量下浮15%作為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移預(yù)警雨量。雨量預(yù)警指標(biāo)確定原理如圖1所示。

圖1 雨量預(yù)警指標(biāo)推算原理框圖

2 設(shè)計(jì)暴雨洪水推求

2.1 設(shè)計(jì)暴雨

由于小流域水文資料缺乏，設(shè)計(jì)暴雨通常采用《浙江省短歷時(shí)暴雨圖集》確定。

ti時(shí)段設(shè)計(jì)雨量Hi計(jì)算公式如下：

當(dāng)ti為10～60min時(shí)，

Hi=H10(ti/10)1-n10，60n10，60=1+1.285lg(H10/H60)

(1)

當(dāng)ti為1～6h時(shí)，

Hi=H6(ti/6)1-n1，6n1，6=1+1.285lg(H1/H6)

(2)

當(dāng)ti為6～24h時(shí)，

Hi=H24(ti/24)1-n6，24n6，24=1+1.661lg(H6/H24)

(3)

式中，H10，H60，H6，H24分別為10min、60min、6h、24h設(shè)計(jì)雨量。

24小時(shí)雨型排列規(guī)則：時(shí)段雨量老大項(xiàng)排列在18:00時(shí)刻，時(shí)段雨量老二項(xiàng)排在老大項(xiàng)的左邊；其余從大到小奇數(shù)項(xiàng)排列在左邊，偶數(shù)項(xiàng)排列在右邊，當(dāng)右邊排滿24:00后，余下各項(xiàng)時(shí)段雨量從大到小排列在左邊。

2.2 產(chǎn)流計(jì)算

根據(jù)小流域山洪特征，考慮前期土壤含水量75mm、90mm兩種工況，采用蓄滿產(chǎn)流模型[1]計(jì)算流域產(chǎn)水量，公式如下：

(4)

(5)

當(dāng)P≤0時(shí)，R=0；

當(dāng)P≥0且P+A≥Wmm時(shí)，R=P-(Wm-W0)。

式中，P—時(shí)段降雨量，mm；R—時(shí)段產(chǎn)流總量，mm；Wm—流域平均蓄水容量，取值100mm；W0—流域初始平均需水量，按照W0=75mm、W0=90mm兩種情況計(jì)算；Wmm—流域內(nèi)最大點(diǎn)蓄水量，取值120mm；B—蓄水含量拋物線指數(shù)，小流域取值0.2；IMP—流域不透水面積占全流域面積比，取值為0；A—前期最大點(diǎn)蓄水容量，mm。

2.3 匯流計(jì)算

流域面積小于50km2的流域選用浙江省推理公式計(jì)算洪峰流量。全面積匯流計(jì)算公式如下：

(6)

(7)

(8)

式中，τ—匯流時(shí)間，h；hR—τ時(shí)段內(nèi)凈雨量，mm；F—斷面以上流域集雨面積，km2；Qmp—設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Vτ—流域平均匯流速度，m/s；L—自斷面至流域分水嶺的主河長(zhǎng)度，km；J—河道坡降；m—匯流參數(shù)。

部分面積匯流采用改進(jìn)的推理公式計(jì)算洪水[2]。改進(jìn)的推理公式法將等流時(shí)匯流面積分配曲線簡(jiǎn)化為三角形，其計(jì)算公式如下：

(9)

(10)

式中，R上—時(shí)段為tc的凈雨量，mm；m—匯流參數(shù)；F—流域面積，km2；L—沿流程長(zhǎng)度，km；J—沿流程的平均比降；tc—凈雨歷時(shí)，h；Qm—洪峰流量值，m3/s；T總—三角形匯流過(guò)程歷時(shí)，h。

3 臨界雨量計(jì)算

3.1 預(yù)警時(shí)段

根據(jù)《山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)技術(shù)要求》中預(yù)警時(shí)段選擇原則，并結(jié)合浙江省山洪項(xiàng)目組要求，選擇匯流時(shí)間τ、1h、2h、3h四個(gè)典型時(shí)段作為預(yù)警時(shí)段，對(duì)匯流時(shí)間τ小于1h的特小流域增加0.5h預(yù)警時(shí)段。

3.2 成災(zāi)流量

根據(jù)外業(yè)調(diào)查的成災(zāi)水位、河床糙率、洪水比降，采用曼寧公式推算成災(zāi)流量。成災(zāi)水位取沿河房屋受災(zāi)的最低高程；河道糙率根據(jù)現(xiàn)狀河道護(hù)岸、河底底質(zhì)、兩岸植被等情況，參照經(jīng)驗(yàn)糙率表確定；洪水比降一般選用河底比降。

曼寧公式：

(11)

(12)

(13)

式中，A—過(guò)流面積，m2；P—濕周，m；R—水力半徑，m；J河道坡降；n—河道糙率；V—流速，m/s；Q災(zāi)—成災(zāi)流量，m3/s。

3.3 臨界雨量

假定初始頻率暴雨i，結(jié)合《浙江省短歷時(shí)暴雨圖集》計(jì)算10min、1h、3h、6h、24h典型時(shí)段設(shè)計(jì)雨量，依據(jù)雨型分配得到降雨過(guò)程?？紤]前期土壤含水量90mm工況，采用蓄滿產(chǎn)流模型計(jì)算凈雨，通過(guò)全面產(chǎn)流推理公式計(jì)算洪峰Qi和匯流時(shí)間τ。若計(jì)算洪峰Qi與成災(zāi)流量Q災(zāi)相對(duì)誤差小于允許值1%，則沿河村落現(xiàn)狀防洪能力為1/i年一遇，成災(zāi)流量相應(yīng)的匯流時(shí)間為τ。然后由暴雨頻率i計(jì)算τ時(shí)段相應(yīng)的臨界雨量P臨iτ。否則，重新設(shè)定另一頻率的暴雨，反復(fù)試算，直至計(jì)算洪峰Qi與成災(zāi)流量Q災(zāi)滿足允許誤差要求。

當(dāng)匯流時(shí)間τ大于預(yù)警時(shí)間t預(yù)警，流域?yàn)椴糠置娣e產(chǎn)流，則通過(guò)試算頻率暴雨j，采用部分面積產(chǎn)流推理公式計(jì)算洪峰，直至∣Qt預(yù)警-Q災(zāi)∣/Q災(zāi)<1%，可求得t預(yù)警時(shí)段相應(yīng)的臨界雨量。若匯流時(shí)間τ小于預(yù)警時(shí)間t預(yù)警，流域?yàn)槿娈a(chǎn)流，則達(dá)到成災(zāi)流量的預(yù)警時(shí)段降雨與匯流時(shí)段降雨屬同頻率，由匯流時(shí)段暴雨頻率i求得預(yù)警時(shí)段的臨界雨量。同理，可計(jì)算前期土壤含水量75mm工況各預(yù)警時(shí)段的臨界雨量。臨界雨量計(jì)算原理如圖2所示。

基于臨界雨量計(jì)算原理，利用Excel VBA模塊開(kāi)發(fā)了臨界雨量計(jì)算程序，成災(zāi)流量反推臨界雨量過(guò)程全部由計(jì)算機(jī)電算完成。

4 預(yù)警指標(biāo)綜合確定

考慮預(yù)警提前性和防洪安全性，結(jié)合浙江省山洪項(xiàng)目組意見(jiàn)，選擇臨界雨量下浮15%作為沿河村落立即轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)，立即轉(zhuǎn)移雨量下浮15%作為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)。對(duì)立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)過(guò)小的村落，可取立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)等于臨界雨量。對(duì)于流域及附近流域有測(cè)站的沿河村落，應(yīng)調(diào)查歷史暴雨和村落成災(zāi)情況，結(jié)合預(yù)警指標(biāo)計(jì)算成果，綜合確定預(yù)警雨量。

圖2 臨界雨量計(jì)算框圖

5 計(jì)算實(shí)例

慶元縣五大堡鄉(xiāng)后廣村沿河房屋最低高程343.28m(85高程)作為控制斷面成災(zāi)水位。經(jīng)外業(yè)勘測(cè)，現(xiàn)狀河道兩岸為干砌石護(hù)岸，河底為大狀塊石，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)糙率取值表，河道綜合糙率取0.035。經(jīng)測(cè)量，河道控制斷面位置平均坡降為0.023。據(jù)1∶500地形圖量測(cè)，控制斷面以上流域面積25.4km2，河長(zhǎng)8.04km，河道平均坡降0.041。沿河村落基本特征情況見(jiàn)表1。

表1 沿河村落基本特征表

根據(jù)斷面測(cè)量成果，成災(zāi)水位、河道糙率、河底比降等參數(shù)取值，采用曼寧公式反推成災(zāi)流量為232m3/s。將流域特征值、暴雨參數(shù)、成災(zāi)流量輸入到臨界雨量計(jì)算模塊，計(jì)算各預(yù)警時(shí)段臨界雨量。考慮臨界雨量指標(biāo)下浮，得到沿河村落立即轉(zhuǎn)移、準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量預(yù)警指標(biāo)，見(jiàn)表2。

表2 五大堡鄉(xiāng)后廣村預(yù)警指標(biāo)計(jì)算表

6 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)試算頻率暴雨，計(jì)算不同土壤含水量條件下的臨界雨量，利用Excel VBA模塊開(kāi)發(fā)了臨界雨量計(jì)算程序，經(jīng)實(shí)例檢驗(yàn)該程序計(jì)算快捷、結(jié)果可靠，可作為浙江小流域確定臨界雨量的方法。

(2)在計(jì)算臨界雨量基礎(chǔ)上進(jìn)行指標(biāo)下浮作為預(yù)警雨量，為保守經(jīng)驗(yàn)做法，沿河村落應(yīng)結(jié)合歷史暴雨和洪災(zāi)發(fā)生情況綜合確定預(yù)警雨量。

(3)成災(zāi)水位、河道糙率、洪水比降為外業(yè)調(diào)查主控因素，參數(shù)取值對(duì)臨界雨量指標(biāo)影響較大，在水文計(jì)算過(guò)程中應(yīng)結(jié)合河道現(xiàn)狀合理取值。