基于水文模型及水动力模型的山洪临界雨量研究论文

引言

山洪是指山区溪沟中发生的暴涨洪水，影响面积小，具有突发、水量集中、流速大、冲刷破坏力强的特点。山洪及其诱发的泥石流、滑坡，常造成人员伤亡、设施毁坏，对人民生命财产造成严重危害。日趋严重的山洪灾害已得到了各级政府的高度重视，这对气象部门山洪灾害风险评估业务提出了迫切的需求。

山洪灾害风险评估的关键有两点，一是致灾临界雨量的确定，另一个是风险评估。致灾临界雨量的分析计算与确定是山洪灾害研究的重要基础。对于无资料或资料比较缺乏的地方，临界雨量的分析方法主要采用内插法、比拟法、山洪灾害事例调查法、灾害与降水频率分析法等，这些方法多从雨量本身或灾情方面出发，没有考虑水文过程。美国水文研究中心研发的山洪指导（flashfloodguidance,FFG）法基于动态临界雨量的概念，通过水文模型分析计算，反推出流域出口洪峰流量达到预警流量所需的降水量，该方法兼顾了运行效率和水文过程，适用于有水文资料的流域。山洪灾害风险评估的另一个关键点是风险评估，目前的风险评估多为定性的结果，或是基于历史数据得出的“静态”的评估结果，无法“动态”的进行风险评估，利用GIS技术则可以解决这一问题，获取洪水淹没范围，进而结合承灾体属性实现山洪灾害的动态定量评估。

国外学者已尝试将降水预报与水文模型、水力学模型结合应用于洪水预报及早期预警、洪灾风险评估中，国内有学者亦尝试了在较大的流域上建立从降水预报到洪水预报的模型。本文以闽江上游的宁化渔潭境内的一个小流域作为研究对象，首先利用流域面雨量和流量率定该流域的TopModel模型参数，根据实地调查结果确定不同风险等级的临界流量，然后利用已率定的模型参数确定临界流量对应的临界面雨量，同时将临界水位输入FloodArea淹没模型得到淹没水深和面积，并利用GIS平台对不同隐患点进行风险评估。

1方法简介

1.1“TopModel”水文模型

1979年，Beven和Kirkby提出了以地形为基础的TopModel半分布式流域水文模型（TopgraphybasedhydrologicalModel）。Topmodel是以地形为基础的模型，基于DEM推求地形指数来反映流域水文响应特性，模拟变动产流面积，即流域总径流是饱和坡面流和壤中流之和。地形指数的大小和分布是影响模型产汇流计算的重要因子之一，模型中采用Quinn提出的多流向法，将网格单元的地形指数看作是随机变量，经过统计分析得到地形指数的频率密度分布，地形指数相同的网格具有相同的水文响应，用“地形指数—面积分布函数”来描述水文特性的空间不均匀性。Topmodel的汇流计算主要应用坡面径流滞时函数和河道演算函数，汇流计算主要采用单位线的方法，河道演算采用河道平均洪峰波速的方法，常采用简单的常波速洪水演算方法。本文采用兰开斯特大学环境与生物科学研究所开发的TopModel95.02版本，共有7个参数，分别是:Szm为土壤下渗率呈指数衰减的速率;T0为土壤刚达饱和时的传导度;Td为重力排水的时间滞时参数;Srmax为根带最大蓄水能力;Sr0为根带土壤的初始缺水量;RV为地表坡面汇流的有效速度;CHV为主河道汇流的有效速度。

1.2“FloodArea”淹没模型

基于GIS栅格数据，德国Geomer公司开发了内嵌于ArcGIS平台的扩展模块FloodArea，专门用于洪水演进模拟与动态风险制图。FloodArea采用ArcGRID数据格式，基于数字高程模型进行水文—水动力学建模，充分考虑了地形坡度和不同地表覆盖形态下地面糙度对洪水演进形态的影响；洪水以给定水位、给定流量和给定面雨量三种方式进入模型，并可根据水文过程线进行实时调整，可视化表达流向、流速和淹没水深等水文要素的时空物理场，为洪水淹没风险动态制图提供了有效工具。

2典型个例分析

2.1山洪流域基本情况

本文选择的流域位于福建省三明市宁化县境内，流域内部地势相对平坦，流域周围被高山环绕，整个流域海拔为349～1100m。流域内有水茜溪和东溪两条河流，并在流域西南部出口处汇合。整个流域面积632km2，流域涉及到水茜、泉上、湖村、中沙4个乡镇的部分或全部区域。

2.2资料

2.2.1水位、流量资料

流域内有一个渔潭水文观测站，观测逐日水位、流量，因资料有限，选择2010年5月19～23日、2010年6月13～27日两个过程的资料进行水文模型参数率定，选择2012年5月13日的过程作为验证数据。

2.2.2面雨量资料

2.3临界雨量的计算

2.3.1“TopModel”模型的参数率定

通过2010年5~6月两次暴雨过程的逐时面雨量和流量数据，根据目标函数调整模式的7个参数，使模拟流量尽可能接近输入流量来确定参数大小。通过模式的参数率定，使两次暴雨过程的确定性系数均达到0.94以上。

2.3.2致灾临界雨量确定

根据实地调查，渔潭断面坝高326m，大部分水田位置高出坝高1m。2010年6.18过程，渔潭发生了小洪水，漫沟1.75m并淹没水田，调查得知这次洪水最高水位327.75m，在历史上属中等程度。根据调查结果，分别将漫沟、淹没水田、淹没居民点的水位作为不同风险等级的临界水位，即326m为低风险的临界水位，327m和328m分别为中、高风险的水位。

2.4山洪灾害风险评估

取渔潭流域中落差相对较小且两岸居民相对集中的主河道，对河道进行栅格化，河道高程代表河道基面高度，根据水位过程线的高度进行“河道漫顶式”模拟，得到渔潭流域下游河道两岸不同风险等级的淹没情况。根据得到的淹没情况图，利用GIS的叠置分析功能，即可实现对不同风险等级淹没范围内居民点、道路等承载体影响程度的评估。

2.5效果检验

2012年前汛期期间，渔潭流域发生了一次低风险山洪过程（图5），发生低风险预警开始时间是13日10时，此时水位正好达到低风险水位326m，预警开始时间准确；12时水位上涨至预先设定的中风险等级而面雨量仍然在低风险级别，可见原先设定的中风险水位偏低，因此在中风险临界雨量不变的情况下，上调中风险水位至328m，高风险水位相应调整为329m，调整结果与实际情况是否符合，尚需进一步验证。

3结论

本文用典型个例分析方法，以位于福建省三明市宁化县境内的渔潭流域为例研究具备完整水文观测资料的山洪流域灾害风险评估方法。具体步骤如下：首先利用雨量和流量资料率定流域的TopModel模型参数，把根据实地考察结果确定的致灾临界流量和率定的模型参数回代模拟得到各级致灾临界雨量；同时结合FloodArea淹没模型，获取不同临界水位下的淹没范围，结合GIS技术确定淹没范围的影响程度，从而实现山洪灾害风险的动态评估。

通过分析检验，得到以下初步结论：

（1）在具有完整水文观测资料的流域，采用水文模型模拟，能够很好地体现山洪灾害发生过程的雨洪关系，并得到不同风险等级下的临界雨量。这对于山洪灾害的防御有着重要作用，只要预报出流域内降水量达到或超过风险临界雨量，就可以发布不同等级的山洪灾害预警。

（2）结合淹没模型，可获取流域不同风险等级下可能淹没范围、淹没水深，为可能发生山洪灾害区域进行人员迁移、灾害防御提供指导性建议。

（3）根据2012年前汛期强降水过程的检验，渔潭流域山洪事件得到准确的预警，但是尚需在今后的应用中就临界水位调整和提高预警时效做进一步研究。

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