研究探讨 ２０１８年２月第２期第２８卷 Ｆｅｂ ２０１８ ＮＯ ２ ＶＯＬ ２８ ＳＴＵＤｌＥＳ ＡＮＤ ＤＩＳＣＵＳＳＩＯＮＳ Ｉ ３５ ＤＯＩ：１０．１６８６７／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｆｄｍ．２０１８０１１２．００２ 基于暴雨特征的山洪临界雨量计算方法研究 章四龙 易攀 谢水石 （１．北京师范大学，北京１００８７５；２．北京市水文总站，北京１０００８９；３．江西省赣州Ｉ市水文局，赣州３６０７００） 摘要：山洪临界雨量是山洪灾害预警重要指标。基于《中国暴雨统计参数图集》最新研究成果，依据暴雨洪水规律及流域地貌特性， 研究提出定义清晰、计算方便的基于暴雨特征的山洪临界雨量计算方法，并结合云计算平台技术，实现任意山洪预警点山洪临界雨 量的在线计算，更好地服务于我国山洪预警工作。 关键词：山洪临界雨量；暴雨统计参数；云计算；山洪预警 中图法分类号：ＴＶ８７７ 文章标识码：Ｂ 文章编号：１６７３—９２６４（２０１８）Ｏ２—３５一Ｏ４ １研究现状 南系统（Ｆｌａｓｈ Ｆｌｏｏｄ Ｇｕｉｄａｎｃｅ，ＦＦＧ）中动态临界雨量 ， 基于水文模型计算分析，推出流域出口断面洪峰流量要 山洪临界雨量指标的定义目前有两种：一是从降雨量 达到预先设定的预警流量值，此时的降雨量即为动态临 直接定义，在一个流域或区域内，降雨量达到或超过某一 界雨量。量级和强度时，该流域或区域发生山溪洪水、泥石流、滑坡 等山洪灾害，称此降雨量为该流域或区域的临界雨量ｎ ；二 是从山溪河临界水位（流量）间接定义，即在目标河段断面 ２存在问题及研究思路 综上所述，山洪临界雨量定义决定了所采用的计算方 法，此定义和计算方法在理论上非常正确，但在实践中面 生成临界水位（流量）的累计降雨量 。 山洪临界雨量计算方法通常采用统计归纳法和水文 临诸多难题。一是两种定义的标准不一样。第一种定义是 水力学法。统计归纳法直接把历史降雨数据与山洪灾害 与滑坡、泥石流等灾害相应的降雨量，第二种定义是与预 数据建立相关关系，推求临界雨量。自《国家防办山洪防 警水位相应的降雨量，前者往往大于后者。二是分析资料 御预案编制大纲》提出的基于“统计归纳法”编制临界雨 缺乏。我国历来没有开展山溪洪水、滑坡、泥石流等灾害的 量以来，有许多关于山洪临界雨量研究的文献［２－３］ｏ水文水 常规监测，缺乏相关山洪灾害数据，更缺乏降雨与山洪灾 力学方法以山洪灾害形成的水文学过程、水力学过程为 害之间时序和临界的对应关系。三是山溪河临界水位代表 基础，基于与保护对象相应的临界水位，采用水力学方法 性不足。山溪河一般缺乏河道整治工程，河道断面沿程变 确定临界流量，假定不同历时的降雨输入，模拟分析一定 化较大，临界水位沿程变化也大，难以统一确定山洪临界 土壤饱和度条件下的降雨一流量关系，推求相应的临界 雨量。四是现有计算方法要求高。由于我国山洪灾害预警 雨量 。 点多，统计归纳方法缺乏资料，水文水力学方法技术要求 在国外，山洪预警指标基本上采用水文水力学方法 高，基层技术手段落后，山洪临界雨量确定工作任务重，不 计算成果变化大，难以准确、快捷地确定山 确定。典型代表为美国水文研究中心研发的山洪预警指 确定性因素多，收稿日期：２０１７－０９—１０ 第一作者信息：章四龙，男，教授，Ｅ－ｍａ ｃ１．ｓｌｚｈａｎｇ＠ｂｎｕ．ｅｄｕ Ｃｎ。 ＣＨＩＮＡ ＦＬＯＯＤ＆ＤＲＯＵＧＨＴ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ中国防汛抗旱一 ３６ ｌ 洪临界雨量。 。 嘲 黝卷 ｕ ＝一∑Ａ Ｉ∑ 加（。 Ｉ０）Ａ １。ｅ ｕ ：一 Ａ Ｄ¨一Ｉ 。№ 吼 。 （１） （２） （３） 位线，依据其峰现时间，确定流域最大汇流时间Ｄ。具体公 山洪临界雨量主要是用于山洪预警，以便提早做好 式如下： 人员转移避险。现行江河防汛预警广泛采用警戒水位作 为预警指标。警戒水位是指在江河、湖泊水位上涨到河 段内可能发生险情的水位，一般来说多取值于洪水普遍 漫滩或重要堤段水浸堤脚的水位。警戒水位定义明晰、 一１ ，（０）＝ （尺 ∑ Ａ ： Ｐ ） （ ≠ ）易于确定。借鉴江河防汛预警的成熟做法，考虑到山洪 临界雨量确定涉及山洪灾害发生及临界水位确定等因 ｎ［＿Ａ （Ａ 一ａｉ）］ 素的不确定性，采用引发一定量级暴雨洪水的降雨量作 为山洪临界雨量。《水文情报预报规范》（ＧＢ／Ｔ ２２４８２— ２ｏｏ８） 按洪水要素重现期小于５年、５～２０年、２Ｏ一５０ 年、大于５０年，将洪水分为小洪水、中洪水、大洪水、特 大洪水４个等级。因此，基于服务山洪预警目的，考虑暴 雨和洪水同频率关系，采用最小等级５年一遇暴雨洪水 对应的降雨量作为山洪临界雨量，即５年一遇山洪临界 雨量。 ３计算方法 《中国暴雨统计参数图集》ｍ经２００余科技人员、历经 ８年努力，于２００６年出版发行。该成果采用了约２．４万个观 测站、共１９０万站年雨量资料，具有ｉ０ｒａｉｎ、６０ｍｉｎ、６ｈ、２４ｈ 和３ ｄ共５种历时，涵盖均值等值线图、变差系数等值线图、 最大点雨量分布图、１００年一遇点雨量等值线图、均值格网 图、变差系数格网图、１００年一遇点雨量格网图、实测和调 查最大点雨量表等８类暴雨统计参数成果，充分反映了全 国暴雨时空分布规律，是我国设计暴雨综合研究的最新成 果和重要基础资料。 ５年一遇山洪临界雨量确定是基于暴雨统计参数 特征，结合山区流域地貌特征及分析提取的暴雨洪水 规律，采用云计算和云服务等先进计算机技术，准确快 速确定给定山洪区的山洪临界雨量。具体计算步骤 如下： （１）提取流域边界。针对某一山洪区出口断面经纬度 地理信息，基于全国３０ ｍ数字高程模型，经过数据填 洼、流向计算、累计流量计算等步骤，提取山洪区流域 边界。 （２）确定最大汇流时间。采用瞬时地貌单位线通用公 式法 ，以１ ｈ为计算时段，提取该山洪区流域瞬时地貌单 １－［＜２Ｒ￣一１１ 每 “ ４， ＝＋ 。｛ ＋＋ 。√＝ ，２，…， ｃ５， 式中：Ｒ 为面积率；Ｒ 为河数率；Ａ，为 级河流的平均等 待时间； 加（ｏ）为 级流域 级流域的初始概率；Ｐ 为状 态转移概率；Ａ 为关于Ａ，和Ｐ 的函数，没有特定含义， 是一个概化的系数；Ｂ （力）为利用Ａ 和Ｐ 的规律实现求 降雨量均值户、变差系数Ｃ ，偏差系数Ｃ 采用图集中参数 （Ｃ ：３．５Ｃ ）。 数Ｃ 和偏差系数ｃ ，计算获得不同时段５年一遇设计 Ｈ。＝日 （ＤＩＤ ）一 ’ （６） 式中：暴雨强度递减指数ｎ ＝１＋Ｃ·ｌｇ（Ｈ ／ｔｔ ）。４个分段区 ２０１８年２月第２期第２８卷 Ｆｅｂ．２０１８ ＮＯ ２ ＶＯＬ ２８ ＳＴＵＤ Ｉ ＥＳＡＮＤ ＤＩＳＣＵＳＳＯＮＳ Ｉ ｌ研究探讨＿３７４云计算平台 渐向中西部倾斜，形成一个封闭式的以低山、丘陵、盆地为 主、大小河流汇集贡水的丘陵低山地貌。于都县位于赣江 综上所述，基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法涉及 源流的贡水中游，汇集梅江、澄江、濂水、小溪河等４条较大 众多环节和复杂计算。『六Ｊ此，采用云服务和跨平台技术，开 支流。发山洪临界雨量云计算平台，通过确定和输入山洪点经纬 根据江西省赣州市水文局山洪调查评价成果，于都 度信息，即可方便、准确地获取相应的５年一遇山洪临界 县境内有１２４个山洪点。本次选取２０个山洪点用于案 雨量。 例分析，详见表１。具体分析过程：①依据表１中山洪点 山洪临界雨量云计算平台分为３层结构。数据层配有 的经纬度信息提取山洪点流域边界，结果见图１。②依 ３０ ｍ数字高程模型和暴雨统汁参数成果；应用层开发有ＬＬｌ 据山洪点位置信息和流域边界，提取山洪点地貌瞬时 洪临界雨量计算模块、流域边界提取接口、地貌瞬时单位 单位线，结果见图２（仅列出２个点）。根据单位线最大 线计算接口、暴雨统计参数计算接口、雨量频率计算接口； 值确定汇流时间Ｄ，结果见表２。③依据山洪点位置信 展现层为适合智能手机、平板电脑和计算机等终端的应用 息，空间差值提取不同时段暴雨统计参数，结果见表２。服务。 ④采用皮尔逊ＩＩＩ型频率法，分别计算不同时段的５年 一５应用实例 遇设计雨量，结果见表２。⑤根据《中国暴雨统计参数 图集》使用方法，确定与汇流时间Ｄ相应的５年一遇山 江西省于都县地处赣州市东部，总面积２８９３ ｋｍ ，年 洪临界雨量。均降雨量１５０７ ｍｍ。境内地貌复杂，南、东、北地势较高，逐 表１于都县２Ｏ个山洪点位置信息 江西省赣州市水文局对于都县开展了山洪调查评价， 序号 １ ２ 山洪点 黄麟乡前塘村 经度，（。）纬度／（。） １ １５．６９８０ ２５．７９７８２ 盘古山镇下增村 １ １５．４４８２ ２５．６２９９５ ３ ４ 盘古山镇下增村 １１５．４６０１ ２５．６２２７７ 盘古山镇下增村 １ １５．４６７３ ２５．６１４９７ ５ ６ ７ 盘古山镇长龙村 １ １５．４８４６ ２５．５８４９３ 盘古山镇长龙村 １ １５．４８７３ ２５．５８３４２ 靖石乡田东村 １ １５．５０２３ ２５．６７３９７ ８ ９ 靖石乡杨梅村 靖石乡靖东村 １ １５．４８８６ ２５．６４９６１ ｌ１５，５１８９ ２５．６５０１１ 图１于都县山洪点分布图及山洪流域边界图 １０ 铁山垄镇丰田村 １１５．５２３８ ２５．７３３６０ １ ｌ 沙心乡东布村坝上１ １５．７５８３ ２６．０２２２１ ｌ２ 沙心乡东布村坝下１１５．７５８０ ２６．０２１６５ ｌ３ 沙心乡沙新村坝上ｌ１５．７７０３ ２５．９９３９８ ｌ４ 沙心乡沙新村坝下１ １５．７６８４ ２５．９９４３７ ２０ １５ １（） ５ ０ ｌ５ １６ 沙心乡高屋村 沙心乡沙塘村 １ １５ ７７２５ ２５．９７７７７ １１５．７５２８ ２５．９８５５８ ｌ７ 葛坳乡澄江村坝上１ １５．７６５３ ２６．２８７７４ ｌ ８ 葛坳乡澄江村坝下１ １５．７６４３ ２６．２８５３４ （ａ）盘古ＬＵ镇长坨村 时段，ｈ Ｉ９ 葛坳乡澄江村澄山１１５．７６４７ ２６．２７６５９ ２Ｏ 葛坳乡牛颈村坝上１ １５．７２７９ ２６．２７３６２ ｂ）靖石乡杨梅村 图２于都县２个山洪点地貌瞬时单位线 ＣＨＩＮＡ ＦＬＯＯＤ＆ＤＲＯＵＧＨＴ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ中国防汛抗旱一 ３８ 研究探讨 ＳＴＵＤｌＥＳ ＡＮＤ ＤＩＳＣＵＳＳＩＯＮＳ ２０１８年２月第２期第２８卷 Ｆｅｂ ２０１８ ＮＯ ２ ＶＯＬ ２８ 表２于都县２Ｏ个山洪点５年一遇山洪临界雨量计算表 ２］程卫帅．山洪灾害临界雨量研究综述［Ｊ］．水科学进展，２０１３，２４ 其山洪临界雨量计算方法是以山洪点沿程最低防御点作 ［为预警水位，通过水文水力学方法确定。对比其成果，５年 一（６）：９０１—９０８ 遇山洪临界雨量总体是接近但小于依据预警水位确定 ［３］李中平，张明波．全国山洪灾害防治规划降雨区划研究［Ｊ］．水资 源研究，２００５（２）：３２—３４ 的山洪临界雨量。 ［４］Ｈａｐｕａｒａｃｈｃｈｌ Ｈ Ａ Ｐ，Ｗａｎｇ Ｑ Ｊ，Ｐａｇａｎｏ Ｔ Ｃ．Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｓ｝ｎ ６结语 ｌｆａｓｈ ｆｌｏｏｄ ｆｏｒｅｃａｓｔｌｎｇ［Ｊ］Ｈｙｄｒｏ Ｐｏｇｌｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，２０１１，２５（１８）： ２７７１－２７８４ 基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法定义清晰，符 ［５］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理 合山洪预警业务需求。该方法充分利用《中国暴雨统计 参数图集》成果，采用云计算平台，成果合理，计算方便， 可作为山洪预警指标，更好地服务于我国山洪预警 工作。 参考文献 ］全国山洪灾害防治规划领导小组办公室．山洪灾害临界雨量分 析计算细则［Ｒ］．２００３． 委员会．水文情报预报规范：ＧＢ／Ｔ ２２４８２—２００８［Ｓ］．北京：中国标准出 版社，２００８ ［６］水利部水文局中国暴雨统计参数图集［Ｍ］北京：中国水利水电出版 社，２００６ ［７］胡健伟，陆桂华，吴志勇．基于地理信息系统技术的ＧｌＵＨ通用公式的 应用［Ｊ］．河海大学学报（自然科学版），２００５，３３（３）：２６９—２７２． ［８］孙东亚，张红萍．欧美山洪灾害防治研究进展及实践【Ｊ］中国水 利，２０１２（２３）：１６—１７． 责任编辑姚力玮 ■中国防汛抗旱ＣＨＩＮＡ ＦＬＯＯＤ＆ＤＲＯＵＧＨＴ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ
