基于分布式模型的多维动态临界雨量山洪预警研究
管晓祥，姚新宇，沈 婕，宋耀榕，楚汉琛
【摘 要】摘要：根据国内外山洪预警预报技术的最新进展，提出了以HEC-HMS模型为基础，考虑土壤含水量和起涨水位的多维动态临界雨量山洪预警方法。结合上流水文站1993～2003年实测资料，率定HEC-HMS模型参数，确定预警时间、预警流量以及雨型分配等关键因素，计算多维动态临界雨量，建立了山洪动态预警方案，经过历史致灾洪水检验，结果可靠。 【期刊名称】江苏水利 【年(卷),期】2017(000)012 【总页数】5
【关键词】上流流域；山洪预警；多维动态临界雨量；HEC-HMS模型
0 引言
山洪灾害是指因降雨在山丘区引发的溪流洪水等对国民经济和人民生命财产造成的灾害。近年来，极端天气事件不断增多，突发性暴雨频发，山洪灾害已成为造成人民生命财产损失的主要灾害，严重制约了广大山丘区经济社会的可持续发展，中小流域山洪的预报与预警是防洪减灾工作突出难点。
山洪灾害具有流速快、预见期短等特点，且山洪区资料缺乏，山洪准确预报非常困难，山洪研究致力于避免或者减少山洪灾害的损失。我国气候、地质条件空间差异较大，水文气象站网分布不均，众多地区数据严重匮乏。因此，现有的山洪灾害临界雨量的确定方法主要包括实测雨量统计法[1-2]、水位—流量反推法[3]、暴雨临界曲线法[4]、比拟法[5]、水动力学计算方法[6]等。美国常用的预警指标称为Flash Flood Guidance（FFG）[7-8]，该方法具有较强的物理
基础，较为全面地考虑了降雨、土层含水量以及下垫面特性三大因素，覆盖地区类型和气候类型均较广，能够提供预警指标的动态信息，故该方法及相关成果在欧洲、非洲等很多国家和地区得到广泛运用[9-12]。为了适用于多个小流域，目前亦有将分布式水文模型应用于临界雨量研究的探索[13-15]。从方法上看，美国的FFG 方法更接近于用分布式水文模型方法确定的动态临界雨量。刘志雨等[16]分析了国内外山洪预警预报技术的最新进展，提出了以分布式模型为基础，以动态临界雨量为指标的山洪预警预报法，并在江西遂川江流域进行了应用。
1 研究区概况与数据收集
本研究选取江西省上流水文站控制的玉琊溪流域为研究区。上流水文站位于东经118°03′、北纬28°48′，属于信江水系，集水面积171 km2，位于玉山县境内西部地区。该流域年均降水量为2210.9 mm，年均径流深为1530.2 mm，平均径流系数为0.69。年内降水多集中于4～9月，约占年降水量的76.8%，年内径流多集中于4～9月，约占年径流深的71.7%，属典型的湿润区。流域内林地所占的面积比重最大，部分布有大面积成片的耕地，还有少量草地和人工地表存在。该流域土壤质地主要为砂黏土，其次为黏壤土和砂壤土。
2 研究方法
一般情况下，山洪成灾的原因是局地暴雨形成洪水，导致河水急速上涨，水位超过河岸高度形成漫滩，上滩洪水对农田和房屋造成安全威胁。因此，通常可以将河水漫滩的水位定为警戒水位。根据上滩水位，结合实测河流断面资料估算出相应的上滩流量，即为警戒流量。由于径流是由降雨产生的，从达到上滩流量的时间开始往前推，在一定时间内的累计降雨量称之为警戒临界雨量[8]。
刘志雨等[16]研究山洪预警时认为山洪的大小除与降雨总量、降雨强度有关外，还和流域土壤饱和程度密切相关。根据《山洪灾害分析评价技术要求》，应选择不同情况下的土壤初始含水量进行预警指标分析，代表土壤湿度较干（Pa≤0.5WM）、适中（0.5 WM≤Pa≤0.8WM）以及较湿（Pa≥0.8WM）3种情况（其中WM是土壤饱和含水量）。当土壤较干时，降水下渗大，产生地表径流则小；反之，若土壤较湿，降水入渗少时，就易形成地表径流。随着流域土壤饱和度的变化，山洪预警临界警戒雨量值也会随之发生变化，故将考虑土壤含水量变化的临界雨量称之为动态临界雨量。
临界雨量除了与上述因素紧密联系，还与降雨之前的河道初始水位，即起涨水位密切相关。若降雨强度、降雨总量、土壤含水量相同，起涨水位越高，则易达到警戒水位，从而引发山洪。因此，在小流域预警中应显示考虑起涨水位的影响，考虑不同起涨水位、初始土壤含水量和降雨历时的多维动态临界雨量指标。该临界雨量指标计算步骤如下：
（1）依据研究区历史雨洪资料，率定HECHMS模型的产汇流参数；
（2）分析山洪防站点水位流量关系，确定多种情景起涨水位，依据水位流量关系，推求起涨流量，进而建立多种初始土壤含水量、起涨流量的情景组合； （3）给定最大1 h、2 h、3 h、6 h临界雨量试算值，分别按照雨型进行分配，计算其降雨量过程；
（4）将设定的降雨过程和模型初值输入HECHMS模型，进行产汇流计算推求洪峰流量，不断调整降雨输入，直至HEC-HMS计算洪峰流量近似等于警戒雨量，此时输入降雨即为相应历时和初始土壤含水量、起涨流量所对应的临界雨量。
基于分布式模型的多维动态临界雨量山洪预警研究
