基于水文模型及水動力模型的山洪臨界雨量研究論文
引言
山洪是指山區溪溝中發生的暴漲洪水，影響面積小，具有突發、水量集中、流速大、沖刷破壞力強的特點。山洪及其誘發的泥石流、滑坡，常造成人員傷亡、設施毀壞，對人民生命財產造成嚴重危害。日趨嚴重的山洪災害已得到了各級政府的高度重視，這對氣象部門山洪災害風險評估業務提出了迫切的需求。
山洪災害風險評估的關鍵有兩點，一是致災臨界雨量的確定，另一個是風險評估。致災臨界雨量的分析計算與確定是山洪災害研究的重要基礎。對于無資料或資料比較缺乏的地方，臨界雨量的分析方法主要采用內插法、比擬法、山洪災害事例調查法、災害與降水頻率分析法等，這些方法多從雨量本身或災情方面出發，沒有考慮水文過程。美國水文研究中心研發的山洪指導（flashfloodguidance,FFG）法基于動態臨界雨量的概念，通過水文模型分析計算，反推出流域出口洪峰流量達到預警流量所需的降水量，該方法兼顧了運行效率和水文過程，適用于有水文資料的流域。山洪災害風險評估的另一個關鍵點是風險評估，目前的風險評估多為定性的結果，或是基于歷史數據得出的“靜態”的評估結果，無法“動態”的進行風險評估，利用GIS技術則可以解決這一問題，獲取洪水淹沒范圍，進而結合承災體屬性實現山洪災害的動態定量評估。
國外學者已嘗試將降水預報與水文模型、水力學模型結合應用于洪水預報及早期預警、洪災風險評估中，國內有學者亦嘗試了在較大的流域上建立從降水預報到洪水預報的模型。本文以閩江上游的寧化漁潭境內的一個小流域作為研究對象，首先利用流域面雨量和流量率定該流域的TopModel模型參數，根據實地調查結果確定不同風險等級的臨界流量，然后利用已率定的模型參數確定臨界流量對應的臨界面雨量，同時將臨界水位輸入FloodArea淹沒模型得到淹沒水深和面積，并利用GIS平臺對不同隱患點進行風險評估。
1方法簡介
1.1“TopModel”水文模型
1979年，Beven和Kirkby提出了以地形為基礎的TopModel半分布式流域水文模型（TopgraphybasedhydrologicalModel）。Topmodel是以地形為基礎的模型，基于DEM推求地形指數來反映流域水文響應特性，模擬變動產流面積，即流域總徑流是飽和坡面流和壤中流之和。地形指數的大小和分布是影響模型產匯流計算的重要因子之一，模型中采用Quinn提出的多流向法，將網格單元的地形指數看作是隨機變量，經過統計分析得到地形指數的頻率密度分布，地形指數相同的網格具有相同的水文響應，用“地形指數—面積分布函數”來描述水文特性的空間不均勻性。Topmodel的匯流計算主要應用坡面徑流滯時函數和河道演算函數，匯流計算主要采用單位線的方法，河道演算采用河道平均洪峰波速的方法，常采用簡單的常波速洪水演算方法。本文采用蘭開斯特大學環境與生物科學研究所開發的TopModel95.02版本，共有7個參數，分別是:Szm為土壤下滲率呈指數衰減的速率;T0為土壤剛達飽和時的傳導度;Td為重力排水的時間滯時參數;Srmax為根帶最大蓄水能力;Sr0為根帶土壤的初始缺水量;RV為地表坡面匯流的有效速度;CHV為主河道匯流的有效速度。
1.2“FloodArea”淹沒模型
基于GIS柵格數據，德國Geomer公司開發了內嵌于ArcGIS平臺的擴展模塊FloodArea，專門用于洪水演進模擬與動態風險制圖。FloodArea采用ArcGRID數據格式，基于數字高程模型進行水文—水動力學建模，充分考慮了地形坡度和不同地表覆蓋形態下地面糙度對洪水演進形態的影響；洪水以給定水位、給定流量和給定面雨量三種方式進入模型，并可根據水文過程線進行實時調整，可視化表達流向、流速和淹沒水深等水文要素的時空物理場，為洪水淹沒風險動態制圖提供了有效工具。
2典型個例分析
2.1山洪流域基本情況
本文選擇的流域位于福建省三明市寧化縣境內，流域內部地勢相對平坦，流域周圍被高山環繞，整個流域海拔為349～1100m。流域內有水茜溪和東溪兩條河流，并在流域西南部出口處匯合。整個流域面積632km2，流域涉及到水茜、泉上、湖村、中沙4個鄉鎮的部分或全部區域。
2.2資料
2.2.1水位、流量資料
流域內有一個漁潭水文觀測站，觀測逐日水位、流量，因資料有限，選擇2010年5月19～23日、2010年6月13～27日兩個過程的資料進行水文模型參數率定，選擇2012年5月13日的過程作為驗證數據。
2.2.2面雨量資料
2.3臨界雨量的計算
2.3.1“TopModel”模型的參數率定
通過2010年5~6月兩次暴雨過程的逐時面雨量和流量數據，根據目標函數調整模式的7個參數，使模擬流量盡可能接近輸入流量來確定參數大小。通過模式的參數率定，使兩次暴雨過程的確定性系數均達到0.94以上。
2.3.2致災臨界雨量確定
根據實地調查，漁潭斷面壩高326m，大部分水田位置高出壩高1m。2010年6.18過程，漁潭發生了小洪水，漫溝1.75m并淹沒水田，調查得知這次洪水最高水位327.75m，在歷史上屬中等程度。根據調查結果，分別將漫溝、淹沒水田、淹沒居民點的水位作為不同風險等級的`臨界水位，即326m為低風險的臨界水位，327m和328m分別為中、高風險的水位。
2.4山洪災害風險評估
取漁潭流域中落差相對較小且兩岸居民相對集中的主河道，對河道進行柵格化，河道高程代表河道基面高度，根據水位過程線的高度進行“河道漫頂式”模擬，得到漁潭流域下游河道兩岸不同風險等級的淹沒情況。根據得到的淹沒情況圖，利用GIS的疊置分析功能，即可實現對不同風險等級淹沒范圍內居民點、道路等承載體影響程度的評估。
2.5效果檢驗
2012年前汛期期間，漁潭流域發生了一次低風險山洪過程（圖5），發生低風險預警開始時間是13日10時，此時水位正好達到低風險水位326m，預警開始時間準確；12時水位上漲至預先設定的中風險等級而面雨量仍然在低風險級別，可見原先設定的中風險水位偏低，因此在中風險臨界雨量不變的情況下，上調中風險水位至328m，高風險水位相應調整為329m，調整結果與實際情況是否符合，尚需進一步驗證。
3結論
本文用典型個例分析方法，以位于福建省三明市寧化縣境內的漁潭流域為例研究具備完整水文觀測資料的山洪流域災害風險評估方法。具體步驟如下：首先利用雨量和流量資料率定流域的TopModel模型參數，把根據實地考察結果確定的致災臨界流量和率定的模型參數回代模擬得到各級致災臨界雨量；同時結合FloodArea淹沒模型，獲取不同臨界水位下的淹沒范圍，結合GIS技術確定淹沒范圍的影響程度，從而實現山洪災害風險的動態評估。
通過分析檢驗，得到以下初步結論：
（1）在具有完整水文觀測資料的流域，采用水文模型模擬，能夠很好地體現山洪災害發生過程的雨洪關系，并得到不同風險等級下的臨界雨量。這對于山洪災害的防御有著重要作用，只要預報出流域內降水量達到或超過風險臨界雨量，就可以發布不同等級的山洪災害預警。
（2）結合淹沒模型，可獲取流域不同風險等級下可能淹沒范圍、淹沒水深，為可能發生山洪災害區域進行人員遷移、災害防御提供指導性建議。
（3）根據2012年前汛期強降水過程的檢驗，漁潭流域山洪事件得到準確的預警，但是尚需在今后的應用中就臨界水位調整和提高預警時效做進一步研究。
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