不同土壤含水量的动态临界雨量拟定方法研究

第４ ６卷 第 １ ２期
２ ０ １ ５年 ６月
人 民 长 江
Ｙａ ｎ ｇ ｔ ｚ ｅ Ｒｉ ｖｅ ｒ
Ｖｏ １ ． ４ ６， Ｎｏ． １ ２
Ｊ ｕ ｎ ｅ ， ２ ０ １ ５
文章编号 ： １ ０ ０ １ — ４ １ ７ ９ （ ２ ０ １ ５ ） １ ２— ０ ０ ２ １ — ０ ６
数， 反 映流 域下 垫面 不均 程度 ） 、 Ｗ Ｍ（ 流 域 土壤 平 均 含
水量 ） 密 切 相 关 。 国 内外 文 献 研 究 表 明 ， 同样 的降 雨
量（ 面雨 量 ） ， 不 同 的前 期 土 壤 含 水 量 ， 在 控 制 断 面 所 形 成的洪 峰流 量也 有 差异 ， 若仅 采 用 雨 量 作 为预 警 指 标， 必然 存在 较大 的不确 定性 。鉴 于此 ， 本文 综合 考虑 降雨 量 和土壤 含水 量 因素 ， 将 其作 为 山洪预警 指标 ， 通
方法 效果 更优 。 国内 ， 刘 志 雨等 提 出 了一 种 推 求 动 态
变化 ， 拟定 动态 临界雨 量 的方法 ， 并选 取 山洪易 发 的隽
水 上游 （ 陆水 崇 阳 以上 流 域 ） 作 为应 用 试 验流 域 ， 开 展
临界 雨量 的简单 方法 ， 将 所有 场次 洪水 前 ２ ４ ｈ的时
本 文基 于 流域 降雨 径 流 关 系 ， 提 出综合 考 虑 不 同 土 壤含 水量 以及 前 期 实 测 降雨 量 （ 文中“ 前 期 实 测 降
雨量” 是 从 山洪 起 涨 时 刻 开 始 统 计 的 累计 降 雨量 ） 等
的相 关研 究 表 明 ， 以水 文 水力 学 拟 定 临 界 雨 量 的 分 析
不 同土 壤 含 水 量 的动 态 临界 雨 量 拟 定方 法 研 究
陈瑜 彬 ， 杨 文 发 ， 许 银 山
（ 长 江 水 利 委 员会 水 文 局 长 江 水 文 情 报 预 报 中心 ， 湖北 武 汉 ４ ３ ０ ０ １ ０ ）
摘要 ： 由于 资 料 缺 乏 和 对 临界 雨 量分 析 不 足 等 问题 ， 部 分 山洪 防 治 地 区 山 洪预 警 效 果 不 佳 。 基 于流 域 降 雨 径 流关 系， 结合流域土壤含水量和前期 实测降雨量 ， 计 算 了 河 道 洪峰 流 量 达 到 安 全 泄 量 所 需 的 下 一 时段 降 雨 量
泄量 所需 的下 一 时段 降 雨 量 Ｐ 之 间 的关 系 ， 并 采 用
定， 如０ ， １ ０ ， ２ ０ ， ３ ０ ， …， １ ２ ０ ｍ ｍ等； Ｗ ｏ 反 映前期 土壤 含
水程 度 ， 即Ｐ 。 ） 和 流域平 均 雨量 Ｐ下 的径 流 量 Ｒ， 将 计 算得 到 的 （ Ｐ， Ｐ 。 ， Ｒ） 组合 ， 绘 至 坐标 图上 即可 得 Ｒ＝ ， （ Ｐ， Ｐ ） 三变 相关 图 ， 然后 以样 本 代 人 检 验 ， 若 其 精 度
段最 大雨 量及 其对 应 的 土壤 饱 和 度 组 成状 态 空 间 ， 采 用合 适方 法给 出一 条 判 别 曲线 ， 根 据 对 应 洪 水 流量 是 否超 警将状 态 空 间分 为 两 部分 ， 这 条 曲线 就是 该 时段 的动 态 临界雨 量线 。但 该方法 未进 一步 考虑 前期 不 同 土壤 含水 量条 件动 态 变 化对 临界 雨 量 拟定 的影 响 ， 以
灾 害 防治 工作 ， 组织 开 发 了县 级 山 洪灾 害预 测 预 警 平
台系 统 ， 并 以临界雨 量 为 山洪 预 警 指标 开展 了 山洪 预 警实践， 取 得 了一定 的经 验 和成效 。然而 ， 在 实际工 作 中部 分 山洪防 治地 区 由于资 料缺 乏和 对 临界雨 量分 析 不 足 等问题 ， 导 致 山洪预 警实 际效 果不 佳 。 因此 ， 加 强
力学 方法 推求 。② 预警 响应 时 间 。一般 是 指 从 山洪 预警 信息 发 出到 山洪暴 发供受 保 护地 区人员 安全 转移
若前 一个 时段 无 降雨量 ， 即Ｐ ＝ ０时 ， 则
Ｐ
＝
。 ．
或超 过某一 量 级或强 度 时 ， 该 流域将 发 生 山洪 灾 害 ， 此
（ ２）
ｋ Ｐ
一
ｌ
时 间段 降雨量 即称 为 临 界雨 量 ， 本 文 重 点 采 用 水 文水
但 必须控 制
Ｐ ≤， （ ３ ）
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５—０ ３—２ ０
实 例 山洪动 态 临界 雨 量 拟定 研 究 。研 究 结 果 显 示 ， 该
基金项 目： 水 利 部 公 益 性 行 业 专 项科 研 经 费项 目（ ２ ０ １ ２ ０ １ ０ ６ ３ ）
作者简介 ： 陈瑜彬 ， 男， 工程 师 ， 主 要 从 事 流 域 水 文 预 报 技 术应 用及 研 究 工 作 。 Ｅ— ｍａ ｉ ｌ ： ｃ ｈ ｅ ｎ ｙ ｂ ＠ｅ ｊ ｈ ． ｅ ｏ ｍ． ｅ ｎ 通信作者 ： 杨文发 ， 男， 教 授 级 高级 工程 师 ， 主 要 从 事 长 江 流域 水 文 气 象 预 报 工 作 。Ｅ— ｍａ ｉ ｌ ： ｙ ａ ｎ ｇ ｗ ｆ ＠ｃ ｊ ｈ ． ｔ ｏ ｍ． ｃ ｎ
（ 临界雨量） ； 并 以 最 小 二 乘 法 准 则 拟 合 前 期 实测 降 雨 与 临 界 雨 量 之 间的 函数 关 系， 建 立 了不 同土 壤 含 水 量 等 级下的动 态ｌ 临界 雨 量计 算 函数 。依 据 试 验 流 域 隽 水 １ ９ ６ ４～ ２ ０ １ ４年 共 ３ ８场 具 有 代 表 性 的 典 型 洪 水 过 程 资料 ， 对 所 建 立 的动 态 临界 雨 量 计 算 函 数 进 行 检 验 ， 并 开展 山 洪 预 警 试 验 ， 合 格率达到 ９ ４ ． ７ ％ 。表 明 该 方 法 用 于 山
水量 ） 的取值 范 围及计 算 步长 ， 然后按 下式 （ ７ ） 、 （ ８ ） 分 别 计算 出在 不 同土 壤 初 始 含 水 量 （ 按 等 差 序 列 设
过分 析 流域前 期土 壤含水 量 Ｐ 前 期实 测 降 雨量 ∑Ｐ 与基 于 （ Ｐ 。 ， ∑Ｐ ） 条件 的河 道洪 峰 流量 恰 好 达 到安 全
２ ２
人 民 长 江

方 法可 用于有 一定 资 料 条 件 的流 域 拟 定 临界 雨 量 ， 为
１ ． ３ 降 雨 径 流 模 型 构 建
模 型构 建采 用常 用 的 降雨 径 流 Ａ Ｐ Ｉ 模 型 ， 主要 包 括产 流计 算 和汇流 计算 两部分 ， 其中， 产 流计 算采 用
１ ． ２ 土 壤 含 水 量 计 算
采用 前期 雨量 指数 Ｐ 。代 表流 域 的土 壤 含水 量 指 标， 反 映流域 的干 湿程度 。一 般采 用下 式 （ １ ）～（ ４ ） 经
当 Ⅱ＋ Ｐ— Ｅ≥Ｗ ＭＭ 时 ，
Ｒ ＝（ Ｐ —Ｅ）一 （ Ｗ Ｍ — Ｗ） （ ８ ）
验递 推公 式计 算 。
若 前一个 时段 有 降雨量 ， 即Ｐ ＞ ０时 ， 则
Ｐ ＝ｋ （ Ｐ 一 １＋Ｐ 川） （ １ ）
１ ． ４ 动 态 临 界 雨 量 计 算
为 了准确 判断 山洪 灾害 的发生 并及 时通 知受 保护 地 区的人 员转 移 ， 山洪预 警指 标需要 考 虑两个 因素 ： ① 临界 雨量 。一个 流域 或 区域某 一 时间段 内降雨量 达到
降雨 径流 三变 数相 关 图 ， 汇 流计 算 采 用 单 位 线 法 。一
开 展 山洪预警 提供 了一 种科 学合 理 的技 术手 段 。
１ 研 究 方 法
从 文献 ［ ３ ］ 可 以看 出 ， 山洪 流 量 大 小 除 了与 降雨 量 和降 雨强 度 有 关 外 ， 还 与 流 域 下 垫 面条 件 （ 土 壤 含
中 图 法 分 类 号 ：Ｐ ３ ４ ３ ． ２
近年 来 ， 全 球 气候 变 暖 ， 极 端 天气 事 件 频 发 ， 局 地 暴 雨 造成 的 山洪 、 泥石 流等 灾 害时有 发生 。 白 ２ ０ ０ ６年 以来 ， 国家 防 总和水 利 部 就 在 全 国 范 围 内实 施 了 山洪
Ⅱ＝Ｗ ＭＭ［ １一（ １一
Ｗ Ｍ Ｍ
： －
） ］
（ ５ ）
（ ６）
ｌ＋ ｂ
简单 、 易行 、 实用方 面 考 虑 ， 采 用算 术 平 均 法计 算 平 均 降 雨量 。文 中前期 实 测 降 雨量 、 临界 雨 量 是 指 流域 的
面平 均值 。
＝
当 口＋ Ｐ— Ｅ ＜Ｗ ＭＭ 时 ， （ Ｐ —Ｅ ）一 （ Ｗ Ｍ一 ）＋Ｗ Ｍ（ １一 ） ＋ （ ７ ）
高 等不 足 。
统 计法 和历 史 灾 害 分 析 法方 面
一
， 但 这 些 方 法 存 在
定 的局 限性 ， 例如 ， 因资 料 局 限性 （ 无 法对 山洪 灾 害
进行 巨细无 遗 的监 测 ） ， 临 界 雨 量 统 计 归 纳 法 得 出 的 临界 雨 量很 可能 并非 “ 真正的” 临 界雨 量 ， 而且 大 多 没 有定 量 考 虑 前 期 雨 量 影 响 （ 仅 以定 性 为 主 ） 。 国 内 外
洪预 警 在 技 术 上 是 可行 的 。
关
键
词： 土 壤 含 水 量 ；动 态 临 界 雨 量 ；降 雨 径 流 ；山 洪预 警 文 献 标 志 码 ：Ａ Ｄ ＯＩ ： １ ０ ． １ ６ ２ ３ ２ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． １ ０ ０ １ — ４ １ ７ ９ ． ２ ０ １ ５ ． １ ２ ． ０ ０ ６
法 ， Ｆ Ｆ Ｇ直 译为 山洪 指 导 ， 实际上就是临界雨量 ， Ｆ Ｆ Ｇ方法 由美 国水 文研究 中心 （ ＨＲ Ｃ ） 较 早提 出 ， 一 直 在 持续 改进 ， 最 近将 Ｆ Ｆ Ｇ与 分 布 式 水 文模 型结 合 ， 但 存 在所 拟定 临 界雨量 精度 差异 大 和要求 输入 资料 条件
般地 ， 降雨 径 流三变 数 相 关 图 的绘 制 方法 是 以样 本 点 为基 础 ， 采 用传 统 的 目估定 线方 式制作 ， 往 往受 主 观意 识 影 响较 大 。基 于便 捷 、 客观原 则 ， 对 此进 行 了改进 完 善， 完 全借 助计算 机 自动 拟 定完 成 绘 制 。 主要 是 采 用 蓄满 产流计 算公 式 ， 即下 式 （ ５ ）一（ ８ ） ， 设定 参 数 ｂ （ 常
对 临界 雨量 拟定 方 法应 用 的探 讨 很有 必要 。 目前 ， 国 内有关 预 警 标 准 的研 究 基 本 集 中在 数 理
及 结 合流 域 山洪 的传 播 时 间差 异 等 因素 。国外在 这方 面最 具 代 表 性 的 方 法 是 Ｆ Ｆ Ｇ（ ｌ ｆ ａ ｓ ｈ ｆ ｌ ｏ ｏ ｄ ｇ ｕ ｉ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ）
与流域 蓄水 量 相对 应 的纵坐 标为
１ ． １ 平均 降雨 量 计 算
由雨 量站 实测 雨 量记 录 ， 计 算 试 验 流 域 平 均 降雨 量（ 流域 面雨 量 ） ， 常用方法有算术平均法、 垂 直 平 分
法（ 又称 泰森 多边 形 法 ） 及 等 雨 量线 法 ３种 。本 文 从
最小 二乘 法建 立 了不 同土壤含 水 量等级 下 的动态 临界 雨量 计算 函数 ， 分 析 拟定 动 态 临 界 雨量 。该 方法 主 要
涉及 平 均降雨 量 、 土壤含 水量 、 降雨 径流 模 型构建及 动 态 临界雨 量计 算等 内容 。
满足 《 水文 情 报 预报 规 范 》 （ Ｓ Ｌ ２ ５ ０—２ ０ ０ ０ ） ， 则 计 算 结 束； 否则 ， 参 数 ｂ与 ＷＭ 需 重 新 取 值并 计 算 ， 直 至 所 绘 制 的降雨径 流相 关 图满足 精度 要求 为止 。