兰州市七里河区雷坛河流域山洪灾害临界雨量分析
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摘要：为提出更科学、专业的山洪灾害顸警方法，以兰州七里河区雷坛河中下游的花寨子村、崖头村、五里铺村3个沿河村落为例，选用瞬时单位线的设计洪水计算成果，根据实测控制断面形态，采用曼宁公式计算其洪水位。结合沿河村落住户高程进行平面投影，确定了防灾对象成灾水位，通过分析水位流量关系得出成灾流量。基于暴雨洪水同频率的假定，采用水位流量反推法确定研究区山洪灾害临界雨量预警指标，为研究区山洪灾害防御工作提供参考。
关键词：山洪灾害;临界雨量;水位流量反推法;雷坛河;兰州
中图法分类号：P338文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.05.006
山洪灾害是指山丘区降雨、融雪等引起的山溪洪水、泥石流和滑坡等灾害。山洪灾害具有暴发突然、运动凶猛、破坏性强、灾害历时短、易成灾等基本特点。山洪灾害的形成与发生主要与地形地貌、地质构造、降水和人类活动等因素有关。
山洪災害是兰州市区发生频次最高、危害最大的自然灾害。山洪灾害多源于暴雨，其灾害程度主要取决于暴雨的强度。据统计，在1949年8月14日、1951年8月1日、1978年8月7日、2004年8月14日，兰州市七里河区雷坛河流域发生4场大洪水，洪水淹没农田、冲毁道路，对当地造成巨大损失。
1研究区概况
雷坛河是黄河南岸一级支流，又称水磨沟，发源于兰州市榆中县马衔山北麓，流向自南向北，汇集了榆中县马衔山与兴隆山之间马坡、银山两乡山区水流，于兰州市七里河区汇入黄河。雷坛河汇水面积259.1km2，主沟全长43.35km，纵比降20.02‰，年径流量987万m3。支沟有59条，总长240.08km，主要有铁治沟、烂泥沟、大沟、西沟、寨子沟、黄家沟、马泉沟、黑沟、清水沟。支沟平时干涸，只有在大暴雨时，才有小股洪水流出。雷坛河流域位于黄土丘陵区，海拔1900-2100m，相对高差约200m，山体坡度在15°-35°，植被覆盖率低，由于长期受洪水侵蚀，水土流失严重。流域内居民共计20364户81458人，土地面积193.1km2，耕地面积3384.8hm2（50772亩）。
研究主要针对兰州市七里河区雷坛河中下游区域，选取两岸住户较为密集的3个沿河村落，自上游至下游依次为花寨子村、崖头村和五里铺村。3个村落的人口分别为1893人、2 800人、1178人;土地面积分别为3.2，4，3.5km2;耕地面积分别为95.27（1429亩），67.60（1014亩），20.33hm2（305亩）。
2数据收集与研究方法
2.1数据来源
该研究所使用的流域面积、主沟长度、比降数据来源于地形图的量算。土壤和植被资料从全国山洪灾害防治项目组统一制作的各县工作底图中获得。雷坛河3个沿河村落处的断面数据、住户高程根据甘肃省测绘局CORS系统，采用RTK测量方式获得。暴雨资料来源于《甘肃省暴雨洪水图集》（以下简称“《图集》”）与《甘肃省暴雨特性研究》（以下简称“《研究》”）。研究所需各项参数见表1～2。
暴雨时程分配根据《图集》推荐的24h典型分配，从最大时段开始，一左一右选取雨型值，直至时段个数大致与设计暴雨时段数相等，从而得到小流域不同时段的暴雨时程分配。
2.3设计洪水计算方法
2.3.1兰州市经验公式法
根据地理特征（汇流面积、沟道比降、沟道长度、流域形状系数）、暴雨特征（最大小时降雨量）、洪峰流量特征，采用逐步图解分析法，通过综合分析研究后，推求出经验公式中有关参数。
2.3.3瞬时单位线
选取黄河干支流区主雨峰为3h的综合概化时程分配雨型，同频率控制放大，得到不同频率设计面雨量过程。雷坛河流域下垫面属黄土区，用黄土区产流期平均入渗率进行产流计算可得出产流历时tc、产流历时内的降雨量、产流期平均入渗率，将产流期各时段的降雨量减去时段入渗量即为净雨过程。产流前的降雨量之和为初损，产流期以后的雨量亦全部下渗。计算平均净雨强i=h/t。，用黄土区瞬时单位线汇流参数m1和m2地区综合公式可计算得出n和k。
2.4临界雨量计算方法
根据保护对象具体情况，确定所在沟道断面处可能发生山洪灾害时的临界水位值H临，进而根据断面特征分析水位一流量关系曲线;再利用临界水位得到对应流量值Q灾。通过计算得到成灾频率尸灾，对照雨量频率关系曲线图，查图可得对应时段的设计暴雨，并将其作为不同时段的临界雨量。
3计算结果
3.1设计暴雨计算
根据《研究》获取1h、6h和24h暴雨均值和CV值，按照Cs=3.5Cv，查找《图集》的模比系数KP值，计算各单元不同设计频率的设计点雨量。根据《山洪灾害分析评价技术要求》，暴雨频率选择了1%、2%、5%、10%、20%共5种频率。通过查询《图集》可获得点面折减系数“、流域形状改正系数y、相应时段的暴雨递减系数以及对应分区的24h雨型分配过程。按照同频率放大法，基于流域面积，采用了主雨峰为3h的综合雨型分配法推求出设计面雨量的时程分配。设计暴雨成果见表3。
3.2设计洪水计算
该研究中的3个村落出口断面处设计洪水采用兰州市经验公式、推理公式、瞬时单位线法计算，见表4。对比3种方法计算成果可知，兰州市经验公式和推理公式值设计洪水计算结果接近，瞬时单位线法计算的结果明显偏大。山洪灾害对人民生命财产安全造成巨大的威胁，出于安全考虑，研究选用了瞬时单位线的成果值。
3.3水位一流量一人口关系
绘制水位一流量一人口曲线的目的是统计确定各频率洪水淹没高程下的累计人口和房屋数量。参考相关技术规范和研究，首先需收集人口和高程数据等信息;其次，基于平面投影的原理，将房屋高程数据投影到河道纵断面上;最后，结合河道纵断面实测数据和计算得到的不同频率洪水所对应的水位值，统计确定各频率洪水淹没高程下的累积人口以及水位一流量一人口关系数据。根据住户高程投影确定花寨子村、崖头村、五里铺村控制断面处成灾水位分别为1707.83，1584.00，1512.21m。
3.4临界雨量
临界雨量计算是一个反复试算的过程，通常假定一个初始雨量，按雨量及雨型分析得到相应的降雨过程，并计算出预警地点的洪水过程，进而比较计算所得洪峰流量与预警地点的预警流量。在洪水和降雨频率相同的假设条件下，采用水位流量反推的方法计算临界雨量，其中成灾流量可通过分析水位一流量关系曲线得出。花寨子村、崖头村、五里铺村3个沿河村落所对应的成灾流量分别为112，246，156m3/s。结合流量频率曲线，3个村落的成灾频率分别为50.6%、16.8%、26.8%。根据暴雨频率曲线，成灾频率对应的设计雨量即为临界雨量。
3.5预警指标
分析防洪评价现状可知，立即转移指标以控制断面当前的成灾水位（流量）作为临界值，而准备转移指标需考虑洪水涨速及河谷地形等因素影响，然后根据设计洪水数据进行估算。《山洪灾害分析评价方法指南》提供了两种确定雨量预警指标的方法：①在洪水过程线上，成灾流量出现前约30min，反推相应时段的雨量作为准备转移指标;②以控制断面平滩流量反算相应的时段雨量，将该雨量作为准备转移指标。3个沿河村落的山洪灾害预警指标见表5。
4结论
本文基于暴雨洪水同频率的假定条件，采用水位流量反推法计算了雷坛河中下游花寨子村、崖头村、五里铺村的山洪灾害临界雨量，得出以下结论。
（1）花寨子村、崖头村、五里铺村控制断面处成灾水位分别为1707.83，1584.00，1512.21m;对应成灾流量分别为112，246，156m3/s;成灾频率分别为50.6%，16.8%，26.8%。
（2）花寨子村、崖头村、五里铺村1h临界雨量预警指标为16.00，20.71，20.69mm;3h临界雨量预警指标为19.83，25.99，25.96mm。
（3）小流域山洪灾害临界雨量的确定不仅与所在流域特性有关，更与防灾对象的现状防洪能力有关。在山洪灾害预警中，需紧密结合沿河村落的现状防洪能力和临界雨量等动态指标并进行综合分析，可为科学、高效预警防灾提供依据。
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