基于水文模型及水動(dòng)力模型的山洪臨界雨量研究論文
引言
山洪是指山區(qū)溪溝中發(fā)生的暴漲洪水，影響面積小，具有突發(fā)、水量集中、流速大、沖刷破壞力強(qiáng)的特點(diǎn)。山洪及其誘發(fā)的泥石流、滑坡，常造成人員傷亡、設(shè)施毀壞，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重危害。日趨嚴(yán)重的山洪災(zāi)害已得到了各級(jí)政府的高度重視，這對(duì)氣象部門山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估業(yè)務(wù)提出了迫切的需求。
山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵有兩點(diǎn)，一是致災(zāi)臨界雨量的確定，另一個(gè)是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。致災(zāi)臨界雨量的分析計(jì)算與確定是山洪災(zāi)害研究的重要基礎(chǔ)。對(duì)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(nèi)插法、比擬法、山洪災(zāi)害事例調(diào)查法、災(zāi)害與降水頻率分析法等，這些方法多從雨量本身或?yàn)?zāi)情方面出發(fā)，沒有考慮水文過程。美國(guó)水文研究中心研發(fā)的山洪指導(dǎo)（flashfloodguidance,FFG）法基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的概念，通過水文模型分析計(jì)算，反推出流域出口洪峰流量達(dá)到預(yù)警流量所需的降水量，該方法兼顧了運(yùn)行效率和水文過程，適用于有水文資料的流域。山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，目前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估多為定性的結(jié)果，或是基于歷史數(shù)據(jù)得出的“靜態(tài)”的評(píng)估結(jié)果，無法“動(dòng)態(tài)”的進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，利用GIS技術(shù)則可以解決這一問題，獲取洪水淹沒范圍，進(jìn)而結(jié)合承災(zāi)體屬性實(shí)現(xiàn)山洪災(zāi)害的動(dòng)態(tài)定量評(píng)估。
國(guó)外學(xué)者已嘗試將降水預(yù)報(bào)與水文模型、水力學(xué)模型結(jié)合應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)及早期預(yù)警、洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，國(guó)內(nèi)有學(xué)者亦嘗試了在較大的流域上建立從降水預(yù)報(bào)到洪水預(yù)報(bào)的模型。本文以閩江上游的寧化漁潭境內(nèi)的一個(gè)小流域作為研究對(duì)象，首先利用流域面雨量和流量率定該流域的TopModel模型參數(shù)，根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果確定不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的臨界流量，然后利用已率定的模型參數(shù)確定臨界流量對(duì)應(yīng)的臨界面雨量，同時(shí)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(tái)對(duì)不同隱患點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
1方法簡(jiǎn)介
1.1“TopModel”水文模型
1979年，Beven和Kirkby提出了以地形為基礎(chǔ)的TopModel半分布式流域水文模型（TopgraphybasedhydrologicalModel）。Topmodel是以地形為基礎(chǔ)的模型，基于DEM推求地形指數(shù)來反映流域水文響應(yīng)特性，模擬變動(dòng)產(chǎn)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(shù)的大小和分布是影響模型產(chǎn)匯流計(jì)算的重要因子之一，模型中采用Quinn提出的多流向法，將網(wǎng)格單元的地形指數(shù)看作是隨機(jī)變量，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析得到地形指數(shù)的頻率密度分布，地形指數(shù)相同的網(wǎng)格具有相同的水文響應(yīng)，用“地形指數(shù)—面積分布函數(shù)”來描述水文特性的空間不均勻性。Topmodel的匯流計(jì)算主要應(yīng)用坡面徑流滯時(shí)函數(shù)和河道演算函數(shù)，匯流計(jì)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(jiǎn)單的常波速洪水演算方法。本文采用蘭開斯特大學(xué)環(huán)境與生物科學(xué)研究所開發(fā)的TopModel95.02版本，共有7個(gè)參數(shù)，分別是:Szm為土壤下滲率呈指數(shù)衰減的速率;T0為土壤剛達(dá)飽和時(shí)的傳導(dǎo)度;Td為重力排水的時(shí)間滯時(shí)參數(shù);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(shù)據(jù)，德國(guó)Geomer公司開發(fā)了內(nèi)嵌于ArcGIS平臺(tái)的擴(kuò)展模塊FloodArea，專門用于洪水演進(jìn)模擬與動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)制圖。FloodArea采用ArcGRID數(shù)據(jù)格式，基于數(shù)字高程模型進(jìn)行水文—水動(dòng)力學(xué)建模，充分考慮了地形坡度和不同地表覆蓋形態(tài)下地面糙度對(duì)洪水演進(jìn)形態(tài)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(jìn)入模型，并可根據(jù)水文過程線進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，可視化表達(dá)流向、流速和淹沒水深等水文要素的時(shí)空物理場(chǎng)，為洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)制圖提供了有效工具。
2典型個(gè)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(nèi)，流域內(nèi)部地勢(shì)相對(duì)平坦，流域周圍被高山環(huán)繞，整個(gè)流域海拔為349～1100m。流域內(nèi)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(gè)流域面積632km2，流域涉及到水茜、泉上、湖村、中沙4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的部分或全部區(qū)域。
2.2資料
2.2.1水位、流量資料
流域內(nèi)有一個(gè)漁潭水文觀測(cè)站，觀測(cè)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(gè)過程的資料進(jìn)行水文模型參數(shù)率定，選擇2012年5月13日的過程作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)。
2.2.2面雨量資料
2.3臨界雨量的計(jì)算
2.3.1“TopModel”模型的參數(shù)率定
通過2010年5~6月兩次暴雨過程的逐時(shí)面雨量和流量數(shù)據(jù)，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)調(diào)整模式的7個(gè)參數(shù)，使模擬流量盡可能接近輸入流量來確定參數(shù)大小。通過模式的參數(shù)率定，使兩次暴雨過程的確定性系數(shù)均達(dá)到0.94以上。
2.3.2致災(zāi)臨界雨量確定
根據(jù)實(shí)地調(diào)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(fā)生了小洪水，漫溝1.75m并淹沒水田，調(diào)查得知這次洪水最高水位327.75m，在歷史上屬中等程度。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，分別將漫溝、淹沒水田、淹沒居民點(diǎn)的水位作為不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的`臨界水位，即326m為低風(fēng)險(xiǎn)的臨界水位，327m和328m分別為中、高風(fēng)險(xiǎn)的水位。
2.4山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
取漁潭流域中落差相對(duì)較小且兩岸居民相對(duì)集中的主河道，對(duì)河道進(jìn)行柵格化，河道高程代表河道基面高度，根據(jù)水位過程線的高度進(jìn)行“河道漫頂式”模擬，得到漁潭流域下游河道兩岸不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的淹沒情況。根據(jù)得到的淹沒情況圖，利用GIS的疊置分析功能，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)淹沒范圍內(nèi)居民點(diǎn)、道路等承載體影響程度的評(píng)估。
2.5效果檢驗(yàn)
2012年前汛期期間，漁潭流域發(fā)生了一次低風(fēng)險(xiǎn)山洪過程（圖5），發(fā)生低風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警開始時(shí)間是13日10時(shí)，此時(shí)水位正好達(dá)到低風(fēng)險(xiǎn)水位326m，預(yù)警開始時(shí)間準(zhǔn)確；12時(shí)水位上漲至預(yù)先設(shè)定的中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)而面雨量仍然在低風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，可見原先設(shè)定的中風(fēng)險(xiǎn)水位偏低，因此在中風(fēng)險(xiǎn)臨界雨量不變的情況下，上調(diào)中風(fēng)險(xiǎn)水位至328m，高風(fēng)險(xiǎn)水位相應(yīng)調(diào)整為329m，調(diào)整結(jié)果與實(shí)際情況是否符合，尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。
3結(jié)論
本文用典型個(gè)例分析方法，以位于福建省三明市寧化縣境內(nèi)的漁潭流域?yàn)槔芯烤邆渫暾挠^測(cè)資料的山洪流域?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(shù)，把根據(jù)實(shí)地考察結(jié)果確定的致災(zāi)臨界流量和率定的模型參數(shù)回代模擬得到各級(jí)致災(zāi)臨界雨量；同時(shí)結(jié)合FloodArea淹沒模型，獲取不同臨界水位下的淹沒范圍，結(jié)合GIS技術(shù)確定淹沒范圍的影響程度，從而實(shí)現(xiàn)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)估。
通過分析檢驗(yàn)，得到以下初步結(jié)論：
�。�1）在具有完整水文觀測(cè)資料的流域，采用水文模型模擬，能夠很好地體現(xiàn)山洪災(zāi)害發(fā)生過程的雨洪關(guān)系，并得到不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下的臨界雨量。這對(duì)于山洪災(zāi)害的防御有著重要作用，只要預(yù)報(bào)出流域內(nèi)降水量達(dá)到或超過風(fēng)險(xiǎn)臨界雨量，就可以發(fā)布不同等級(jí)的山洪災(zāi)害預(yù)警。
�。�2）結(jié)合淹沒模型，可獲取流域不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下可能淹沒范圍、淹沒水深，為可能發(fā)生山洪災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行人員遷移、災(zāi)害防御提供指導(dǎo)性建議。
（3）根據(jù)2012年前汛期強(qiáng)降水過程的檢驗(yàn)，漁潭流域山洪事件得到準(zhǔn)確的預(yù)警，但是尚需在今后的應(yīng)用中就臨界水位調(diào)整和提高預(yù)警時(shí)效做進(jìn)一步研究。
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