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山洪灾害图制作：中国霞浦流域的试点案例研究

张大伟，金泉，张宏斌，王芳，王洪，何晓燕

中国水利水电科学研究院，北京100038，中国

防汛减灾研究中心，水利部北京100038，公共关系研究中心

2014年10月10号收到；2015年5月6号录用

2015年8月13号可上网查询

摘要：

山洪灾害图制作是一种支持防范山洪暴发的非结构性措施。试点案例研究对发展对于技术支持系统的山洪灾害图制作的更切实可行的方法是必要的。在这项研究中，在中国中部的霞浦河流域的上游流域被选为洪水风险图制作的试点研究区域。一个概念性分布式水文模型在基于新安江模型框架的洪水计算下被开发，它被广泛应用于中国的湿润和半湿润地区。该模型采用地貌单位线法，与原新安江模型比较，在无资料地区小流域模拟坡面流过程时，这是很有价值的。在试验研究区，该模型进行了测试，结果与实测数据整体一致。校准和验证后，该模型被证明是一个对山洪洪水计算有用的工具。一种利用计算出的峰值流量和数字高程模型数据来制作山洪灾害图的实用方法被提出，并且三个层次的洪水灾害进行了分类。由此产生的山洪灾害图表明，该方法成功地预测了山洪灾害的空间分布，它可以满足中国目前的要求。

关键词：山洪灾害图制作；概念性水文分布模型；新安江你模型；地貌单位线；霞浦流域

引言

山洪由是暴雨引起的，它的特点往往是在有小流域较陡的斜坡河流或小溪中水位快速上涨。由于其高强度和突发性，山洪暴发通常会导致严重的地方灾害，因此，山洪灾害的预防对于许多国家是一个重大的挑战。在中国，山区和丘陵地区的甘蔗几乎占全国三分之二的土地覆盖，洪水已成为自然灾害引起人员伤亡的一个主要的原因。另外，我国山洪灾害的发生率越来越高，严重制约了山区和丘陵地区的社会经济发展。为了提高山洪暴发的预防能力，中国政府自从2010年已经向防止山洪暴发非结构性措施中投入了大量的资金（太阳等，2012）。洪水风险图，做为支持这些措施的组成部分，是一个基本的工具，可以用来指导当地规划、洪水风险评估、应急计划和应急。我国的山洪灾害危险性区划研究起步较晚。自20世纪80年代以来，我国的洪水灾害制图开始发展，但山洪灾害的发展最近才进行。为了探索山洪灾害风险图制作的实用方法，我国已经开始了一些试点研究。

山洪计算是山洪灾害制图的重要组成部分。然而，山洪暴发的形成是复杂的。洪水也常常发生在无资料流域，构成对洪水模拟一个更大的挑战。许多学者已经进行了山洪模拟研究。例如，Roux等人（2011）开发的基于物理过程的分布式水文模型；Estupina-Borrell等人（2006）提出了基于物理的，时空的分布式水文模型的海洋（极端事件的径流和洪水预测模型）；而且地貌瞬时单位线（GIUH）已从地形学的机械特性中形成并在印度东部的Ajay流域十降雨事件（库马尔等，2007）用于流域的地表径流的水文模拟。山洪机制日益增长的知识表明，流域的形态变量控制的水文响应（angillieri，2008；穆萨，2003）。基于这一认识，地貌单位线（GUH）已经成为在数据

不足情况下估计水文过程最受欢迎的方法（Diakakis，2011；Du 等，2009）。这种方法是基于流域地貌（如面积、形状，地形、流密度）和水文过程之间的定量关系（khaleghi等，2014；nourani等人2009）。它具有只需要限数量的参数和地貌数据可以从地形图和数字高程模型（DEMs）的优势，（ROS和Borga，1997；姚等，2014）。随着GIS技术的发展，，基于DEM数据的流域几何参数计算变得容易。因此，为了开发适用于无资料流域一种新的水文模型的，基于DEM的GUH方法被用来估计各子流域径流水位（Kong和Wang，2009）。赵（1984）开发的新安江模型是一个概念性的降雨径流模型，是一种在中国湿润或半湿润地区在中国应用最广泛的模型（Liu等，2009）。因此，开发一个基于现有的新安江模型和GUH方法的更有效的模型来模拟发生在山区和丘陵区的山洪是可行的。

由于洪水灾害在流域管理的重要性，广泛的山洪暴发的估计研究已经进行了。Dawod等（2011）利用曲线数（CN）方法模拟无资料流域的山洪然后为了量化和空间地图的洪水特性将结果与地形、计量、地质、土地利用数据结合；Bajabaa等人（2014）结合GIS技术和研究区的地貌特征制作了洪水风险图；Fernandez-Lavado等（2007）从一个综合的地貌图导出洪水风险图，并分为三个层次（洪水灾害非常高，高，中等）。在我国，山洪灾害的主要目的是为了帮助社区应急计划，山洪灾害图制作还处于早期阶段（李等人，2013）。

一个试点研究在位于中国中部霞浦河流域的上游流域开展。对于山洪灾害模拟，一个使用GUHs基于新安江模型框架的新概念性的分布式水文模型被开发出来。另外还引进了一种描述山洪灾害地图的方法。

研究区域

霞浦河流域的水源集水区，图1所示，覆盖了位于湖北省东南部，中部的咸宁市112.5平方公里的面积。此流域范围从29 190 2500 N到29 250 4100 N和114 180 3500 E到114 280 3800 E, 该流域可作为一个平均坡度为0.58和海拔在157.6至1304.4米的丘陵地区。

研究区位于亚热带季风气候区，雨量充沛（年降雨量6301毫米），气候温和（平均气温16.3摄氏度）。在四月至九月的洪水季节，短时强降水量通常会引起山洪暴发，而陡坡地形造成快速排水。可能会导致严重的局部损害洪水，其特征是有大流量和对冲积物的高传输率。

流域内有四种土地利用类型：可耕地、森林、采矿区和住宅建筑，其中森林占比例最大。有四个小流域水电站：漳河口，冷水坪，大茶园和Egongjing，如图1所示。前三个是具有河流底部向上仅1米的坝的引水站。因此，在这项研究中，前三个水电站对山洪的影响被忽视。然而，这Egongjing水电站有一个984000m³存储容量和一个45km²流域的小水库；水库的调节功能必须考虑到。泄流堰是一种开放式的实际堰，23.45米宽，23.60米宽，采用堰流公式可计算出水库的流量。

主要的地形数据25米times;25米分辨率的DEM格式。八个典型的沿主流穿越横截面通道由全球定位系统设备测量，用于模拟沿通道洪水的传播。研究区域内，有三个雨量站：三宝，临商、和黄金。大五厂水文站位于排水口，其排放的数据用于模型验证。

3.山洪模拟的水文学方法

3.1水文模型框架

在这项研究中，一种基于由赵（1984）开发的新安江模型框架新的概念性分布式水文模型被研发出来。现有的新安江模型通常是在两个时间尺度的操作：洪水事件的每日连续模拟和逐时模拟。这项试点案例研究，采用每小时模拟。为了考虑水文过程的空间变化，研究流域划分为10个子流域。

对于每一个子流域，流量由四个主要模块来计算：蒸散量模块，径流生成模块，径流分离模块，径流路线模块。前三个模块来自现有的新安江模型。实际蒸散量由潜在蒸散量计算。根据张力的水容量分布曲线，土壤水容量在三层上进行了计算：上、下、深土层。降雨产生径流。根据自由水容量分布曲线，总径流量分为三个组成部分：地表径流，此表面径流和地下径流，根据自由水容量分布曲线。在径流路线模块中，通过GUH方法地表径流通向每个子流域出口。为了简单起见，次表面和地下径流的路线规划采用简单的线性储备池法。然后，利用马斯京根法，从每个子流域流出路线为沿通道流向主要排水渠道。

3.2 GUH方法

采用GUH方法时，最重要的一步是计算流域各点的集流时间。为了获得传播时间，平均流速应被估计。从理论上讲，表面流主要是由重力驱动的，而流速度与流域平均坡度之间有着密切的关系。一般情况下，坡面流的速度可以使用以下公式（李，2005）来估计：

V frac14; KO I1=2

V是陆流的速度，K₀是速度系数，而I是流域的平均坡度。K₀的值应通过实际水文资料的检定确定。当有足够的水文数据时，它可以根据山区地貌特征估计。

集水区的每一个点有它自己向出口的流动路径。基于DEM数据和GIS技术，根据D8算法水以最大梯度流入相邻网格单元，从中从每个点向出口的流动路径可以很容易地确定。图2（一）显示了每个网格单元假定的床层高度，相应的流动方向如图2所示。

根据流动路径和平均流速（图3所示）可以得到每个网格单元内的水集流时间（图3）。假设一个单位过程线的时间步长为dt，然后，在每一个时间步长dt内通向一个集水出口水流来计算网格单元的数目，在时间t的累计排水区S*(t)可以被计算出来，在时间t时的相对排水面积增量u（t），即在dt时间里累计排水面积的增加量和流域的总面积的比也可以根据如下（图3（b））得到：

times;100%

A是集水区的面积。根据时间面积曲线法（Muzik，1996），与S(t)=S*(t)A，S线可以得到（图3（c））。单位线可以根据如下计算（图3（d））：

Fig. 2. Flow directions defined by D8 algorithm.

q(t)是在t时刻dt时间里由一定量降水i引起的流域出口处的流量，其中i在研究中定义为单位降水量。

3.3.洪水演进模拟

上述提及的水文模型，用马斯京根法来模拟洪水在通道中的传播。马斯京根法有两个参数，滞后时间K和加权因子X，需要使用实测洪水资料来校准。然而，在山区和丘陵地区的小流域的水文数据相对稀缺。因此，传统的方法是不适于获得K和X。在研究中，参考流速和截面几何形状来确定每个洪水过程中的K的X。有关该方法的详细资料，可在孔和王（2008）中找到。

图4显示了各子流域的流量如何向整个流域的出口传播。在提及的水文模型中，每个子流域流量分别定义为Q_1c ，Q_2C，Q_3c，他们可以同时计算。然后，Q_1c和 Q_2C都加并考虑通道（Q_I）的洪水输入过程。在Q_I流向流域的出口后，可以得到相应的洪水输出过程Q_o。Q_3c和Q_o相加，可获得流域出口处的总洪水过程。

Fig. 4. Sketch of sub-catchment.

4．水文模型校准

如图5所示，集水区被分为面积从0.58到29.7平方公里的10个子集水区。

每个子流域的GUH在DEM数据即一个小时的时间长度和1毫米的单位降水上计算。利用咸宁市水文局提供的1994—2010年的10个历史性山洪事件，对新的概念性分布式水文模型进行了标定。由于相对较小的集水区和一定量的雨量站，用算术平均方法估计每个子流域的降水。校准参数值在表1中列出，10个子流域的GUHs如图6所示。

Fig. 5. Sub-catchments of study area.

Fig. 6. GUHs of each sub-catchment.

Fig. 7. Observed and simulated flash flood hydrographs at Dawuchang Hydrological Station.

在大五厂水文站的山洪过程线模拟如图7所示，其中Q是在大五厂水文站的洪水流量，P是在流域内每小时降水量。不同洪水事件的模拟结果见表2。很显然，在一般情况下，模拟结果与所观察到的数据相同。洪峰流量最大相对误差的绝对值是12%；除两个洪水事件（洪水940626号和050626号）外，实测洪峰流量和模拟结果之间的时间差异（t_D）是非常小的；所有洪水事件的纳什Sutcliffe效率值（NSE）系数都大于0.62，这意味着他们是可靠的。对于一些NSE低值洪水事件可能由于四座水电站缺乏相关数据。一般情况下，新的水文模型表现良好，可以利用在山洪暴发分析中。

5.山洪风险图制作

山洪灾害危险性分析提供了一个对设计山洪暴发的范围和强度的估计。山洪引发的灾害通常发生在沿通道的村庄和城镇。冷水坪村，位于7个子流域中，由于其相对大的受害规模，被选定为山洪风险图制作对象，。上游和下游的控制部分分别为漳河口和车头如图5所示。山洪灾害风险图的制图程序如下：

（1）估计不同重现期（2，5，10，20，50，100年）的设计暴雨：在研究流域，降水资料系列不能满足的频率计算要求，因此，六小时具有不同重现期的设计暴雨是在HPDWR（2008年）的数据基础上估计的，如表3所示。

（2）利用校准的水文模型计算设计山洪过程：为了简便起见，图8只显示了2-和100年的重现期的设计山洪的模拟结果

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