暴雨洪涝灾害致灾临界(面)雨量确定技术指南
附件
中小河流洪水、山洪、泥石流、滑坡灾害致灾临界（面）雨量确定
技
术
指
南
（0.1版本2013）
国家气候中心
2013年7月
目录
一、中小河流洪水临界（面）雨量确定 (1)
1.1 术语与定义 (1)
1.2 资料 (2)
1.3 临界（面）雨量确定方法 (4)
1.4 个例 (7)
参考文献 (28)
二、山洪临界（面）雨量确定 (30)
2.1 定义 (30)
2.2 资料 (30)
2.3 确定致灾临界（面）雨量的方法 (31)
2.4个例 (34)
参考文献 (45)
三、泥石流、滑坡致灾临界雨量确定 (46)
3.1 定义 (46)
3.2 资料 (46)
3.3 方法 (46)
3.4个例 (47)
参考文献 (49)
附录1：流域边界提取方法 (51)
附录2：流域面雨量计算方法 (52)
附录3：水文模型 (53)
附录4：Floodarea淹没模型 (56)
附录5：临界（面）雨量汇总表 (59)
前言
我国的大江大河经过几十年的基础设施建设已具备了较强的防汛抗洪的能力，但中小河流洪水、山洪以及泥石流、滑坡等灾害对人民生命财产的威协日显突出。为了提高中小流域洪水、山洪及泥石流、滑坡灾害风险预警评估水平，中国气象局启动了开展针对降水诱发中小河流洪水、山洪以及泥石流、滑坡等灾害的气象预警业务系统的研发工作，这是减灾防灾的重要有效途径之一。
将传统的灾害性天气预报向气象灾害预警这一新的领域推进，其重要的核心技术之一就是致灾临界（面）雨量的确定。为了做好全国降水诱发的中小河流洪水、山洪以及泥石流、滑坡地质灾害的致灾临界（面）雨量确定这一工作，且方法科学统一，在中国气象局应急减灾与公共服务司的领导下，国家气候中心从去年开始举办了多次全国性的学习或培训班，邀请专家系统地讲解了有关知识及方法，研究确定了临界指标及等级划分，并基于福建、湖北、安徽以及江西等省气候中心试点成果，累积经验，以利全国推广。
本技术指南是在全国暴雨洪涝灾害风险普查及风险评估试点工作基础上完成的。主要内容包括：中小河流洪水、山洪以及泥石流、滑坡地质灾害临界（面）雨量的定义、所用资料、指标确定及等级划分、具体操作方法步骤以及试验案例简介，并且在附录中介绍了流域边界提取方法和几个主要的模型。本指南主要用于各省（区、市）气象部门中小河流洪水、山洪以及泥石流、滑坡等灾害临界（面）雨量确定时参考使用。目前该指南为0.1版本，我们相信随着监测手段、灾害机理、模型等技术的不断提高及致灾临界阈值研究的深入，本技术指南的内容也将不断更新、充实和完善。
本技术指南是由国家气候中心组织编写，福建、湖北、安徽以及江西等省气候中心参加，经技术专家组讨论通过。
一、中小河流洪水临界（面）雨量确定
1.1 术语与定义
1.1.1 中小河流
这里中小河流指流域面积大于200平方公里小于3000平方公里的河流。
1.1.2 面雨量
整个区域内单位面积上的平均降水量，能较客观地反映整个区域的降水情况。
1.1.3致灾临界（面）雨量
降雨是造成中小河流洪水的直接因素和主要激发条件。在一个流域内，降雨量（或面雨量）达到或超过某一量值和强度时，该流域可能发生洪水灾害，造成淹没农田、房屋、冲毁桥梁等损失以及人员伤亡，常把这一量值及强度称为该流域的致灾临界（面）雨量、雨强。致灾临界（面）雨量是洪涝灾害气象预警发布及采取相应预防措施的关键指标，它的大小与地质、地貌、地形等特征、土壤、植被、人类活动等情况有关。不同流域内不同地点的致灾临界（面）雨量也不同。致灾临界（面）雨量随前期条件如降水、土壤水分、水位的不同也会有所不同，这些条件的不断变化，致灾临界（面）雨量也呈现动态变化。
1.1.4 水位基面
计算水位和高程的起始面。在水文资料中涉及的基面有：绝对基面、假定基面、测站基面、冻结基面等四种。
1.1.5水位
水体的自由水面高出基面以上的高程。其单位为米。
1.1.6 警戒水位
在江、河、湖泊水位上涨到河段内可能发生险情的水位，一般来说，有堤防的大江大河多取决于洪水普遍漫滩或重要堤段水浸堤脚的水位，是堤防险情可能逐渐增多时的水位。它是我国防汛部门规定的各江河堤防需要处于防守戒备状态的水位。是防汛特征水位之一。
1.1.7保证水位
指堤防工程所能保证自身安全运行的水位。又称最高防洪水位或危害水位。系指堤防设计水位或历史上防御过的最高水位。也是中国根据江河堤防情况规
定的防汛安全上限水位，往往就是堤防设计安全水位。是防汛特征水位之一。
1.1.8防洪高水位
水库遇到下游保护对象的设计标准洪水位时，在坝前达到的最高水位。是水库特征水位之一。
1.1.9设计洪水位
当遇到大坝设计标准洪水时，水库经调洪后（坝前）达到的最高水位。它是水库在正常运用情况下允许达到的最高洪水位。是水库特征水位之一。
1.1.10校核洪水位
遇到大坝校核洪水时，坝前水库达到的最高水位，也称非常洪水位。是水库特征水位之一。
1.2 资料
基础资料的收集整理主要依托于暴雨洪涝灾害风险普查工作，用于分析致灾临界雨量的资料可分为气象、水文、地理、隐患点、灾情等类别的数据及文字资料。
1.2.1 一般原则与要求
基础资料应是正式发布的或相关主管部门认可的权威性资料。
气象、水文资料应是相应机构整编的资料，一般不少于30年（建站少于30年的应从建站起收集整理），序列至少为逐日资料。小河流应当有小时降雨资料。
地理数据主要为1:5万基础地理信息数据集，或者为测绘部门所认可的其他地理信息数据。
隐患点信息来自于实地考察、调查，或者被相关部门认可的资料。
灾情资料来源应是权威的历史文献、档案和灾情调查报告，或被相关部门所认可的资料。
其他要求可参照《暴雨洪涝灾害风险普查技术规范》。
1.2.2 气象水文资料
（1）气象站的基本信息，包括站名、站号、地理坐标等；
（2）气象站（包括区域自动气象站）的降水、温度等要素历史序列，时间分辨率为日、小时；
（3）水利部门降雨观测历史资料，特别是洪水过程的降雨资料；
（4）主要控制水文站的基本信息，包括站名、站号、地理坐标等；
（5）主要控制水文站的水位、流量等要素的历史序列；
（6）主要控制水文站警戒、保证水位，典型场次洪水的水位、流量、洪量等；
（7）河堤、水库等水利工程水位特征值；
（8）河流典型控制断面水位—流量关系曲线。
1.2.3 地理资料
（1）地形图，比例尺：1:250000及更高精度；
（2）行政区划图，比例尺：1:250000及更高精度，县级行政区划；
（3）水系图，比例尺：1:250000及更高精度；
（4）交通路网，居民点图，比例尺：1:50000及更高精度；
（5）土地利用类型图，比例尺：1:100000及更高精度；
（6）河流堤坝高度和性质，分段填写；
（7）土壤特征参数；
（8）其他，为准确判断中小河流位置，还需要收集中小河流所在或流经乡镇名称或相关地标。
1.2.4 隐患点资料
历史上最大洪水淹没的居民点、医院、学校、企业、道路、桥梁等重要设施的海拔高度和经纬度以及人口、经济等基本信息。
1.2.5 历史灾情资料
历史洪水灾害资料应包括雨情、水情记载、灾害损失、影响人数、水毁工程等；场次水灾发生时段，淹没信息（分布、水深、面积、淹没历时等）。
1.2.6 资料完整性与必要性说明
以上资料收集依托暴雨洪涝灾害风险普查工作来开展，从普查数据集中提取相应资料。针对所研究区域可根据分析需求开展更为细致的调查和收集工作，以获取更为完整的资料。
为保证致灾临界（面）雨量指标的合理性和科学性，上述类别资料应力求完备。
1.3 临界（面）雨量确定方法
1.3.1 致灾条件识别
中小河流洪水一般由于降雨集中、强度强、持续时间长，造成河道水位上涨，漫过堤坝及水库，或对防洪工程造成破坏，如溃坝、决堤，导致洪水淹没村庄、农田、基础设施遭到破坏，造成人员伤亡等灾害。考虑到洪水上涨到一定程度，防洪工程出现危险造成灾害的风险大，将中小河流洪水水位分为三个等级：警戒水位（三级）、保证水位（二级）、漫坝时水位即堤坝高度（一级）。
对每一个水文控制点，求达到这三种水位的临界面雨量。三级洪水临界面雨量定义为某水文控制点以上流域一定时效的降雨使该水文控制点水位上升达到警戒水位的面雨量；二级洪水临界面雨量定义为某水文控制点以上流域一定时效的降雨使该水文控制点水位上升达到保证水位的面雨量；一级洪水临界面雨量定义为某水文控制点以上流域一定时效的降雨使该水文控制点水位上升至漫过堤坝时水位的面雨量。具体填表见（附录5，表F_T3A）。
当河道有水库时，考虑水库的重要特征水位及大坝高度，做为不同洪水等级的标准。水库上游一定时效的降雨量使水库水位达防洪高水位时的面雨量称之为四级洪水临界面雨量；水库上游一定时效的降雨量使水库水位达设计洪水位时的面雨量称之为三级洪水临界面雨量；水库上游一定时效的降雨量使水库水位达校核洪水位时的面雨量称之为二级洪水临界面雨量；水库上游一定时效的降雨量使水库水位达漫坝水位时的面雨量称之为一级洪水临界面雨量。具体填表见（附录5，表F_T3B）。
如果中小河流上没有水文站，则洪水分级和确定临界面雨量的方法参见第二章。
1.3.2 方法流程
图1.1 中小河流洪水临界（面）雨量确定方法流程
步骤一：收集基础资料
根据研究需要，收集气象、水文、地理、隐患点、灾情等各类资料。
步骤二：前期数据处理准备
1）对收集资料进行质量检查和控制；
2）提取所研究的流域边界，确定研究区范围，流域边界的提取方法参见附录1；
3）确定流域面雨量算法，计算形成面雨量历史序列，面雨量计算方法参见附录2。
步骤三：选择分析方法
根据所掌握的资料和方法可行性来确定将采用的方法，主要方法包括统计分析法和水文模型法两种。
统计方法：通过分析洪水水文特征量（水位上涨）与水位站以上流域的面雨量及其它有关变量的关系，并建立统计模型。根据历史洪水的洪水水位或洪水水位上涨量和这个统计模型，便可以得到不同洪水等级（水位上涨量）的临界（面）雨量。或者通过建立土壤饱和度、面雨量点聚图，在图中确定一条临界线，其上为出现某级洪水，其下未出现该级洪水。所采用的主要统计方法包括：统计回归、非线性拟合、聚类分析等。
水文模型法：水文模型是以流域为系统，模拟流域上降雨径流形成过程。系统的输入是降雨量和蒸发量，输出为流域出口断面的流量过程（参见附录3）。
方法选择的一般原则：
在选择方法前，首先需要考虑资料完整度，当资料完整度较高时推荐采用水文模型进行临界面雨量分析。此外，还需要分析流域特点，例如流域面积、汇流时间等，如流域面积较大，汇流时间长，要考虑前期降水的影响和降水时效问题，应当采用动态临界雨量指标进行表征。
步骤四：确定降雨量与水位关系
在确定分析方法后，按照不同方法步骤，开展分析计算，建立降雨量与水位关系，开展临界（面）雨量计算。
1）统计分析法的一般步骤：基于研究区和资料情况确定统计方法→根据所选用方法对资料进行整理→利用历史洪水过程建立水文特征量（水位、流量等）与降水量的定量关系。
2）水文模型法的一般步骤：选择水文模型→准备输入和验证数据→基于历史水文数据率定和验证模型→得到适用于研究区的最优化模型参数→根据率定后的水文模型和流量-水位关系→最终确定降水与水位的定量关系。
步骤五：确定临界雨量
根据历史灾情或者防洪标准（警戒、保证水位和超堤防高度）等，利用所建立的降雨量—水位定量关系最终确定不同等级的临界（面）雨量。
步骤六：检验优化
通过实际业务服务应用对临界（面）雨量指标的合理性进行检验评估，并根据检验反馈情况不断进行优化完善致灾临界（面）雨量指标。
1.4 个例
以下给出3个流域计算致灾临界（面）雨量的案例，其中淮河流域资料较为齐全，流域面积大，汇流时间长，临界（面）雨量值的计算主要采用了水文模型和统计方法；漳河流域则给出了有水库的中小河流洪水临界（面）雨量的计算方法，主要采用了水文模型结合统计方法来进行分析，同时还研究了降水时间分布型对致灾临界（面）雨量值的影响；翠江流域是典型的山区小河流，汇流时间短，资料相对来说较为欠缺，针对流域特点，采用了统计方法计算临界（面）雨量指标。
1.4.1 淮河王家坝以上流域
（1）流域概况及致灾条件识别
选择淮河流域重要控制站王家坝所在的阜南县为试点研究地区，重点研究以王家坝为出口断面的流域洪水临界（面）雨量阈值。王家坝以上淮河长约360公里，地面落差178米，位于阜南境内的王家坝闸是淮河上重要的水利枢纽工程。阜南县位于安徽省西北部，地处淮河上、中游结合部。全县地势由西北向东南逐渐缓倾，地面高程在20米至34.5米之间，平均坡降八千分之一。北部为河间平原，中部为沿河坡地，南部为蒙洪洼地。
王家坝历经14次开闸蓄洪，蒙洼蓄洪区饱受洪灾危害，对于王家坝而言，暴雨致灾主要是由于流域内降水致洪，使河道水位上涨，超过一定水位时需要分洪，导致蓄洪区被淹、人民生命财产受损等。因此，临界面雨量可通过河流控制断面的防洪标准等级来进行判别，当王家坝以上流域内降水致使该站河流水位上涨至警戒、保证或者漫过堤坝时的水位，这时的流域面雨量就分别对应三级、二级或一级洪水临界（面）雨量。
（2）洪水临界（面）雨量确定的方法步骤
步骤一：基础资料收集
通过部门合作共享，收集了所需的各类资料（表1.1），其中需要注意的是，由于研究的是流域暴雨洪涝灾害，在计算汇水区域和面雨量时，不仅要考虑王家坝地区，同时还涉及到上游区域，因此需要收集包括上游区域的DEM、土地利用等地理信息以便于提取研究区上游的汇水区。
表1.1 基础数据资料清单
在进行临界面雨量分析之前首先需要计算研究区的面雨量历史序列。重点关注以王家坝为出口断面的流域面雨量，根据水系、DEM和断面位置等信息，采用GIS和水文分析技术确定和提取了王家坝以上流域的范围（图1.2）。而在该区域内雨量站分布相对较为密集和均匀，因此，直接采用地面雨量站的降水和泰森多边形方法来进行面雨量的计算，形成了王家坝以上流域面雨量的逐日序列（图1.2）。
图1.2 王家坝以上流域2000—2009年逐日面雨量序列
步骤三：选择分析方法
针对研究区域的资料类别收集相对较为完整，能够满足水文模型的研究需求，并且根据前人研究成果淮河上游降水汇流到王家坝出口断面一般在3日以内，汇流和峰现时间相对较长，因此，根据资料完整度和流域特点可采用水文
模型来进行确立流域降雨量和水位关系，与此同时在应用统计方法分析降雨量—水位关系时则需考虑前期降水或水文特征的影响。以半分布式水文模型（HBV）和考虑水文自相关的统计模型两种方法来分析流域降雨量与水位关系，进而确定洪水临界面雨量。
步骤四：确定降雨量—水位关系
1) 水文模型法
首先采用王家坝以上流域逐日气象、水文数据对HBV模型参数进行了率定，率定和验证结果如图1.3所示，可以看出率定后的HBV模型对王家坝站日径流深模拟的确定性系数达0.9以上，对洪水过程也能较好的捕捉，模型模拟的结果与实况较一致，能够很好地模拟出王家坝以上流域的日径流过程。
图1.3 HBV模型在王家坝站率定和验证效果
（上图为参数率定期，下图为验证期观测径流与模拟径流逐日对比）
率定后的HBV模型可以反映流域降水—流量的定量关系，进一步结合王家坝站洪水流量与水位的关系（图1.4），可以建立降水—流量—水位之间的关系，从而可以推算河水达警戒水位、保证水位、漫过堤坝时水位的临界面雨量。
图1.4 王家坝站洪水流量—水位概化关系图
2) 统计方法
根据水文系统的非线性特征，选择具有强大非线性拟合能力的人工神经网络技术来构建统计模型。在建模前，需要首先考虑到水文系统自身的特征和所需参数的物理意义（李向阳等，2006）。采用的ANN模型是基于河流水文系统的自相关性特征来建立的，即河流水文特征和前期（尤其是前一个时刻）有一定关系，这种特性要求在建立模型时必须考虑t时刻水文特征量和t时刻前水文特征量之间的关系，t的大小一般与流域的汇流时间密切相关。
采用逐日面雨量和王家坝断面水位作为建模数据，其中以2000—2004年数据作为训练样本建立ANN模型，以2005—2009年资料进行模型检验。由图1.5可知，ANN模型能够很准确的预报出王家坝站逐日水位，模拟的确定系数达到0.98以上，模拟的水文过程线基本与实测基本一致，表明ANN模型可以很好的反映流域降水—水位关系，从而可为分析致灾临界气象条件提供可靠工具。
图1.5 ANN模型对王家坝站2005—2009年逐日水位的模拟结果
步骤五：确定临界（面）雨量
通过以上步骤已利用HBV模型和ANN模型分别确立了研究区的降雨量—水位定量关系。当计算的河流洪水达到警戒、保证或漫过堤坝水位时，即认定此时的面雨量为所对应洪水等级的临界（面）雨量。由于王家坝历次洪水过程的起涨水位一般都在22米以上，因此以22米作为起始水位，将不同前期水位与雨量代入到模型中，再以王家坝站警戒水位27.5米、保证水位29.3米、堤防高程30.4米为临界判别条件，可以分别得出不同前期水位下对应的各级临界（面）雨量值（图1.6），由于河流漫坝时，原有的流量-水位关系不再适用，所以未给出漫坝水位时，HBV推算的临界雨量值。这里给出时效为24小时降雨量的阈值分析结果（表1.2），其中取两种方法推算结果较小的值作为临界阈值，需要注意的是这里的雨量值指的是王家坝以上流域的面雨量。
图1.6 王家坝以上流域不同等级洪水（a警戒; b保证; c堤防）临界面雨量—前期水位统计关系曲线
表1.2 临界（面）雨量表
（3）结果分析
研究所建立的两种降雨量—水位关系在王家坝站均有较好的适用性，因而均可作为确定洪水临界面雨量的方法。与此同时，两种方法也各有优缺点，本个例侧重介绍方法，所以流域相对较大，可将流域进一步细分，进行逐级模拟分析所得结果应更为精确合理。根据以上分析结果，将不同基础水位所对应的各级别临界阈值分析成果进行整理，即可填入到普查表的相关内容中，如表1.3所示。
表1.3 不同洪水等级临界面雨量（附录5 表F-T3A）
1.4.2 漳河流域
（1）流域概况与致灾条件识别
漳河发源于湖北省南漳县境荆山南麓之三景庄，流经保康、远安、荆门、
当阳等县、市，于当阳市两河口与西支沮河汇流，全长202公里。流域为一长条形，自西北向东南倾斜，平均长约100公里，宽约30公里，流域面积2980平方公里，海拔高程自42米至1400米。漳河水库位于湖北荆门市，1958年7月兴建动工，1966年4月水库工程基本建成开始拦洪蓄水。水库控制流域面积2212平方公里，其中观音寺水库1957平方公里，鸡公尖水库255平方公里，总库容20.35亿立方米，是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖、供水、环境保护等综合利用的大型水利枢纽。（如图1.7所示）
图1.7 漳河流域的示意图
洪水标准的选取原则可有二种方案：一是由控制水位确定（李兰等，2013）；二是由调查灾情确定。漳河水库位于湖北省荆门市境内，系拦截漳河及其支流而成，位于漳河流域中游，由观音寺、鸡公尖水库经明渠串联而成，漳河水库既表征了上游汇水特征，其水位又与下游的洪涝灾害密切，按照水库水利设施的设计标准《漳河水库调度运用手册》，选择漳河水库的漫过堤坝洪水位、校核洪水位、设计洪水位、防洪高水位为不同等级洪水的标准（表1.4）。
表1.4 漳河水库洪水标准
（2）临界（面）雨量确定的方法步骤
步骤一：基础资料收集
根据研究需要，收集相关气象、水文、地理、隐患点、灾情等各类资料。
小流域暴雨洪涝灾害是因为流域内的强降水形成径流、汇流，大大超过了中小河流及水利设施的防洪承受能力的结果。利用统计方法及水文模型模拟计算流域的临界（面）雨量所需资料如下：
1）率定水文模型所需资料：试验流域约40—50场洪水过程的逐小时降水、流量资料、水位资料。
2）确定流域、降雨量—水位关系、水库设计抗洪能力所需资料：地理信息数据、漳河流域矢量边界数据、漳河水库历史洪水、径流数据、水库抗
洪能力相关数据。
3）确定洪水标准所需资料：流域洪水临界水位需要漫坝洪水位（水库大坝高度）、校核洪水位、设计洪水位、防洪高水位、汛限水位等以及相应
的库容数据。
4）漳河流域及其下游洪涝灾情资料。
5）漳河流域洪涝灾害隐患点资料。
步骤二：前期数据准备处理
资料质量检查和控制，对收集的降水、流量资料、水位资料进行检查，并进行质量控制，检查数据的完整性和有效性，将当中的无效和异常数据剔除，比如缺测数据、错误或乱码数据。对灾情数据进行实地调查及核灾。
运用漳河流域矢量边界数据，从地理信息数据中提取相关数据（土壤类型、土地分类、高程等），确定研究区范围。
中小流域面雨量的计算以运用水文雨量站资料为最有利，因为水文雨量站点的设立是以计算流域面雨量为基础的，分布较均匀，故在水文雨量站资料齐全的条件下，面雨量直接用各站雨量求平均值即可。但也应考虑气象灾害预警时，是否能实时获得这些站点雨量资料。
步骤三：选择分析方法
根据资料收集情况和流域特点，采用了统计分析法和水文模型两种方法来确定研究区降雨量和水位关系。
步骤四：统计分析方法确定降雨量和水位关系及临界面雨量
根据漳河流域气候特征，统计流域多年平均降水以及径流量①，计算分析流域多年平均径流系数，结合水库水位-库容关系，推算相应的雨量，由此得到表1.5。
①赵金河，陈崇德．2001．漳河水库调度运用手册．湖北省漳河工程管理局
表1.5 漳河流域漳河水库水位库容关系及临界（面）雨量推算表
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