時(shí)間:2022年05月18日 分類:科學(xué)技術(shù)論文 次數(shù):
摘 要:臨界雨量方法在山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警中應(yīng)用廣泛,然而傳統(tǒng)的臨界雨量方法以靜態(tài)臨界雨量為主,且無法判別山洪災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。本文發(fā)展了基于動(dòng)態(tài)臨界雨量方法的山洪災(zāi)害分級(jí)預(yù)警方法,并在閩江下游小流域進(jìn)行應(yīng)用。方法采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成災(zāi)流量與風(fēng)險(xiǎn)因子間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,進(jìn)而獲得無資料地區(qū)成災(zāi)流量的空間分布,并根據(jù)歷史重現(xiàn)期劃分不同山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),得到對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的臨界流量和臨界雨量。結(jié)果表明:通過考慮流域前期濕潤(rùn)狀況,該方法能夠顯著延長(zhǎng)山洪災(zāi)害預(yù)警的預(yù)見期,有效提升對(duì)山洪災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)能力。此外,相比于傳統(tǒng)山洪預(yù)警方法,山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分使得該方法更適用于山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的業(yè)務(wù)應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:山洪預(yù)警;動(dòng)態(tài)臨界雨量;山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);小流域
0 引言
洪水災(zāi)害是我國(guó)目前受災(zāi)面積最廣、致死率最高的自然災(zāi)害之一,對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生命安全造成了極大威脅[1]。盡管我國(guó)大江大河的防洪體系日趨完善,但小流域山洪預(yù)報(bào)技術(shù)和管理系統(tǒng)仍然是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019 年中小河流和山洪災(zāi)害死亡人口數(shù)占洪澇災(zāi)害總死亡人口數(shù)的 60%。一方面,我國(guó)中小河流眾多,分布范圍廣,地理氣候條件復(fù)雜多樣,而山丘區(qū)通常站點(diǎn)布設(shè)有限,長(zhǎng)序列水文氣象觀測(cè)資料稀缺。另一方面,小流域產(chǎn)匯流具有明顯非線性特征,洪水過程水通常歷時(shí)短且強(qiáng)度大,因此小流域山洪預(yù)報(bào)預(yù)警成為洪水防治研究的難點(diǎn)[3]。為有效抵御山洪災(zāi)害,國(guó)務(wù)院于2006 年正式批復(fù)《全國(guó)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》,啟動(dòng)山洪災(zāi)害防治試點(diǎn)建設(shè),并于 2009 年將全國(guó) 103個(gè)縣級(jí)行政區(qū)納入試點(diǎn)范圍。2012 年水利部組織編制《全國(guó)山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目實(shí)施方案(2013-2015)年》,進(jìn)一步完善了山洪災(zāi)害防治的非工程措施。山洪災(zāi)害防治逐漸成為我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)工作的重心[2-6]。
氣象災(zāi)害方向論文:災(zāi)害應(yīng)對(duì)論文發(fā)表期刊(級(jí)別)
山洪災(zāi)害預(yù)警是山洪災(zāi)害防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和技術(shù)難點(diǎn)[7]。常用的洪水預(yù)警方法一般有基于上游河道水位監(jiān)測(cè)的預(yù)報(bào)方法、基于降雨徑流過程的定量預(yù)報(bào)預(yù)警方法、基于臨界雨量的預(yù)警方法等。山區(qū)流域通常面積較小且降雨徑流響應(yīng)時(shí)間較短,使得基于上游河道水位監(jiān)測(cè)或是基于降雨徑流關(guān)系的預(yù)報(bào)方法均存在預(yù)見期短的問題,因此在小流域山洪預(yù)警中的適用性有限[8]。臨界雨量預(yù)警方法則直接依靠降雨信息進(jìn)行山洪預(yù)警,若實(shí)時(shí)(或預(yù)報(bào))降雨量超過可能致災(zāi)的臨界雨量,表明山洪災(zāi)害發(fā)生的可能性很高,需要發(fā)出預(yù)警,反之則表明山洪災(zāi)害發(fā)生可能性較低,不需要預(yù)警[9]。
臨界雨量預(yù)警方法不僅具有較長(zhǎng)的預(yù)報(bào)期,又具有一定的準(zhǔn)確度,且步驟簡(jiǎn)單,操作方便,因此在中小河流洪水預(yù)警中得到了廣泛應(yīng)用[10-11]。基于臨界雨量的預(yù)警方法的關(guān)鍵步驟是確定臨界雨量的大小[12]。在最早時(shí)期,人們通過繪制降雨歷時(shí)和累積雨量的散點(diǎn)圖,對(duì)超警戒和未超警戒的降雨事件進(jìn)行線性劃分,以該線代表不同歷時(shí)下的臨界雨量[13]。1970 年代由美國(guó)國(guó)家氣象局河流預(yù) 報(bào) 中 心 開 發(fā) 的 山 洪 指 導(dǎo) 系 統(tǒng) ( Flash FloodGuidance,簡(jiǎn)稱 FFG)首次考慮了流域土壤含水量,在給定土壤含水量條件下,通過不斷改變降雨條件并重復(fù)運(yùn)行集總式水文模型,確定流域可能致災(zāi)的臨界雨量[14]。
在 FFG 方法基礎(chǔ)上,人們進(jìn)一步發(fā)展了基于格點(diǎn)的 GFFG 方法(Gridded Flash FloodGuidance,簡(jiǎn)稱 GFFG),該系統(tǒng)在柵格尺度進(jìn)行臨界雨量計(jì)算,克服了 FFG 方法中臨界雨量在一定時(shí)段和整個(gè)流域內(nèi)均一的缺陷[15]。我國(guó)目前普遍采用的臨界雨量指標(biāo)以靜態(tài)臨界雨量為主,其發(fā)展歷程可分為兩個(gè)階段[16]。第一階段為 2006-2012 年,各省根據(jù)其歷史降雨徑流過程建立洪峰流量與降雨強(qiáng)度、匯流時(shí)間、流域面積和徑流系數(shù)等因子的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,進(jìn)而確定山洪預(yù)警的臨界雨量指標(biāo)。這一階段的經(jīng)驗(yàn)方法通常難以考慮降雨特性、下墊面條件等因素,因此預(yù)報(bào)精度較低。
第二階段為 2013年至今,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的水位流量關(guān)系確定警戒水位對(duì)應(yīng)的流量,并通過頻率分析推求該流量的水文頻率以及該頻率所對(duì)應(yīng)的臨界雨量[17]。第二階段的方法假定降雨和洪水的重現(xiàn)期相同,然而該假設(shè)是否成立尚待驗(yàn)證。此外,研究表明前期累積降雨會(huì)影響后期降雨的產(chǎn)流,相同的降雨強(qiáng)度由于流域前期濕潤(rùn)狀況的不同會(huì)有不同的產(chǎn)流結(jié)果[18-19]。忽略流域前期濕潤(rùn)狀況對(duì)山洪發(fā)生及洪峰量級(jí)的影響可能會(huì)導(dǎo)致山洪預(yù)警的空?qǐng)?bào)或漏報(bào)[20]。
因此,臨界雨量指標(biāo)應(yīng)當(dāng)隨流域濕潤(rùn)狀況動(dòng)態(tài)變化,而不是一成不變的固定值。此外,傳統(tǒng)的臨界雨量方法僅能判斷山洪災(zāi)害發(fā)生而無法判別洪水量級(jí),難以識(shí)別山洪災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[20]。為使得山洪預(yù)警更具有針對(duì)性,亟需發(fā)展更為有效的小流域洪水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)預(yù)警方法,提升對(duì)山洪的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)能力,延長(zhǎng)山洪災(zāi)害預(yù)警的預(yù)見期[21]。本文選取了閩江下游山區(qū)流域作為研究區(qū)域,利用成災(zāi)流量觀測(cè)及水文氣象資料,發(fā)展了基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的山洪預(yù)警方法,提出了基于成災(zāi)流量重現(xiàn)期的山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法,實(shí)現(xiàn)了山洪災(zāi)害的多階段分級(jí)預(yù)警,并應(yīng)用于該流域的山洪預(yù)警。
1 數(shù)據(jù)與方法
1.1 研究區(qū)概況
本文研究區(qū)域?yàn)殚}江下游山區(qū)流域,流域面積12701km2,占福建省總面積 10.2%。該流域位于東經(jīng) 116°~119°,北緯 25°~28°之間,地處亞熱帶海洋季風(fēng)區(qū),年平均溫度 16~20℃。流域多年平均降雨量為 1617mm,其中汛期(4-9 月)降水占年總降水量的 70~80%。流域內(nèi)河流眾多,河網(wǎng)密度高,地形地貌主要由山地和丘陵構(gòu)成,因此極易誘發(fā)山洪災(zāi)害[22-24]。
1.2 數(shù)據(jù)介紹
研究中所用數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),水文氣象數(shù)據(jù)。流域地貌信息包括高程、坡度等,由DEM 高 程 數(shù) 據(jù) 獲 得 , 空間精度為 90 米。降雨氣象數(shù)據(jù)來自國(guó)家氣象信息中心提供的氣象站1979—2017 年逐日降水資料,流域內(nèi)共有 5 個(gè)氣象 站 。 人 口 分 布 數(shù) 據(jù) 來 自 GHSL,空間精度 250 米。研究區(qū)歷史實(shí)測(cè)成災(zāi)流量(共 413 個(gè)村莊點(diǎn)成災(zāi)流量)、子流域匯流時(shí)間、洪峰模數(shù)、土地利用、土壤類型及涉水工程等數(shù)據(jù)由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院提供。成災(zāi)流量為研究區(qū)內(nèi)可能發(fā)生山洪災(zāi)害的最低水位所對(duì)應(yīng)的流量[25]。此外,為率定與驗(yàn)證水文模型,從水利部水情中心收集了研究區(qū)內(nèi)三個(gè)水文站1988-1999 年的實(shí)測(cè)日徑流資料。
1.3 研究方法
本文首先基于 GBHM 模型進(jìn)行流域長(zhǎng)序列徑流模擬(1988-2009 年),其中模型率定期為 1988-1993 年,驗(yàn)證期為 1994-1999 年。流域的網(wǎng)格大小設(shè)置為 1 公里,模型模擬的時(shí)間步長(zhǎng)為 1 小時(shí)。GBHM 模型是 Yang 等[26-27]開發(fā)的基于地貌的分布式水文模型(Geomorphology-based hydrologicalmodel,GBHM),關(guān)于模型的詳細(xì)描述請(qǐng)參見楊大文等[28]、許繼軍等[29]。為推求無資料地區(qū)的成災(zāi)流量,本文采用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成災(zāi)流量與風(fēng)險(xiǎn)因子的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,其中模型采用兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),訓(xùn)練函數(shù)為trainlm,將 70%的樣本用于訓(xùn)練,15%用于驗(yàn)證,15%用于測(cè)試。基于該統(tǒng)計(jì)關(guān)系得到研究區(qū)像元尺度的成災(zāi)流量分布,然后在每個(gè)子流域上將成災(zāi)流量分布與重采樣至同一空間精度的人口分布進(jìn)行對(duì)比,選取所有人口不為零像元的成災(zāi)流量的最小值作為該子流域的成災(zāi)流量。采用 P-III 型頻率曲線對(duì)子流域徑流資料進(jìn)行水文頻率分析,確定成災(zāi)流量的歷史重現(xiàn)期[30]。
根據(jù)成災(zāi)流量的重現(xiàn)期(T)的不同倍數(shù)劃分不同山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),即 IV 級(jí)(藍(lán)色預(yù)警,T),III 級(jí)(黃色預(yù)警,2T),II 級(jí)(橙色預(yù)警,4T),I 級(jí)(紅色預(yù)警,10T),并通過水文頻率分析推求對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的臨界流量。臨界流量為不同等級(jí)的山洪風(fēng)險(xiǎn)所對(duì)應(yīng)的流量,其中 IV 級(jí)藍(lán)色預(yù)警的臨界流量與成災(zāi)流量相同。在構(gòu)建成災(zāi)流量與風(fēng)險(xiǎn)因子關(guān)系時(shí),參考已有山洪風(fēng)險(xiǎn)因子的研究[31-32],主要考慮土地利用類型、土壤類型、洪峰模數(shù)(10min5mm,10min30mm、10min50mm)、匯流時(shí)間(10min5mm,10min30mm、10min50mm)、人口分布、流域內(nèi)與河網(wǎng)的高程差、距離及涉水工程數(shù)量等風(fēng)險(xiǎn)因子。基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的山洪預(yù)警方法,其思路是結(jié)合水文模型模擬的降雨徑流過程和土壤濕度信息,反推出流域出口斷面洪峰流量達(dá)到臨界流量所需的降雨量。該臨界雨量由臨界流量和前期土壤飽和度共同決定,因此稱之為動(dòng)態(tài)臨界雨量。
①提取每場(chǎng)洪水過程洪峰前 24 小時(shí)的降雨過程中的最大時(shí)段累積降雨量(時(shí)段長(zhǎng)度可根據(jù)山洪預(yù)警的預(yù)見期決定),并以該降雨歷時(shí)前 1h 的土壤飽和度表征該場(chǎng)次洪水的流域前期濕潤(rùn)狀況。②以最大時(shí)段累積雨量為縱坐標(biāo)、前期土壤飽和度為橫坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖,根據(jù)洪峰流量大小是否超過臨界流量將散點(diǎn)分為超過組(圖 2b 紅色方點(diǎn))和未超過組。③線性劃分兩組(圖中紫線),該直線代表不同前期土壤飽和度下的臨界雨量。本文采用的是蒙特卡洛方法,基于隨機(jī)數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化線性劃分[33-35]。采用追算(hindcast)方法對(duì)本研究提出的山洪預(yù)警方法的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。首先根據(jù)每小時(shí)的土壤飽和度實(shí)時(shí)更新不同時(shí)段、不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的臨界雨量;然后,根據(jù)隨后不同時(shí)段累積雨量與對(duì)應(yīng)的臨界雨量的比較結(jié)果,進(jìn)行山洪分級(jí)預(yù)警。同時(shí),對(duì)比出口斷面流量與臨界流量,確定是否實(shí)際發(fā)生了對(duì)應(yīng)等級(jí)的山洪災(zāi)害。
2 結(jié)果和討論
2.1 模型驗(yàn)證
基于 GBHM 模型進(jìn)行流域長(zhǎng)序列徑流模擬,并對(duì)比模擬徑流與研究區(qū)內(nèi)永泰站、文山里站和竹岐站的實(shí)測(cè)日徑流,評(píng)價(jià)指標(biāo)為納什效率系數(shù)(NSE)及平均相對(duì)誤差(MRE)。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,率定期內(nèi)模擬日徑流的 NSE 在 0.81-0.86 范圍,MRE 在 2%-3%范圍,而驗(yàn)證期內(nèi)的 NSE 在 0.76-0.85 范圍,MRE 在 3%-6%范圍,表明模型在研究區(qū)有著較好的適用性。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成災(zāi)流量與山洪風(fēng)險(xiǎn)因子的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,用于估測(cè)無資料地區(qū)的成災(zāi)流量,并采用決定系數(shù) R2 和平均相對(duì)誤差(MRE)對(duì)估測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,全部樣本的 R2和 MRE 達(dá)到 0.64 和-1.2%,其中訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和訓(xùn)練集的 R2 在 0.55-0.66 范圍,MRE 在-1%--3%范圍,未出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象,表明方法在該流域估算成災(zāi)流量有著較好的應(yīng)用效果。
2.2 成災(zāi)流量空間分布
基于成災(zāi)流量與山洪風(fēng)險(xiǎn)因子的統(tǒng)計(jì)關(guān)系估測(cè)研究區(qū)的成災(zāi)流量,得到像元尺度的成災(zāi)流量分布,進(jìn)一步結(jié)合人口分布及水文頻率分析方法確定子流域成災(zāi)流量及其對(duì)應(yīng)的歷史重現(xiàn)期。流域平均成災(zāi)流量為 790 m3/s,成災(zāi)流量歷史重現(xiàn)期主要分布在 1~2 年之間。成災(zāi)流量的主要控制因素為小流域的洪峰模數(shù)、平均坡度、河段坡降、人口密度以及離河距離,隨洪峰模數(shù)、平均坡度、河段坡降和人口密度的增加而減少,而隨離河距離的增加而增加。
洪峰模數(shù)代表子流域單位面積上的產(chǎn)洪能力,因此洪峰模數(shù)越高意味著山洪災(zāi)害的危險(xiǎn)程度越大。洪峰模數(shù)通常隨流域平均海拔和平均坡度的增加而增加[36]。流域坡度反映了下墊面的陡緩程度,在強(qiáng)降雨條件下,陡坡區(qū)域能夠更快地匯流形成洪峰,因此山洪災(zāi)害的威脅更大[37]。此外,山洪災(zāi)害易發(fā)生在地勢(shì)較低的沿河道兩岸,因此離河流越近的區(qū)域遭受山洪的可能性就越高。Carpenter 等[38]指出平灘流量與 1~2 年重現(xiàn)期的河道流量之間存在良好統(tǒng)計(jì)關(guān)系,本文結(jié)果驗(yàn)證了該觀點(diǎn)[9,39-41]。
2.3 基于臨界流量的山洪災(zāi)害分級(jí)預(yù)警
根據(jù)成災(zāi)流量重現(xiàn)期分布及山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法,得到不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)臨界流量的空間分布。IV 級(jí)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的臨界流量空間分布與流域地形分布高度相關(guān)。而 III 級(jí)、II 級(jí)和 I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的臨界流量的空間分布主要受匯流關(guān)系影響,下游地區(qū)的成災(zāi)流量普遍高于上游地區(qū)。
2.4 基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的山洪災(zāi)害多階段預(yù)警
基于臨界流量結(jié)果,本研究進(jìn)一步確定了在不同前期土壤飽和度情況下不同山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的多階段臨界雨量。臨界雨量隨著前期土壤飽和度的增加而減少,這是因?yàn)榱饔虍a(chǎn)流機(jī)制對(duì)前期土壤飽和度和臨界雨量的關(guān)系有影響。研究區(qū)的產(chǎn)流模式由蓄滿產(chǎn)流主導(dǎo),因此臨界雨量隨土壤含水量的增加而下降。此外,臨界雨量也隨山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的提升及預(yù)見期的增加而增加。圖 7 顯示了前期土壤飽和度達(dá)到 25%時(shí),IV 級(jí)山洪風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的臨界雨量分布。不同預(yù)見期下的臨界雨量的空間分布相似,但在流域內(nèi)受局地水文變化影響表現(xiàn)出較高的空間變異性,表明臨界降雨量的估計(jì)應(yīng)當(dāng)在較小的空間尺度上開展。
預(yù)警方法在閩江下游山區(qū)小流域的應(yīng)用效果,在不同預(yù)見期下,對(duì)不同等級(jí)山洪預(yù)警的平均CSI值在0.27-0.55范圍,預(yù)警效果較好,其中 IV 級(jí)山洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的平均命中率在 0.61-0.66范圍,平均誤報(bào)率在 0.12-0.14 范圍。盡管預(yù)警方法的應(yīng)用效果隨著山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的提升而有所下降,但均高于美國(guó)國(guó)家氣象局全國(guó)尺度山洪預(yù)報(bào)指導(dǎo)系統(tǒng)的 0.2 基準(zhǔn)值[42],表明該方法具有可靠性。
2.5 不足與展望
動(dòng)態(tài)臨界雨量空間分布存在不確定性。不確定來源主要包括:①該流域雨量站密度較低,因此空間插值結(jié)果難以充分反映降雨的實(shí)際分布;②利用流域平均雨量來計(jì)算臨界雨量而忽略降雨時(shí)空分布特征會(huì)帶來的不確定性;③在線性劃分過程中,樣本大小會(huì)對(duì)劃分精度產(chǎn)生影響。此外,本文基于點(diǎn)尺度的成災(zāi)流量觀測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)因子建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系,并在網(wǎng)格尺度上進(jìn)行成災(zāi)流量估測(cè),其估測(cè)精度相對(duì)于以沿河村落為對(duì)象要稍低,因此更適用于較大范圍內(nèi)的快速成災(zāi)流量計(jì)算。以上不足將在未來的工作中進(jìn)一步研究討論。
3 結(jié)論
本文發(fā)展了基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的小流域山洪災(zāi)害分級(jí)預(yù)警方法,并在閩江下游山區(qū)流域進(jìn)行應(yīng)用,得到如下結(jié)論:(1)研究區(qū)的平均成災(zāi)流量為 790 m3/s,大部分地區(qū)的成災(zāi)流量的重現(xiàn)期在 1~2 年之間。成災(zāi)流量隨小流域洪峰模數(shù)、平均坡度、河段坡降和人口密度的增加而減少,而隨離河距離的增加而增加;(2)基于成災(zāi)流量的重現(xiàn)期劃分了山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),改進(jìn)了傳統(tǒng)預(yù)警方法只采用單一指標(biāo)判斷有無山洪災(zāi)害的局限性;(3)基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的小流域山洪災(zāi)害分級(jí)預(yù)警方法能夠充分考慮流域前期濕潤(rùn)狀況,延長(zhǎng)山洪預(yù)見期,且應(yīng)用效果良好,具有可靠性。本文所發(fā)展的山洪災(zāi)害預(yù)警方法有效考慮了流域前期濕潤(rùn)狀況的影響,實(shí)現(xiàn)了山洪的多階段分級(jí)預(yù)警,在業(yè)務(wù)應(yīng)用中能夠?yàn)樯胶闉?zāi)害防御提供充分信息、爭(zhēng)取更多應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間,因此對(duì)全國(guó)山洪災(zāi)害防治工作有重要參考價(jià)值。
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作者:韓俊太,王政榮,楊雨亭