1.6　国内外研究进展

1.6.1　全国山洪灾害防治规划

2002年开始，水利部会同国土资源部、中国气象局、原建设部、原环保总局组织编制了《全国山洪灾害防治规划》（简称《规划》）。2006年10月，国务院正式批复了该《规划》。2009年开始，我国开展了103个县的山洪灾害防治试点工作。2011年4月，国务院审议通过了《全国中小河流治理和病险水库除险加固、山洪地质灾害防御和综合治理总体规划》。规划坚持“人与自然和谐相处”“以防为主，防治结合”和“以非工程措施为主，非工程措施与工程措施相结合”的原则，系统地分析研究了山洪灾害发生的原因、特点和规律，确定了我国山洪灾害的分布范围。根据山洪灾害的严重程度，划分了重点防治区和一般防治区，提出了以非工程措施为主的防治方案，并明确了至2020年山洪灾害防治的目标和建设任务。《规划》涉及29个省（自治区、直辖市）的广大山丘区，共有305个地级行政区、2058个县级行政区。2013年水利部、财政部联合启动了全国山洪灾害防治项目建设，目前正式开展了全国2058个县的山洪灾害防治非工程措施和工程措施建设工作。

1.6.2　设计暴雨研究进展

暴雨是形成洪水的主要来源，也是形成山洪灾害的一个主要因素。一直以来暴雨研究深受关注，在中国，8万多座水库的设计洪水大多由设计暴雨计算。与流量观测相比，降雨观测系列较长，雨量站网密度较高，暴雨特征受下垫面条件和人类活动影响较小，因此暴雨研究将更重要。

暴雨研究可分为以预报为目的的暴雨的形成、发生、发展研究（主要研究大气）和以工程设计为目的的暴雨多年统计与设计计算研究（主要研究降落到地面上的雨量）。水利水电部门多考虑大中面积和中长历时设计暴雨，还注重利用暴雨预报和监视，为江河和水利水电枢纽的防汛服务；在山洪灾害调查与分析评价中主要是调查无实测降雨资料小流域的暴雨特性，收集相关暴雨资料，用来推求无实测资料小流域的设计洪水。

我国于20世纪50年代开始研制暴雨统计参数等值线图，成果汇编于中国水利水电科学研究院水文研究所《中国水文图集》（1963年），同时各省区也出版了地区的图集和手册。1976年2月水利电力部与中国气象局联合提出了编制可能最大暴雨等值线图的任务，1978年8月水利电力部又组织全国进行设计暴雨的研究。1977—1988年，先后完成了多项设计暴雨综合研究成果，直接为设计洪水计算使用。这次编制的设计暴雨图集，主要有中国年最大10min、60min、6h、24h、3d点雨量均值以及变差系数等值线图，这些成果分别由水利电力部、中国气象局以及水利电力部水文局和水利水电规划设计院批准使用（表1.1）。

这套成果资料丰富、编制技术比较统一，重视分析研究，注意收集和移用邻近地区特大暴雨资料，加强综合分析和合理性检查，多次进行协调修改，最后审查验收，设计暴雨的精度有了明显提高。2000年前后，水利部水文部门又组织全国各地区水文水资源单位联合修订暴雨统计参数图集，研究内容有所扩展，多种历时统一分析和协调，使用水文数据库、建立暴雨专业数据库，统一采用电子计算机分析和协调参数，并以电子地图的形式储存、修改和查询参数等值线图。目前，全国大部分省市水利部门都批准出版了修订后新的暴雨统计参数图集。

1.6.3　设计洪水研究进展

在水利行业，设计洪水一直是确定水利工程建设规模及制定运行管理策略的重要依据。推求设计洪水的途径和方法是随着资料信息的积累、计算理论技术的提高、工程建设和运行经验的增加以及人们对洪水规律认识的不断深化而逐步发展和完善的。

国外开始研究设计洪水较早，Fuller于1914年首次在频率格纸上点绘洪水经验频率曲线，推求设计洪水。美国于20世纪30年代以前普遍采用频率分析估计设计洪水，经过特大洪水考验，发现统计频率计算的局限性和使用中存在的一些问题，后面开始了对水文气象成因途径，即可能最大降雨（PMP）与可能最大洪水（PMF）的研究。苏联一向沿用统计途径（频率分析等）估计设计洪水，且大中型水库的防洪安全设计以设计洪水过程线为依据。

中华人民共和国成立以来，我国设计洪水的标准和计算方法经历了从历史洪水资料加成法逐步过渡到频率分析计算方法，再到20世纪70年代引入可能最大降雨、可能最大洪水的发展过程。1979年水利部和电力工业部颁发了《水利水电工程设计洪水计算规范（试行）》（SDJ 22—79），使我国设计洪水有了统一的标准，对指导设计洪水计算、保证设计成果质量起了重要作用。20世纪90年代初修编颁发了《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44—93），增加有关设计洪水地区组成及干旱、岩溶和冰川地区设计洪水计算方面的内容，同时相应地出版了《水利水电工程设计洪水计算手册》。2006年又修编颁布了《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44—2006），增加分期设计洪水、平原河网区设计洪水、滨海及河口地区设计潮位计算等内容。至此我国设计洪水计算在内容和方法上已经形成了一套比较完整的体系。

设计洪水的研究已有近百年的历史，从初期的简单分析计算发展到目前含有丰富内容的研究与实践，已经取得了很多研究成果，并积累了较丰富的工程实践经验，但是仍存在不少需要继续深入探讨的问题。近年来的主要研究进展，包括分布线型、洪水抽样方法、经验频率公式、参数估计、设计洪水过程线、历史洪水和古洪水、区域洪水频率分析、可能最大降雨与可能最大洪水、分期和梯级水库设计洪水等方面的最新研究成果。

（1）分布线型。水文频率分析不仅要对设计值在已有的资料系列范围内进行内插，更主要的是作外延估计。水文频率曲线实际上是一种资料分布统计规律表达形式的模型，是一种外延或内插的频率分析工具。水文变量的总体分布频率线型是未知的，通常选用能较好拟合多数水文样本资料系列的线型。频率曲线线型从正态分布、对数正态分布和皮尔逊曲线族开始，将近一个世纪以来，细分之已有几十种。各类频率曲线一般在资料系列范围内的适线结果相近，但外延部分常有较大差别，慎选频率曲线线型非常必要。目前常用的频率分布线型多为上端无限型。按照水文物理概念，曲线应有上限。但在现有的技术水平下，确定上限有难度，因此上端有限型曲线尚未得到采用。频率曲线的参数个数该取多少，2个参数计算容易，但适线弹性差；4个或更多参数，在资料系列较短的条件下，估计高阶矩具有较大的抽样误差。因此，世界大多数国家选择三参数分布线型，并颁布了设计洪水计算规范或导则，统一采用一种标准分布。经过多年分析比较，我国学者发现P-Ⅲ型分布曲线对于我国大部分河流的水文资料拟合较好。因此我国水文频率曲线的线型一般选择P-Ⅲ型。对特殊情况，经专门分析论证后，也可采用其他线型。为避开频率计算中困惑多年的线型问题，我国学者提出了非参数密度估计方法，如直方图法、Rosenblatt法、最近邻估计法、核估计法等。但非参数理论和方法还很不成熟，例如存在核函数和窗宽的选择没有统一的标准无法考虑地区洪水信息，洪水频率曲线的外延有限等不足。

（2）洪水抽样方法。洪水样本系列抽样方法主要有两种：年最大法（AM抽样法）和超定量法（POT抽样法）。AM抽样法被我国设计洪水计算规范规定采用，广泛应用于工程设计实践，采用AM抽样的系列较短，参数估计的样本误差较大，POT抽样法则可以扩大洪水信息使用量。POT抽样法的研究核心和难点是如何合理地选择门限值。另外，当前POT抽样法研究仅限于对超定量的洪峰流量的频率分析，而超定量洪量分析的研究甚少，但对大、中型工程而言，时段洪量设计值是必不可少的，甚至更重要。因此，POT抽样法尚未纳入各国的计算规范。

（3）经验频率公式。我国采用适线法推求频率曲线的参数和设计值，因而需要确定绘点位置的经验频率公式。我国从20世纪50年代开始使用数学期望公式计算经验频率，许多研究表明，该公式的偏差较大。对于含有历史洪水的非连序样本的经验频率公式，一般有分别处理和统一处理两种方法。统一处理法可以避免使用分别处理法时可能会出现历史洪水与实测洪水“重叠”的不合理现象，加之该法的理论基础较强，所以在工程实践中使用更加广泛。我国长期沿用数学期望公式，主要原因是该公式有一定理论基础，而且与其他公式相比，上端偏大，下端偏小，对工程设计偏安全。数学期望公式尽管在连序系列中是无偏的，但扩展到不连序系列后，其频率估计却是有偏的。

（4）参数估计。当频率分布线型选定后，接下来需要计算频率分布的参数。参数估计最简单的方法是矩法，三阶矩的估计有较大抽样误差，影响偏态系数Cs的精度；极大似然法与分布形式有关，求解较繁，未普遍应用。目前常用的方法有适线法、概率权重矩法、权函数法和线性矩法等。

（5）设计洪水过程线。我国的设计洪水过程线通常采用同倍比或同频率方法放大典型洪水过程线得到。同倍比法的优点是计算简单且保持典型洪水过程线形状，缺点是峰、量不能同时满足设计频率。同频率法的优点是峰、量同时满足设计频率，缺点是计算工作量大，修线有主观任意性，不保持典型洪水过程线的形状。针对同倍比和同频率方法的不足，许多学者进行了研究与改进，以期达到既能同时控制洪峰流量与时段洪量达到设计频率，又不必徒手修匀的目的。洪水过程实际上是由多个特征量有机组成的一个整体，而传统的设计洪水过程线推求方法都是基于单变量洪水频率分析，没有充分考虑各特征量之间的相关关系。近年来，基于洪峰和洪量联合分析的方法为推求设计洪水过程线提供了新思路。

（6）历史洪水和古洪水。设计洪水计算成果的可信度与所用资料的代表性密切相关，而资料的代表性又受到资料系列长短的制约。因此，调查历史洪水或古洪水并加入到实测系列中进行频率计算，是提高设计洪水精度的重要途径。我国自20世纪50年代以来，开始重视在洪水的频率分析中应用历史洪水，迄今已出版了《全国调查洪水资料汇编》。考虑到历史洪水的信息量仍然有限，20世纪80年代中期我国水文工作者开始探究一种比历史洪水考证期年代更远的古洪水，以增加洪水系列的信息量。

（7）区域洪水频率分析。区域洪水频率分析是提高设计洪水估计精度的另一条有效途径。英国水文研究所1999年重新编写的《洪水估计手册》，推荐采用区域分析方法估计设计洪水。区域洪水频率分析方法的最大优点是有效利用相邻站的信息，克服单站样本系列资料短缺的情况，并能解决无资料地区设计洪水的估算问题。但《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44—2006）仍采用单站洪水频率分析，区域频率分析研究不多，尚未进入实用阶段。

（8）可能最大降雨与可能最大洪水。可能最大降雨与可能最大洪水（PMP/PMF）由美国于20世纪30年代提出，虽然目前世界上对PMP/PMF没有统一的定义，但普遍认为PMP是流域暴雨的近似物理上限，采用一定的方法将其转化为对应的洪水就称为PMF。包括美国、英国、澳大利亚、印度等在内的大多数国家都采用PMP/PMF作为重要水库大坝和溢洪道的普遍设计标准。在我国，PMP/MPF是失事后对下游将造成较大灾害的土石坝工程的最高校核标准。频率分析法和PMP/PMF方法是计算设计洪水的两种不同途径，频率分析法得出的设计洪水具有明确的频率概念，PMP/PMF方法在一些主要环节上能从物理成因上得到一定的解释。频率分析法强调水文事件偶然性的一面，PMP/PMF方法则强调必然性的一面，这两种方法都有一定的科学根据和优、缺点，应把两者结合起来，使之互相补充，共同推动设计洪水计算理论和方法的发展。

（9）梯级水库设计洪水。随着江河的治理与开发，水库群的调蓄对下游设计断面洪水的影响越来越大，推求设计断面受上游水库调蓄影响的设计洪水，我国《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44—2006）提出应开展设计断面的洪水地区组成分析，主要方法有地区组成法、频率组合法和随机模拟法。

1.6.4　临界雨量研究进展

山洪灾害预警是根据气象、水文等预报信息预测山洪灾害将要发生时发布的紧急指令或信号。在用于判断山洪灾害发生与否的诸多方法中，临界雨量法是国内外应用最为广泛的一种。因为临界雨量法能够更好地被公众理解和接受，更重要是由于延长预见期的考虑，且近年来降雨预报技术不断进步，部分国家山洪灾害预报的预见期可达6h。临界雨量法（rainfall method），一般根据预报降雨量与临界雨量的比较，预测山洪灾害发生与否及其严重程度和紧急程度，并据此发布警报信息。因此，山洪灾害临界雨量指标是山洪灾害预报预警的重要基础，相关研究对山洪灾害防治有着重要的意义。近年来，国内外关于临界雨量指标分析计算技术的研究取得了长足的进步。

降雨、土壤含水量以及下垫面特性是临界雨量分析的3个关键要素，降雨由降雨量、场次累积降雨量、降雨强度等指标描述，土壤含水量主要受土壤类型和前期降雨的影响，流域下垫面特性包括地形地貌、沟道特征、流域几何特征、土壤植被等因素。针对3个要素，临界雨量的分析研究都是从不同方面采用不同方法展开。国内外确定临界雨量的方法threshold approach）又称雨量比较法（rainfall comparison主要如下：

（1）在美国，预警指标方法称为Flash Flood Guidance（FFG）。该方法较为全面地考虑了降雨、土层含水以及下垫面特性三大因素。根据下垫面断面形态和地形地貌确定各个地方的临界流量，并考虑土层含水量的动态变化，根据设计雨量、实测雨量或预报雨量等关系，基于典型的降雨、产流、汇流、演进、预警指标反推等环节，进行预警指标的计算，提供动态变化结果，结果由相应不同等级的平台进行分析和发布等工作。FFG方法由于考虑因素较全，覆盖地区类型和气候类型均较广，算法具有物理机理，方法较为成熟且提供预警指标的动态信息，其方法和成果在欧洲、非洲等很多国家和地区得到广泛参考和运用。

（2）日本的气候条件、地质地貌、植被土壤条件单一，其临界雨量确定方法考虑的因素更集中于降雨和土层含水方面的分析，其临界雨量的分析研究主要针对滑坡、泥石流等进行。根据日本交通省国土技术政策综合研究所报告《土砂灾害警戒避难基准雨量设定方法》，其方法可以划分为土壤雨量指数法、实效雨量法、汇流时间与降雨强度法、多重判别分析统计法4种类型。由于上述方法是针对滑坡、泥石流的，故主要适用于面积小于100km2，植被、土壤、地质等下垫面条件都较为一致的流域。在统计确定临界雨量时，这些方法都假设降雨强度与有效累积雨量之间呈线性关系。通过统计资料，建立降雨强度与有效累积雨量之间的线性关系，采用临界雨量线法确定预警指标。

（3）在我国大陆地区，气候条件、地质地貌、植被土壤种类丰富，降雨、水文等基础性资料丰富程度不一，故山洪灾害临界雨量的确定方法种类繁多，考虑因素各有差异。归结而言，主要有实测雨量统计法、水位-流量反推法、暴雨临界曲线法、比拟法、水动力学计算方法等。

实测雨量统计法：根据区域内历次山洪灾害发生的时间表，基于大量实际资料，统计区域及周边邻近地区各雨量站对应的雨量资料，取各站点各次山洪过程最大值的最小值为各站的单站临界雨量初值，计算各次山洪过程各个站点的各时间段最大值的面平均值，取面平均值的最小值为区域临界雨量初值。在初值的基础上，确定单站和区域临界雨量的变幅，取该变幅的取值区间为临界雨量。全国山洪灾害防治规划领导小组办公室于2003年12月下发的《山洪灾害临界雨量分析计算细则》中推荐了这一方法。

水位-流量反推法：假定降雨与洪水同频率，根据河道控制断面警戒水位、保证水位和最高水位指标，由水位-流量关系计算对应的流量，由流量频率曲线关系确定特征流量的洪水频率，由降雨频率曲线确定临界雨量，但没有考虑前期影响雨量。

暴雨临界曲线法：从河道安全泄洪流量出发，当某时段降雨量达到某一量级时，所形成的山洪刚好为河道的安全泄洪能力，如果大于这一降雨量将可能引发山洪灾害，该降雨量称为临界雨量。位于曲线下方的降雨引发的山洪流量在河道安全泄洪能力以内为非预警区，位于曲线上或上方的降雨引发的山洪流量超出河道的安全泄洪能力为山洪预警区。

比拟法：对无资料区域或山洪沟，当这些区域的降雨条件、地质条件（地质构造、地形、地貌、植被情况等）、气象条件（地理位置、气候特征、年均雨量等）、水文条件（流域面积、年均流量、河道长度、河道比降等）等条件与典型区域某山洪沟较相似时，可视为两者的临界雨量基本相同。

水动力学计算方法：基于二维浅水方程并考虑降雨和下渗，对山洪的形成与演化过程进行更细致的描述，具有理论先进性和实际可操作性的特点，但计算参数如阻力系数和下渗变量等，增加了模型的不确定性因素。此外，流域地质、地貌等数据以及典型山洪观测资料等也是必不可少的。

我国气候条件、地质地貌、植被土壤种类丰富，降雨、水文等基础性资料丰富程度不一，由于各类方法的思路、资料需求和适用性等方面要求各异，在具体的应用中还存在一些问题，还有待开展进一步的研究。