第1章 绪论
1.1 暴雨山洪概念
山洪（flash flood）是一种自然现象。苏联学者迪尔恩巴乌姆在1949年提出“山洪”（泥石流）是这样一种水流，它在坡度较大的河床中流动，在较短的流程中（如有适宜的条件时）流量迅速增加，并挟带大量泥沙，也就是水流中挟带着岸边和河槽底部的疏松碎屑物质以及从山坡上滑下来的冲蚀物（迪尔恩巴乌姆，1958）。徐在庸（1981）将山洪定义为山区河流的洪水，特别是山区小河和周期性水流上的洪水。Glickman（2000）认为，山洪是由强降雨诱发较小流域快速涨落的洪水。王礼先和于志民（2001）提出，山洪是在山区荒溪及小河川发生的洪水。Borga等（2007）将山洪看作是局部地区短历时强降雨引起的迅速产汇流过程，一般仅持续几个小时。2007年，全国山洪灾害防治规划编制工作组编制的《全国山洪灾害防治规划简要报告》将山洪定义为在山丘区小流域由降雨引起的突发性、暴涨暴落的地表径流，常伴随泥石流与滑坡。世界气象组织（WMO，2009）认为，山洪是由极端降雨或溃坝事件导致的快速上涨洪水，且暴雨引起的山洪历时较短，一般不超过6h。美国国家海洋和大气管理局（NOAA，2010）认为，山洪是发生在溪河的快速上涨的极端洪水，常由强降雨、溃坝、冰川融化、融雪等引起。曹叔尤等（2013）认为，山洪一般是发生在几百平方千米以内的山丘区、由强降雨诱发的急涨急落的洪水，在适当条件下可能伴随泥石流与滑坡。
由上述众多山洪定义来看，山洪概念并没有一个统一的定义，但常具有以下几方面含义：①发生于山丘区小河、溪沟的洪水，区别于平原河流；②快速涨落的洪水，且历时短暂，一般持续几小时；③常挟带大量泥沙、石块、枯枝等固体挟带物；④激发源动力主要是强降雨、冰川融化、融雪、湖库溃决等，可划分为暴雨山洪、融雪山洪、融冰山洪、溃决山洪等。本书主要讨论暴雨山洪（rainstorm-induced flash floods），定义为山丘区小流域短历时降雨诱发溪河发生特大洪水或水位/泥位急剧上涨（沟床可能伴随剧烈冲淤）的洪流，相关释义参考表1.1。
1.2 暴雨山洪形成因素
山洪的形成、发展与危害是降雨、下垫面条件和人类活动等因素综合作用的结果。暴雨山洪形成首先取决于水源，暴雨山洪本质上是降雨在山丘区小流域的产汇流过程，属于水文学研究范畴。暴雨山洪形成影响因素一般包括自然条件和不合理的强人类活动。自然因素主要是山丘区小流域的局地短历时强降雨和复杂下垫面。
1.2.1 降雨
短时强降水是暴雨、大暴雨的主要贡献者，是诱发暴雨山洪的关键因子。中央气象台对短时强降水的定义为1h降水量大于等于20mm的降水（陈隆勋等，1991）。孙军和张福青（2017）分析中国2000多站50年以上日降水资料，认为极端降水年表现出三段极端降水多发期，即20世纪60年代初、20世纪90年代中后期和21世纪初。王志福和钱永甫（2009）基于1951～2004年中国738个地面观测站逐日降水资料分析，指出极端降水事件多发于江南地区以及青藏高原东南部。张琪和李跃清（2014）分析1960～2007年西南地区97个观测站点的日降水量资料，表明西南地区降水量整体呈“东多西少”分布特征，四川雅安和云南西南区为降水量高值区。毛冬艳等（2018）分析1981～2010年30年西南地区402个站点的小时降水量资料，表明西南地区短时强降水主要集中在4～10月；三个强降水高发区分别位于贵州东南部、四川盆地西南部和云南东南部，短时强降水呈现频次增加、强度增强的变化趋势。
近年来，受气候变化和极端天气影响，全球强降雨山洪事件多发。Gaume等（2009）通过评述欧洲7个地区1946～2007年间578场山洪事件，表明局地降雨一般是几小时内超过100mm。Bl?schl等（2019）在Nature发文，基于1960～2010年欧洲3738个河流测站（流域面积为5～100000km2）水文气象资料分析，表明气候变化已导致除欧洲南部外的其他所有地区极端降雨洪灾显著增加。2004年8月16日英国威尼斯流域博斯卡斯尔镇发生暴雨山洪事件，小流域集水面积约20km2，5h降水量达200mm，洪水在几分钟内陡涨1～1.5m，约1.5h小镇洪水位漫滩3.0m，千余人受到洪灾影响（Fenn et al.，2005）。我国地处欧亚大陆东南部，位于东亚季风气候区，6～9月暴雨洪水集中、洪涝灾害频发。2005年6月10日黑龙江省宁安市沙兰镇沙兰河上游局部地区突降两百年一遇暴雨，3h降水量达120mm，形成的特大山洪造成117人死亡。2016年7月19日河北省境内自西南向东北普降暴雨至特大暴雨，其中阜平县塔沟水库*大1h降水量达177mm，磁县同义站*大3h降水量为264mm，特大山洪造成河北省境内死亡114人，失踪111人。2020年6月12日贵州省正安县碧峰镇发生特大暴雨事件，碧峰镇*大1h降水量为163.3mm，为贵州省有气象记录以来的*大值，山洪造成13人死亡。2021年7月18日18时至7月21日0时，河南郑州突然出现持续性强降雨，全市普降大暴雨、特大暴雨，在此期间，郑州市单日降水量达552.5mm，其中*大1h降水量达201.9mm（7月20日16时至17时），突破我国内陆小时降水量历史极值（198.5mm，河南林庄，1975年8月5日），郑州国家观测站*大日降水量达624.1mm，接近该站年平均降水量641mm，相当于一天下了将近一年的雨量。2021年8月12日湖北省随州市柳林镇发生极端强降雨，如图1.3所示，*大1h和3h降雨量分别达105mm和374mm，洪灾造成21人死亡、4人失踪。
1.2.2 下垫面条件
流域下垫面主要包括流域形态、土壤性质及地质构造、植被条件、流域集水面积等基本要素，显著影响降雨作用下山洪形成过程。
流域形态受地质构造及侵蚀应力影响，河流水系特征一般呈扇形、羽状形及树枝状等（图1.4），其中支流和干流组成的扇形水系洪水汇集快较易发生山洪，羽状水系干流两侧支流分布均匀，暴雨洪水汇集缓慢，树枝状水系干支流呈树枝状，是水系发育中*普遍一种类型，干流与支流以及支流与支流之间以锐角相交。山丘区地形常用流域高程、坡度等参数表征，陡峭山坡及沟道为山洪快速运动提供了动力条件，降雨径流沿坡面向沟谷汇集，迅速形成强大洪峰并影响山洪成灾特征。Mahmood和Rahman（2019）基于地貌学方法分析了班杰戈拉河（Panjkora River）流域（391km2）历史山洪灾害分布，指出陡比降、高河网密度区为山洪灾害高风险区。
土壤性质及地质构造等对降雨下渗产流、侵蚀产沙及汇流过程均有重要影响。山丘区浅表层岩体较为破碎且风化严重，坡面积聚松散堆积物，具有级配宽、不均匀系数大、透水性强等特点，强降雨条件下水流快速入渗，坡陡流急，极易造成剧烈的坡体破坏及侵蚀产沙，为暴雨山洪提供了极为充足的泥沙来源。山区沟床比降大、暴雨山洪响应时间极短、流速高、冲击力大，具有强烈的冲刷下切及挟沙能力，从而显著改变河床形态（崔鹏等，2008；Bollati et al.，2014）。2001年7月28日，四川省马边县暴雨引发挖黑河与先家普河河水暴涨，洪水挟带的大量泥沙在两河交汇处淤积，河床抬高7.5m，致使五十年一遇洪峰达到了千年一遇洪水位，进而淹没波罗水电站发电厂房，如图1.5所示，造成经济损失超2.0亿元（王协康等，2019；Wang et al.，2019）。植物（乔、灌、草）通过降雨截留改变径流分配，影响地表水流汇集阻力，延长山洪汇流时间，对山洪具有一定的削峰作用。
此外，流域集水面积大小也制约着山洪量级及其演进过程，从而影响山洪灾害易发区范围。Zaharia等（2017）通过分析罗马尼亚普拉霍瓦河（PrahovaRiver）流域（流域面积2600km2）1975～2002年发生的20场山洪事件，表明山洪灾害常发生于集水面积小于100km2的小流域出口区。翟晓燕等（2020）指出，中国以流域面积为3000km2以下的河流为中小流域，200km2以下的山洪沟频繁发生山洪灾害。
1.2.3 人类活动
山丘区蕴藏丰富的水资源、森林资源、矿产等自然资源，随着人类经济活动的增强和国民生活的改善，山丘区的城镇建设、基础设施建设得到了快速发展。受地形条件、建设成本、施工技术、防灾意识等多方面综合影响，不合理的人类活动（如削坡炸山、乱垦荒地、筑坝建桥、侵占河滩地等）时有发生，从而加剧产生强降雨洪水汇集、增加流域产沙、降低河道排洪能力等问题，由此加快暴雨山洪的形成，导致灾害事件发生。Wallemacq和House（2018）分析联合国防灾减灾署（UNDRR）1998～2017年自然灾害资料，表明有近28.2%的洪涝成灾是由暴雨诱发的，1998～2017年的近20年间气象水文灾害死亡人数达1300万人，受影响居民达4.4亿人。全球每年有超过5000人死于山洪灾害，世界上已有100多个国家将山洪灾害损失排在自然灾害前两位，全球山洪灾害占自然灾害的50%。
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