四川省地势西北高、东南低，地形复杂，涵盖青藏高原、云贵高原、横断山脉、秦巴山地和四川盆地等多个地貌单元，受复杂地形和活跃地质构造影响，地震频发，降水充沛且集中（黄楚惠等，2022；龙柯吉等，2024；王彬雁等，2024），短时强降水易发（陈贝等，2023；孙俊等，2023；鄢晓茜等，2024；陈永仁，2024），暴雨诱发的山洪和泥石流等次生灾害频繁发生（熊俊楠等，2018；王佳津等，2023），使四川成为我国山洪地质灾害最严重的省份之一。

近年来，四川发生多起严重的山洪泥石流灾害。例如，2022年7月15日夜间至16日清晨，绵阳市北川县出现强降雨，引发小流域山洪泥石流，造成白什乡房屋倒塌、基础设施受损，6人死亡、12人失踪；2022年8月13日，彭州市龙门山镇龙槽沟突发山洪，导致7人遇难；2024年8月3日，甘孜州康定市姑咱镇发生特大山洪泥石流，造成27人死亡。这些灾害严重威胁人民生命安全，并对当地经济社会发展造成阻碍。因此，开展精准的山洪灾害过程分析与成因剖析，对于提升预警能力、优化应急响应策略具有重要的科学价值和实际意义。

水文模型在小流域山洪灾害模拟及成因分析中发挥着重要作用，众多学者围绕降雨径流汇流过程开展了深入研究。目前，常用的水文模型包括概念性水文模型（如GR4J、新安江模型）（梁冀雨等，2022）、分布式水文模型（如FloodArea、WRF-Hydro、TOPMODEL）以及针对山洪灾害的山洪地质灾害模拟系统模型（Flash Flood Modelling System，FFMS）等。这些模型在暴雨洪涝模拟方面取得了一定成效，但在模拟精度和计算效率方面存在差异。例如，FFMS、SWAT和新安江模型基于水文单元划分方法优化汇流过程，实现了对流域出口流量的快速模拟（井立阳等，2004；石岚等，2012；潘娅英等，2022）；中国水利水电科学研究院利用自主研发的FFMS系统模拟水库支流的小时流量和水位，分析了湖北省柳林镇山洪地质灾害的形成机理和致灾原因（郝思佳等，2024）；旷兰等（2023）基于FloodArea模型，通过站点实况小时雨量，成功反演蒲河流域一次暴雨洪涝过程，精确刻画了淹没范围和淹没深度的空间差异。分布式水文模型利用栅格数据进行计算，能够实现对任意点位的水位和流量的精细化模拟，在山洪汇流过程分析方面展现出较大优势（张亚琳等，2018；吴秀兰等，2019；李钰珩等，2020；胡迎春等，2024）。

然而，受模型和数据限制，现有研究多以日降雨量或小时降雨量作为模型输入，且地形数据空间分辨率较低，难以在时间和空间尺度上精细刻画小流域山洪暴发过程。为提高模拟精度，近年来有学者尝试利用高时空分辨率数据和先进的计算方法改进降雨径流汇流模型。例如，研究人员基于纳维-斯托克斯方程（N-S方程）构建了基于栅格计算的分布式降雨径流汇流模型，并引入图形处理器（GPU）并行计算技术，提高了模拟效率（肖俊文等，2018；郭海燕等，2019；陈军等，2020）；叶帮苹等（2023）以彭州“8·13”山洪灾害为例，利用小时降水资料和12.5 m分辨率地形数据，构建了高时空分辨率的分布式水文模型，实现了时间分辨率为5 min的分钟级模拟，精准反演了山洪淹没过程，为山洪灾害预警和风险评估提供了技术支撑。

尽管已有研究在小流域山洪模拟方面取得一定进展，但在时间分辨率和空间精度方面仍存在改进空间，尤其是针对分钟级降水数据的应用仍较为有限。本研究基于分布式降雨径流汇流模型（陈军等，2020），采用时间分辨率为6 min的雷达定量降水估测数据（Quantitative Precipitation Estimate，QPE）和高空间分辨率下垫面资料，对2022年7月16日北川白什乡特大山洪泥石流灾害过程（简称“7·16”过程）进行精细化径流汇流模拟，通过模拟水深与降水特征的关系，回溯山洪的发生、发展及消退过程，并分析此次特大灾害的成因，以期为小流域山洪灾害的监测、预警及风险评估提供科学支撑。

绵阳市北川县位于四川省西北部，地处川西高原与四川盆地的过渡地带，西邻岷山山脉，东靠龙门山脉，位于龙门山地震断裂带上，地质环境脆弱。白什乡位于北川县西部（图1），坐落于青片河和铁洞河汇流形成的小型坝地，流域总面积约628 km²，其中主流青片河流域面积为558 km²，支流铁洞河流域面积为70 km²，土地覆被以森林为主。气象站观测数据显示，2022年7月16日00：00—10：00（北京时，下同），北川县青片乡和白什乡境内突发强降雨，上游青片乡气象站累计降雨量118 mm、最大小时雨量26 mm。强降雨过程引发特大山洪泥石流灾害，造成18人死亡或失踪，交通、电力、通信大面积中断，给当地居民生命财产造成严重损失。

由于灾害点附近的白什乡七星沟和白水沟的气象站在山洪过程中被冲毁，导致数据缺失，且气象站点的降水数据仅能代表局部区域，难以全面反映整个流域的降水情况。因此本文使用以下数据进行分析和模型模拟：1）绵阳地区多波段天气雷达定量降水估测数据，时间分辨率6 min、空间分辨率1 km；2）中国气象局陆面数据同化系统（China Meteorological Administration Land Data Assimilation System，CLDAS）的降雨格点实况资料，时间分辨率1 h，空间分辨率5 km；3）地形数据为来自日本陆地观测卫星1（ALOS-1）相控阵型L波段合成孔径雷达获取的分辨率为12.5 m的数字高程模型；4）土地利用与植被数据来自中国科学院地理所，空间分辨率为30.0 m；5）四川省水利厅提供的双溪水文站监测资料。为确保数据一致性，所有数据的空间分辨率均重采样至12.5 m。

由于研究区降雨前河道已有水流，且短时间内水流速度和水深基本保持不变，因此可将研究区河道视为稳定流场。在水文模拟中，稳定流场意味着水体流动参数（如流速、水深）随时间变化很小。基于稳定流场的分布式水文模型在径流汇流模拟方面具有较高精度（陈军等，2020），因此，本研究采用该模型开展径流汇流模拟。

由于不同区域下垫面条件存在差异，需优化模型参数以提高径流汇流模拟的准确性。叶帮苹等（2023）在四川小流域山洪预警研究中，利用分辨率为12.5 m的数字高程（Digital Elevation Model，DEM）对模型参数进行了初步率定，并建立了彭州区域的径流汇流参数体系。在此基础上，本研究通过均匀降雨模拟研究区的稳定流场，随后利用双溪水文站数据对扩散系数（Diff）、加速系数（Acc）和最大流速（MaxV）等模型关键参数进行优化。

根据气象资料，2022年7月16日绵阳市气象站日蒸发量仅5.6 mm，对降雨径流过程的影响可忽略不计。同时，林区植被对降雨的截留通常不超过10.0 mm，在暴雨条件下甚至更小（付丛生等，2010）。因此，本研究忽略蒸发、截留等因素对水文模拟的影响，并直接利用双溪水文站的实测水文数据优化模型参数。

扩散系数是影响降雨径流汇流模型精度的重要参数，决定了中心栅格向周围8邻域栅格的水量扩散比例（陈宫燕等，2023）。在无下渗、蒸发、植被截留等影响时，水流完全扩散，扩散系数最大理论值为1/8（即0.125）。扩散系数直接影响雨水的汇流量和水深变化趋势。在持续稳定降雨条件下，合理的扩散系数应保证水深持续上升并趋于稳定（李根等，2022）。参考前人研究（叶帮苹等，2023），设置扩散系数（Diff）优化的固定参数如下：加速系数为0.12、最大流速为2.0 m·s^-1、稳定降雨的小时雨量为30.0 mm、降雨持续时间10 h、模拟时长10 h、输出时间间隔6 min。扩散系数分别设为0.03、0.06、0.09和0.12。

模拟结果（图2）显示，在持续稳定降雨条件下，当扩散系数为0.03和0.06时，水深曲线出现较大波动，与实际情况不符。随着扩散系数增大，河流水深波动逐渐变小，当扩散系数为0.12时，水深持续上涨，不再出现水深停涨或下降的情况，模拟结果与实际情况吻合较好。因此，最终确定扩散系数为0.12，表明大部分降水主要用于汇流，而蒸发、植被截留、下渗等因素影响较小，可以忽略。

加速系数和最大流速决定水深变化趋势和汇流时间。在模拟过程中发现，加速系数过小或最大流速过大，易导致水深出现断崖式下降，这与实测数据不符。因此，为提高模拟精度并减少因参数选择不当导致的偏差，本研究采用不同的加速系数和最大流速组合进行多次模拟，并选取双溪水文站的模拟结果与实测数据进行对比，最终确定最优参数组合。

加速系数和曼宁系数密切相关，曼宁系数越大（即地表粗糙度越大），加速系数越小，水流速度较低；反之，曼宁系数越小，加速系数越大，水流速度较高。针对山区复杂河道，加速系数一般为0.1~0.5（程娅姗等，2020；张磊，2021；马秋霞等，2022；王建龙等，2023）。

河流最大流速通常小于4.0 m·s^-1（卢金友，1990；陈学林等，2010；王华等，2018），因此本研究将最大流速设置为0~4.0 m·s^-1。但由于模型中的最大流速指的是地理坐标系中x、y方向的最大流速，其模拟值可略大于4.0 m·s^-1。

设置加速系数分别为0.12、0.24、0.36、0.48，最大流速分别为2.0、3.0、4.0 m·s^-1，结合扩散系数的固定参数进行优化实验（表1、图3），结果表明，最大水深误差为0.20~1.59 m，Acc=0.36、MaxV=3.0 m·s^-1时最小；水深涨幅误差为0.59~1.75 m，Acc=0.24、MaxV=3.0 m·s^-1时最小；产流时间误差为0~0.1 h，MaxV=2.0 m·s^-1时最小。

综合分析最大水深误差、水深涨幅误差和产流时间误差，最终确定最优参数组合为：Diff=0.12、Acc=0.24、MaxV=3.0 m·s^-1。采用最优参数组合进行模拟，结果显示，模拟水深的确定性系数R²=0.86，表明模拟水深与实测水深拟合度较高。最大水深误差为0.25 m、水深涨幅误差为0.59 m、产流时间误差为0.1 h，均在合理范围内。图4为双溪水文站模拟水深与实测水深的对比，模拟结果较好地再现了降雨、径流、汇流过程，进一步验证了模型的可靠性和准确性。

2022年7月16日山洪暴发当日，强降雨覆盖了研究区除西北部外的大部分区域（图5），其中，暴雨及以上（雨量大于50 mm）覆盖面积约270 km²，占流域总面积的43%；大雨及以上（雨量大于25 mm）覆盖面积约440 km²，占70%。CLDAS资料显示，青片河流域大部分区域雨量为大雨及以上，平均面雨量44 mm，最大累计雨量120 mm，中下游面雨量88 mm，最大小时雨量25 mm。铁洞河流域平均面雨量73 mm，最大累计雨量101 mm，最大小时雨量30 mm。强降雨集中在流域中下游，持续性强降雨加速了河流水位上涨，进而引发山洪泥石流灾害。

16日00：30，白什乡上游局部地区开始出现强降雨（图6-7），雷达估测雨强超过40 mm·h^-1；01：30，强降雨区域逐渐扩展至整个青片河下游，降雨强度不断增强；04：00—05：30，研究区出现大范围暴雨，白什乡及其上游发生大暴雨，最大雨强达174 mm·h^-1；随后降雨短暂减弱，06：30再次出现暴雨，范围和强度逐渐增强，暴雨中心向白什乡移动；08：30之后降雨减小，至10：00降雨结束。此次降雨过程有3个强降雨时段（图8），其中第2时段雨量最多、雨强最大、暴雨范围最广。

第1次强降雨时段（00：00—03：00），降雨主要集中在青片河流域，暴雨及以上面积约128 km²，占流域总面积的20%。降雨持续3.0 h，最大累计雨量41 mm，最大小时雨量20 mm。该时段降雨相对分散，强度较低，流域内径流往低洼处汇集，大部分河流水深有所上涨，但涨幅较小。

第2次强降雨时段（03：00—05：00），降雨范围扩大至青片河与铁洞河流域，最强降雨出现在04：00，暴雨及以上面积约203 km²，占流域总面积的31%。暴雨持续2.0 h，最大累计雨量43 mm，最大小时雨量30 mm。该时段降雨量最大、小时雨强最强、暴雨范围最广，是此次特大山洪泥石流灾害的关键暴雨过程。

第3次强降雨时段（05：00—08：00），降雨面积较第2次有所减小，主要集中在白石乡灾害点附近，持续3.0 h，最大累计雨量39 mm，最大小时雨量22 mm。

为分析各时段不同位置的汇流特征，基于优化后的分布式水文模型对“7·16”过程的径流进行模拟，并结合降雨分布特征，设置5个监控点（Q1、Q2、Q3、Q4、Q5）进行对比分析。图9为研究区的最大水深空间分布，由图可见，研究区西部河道水深较浅，而东南部河道水深较深，其中青片河Q1—Q2河段水深达6.0~10.0 m，铁洞河部分河段水深超过10.0 m，灾害点Q5下游河段水深处于高位。

监控点模拟水深时间曲线（图10）显示，青片河上游Q1产流最早，04：24开始，其他几个点均在05：00左右开始产流；Q5水深最深，达21.0 m；Q3水深最浅，约3.0 m，Q2、Q4水深为12.0~16.0 m。Q5洪峰持续时间最长，水深高位持续3.0 h；Q1、Q3洪峰持续时间最短，均不到1.0 h。Q4水深涨幅最快，1.0 h内水深上涨11.7 m，上涨速度为13.0 m·h^-1。Q3水流速度最大，04：48开始以3.4 m·s^-1的速度快速向下游汇流，导致下游Q4水深快速上涨；Q2、Q4水深曲线都呈双峰特征，但Q4双峰仅间隔约半小时，而Q2双峰间隔约2.0 h，Q5曲线在高位水深上有3次波动，可明显看出Q4、Q2对其汇流的影响。

此次降雨过程的第2个时段，时间和空间上降雨均最为集中，此时段降雨也是河水上涨的主要水源，对径流汇流过程有明显影响，具体分析如下：

（1）青片河在最强降雨（04：00）24 min后，Q1水深上升速度为4.0 m·h^-1，05：24洪峰水深达5.0 m。04：48 Q2水深开始上升，54 min后水深上升速度为6.8 m·h^-1，06：48洪峰水深达15.4 m，比Q1高10.4 m。Q1从强降雨开始到产流有24 min延迟，强降雨开始到洪峰形成有1.4 h延迟，Q2形成汇流和洪峰的时间延迟更长。

（2）铁洞河在最强降雨48 min后，Q3水深上升速度为3.7 m·h^-1，05：30洪峰水深达3.3 m。同一时间Q4水深上升速度为13.0 m·h^-1，05：36洪峰水深达11.7 m，Q3和Q4洪峰时间接近。Q4从强降雨开始到产流有48 min延迟，从强降雨开始到洪峰形成有1.5 h延迟。

（3）青片河与铁洞河山洪均于04：48开始汇入Q5，04：48—06：48在Q5持续叠加。Q5水深在最强降雨1.0 h后以6.3 m·h^-1的速度迅速上涨，06：54洪峰水深上涨至21.0 m。Q5从强降雨开始到产流有1.0 h延迟，从强降雨开始到洪峰形成有2.9 h延迟。

（4）洪峰过后，各监控点水深开始依次下降。Q3水深于06：30首先降至1.0 m以下，Q4水深于07：18降至5.0 m以下，09：00后降至1.0 m以下。Q1水深于06：36降至1.0 m以下，Q2水深在高位持续2.6 h后，于09：00开始下降。Q5水深在高位持续3.0 h后，于09：24开始下降。

由表2可知，青片河水深Q1<Q2<Q5，铁洞河水深Q3<Q4<Q5，在水流汇集作用下，同一条河流的下游水深一般大于上游。暴雨持续0.4~1.0 h后，研究区流域中的大部分雨水汇流至下游，下游水深开始上升，持续1.0~2.0 h后形成洪峰，洪峰持续0.7~3.0 h。Q2水深共上升9.3 m，Q4上升11.7 m，两条河流汇流点Q5水深共上升11.5 m且在06：00后持续维持高位，这是此次致灾的主要原因。

从径流汇流原理来看，水流在重力作用下从高处流向低处，势能转换为动能。地势高差越大，重力势能越大，流速也越快；同时，河道越窄，汇流越集中，水深涨速越快，水深越深。

白什乡灾害点上游地形复杂，流域内地形落差悬殊，根据天地图遥感影像和DEM数据提取的青片河流域和铁洞河流域地形特征（表3、图11），青片河流域内高程最大为4 711 m，最小为1 045 m，最大高程差为3 666 m，最大径流长度为51 km，坡度为0°~82.4°，平均坡度为34.6°，河道最小宽度为7.4 m，平均河道宽度为20.0 m；河道平均纵比降为73‰，上游前5 km河段纵比降最大，为300‰，地形落差极大。铁洞河流域最大高程为3 626 m，最小为1 045 m，最大高程差为2 581 m，最大径流长度为15.5 km，坡度为0°~82.0°，平均坡度为32.6°，河道平均宽度为12.5 m，最小宽度仅为5.8 m。

青片河流域整体汇流面积达558 km²，最大高程达3 666 m，坡度陡峭，根据汇流模型中的纳维-斯托克斯方程（N-S方程），其水流动力加速度较大。青片河上游的降雨以中雨和大雨为主，最上游为小雨，河流汇流量和汇集程度较小，重力压力值较小，因此上游水深上涨较慢、持续时长短，洪峰水深较低。青片河下游汇流面积大，虽然下游河道较宽，但由于降雨以持续性暴雨和大暴雨为主，造成下游汇流时间长，汇流量大，水深上涨较快，水深持续上涨2.0 h，洪峰持续2.6 h，洪峰水深达15.4 m，成为灾害点的主要水源。

铁洞河流域面积虽然仅为70 km²，河流长度15.5 km，但由于平均河道宽度仅12.5 m，最窄处不足6.0 m，且降雨以暴雨为主，水流的重力压力值和加速度均较大，导致河流汇流量大，汇集程度集中。在强降雨48 min后下游水深以10.0 m·h^-1的速度快速上升至11.7 m，随着降雨减弱，洪峰仅持续42 min。尽管如此，间断的持续性降雨使得铁洞河水深曲线出现双峰现象，水深在5.0 m以上持续约2.5 h。实际调研结果表明，除白什乡外，铁洞河附近的七星村和白水村也遭淹没，损失惨重。

灾害点位于白什乡，河道宽度约45.0 m，明显大于青片河与铁洞河的平均河道宽度。从水动力学原理分析，其地形作用的重力压力值与加速度应低于青片河与铁洞河。然而，由于该位置前期基流较深，且上游两条河流的产流时间基本一致，汇流同步，04：48开始水深持续上涨近2.0 h，铁洞河与青片河的强洪峰先后到达，水深叠加，从11.5 m上升至21.0 m，且在高位稳定维持3.0 h，造成了小流域的大山洪，淹没周边村镇。

综上所述，白什乡灾害点上游流域面积大，地形复杂，高程落差大，河道窄，强降雨持续不断输入导致河道汇流量大、流速快、水深大。2条河道洪峰叠加，水深在高位稳定维持，冲击性强，淹没范围大，形成典型的山区小流域大山洪灾害。

根据对本次小流域山洪的径流强度的分析，已对其形成过程有较清晰的认识。如此高强度的径流必然对淹没区域造成灾害。但需要注意的是，研究区位于龙门山断裂带，距离断裂带中心约40 km，距离“5·12”汶川地震震中仅50 km，属于地震重灾区，地质环境脆弱，地震严重破坏了该区域地表形态，大量崩塌和滑坡为研究区河流沟道提供了丰富的泥石流物源。根据地质灾害隐患点调查（图12），研究区共有泥石流隐患点14个，滑坡隐患点9个，均分布在河道及两侧。白什乡灾害点本身即为泥石流隐患点，且上游青片河和铁洞河流域持续强降雨导致水深迅速上涨，汇流时水深最大上涨速度为6.3 m·h^-1，水深在20.0 m高位持续3.0 h，形成强冲击力的小流域山洪，并急速冲刷该泥石流隐患点的大量物源，形成巨大的山洪泥石流，加剧了灾害的破坏性。现场调查结果显示，此次山洪泥石流的高度达到10.0 m以上，洪水夹杂泥土、砂石及漂浮物，淤塞抬高河床，泥石流肆意冲毁房屋建筑和电力、通信设施，对白什乡造成毁灭性灾害。

本文基于分布式降雨径流汇流模型，采用分钟级雷达定量估测降雨数据和12.5 m地形数据，通过双溪水文站实测数据对模型参数进行本地化，模拟了2022年7月16日绵阳市北川县白什乡的重大山洪泥石流事件。研究从降雨过程、流域复杂地形对径流形成的影响及泥石流物源3个方面分析了此次山洪泥石流的产生过程和成因，得到以下主要结论。

（1）模拟水深与实测水深拟合度较高。通过双溪水文站的实测数据对分布式降雨径流模型进行参数优化，优化结果表明，当扩散系数为0.12、径流加速系数为0.24、最大流速为3.0 m·s^-1时，模型的最大水深误差为0.25 m，水深涨幅误差为0.59 m，产流时间误差为0.1 h，确定性系数R²为0.86，与实测水深的整体拟合度较高。

（2）降雨持续时间长、强度高、覆盖范围广是此次山洪形成的主要原因。此次暴雨落区主要集中在白什乡及其上游的青片河和铁洞河流域，降雨持续时间长达8.0 h，降雨量达大暴雨等级。青片河流域平均面雨量为44 mm，最大累计雨量120 mm，中下游面雨量88 mm；铁洞河流域平均面雨量为73 mm，最大累计雨量101 mm。暴雨及以上面积约270 km²，占流域总面积的43%，青片河中下游和铁洞河流域的暴雨覆盖范围达100%，大雨及以上面积约440 km²，占流域总面积的70%。降雨持续时间长、累计雨量大、强度高、覆盖范围广，最终引发此次山洪灾害。

（3）上游流域复杂地形加剧山洪的形成。流域内高程最大高差达3 666 m，平均高程差1 561 m，平均坡度34°，河道最大宽度35.0 m，平均宽度16.3 m，最窄处5.8 m。较大的地形落差造成较强的水流重力势能，进一步加快流速，多个点位的最大流速超过3.3 m·s^-1，汇流时间大大缩短。青片河上游从开始降雨到产流仅需24 min；铁洞河下游48 min内水深上涨11.7 m；青片河下游水深持续上涨2.0 h，涨幅达9.3 m，洪峰水深达15.4 m并持续2.6 h，是下游白什乡灾害点的主要水源。白什乡灾害点的洪峰水深高达21.0 m，并在高位持续3.0 h。持续的暴雨在地形破碎、高程落差大、河道宽度小的流域引发小流域大山洪，导致河道周边村落遭到淹没。

（4）上游地质环境脆弱、泥石流物源丰富及隐患点多是山洪泥石流形成的重要原因。白什乡位于龙门山断裂带中心区域，是“5·12”汶川特大地震的重灾区，地质环境极为脆弱。受地震影响，白什乡上游青片河与铁洞河流域的泥石流物源极为丰富，滑坡、泥石流隐患点多达23个。此次暴雨汇流形成的小流域山洪急速冲刷这些隐患点，形成高达10 m的特大泥石流，冲毁白什乡场镇的房屋建筑、电力和通信设施。

总之，白什乡灾害点上游流域的地形复杂，地质环境脆弱，强降雨的持续输入与泥石流物源的丰富相结合，最终导致了这场小流域大山洪的形成，并造成了巨大的灾害损失。