典型區域降雨分布在山洪預警指標合理性分析中的應用

王慈德，周晶晶

（四川省阿壩州水文水資源勘測局，四川 阿壩 623000）

0 引言

研究區位于四川省西北部、阿壩藏族羌族自治州東南部的青藏高原東南邊緣，地跨岷江和涪江上游高山河谷地帶，區域東部為中山地帶，地貌以高山峽谷為主，境內地質構造復雜。巖層主要以夾沙灰、黑色頁巖、砂板巖、火成巖等構成，土壤以暗棕壤、褐土、棕壤為主。區域氣候受西風環流和印度洋西南季風影響，屬高原性季風氣候。汛期常有暴雨、洪水、冰雹、泥石流災害發生。

為了充分應用山洪災害調查分析評價成果，最大限度地減少人員傷亡和財產損失，須驗證分析預警指標的合理性，山洪預警指標的合理性分析通常可采用以下方法：（1）與當地山洪災害事件實際資料作對比分析，即用實際發生的山洪災害的降雨資料進行預警指標的合理性檢查；（2）將多種方法的計算結果進行對比分析，以盡量避免因某一種方法的不確定性而產生的較大偏差；（3）通過相似流域采用比擬的思想對預警指標成果進行合理性檢查。本文主要采用方法（3）的思想和思路進行驗證，從宏觀面上來做出合理性分析。

1 研究方法

降雨量的分布從氣候角度來看是空間連續的，臨界雨量雖與地質、地理條件及氣象條件有關，但在匯流計算過程中，已限定選定的典型區域內地質、地理條件及氣象條件相差不大，且典型區域內的設計雨型綜合分區、暴雨損失量分區、匯流參數分區、入滲率綜合分區等均按照同一分區進行參數的選取。在計算過程中，遵循了暴雨洪水同頻率的假定，因此，可以認為臨界雨量的分布在典型區內也是連續的，相同防洪能力的危險區的臨界雨量應該符合典型區域內的降雨分布規律，可通過勾繪實際降雨分布圖的方法來驗證其合理性。研究思路為：典型區域分析選擇；通過現有站點的年最大1小時雨量均值點繪降雨分布圖；同樣選取典型區域內匯流時間為1小時的臨界雨量成果（山洪臨界雨量成果分為干旱、一般、以及濕潤情況下的指標值。本文以濕潤情況下的臨界雨量作為分析對象，也可選其他兩種情況），且對相同防洪能力的危險區進行歸納分類。為保證分析成果的準確性，臨界雨量值采用多種方法[1]的計算成果；將對多種方法的計算成果與實際典型區域內的降雨等值線分布情況做對比分析，通過其關聯性來驗證上述方法的可行性。

2 典型區域的選擇

對茂縣地區的各小流域通過投影尋蹤分類模型進行相似區域的選擇并劃定典型區域。投影尋蹤是統計學中處理高維數據的有效方法[2]。對包括多個指標的多個流域，用投影尋蹤聚類方法判定流域相似度的思路是：分別將各流域的特征指標投影到一維空間，找到反映多個指標綜合信息的一維投影特征值；通過比較特征值的相對差異從而判定各流域之間的綜合差異，按照相似與差異性進而選擇典型流域區域。以茂縣境內主要的53個流域區域為分析計算單元，選取的特征指標分別為5個氣象指標：6月、7月、8月、9月和年平均降水量，代表下墊面特征的6個指標：流域面積、主河道長、河道縱坡、流域寬度、形狀系數、地質條件（相關指標的分類和投影均參照文獻[2]中的方法）。按照投影尋蹤分類模型分別計算各選定小流域的投影值，并對投影值的大小做分類處理，利用投影值的大小范圍來確定流域的相似度，相似度相同的流域劃定為同一區域，以此來確定典型區域。小流域下墊面相關指標均采用山洪下發的底圖采用arcgis自動提取，降雨量取用流域附近雨量站點數據，并將最終計算的投影值結果范圍標繪至水系圖上，圖1為相似流域投影結果。

從圖1的流域相似度計算結果來看，相似度較高的流域大致可描述為4類：1類為土門河流域；2類為黑水河上游流域；3類為岷江右岸及松坪溝上游區域；4類為岷江干流沿岸區域。

圖1 各小流域投影結果

3 茂縣境內年最大一小時降雨均值分布

由于在編制四川省中小流域暴雨洪水計算手冊時，受雨量站點稀少的影響，降雨等值線分布稀疏。年最大1小時點雨量均值分布僅有15 mm和20 mm兩個量級劃分，不能滿足本次小范圍區域內的降雨分布情況的分析。汶川地震后，阿壩州境內新建了大批災后重建遙測站點，極大緩解了州境內水文站點不足的情況。本文在繪制茂縣地區年最大1小時點雨量均值降雨分布圖時，加入了大量新建雨量站點（包含茂縣周邊區域站點），對茂縣地區進行降雨等值線圖的繪制。

本次降雨量均值區域分布圖的繪制過程中選取茂縣地區及周邊雨量站點30處，原有站點雨量資料選取近10年的降雨數據，災后重建站點因受資料年限限制，只選取近5年資料。降雨分布圖采用arcgis軟件繪制，對空白區域采用空間降水插值，插值方法大體可分為3類：①整體插值法(趨勢面法和多元回歸法等)；②局部插值法(泰森多邊形法、反距離加權法、克里金插值法和樣條法)；③混合插值法(整體插值法和局部插值法的綜合)等。經過對比分析認為，克里金插值法充分考慮了地形、高程等對降雨空間分布的影響，繪制的區域降雨分布圖更能反應地區實際降雨空間分布情形，茂縣范圍內1小時最大降雨均值分布見圖2。

圖2 危險區臨界雨量及1小時最大降雨分布圖

從圖2的降雨分布可以看出，土門鄉所在的土門河流域降雨量較大，其次為維城鄉所在的赤不蘇小流域，岷江干流左岸區域降雨較大，右岸大部分區域則偏小。

4 山洪災害臨界雨量分布

以原山洪災害計算成果為依據，選取防洪能力小于等于5年一遇防災對象，分別按照推理公式法、標準化單位線法、SCS模型法三種方法計算并統計其時段為1小時臨界雨量成果。

（1）推理公式參數取值說明：F(流域面積)、J（沿流程的平均縱比降）、L（流域最長匯流路徑）分別從茂縣工作底圖中提取，其余參數參照《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》提供的參數及附圖進行取值；

（2）標準化單位線法直接利用全國統一下發的基礎數據中的小流域標準化單位線進行成果計算；

（3）CSC模型參數取值：主要參數CN值通過查算SCS模型的前期土壤濕潤程度表、土壤分類表和CN值表得到，其余參數參照《手冊》進行取值；

三種不同方法臨界雨量計算成果統計值見表1。

表1 防災對象臨界雨量統計值

為了驗證山洪臨界雨量預警指標的合理性，調查了選定的6個流域內山洪實際發生情況（不包括地質災害如泥石流、滑坡等），共調查到1場洪水，據指認人員何培福（男，61歲，永和鄉永寧村人，小學文化程度）描述：2013年7月6日下午開始下雨，晚上約9時許發生洪水，洪水淹沒部分農田農舍，無人員傷亡。經水情信息平臺查證災害發生流域附近雨量站點（永和雨量站）7月6日15時1小時降雨量為24.2 mm。與臨界雨量預警指標值較為接近，進一步印證了預警指標值的確定較為合理。

從表1的計算結果來看，三種不同方法計算的臨界雨量值存在一定的差異，這與三種方法的計算原理與參數取值存在差異息息相關，尚屬合理。

將上述成果按照調查經緯度點繪至降雨分布圖上，按站點所在位置的降雨分布情況來分析其關聯性。分布圖見圖2。

從圖2中臨界雨量分布情況可以看出，防洪能力為5年一遇的后寨子、道財組、道廟組以及苦地坪分屬于3個不同類型的典型區域（后寨子屬4類區域、道財組屬3類區、道廟組和苦地坪屬1類區）。將其臨界雨量按照3種不同的方法計算后依次從小到大排列（見圖3），對應降雨量分布圖上也依次分布在降雨較小和較大的區域內。由于典型區域不同，后寨子、道財組與后兩者的的雨量差異也較大，但同一典型區域的臨界雨量值則符合地區降雨分布的規律。同樣防洪能力為2年一遇的危險區（同屬于4類典型區域）其臨界雨量3種方法的計算結果雖也存在差異（見圖4），但基本屬于同一量級，對應降雨分布圖上也基本分布在同一等值線區域內，符合區域降雨分布規律。

圖3 5年一遇臨界雨量成果

圖4 2年一遇臨界雨量成果

5 結語

通過計算后的結果分析認為，防洪能力相同的典型區域內危險區的臨界雨量成果大致符合實際的區域降雨分布規律。初步認為，通過典型區域降雨分布進行山洪預警指標的合理性分析方法簡易可行。從大范圍的山洪預警指標計算成果來看，不在同一典型區域的兩個危險區，其預警指標并不符合實際降雨分布的規律。上述方法應用的關鍵是分析選取合理的典型區域，找出典型區域內臨界雨量不符合區域降雨分布規律的危險區，并對這些危險區的預警指標進行重點復核。對反復重新計算后成果與原成果仍然一致但不符合典型區域降雨分布規律的重點防治區，應分析并找出合理性因素所在，以確保預警指標合理，最大限度為山洪災害預警、人員轉移、群測群防等工作提供科學的預警支撐。