云南楚雄州山洪氣象風險預警臨界面雨量研究

劉博文，李華宏，胡 娟

(云南省氣象臺，云南 昆明 650034)

1 引言

山洪指山洪溝中發生的突發暴漲洪水事件，是指在山洪溝的集水面積上短時間內強降雨遠遠超過它的承水量而產生的地表徑流[1]。山洪溝由于山體陡峭、地勢復雜、河道狹窄、河流湍急，當遇到局地性暴雨或連續降雨，山坡巖土體飽和軟化，穩定性迅速降低，極易引發山洪[2]。近年來，極端天氣事件多發，常發生突發性暴雨，所誘發的山體滑坡、泥石流和山洪等氣象次生災害，對公路、房屋、水庫等公共基礎設施造成巨大的破壞，同時還會威脅災害發生地居民生命財產安全。山洪災害具有突發性、降雨集中、歷時短、雨量大、難預報等特點，是威脅人民生命財產安全的主要次生災害之一，并且嚴重制約著山區的經濟發展和生態建設，有效預警山洪災害以降低其威脅已成為國內外關注的熱點[3-6]。

楚雄州位于滇中地區，人口密度大，山地廣，承災體多。由于境內高山峽谷交錯分布、不同區域的地形和海拔差異突出，小氣候特征明顯；干濕季分明、降水集中在汛期(5～10月份)且局地降水多發，形成了復雜的氣象要素分布和立體氣候特點。楚雄州位于元江、金沙江兩大流域內，河流長年累月的沖刷形成較深的河谷，其兩側的巖壁十分陡峭、巖石相對松散，當有強降水發生或累積降水量過大時容易導致山體滑坡、泥石流等山地災害的發生。并且全州位于橫斷山脈與云貴高原的過渡地帶，地勢西北高東南低，境內多山，山地面積約占全州總面積95%。地質環境脆弱、陡坡地分布面積大、地形切割劇烈、地表風化嚴重、地質穩定性差。哀牢山自楚雄市向南穿過楚雄州，該區域地勢陡峭，土體松軟，特殊的地形地貌有利于山洪災害的形成和發生。此外，集中采礦等人為因素和地殼運動等自然因素，造成一部分山區形成新的崩塌、滑坡和泥石流，破壞了山體的穩定性，使得地質環境脆弱，山地巖土體穩定性出現退化，抵御山洪災害的能力削弱[7]。哀牢山對降水的增幅作用是導致山洪災害發生的外在條件，在內外因的共同作用下楚雄州山洪災害頻發。

臨界雨量是山洪災害預報預警的一個重要指標，其概念廣泛應用于廣義山洪災害(包括滑坡、泥石流)的預報預警研究中[8-11]。在提高可預報性工作中，降水造成的面雨量達到或超過區域臨界雨量的閾值，常被認為很有可能發生山洪災害，應及時發布相關預警信息。由此可見，區域臨界雨量的研究對山洪災害的防災減災具有十分重要的意義。

云南在山洪災害方面開展了大量的基礎性研究工作，但主要是有關中尺度濾波、診斷分析及災害風險評價[12]，而對致災臨界雨量閾值的研究相對較少[13，14]。本文通過收集區域內2014～2016年有記錄的20起山洪災害資料及氣象資料，分析災情降水與災害發生的雨洪關系。運用區域臨界雨量法求得臨界面雨量的范圍，再用泰森多邊形法求出面雨量與災害點臨近區域站雨量的算術平均法做比較，得出初步臨界面雨量修訂值；通過插值法和類比法確定無觀測資料區域的山洪溝臨界面雨量值[15，16]，最后用2017年的災害過程進行檢驗，訂正后得到最終的臨界面雨量值。

2 楚雄州山洪溝概況

2.1 山洪溝分布情況

圖1是楚雄州山洪溝分布情況，圖右下角示意楚雄州在云南省的位置?；谠颇鲜夂蛑行牡钠詹榻Y果，運用Arcgis軟件提取到楚雄境內的山洪溝有47條，主要分布在北部金沙江水系區域永仁縣、大姚縣、元謀縣、武定縣、姚安縣和牟定縣，北部山洪溝占整個楚雄州境內山洪溝總數的88.68%。其中永仁縣境內山洪溝最多有16條，占到全州山洪溝總數的30.2%。

2.2 歷史山洪災害情況統計

山洪災害主要發生在主汛期6～10月，分為短時強降水引發的山洪災害和前期累計雨量較大造成巖體飽和誘發山洪。其中又以8～10月災害發生最頻繁，是因為汛期開始到8月累計降水達到峰值后，此時巖土體穩定性明顯降低，此后再受到強降水的激發就更容易誘發山洪災害。由表1可見2016年災害事件最多，有12起，空間分布上發生在楚雄州北部的災情占到總災情的65%。是因為北部山洪溝多地勢高，金沙江流域夏天對流云團沿著河谷發展易形成強降水，而楚雄南部、東部雖然降水相對偏多，但是地勢相對較為平緩，即使降水大也不容易出災。根據表1前五天累積降水超過大雨量級(25 mm)的占到69.6%，說明山洪災害和前期雨量密切相關。由于災情的收集受到一定條件的制約性，存在著有些上報的災情不在山洪溝里，例如表1中災害樣本有20起，但所能提取出的山洪溝只有13條，而有些山洪溝成災后沒有上報，導致災害樣本減少。本文主要是圍繞這13條山洪溝展開研究。

圖1 楚雄州山洪溝分布圖(陰影區域為山洪溝位置)

Fig.1 The distribution map of ChuXiong’s Mountain torrents (The shaded area is the position of the torrents)

3 資料與方法

3.1 資料來源

整理云南氣象臺收集的2014～2016年3年災情資料和云南國土資源廳提供的部分災情資料，有記錄的楚雄州山洪災害過程有20起，涉及8個縣13條山洪溝23個災害事件樣本。采用楚雄州210個區域雨量站逐小時雨量，統計20起災害事件的過程雨量、災害前五天逐日降水、災害當天1 h、3 h、6 h、12 h、24 h最大雨強，降水累計時段為當日08∶00至次日08∶00。

3.2 區域山洪臨界雨量的分析思路

整理出20起災情區域內各雨量站山洪災害發生的時間，統計發生山洪災害的山洪溝內雨量站個數以及發生山洪災害的次數，統計出山洪災害各個時段對應的降水過程中的最大面雨量平均值，即統計出每一次災害的逐1 h、3 h、6 h、12 h、24 h最大雨強。最后選取山洪災害樣本中各時段最大面平均雨量中的最小值，作為各時段區域山洪臨界雨量初值[17]，統計分析公式如下：

表1 楚雄州2014年～2016年山洪災害發生情況統計表Tab.1 The statistics of Chuxiong’s mountain torrent from 2014～2016

(1)

3.3 泰森多邊形法

由于觀測站點為離散分布，需要采用泰森多邊形法對雨量觀測站的降水量進行區域平均降水量的計算。將研究區域內相鄰的雨量觀測站兩兩相互連接，形成三角形，對三角形的各邊作垂直平分線，若干垂直平分線將研究區域劃分成不同大小的幾何形狀，則每一個雨量站的降水量就代表這個雨量站所在多邊形區域內的降水量，并稱這個多邊形為泰森多邊形。這種方法充分考慮了各雨量觀測站的權重，當某個站的位置固定不變時，則該站所占的權重也不產生變化；利用FORTRAN程序編程計算所在區域的泰森多邊形，然后根據每個雨量站所占流域面積權重，采用加權法對流域各雨量站的時段降雨量進行疊加求得[19]。即：

(2)

式中：AR流域面雨量；Ri為站點i的雨量；Ai為站點i代表的面積；A為流域總面積；n為泰森多邊形個數。

3.4 算術平均法

算術平均法是將某一區域或流域內某一時段所有測站的同期降水量相加后除以總測站數作為該區域或流域的面雨量。其數學表達式為：

R=(∑Ri)/N(i=1、2……N)

(3)

本文運用經緯度計算大圓距離法[20]，這里的某一區域以災害點為中心畫圓，取離災害點最近的5個雨量站來做算術平均。因為測站太少沒有表征意義，區域代表性不大；而測站太多的話，由于站點分散，雖然對災害點雨量影響小，但會對平均雨量造成影響。

4 結果分析

4.1 全州初步臨界面雨量

對于沒有災情的山洪溝可以通過全州總體的雨洪關系得到初步的臨界雨量。由于統計的災害樣本空間分布不均，部分縣市的災情個例較少或者沒有災情，劃分不出風險等級，因此將地質條件大致相同的縣市合并分析。將金沙江流域地區的元謀縣和永仁縣，以及元江流域地區的雙柏縣3個縣內10個樣本歸類為河谷地帶樣本，其余縣市13個樣本歸為非河谷地帶樣本。將樣本序列災害當日雨量從小到大依次排列，畫出災害當日雨量與災害發生頻率的關系圖。通過分析圖2a發現當災害當日雨量為9.2 mm、26.1 mm、48.4 mm、66.7 mm時，曲線斜率出現了4次增大，可將這4個跳躍點作為全州一個總體的不同預報預警等級的臨界雨量。根據水利部和中國氣象局聯合制定的山洪災害氣象預警規定，并結合經驗來看，在非河谷地區，降雨量<9.2 mm時山洪災害發生可能性不大，當降雨量為9.2 mm～26.1 mm之間時，對應山洪預警級別為Ⅳ級即可能發生；當日降雨在26.1 mm～48.4 mm之間時，山洪預警級別為Ⅲ級即可能性較大；當日降雨在48.4 mm～66.7 mm之間時，山洪預警級別為Ⅱ級即可能性大；當日降雨≥66.7 mm時，山洪預警級別為Ⅰ級即可能性很大。在河谷地區地勢相對平坦，激發山洪災害的降雨量較小，但是原理相同，從圖2b同樣可以將7.8 mm、13.5 mm、17 mm、25.5 mm作為河谷地區4個級別預警等級的臨界雨量。

4.2 三種統計方法臨界面雨量

根據公式(1)(2)(3)分別用三種統計方法求出13條山洪溝所對應的1 h、3 h、6 h、12 h、24 h臨界面雨量值，結果如表2所示。

結果表明，總體而言泰森多邊形法求得的臨界值與區域臨界雨量法的結果相差不大，如果各山洪溝內有多條災情則兩種方法都能求得一個臨界雨量的范圍，如果各山洪溝只有一條災情樣本則兩種方法都只能求得一個臨界雨量值。而如果各山洪溝內只有一個關聯雨量站，則兩種方法結果相同，這是因為泰森多邊形法考慮了所有相鄰雨量站的權重；如果山洪溝內只有一個雨量站，就無法構成多邊形，山洪溝內雨量站越多結果就越精確。而算術平均法臨界面雨量與上述兩種方法的值差別較大，這是因為根據大圓距離法取的5個雨量站是以災害點為中心，有的雨量站和山洪溝沒有關聯，離得較遠，所以影響了平均雨量。

圖2 災害當日雨量與災害發生頻次關系圖(a非河谷地區；b河谷地區)Fig.2 The relation chart between the amount of rainfall and the frequency of disasters on the day of the disaster(a.Non-river valley area；b.Valley area) 表2 各時段3種方法臨界面雨量值Tab.2 The statistics of critical surface rainfall value of three methods in each period /mm

4.3 臨界面雨量的確定

由于有效災情樣本少，區域臨界雨量法計算時站點偏少且沒考慮站點權重，所以區域臨界雨量法和泰森法結果相接近但略偏小，這兩個方法都相對于算術平均法較穩定。在區域面積不大，地形相對平坦，雨量站分布較均勻的情況下，采用區域臨界雨量法、泰森多邊形法和算術平均法3種方法計算的面雨量結果相差不大。例如大莊河山洪溝、三木小流域山洪溝、石羊西河山洪溝和雙河山洪溝。當出現局地性降雨，個別站點出現了強降水情況時，由于泰森多邊形法考慮了站點分布不均勻的情況，增加了雨量站的權重系數，采用該種方法計算結果精度更高更可靠。所以綜合分析采用泰森多邊形法求得的面雨量作為臨界雨量值，而其余沒有災情樣本分析的山洪溝臨界雨量值就參考4.1節全州總體的臨界值。以24 h降水為例將泰森多邊形法求得13條山洪溝面雨量與山洪預警臨界值對應，細化到四級預警指標，得到全州47條山洪溝24 h的臨界雨量值。表3選取了災情事件中的13條山洪溝，及4.1節劃分的河谷地區和非河谷地區類型各2個山洪溝展示。

5 臨界面雨量檢驗

臨界面雨量的確定還需要新災情的驗證，2017年收集到有7條山洪災情(表4)，都發生在主汛期。災害當日降水量除了9月6日祿豐縣的災情以外都達到了大到暴雨的量級。災害前五天累積降水量也有5次災情達到大到暴雨量級。災情對應的山洪溝為盤龍河山洪溝、維的河山洪溝、進化河(大)山洪溝。

表3 楚雄州部分山洪溝24 h臨界面雨量Tab.3 The 24 hours critical rainfall about partial of Chuxiong’s mountain torrent /mm

表4 2017年災情Tab.4 The disaster in 2017

針對7月7日武定縣，7月7日永仁縣蓮池鄉，8月14日永仁縣猛虎鄉3條有具體山洪溝災情的信息做檢驗，將4.3節求得的臨界閾值替換現有的省氣象臺山洪災害氣象風險預警業務系統的閾值，帶入相應的QPF(定量降水預報)得到如下結果。檢驗7月7日武定和永仁的災情：在7月6日20時的24 h預報，武定的盤龍河山洪氣象風險等級達到Ⅳ級，有一定風險。永仁的維的河山洪氣象風險等級達到Ⅱ級，風險高。在7月7日08時的24 h預報，武定的盤龍河山洪氣象風險等級達到Ⅳ級，有一定風險。永仁的維的河山洪氣象風險等級達到Ⅱ級，風險高，兩個預報時段內兩條山洪溝的預警等級沒有變。而在原山洪災害氣象風險預警業務系統中兩個時效的預報都沒有報出山洪預警等級。

檢驗8月14日永仁猛虎鄉的災情：在8月13日20時的24 h預報，永仁的進化河(大)山洪氣象風險等級達到Ⅲ級，風險較高。而在8月14日08時的24 h預報，進化河(大)山洪氣象風險等級上升達到Ⅱ級，風險高。同樣在原山洪災害氣象風險預警業務系統中這兩個時效的預報都沒有報出山洪預警等級。

通過新閾值的預警圖和原系統的預警圖對比得到結論，修訂的臨界面雨量閾值相比于原始閾值更有指示意義。

6 結論與討論

楚雄州2014～2016年有記錄的20起山洪災害事件中，2016年災情事件最多，有12起；山洪災害主要發生在主汛期6～10月，分為短時強降水引發的山洪災害和前期累計雨量造成巖體水分飽和誘發山洪。其中發生在楚雄州北部的山洪事件數占到全州總災害事件數的65%。

區域臨界雨量法因不考慮雨量站權重，計算結果略偏小。泰森多邊形法因考慮了各雨量站的權重，且當測站固定不變時，各測站的權重也不變，結果相對較合理，精度也較高。算術平均法取的雨量站點與山洪溝關聯性相對較差，會影響面雨量計算值。所以最終采用泰森多邊形法求得的臨界面雨量值比較合理。

對于沒有災情的山洪溝通過全州總體的雨洪關系得到不同預報預警等級的臨界雨量值。楚雄州非河谷地區山洪災害氣象預警Ⅳ級～Ⅰ級對應的臨界雨量值為9.2 mm、26.1 mm、48.4 mm、66.7 mm，河谷地區山洪災害氣象預警Ⅳ級～Ⅰ級對應臨界雨量值分別為7.8 mm、13.5 mm、17 mm、25.5 mm。

經2017年山洪災情檢驗，修訂后的臨界面雨量閾值相比于當時業務系統中的原始閾值更有指示意義。但由于QPF的準確性還有待提高，并且災情樣本太少導致楚雄州的臨界面雨量閾值尚沒有細化到每一條山洪溝，所以后續工作還要加強災情的收集及提高QPF的預報準確率。