基于洪災(zāi)發(fā)生頻率的遼寧省汛期分期研究①

梁鳳國(guó)，劉和平，萬(wàn)金紅

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098 2.遼寧省水文水資源勘測(cè)局，遼寧沈陽(yáng)110003;3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利史研究所，北京100048;4.水利部防汛抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京100048)

汛期(flood season)指江河、湖泊洪水在一年中明顯集中出現(xiàn)，容易形成洪澇災(zāi)害的時(shí)期［1］。我國(guó)季風(fēng)氣候顯著，絕大部分降水集中在夏季風(fēng)盛行時(shí)期［2］，故伏汛和秋汛極易形成大洪水，一般所謂汛期也主要指伏秋大汛。汛期分期(將汛期劃分為前汛期、主汛期、后汛期)在季節(jié)性徑流預(yù)報(bào)、流域防洪、洪泛區(qū)管理以及水利工程運(yùn)行調(diào)度中有許多實(shí)際應(yīng)用［3］。汛期分期受天氣系統(tǒng)、下墊面條件等綜合因素的影響，是一個(gè)多指標(biāo)劃分問(wèn)題［4］。通常情況下，汛期分期的研究對(duì)象多為降水量和河道徑流量，根據(jù)一定的原則和方法，將降水量或徑流量的年內(nèi)變化過(guò)程分為幾個(gè)階段，作為汛期和主汛期［5－8］，常用的方法有模糊集合法［9］、分 形 法［10］、矢 量 統(tǒng) 計(jì) 法［11］、變 點(diǎn) 分 析法［12］、Fisher最優(yōu)分割法［13］等。這些方法均存在主觀(guān)性較大、計(jì)算繁瑣等問(wèn)題［14］。

莫建飛等［15］曾采用暴雨強(qiáng)度和暴雨頻次作為廣西農(nóng)業(yè)暴雨洪澇災(zāi)害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性的表征;同樣，遼寧省位于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，雨季的暴雨是產(chǎn)生洪澇災(zāi)害的主要原因［16］。因此，反過(guò)來(lái)，洪澇災(zāi)害的發(fā)生時(shí)間能夠反映汛期的起止時(shí)間。本文以歷史洪澇災(zāi)害為研究對(duì)象，分析其在年內(nèi)各時(shí)段的發(fā)生頻率，在此基礎(chǔ)上確定遼寧省的汛期和主汛期，并利用水文資料對(duì)所得到的汛期分期結(jié)果進(jìn)行合理性分析。

1 材料與方法

1.1 歷史洪災(zāi)資料

1.1.1 資料來(lái)源

本文采用的歷史洪澇災(zāi)害記錄主要來(lái)自《東北區(qū)水旱災(zāi)害》［17］、《遼寧省志·水利志》［18］和《遼寧省防汛水情手冊(cè)》［19］。本著資料完整性、連續(xù)性、代表性的原則，從上述資料中選取1956－2010年間的洪澇災(zāi)害事件進(jìn)行有關(guān)統(tǒng)計(jì)、分析。

1.1.2 洪澇災(zāi)害等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

《東北區(qū)水旱災(zāi)害》［17］中考慮東北地區(qū)的實(shí)際情況和資料條件，將洪澇災(zāi)害分歷史時(shí)期(1746－1950年)和新中國(guó)成立后(1951－1990年)兩個(gè)時(shí)期整理，并依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)水災(zāi)描述的常用詞語(yǔ)，將歷史時(shí)期洪澇災(zāi)害分為嚴(yán)重洪澇和一般洪等2級(jí);依據(jù)受災(zāi)面積率(受災(zāi)面積/播種面積)、夏季(6－9月份)降雨距平、代表站年最大洪峰流量重現(xiàn)期等3項(xiàng)指標(biāo)，將新中國(guó)成立后的洪澇災(zāi)害劃分為特大洪災(zāi)、嚴(yán)重洪災(zāi)、一般洪災(zāi)等3級(jí)。《遼寧省志，水利志》［18］將洪災(zāi)分為重大災(zāi)情和一般災(zāi)情，災(zāi)情劃分原則沒(méi)有明確說(shuō)明?！哆|寧省防汛水情手冊(cè)》［19］中沒(méi)有對(duì)洪災(zāi)劃分等級(jí)。

目前水利行業(yè)將洪澇災(zāi)情分為四級(jí)［20－21］，但是根據(jù)歷史文獻(xiàn)描述很難確切劃分為四級(jí);因此，本文在文獻(xiàn)［17］中提出的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將摘錄的洪澇災(zāi)害統(tǒng)一分為嚴(yán)重洪災(zāi)和一般洪災(zāi)2級(jí)，具體的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1和表2，根據(jù)洪災(zāi)資料所提供信息詳細(xì)程度的不同，參照不同的表。若資料中對(duì)災(zāi)情多為文字描述，則參照表1，若資料中提供了受災(zāi)面積率、6－9月降雨距平、洪峰流量重現(xiàn)期等指標(biāo)，則參照表2。

表1根據(jù)災(zāi)情描述詞語(yǔ)的洪澇災(zāi)害等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

表2 根據(jù)受災(zāi)面積率、6－9月降雨距平、洪峰流量重現(xiàn)期等的洪澇災(zāi)害等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.1.3 洪災(zāi)次數(shù)及發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì)原則

本研究對(duì)一次洪澇災(zāi)害的界定為:一年中不同流域且不同時(shí)期發(fā)生的洪災(zāi)視為不同的洪災(zāi)，否則視為一次洪災(zāi)。根據(jù)上述原則，即使同一場(chǎng)降水造成的洪災(zāi)，若發(fā)生在不同的流域或地區(qū)，仍視為一次洪災(zāi);同一流域或地區(qū)在一年中的不同時(shí)期發(fā)生了洪災(zāi)，該流域或地區(qū)仍按一次洪災(zāi)統(tǒng)計(jì)，取等級(jí)最高者;只有不同時(shí)間、不同流域或地區(qū)發(fā)生的災(zāi)害才算做兩次。

各次災(zāi)害發(fā)生時(shí)間的統(tǒng)計(jì)精確到候。對(duì)于洪災(zāi)時(shí)間描述不確切或不一致的，查閱遼寧省水文年鑒中有關(guān)的降水量和河道徑流資料，以更準(zhǔn)確地確定洪災(zāi)時(shí)間。對(duì)于少數(shù)僅有年份、沒(méi)有具體時(shí)間記載的洪災(zāi)，不參加統(tǒng)計(jì)。

根據(jù)上述原則和方法，逐年摘錄、整理洪災(zāi)次數(shù)及歷次洪災(zāi)的等級(jí)、發(fā)生時(shí)間。對(duì)歷年洪災(zāi)資料整理完成后，統(tǒng)計(jì)各候、不同等級(jí)的洪澇災(zāi)害發(fā)生次數(shù)及頻率，從而綜合分析，確定遼寧省汛期和主汛期時(shí)間段。

1.2 水文資料

根據(jù)遼寧省水文整編資料，選擇不同地區(qū)主要河流水文站的徑流和降水量資料(表3)，驗(yàn)證汛期分期結(jié)果的合理性。其中大凌河位于遼寧西部沿渤海地區(qū);遼河和渾河在遼寧中北部和下遼河平原地區(qū);愛(ài)河為鴨綠江支流，代表東部黃海沿岸地區(qū)。根據(jù)各站的資料系列，計(jì)算多年平均的逐日降水量和徑流量，分析其年內(nèi)變化過(guò)程，對(duì)本文汛期分期結(jié)果進(jìn)行合理性檢驗(yàn)。

表3 遼寧省主要流域代表性水文站基本信息及資料年限

2 災(zāi)害次數(shù)統(tǒng)計(jì)及汛期劃分

根據(jù)上述原則和方法，整理了記載詳細(xì)、年份連續(xù)的55年(1956－2010年)來(lái)的歷史洪災(zāi)資料，分為嚴(yán)重洪災(zāi)和一般洪災(zāi)2級(jí)，并按候統(tǒng)計(jì)各次災(zāi)害發(fā)生時(shí)間，整理結(jié)果見(jiàn)表4。遼寧省洪澇災(zāi)害頻繁，在55年(1956－2010年)里，有明確時(shí)間記載的洪災(zāi)有44次，其中嚴(yán)重洪災(zāi)17次，平均3.2年發(fā)生一次，一般洪災(zāi)27次，平均2年發(fā)生一次。

各個(gè)時(shí)段內(nèi)的嚴(yán)重洪災(zāi)和一般洪災(zāi)次數(shù)柱狀圖表明(圖1)，一般洪災(zāi)的發(fā)生時(shí)間集中于6－9月份，最早和最晚的洪災(zāi)均發(fā)生在1956年，分別為6月1日至5日和9月1日至5日;嚴(yán)重洪災(zāi)的發(fā)生時(shí)間集中在7月11日至8月20日，其他時(shí)段沒(méi)有嚴(yán)重洪災(zāi)發(fā)生;綜合考察一般洪災(zāi)和嚴(yán)重洪災(zāi)，各等級(jí)洪災(zāi)集中的時(shí)間段也是在7月11日－8月20日。姚俊英等［22］研究表明，黑龍江省暴雨洪澇災(zāi)害主要發(fā)生在5－9月份，6－8月份最為集中，7月份損失最大，與本文結(jié)果相似，但其是以月為單位。

表4 1956－2010年洪災(zāi)次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 1956－2010年洪災(zāi)次數(shù)分布圖

遼寧省的洪澇災(zāi)害主要由季風(fēng)降雨引發(fā)［16］，因此洪災(zāi)的發(fā)生頻率及嚴(yán)重程度能夠反映暴雨洪水的頻率和大小?；诓煌燃?jí)洪澇災(zāi)害的時(shí)間分布，確定遼寧省汛期為6月1日－9月5日，共97天，主汛期為7月11日－8月20日，共41 d。對(duì)1956－2010年歷次洪災(zāi)發(fā)生時(shí)間的統(tǒng)計(jì)表明(表5)，在汛期，一般洪災(zāi)和嚴(yán)重洪災(zāi)所占比例達(dá)到100%;在主汛期，嚴(yán)重災(zāi)害比例達(dá)到100%，一般洪災(zāi)比例達(dá)到70.4%，各等級(jí)洪災(zāi)總次數(shù)所占比例達(dá)到80%以上。

3 合理性分析

遼寧省位于中緯度地區(qū)，地處亞洲東部沿海和太平洋西北岸，屬溫帶半濕潤(rùn)和半干旱的季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季。雨季來(lái)臨的時(shí)節(jié)，即預(yù)示著汛期的開(kāi)始，雨季的開(kāi)始常伴有洪澇災(zāi)害的發(fā)生。7、8月份太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)，高空西風(fēng)槽、低渦特別活躍，地面低壓鋒系出現(xiàn)頻繁，常形成大暴雨過(guò)程，容易形成較大的洪澇災(zāi)害。因此，根據(jù)歷史災(zāi)害發(fā)生時(shí)間及相對(duì)頻率來(lái)確定汛期和主汛期是合理的。

為了驗(yàn)證本文汛期劃分結(jié)果是否符合遼寧省降水和河道徑流的年內(nèi)變化規(guī)律，圖2中給出了遼寧省部分主要河流代表性水文站的多年平均逐日降水量及徑流過(guò)程，圖上同時(shí)標(biāo)出了本文確定的汛期(紅色線(xiàn))和主汛期(紫色線(xiàn))范圍。本文進(jìn)一步采用Fisher最優(yōu)分割法［13］對(duì)上述4個(gè)站點(diǎn)的多年平均日降水量和徑流量系列進(jìn)行汛期、主汛期劃分，結(jié)果見(jiàn)表6。根據(jù)降水量劃分的汛期開(kāi)始時(shí)間與本文結(jié)果較為一致，大約在5月底6月初，結(jié)束時(shí)間晚于本文，在9月下旬。根據(jù)徑流劃分的汛期開(kāi)始時(shí)間晚于本文，多在6月下旬至7月上旬，結(jié)束時(shí)間與本文較一致。如圖2所示，在6月初，降水量開(kāi)始增加，但由于此時(shí)土壤前期含水量較低，降雨入滲較大，河道徑流量上漲時(shí)間要滯后于降水，故根據(jù)徑流劃分的汛期開(kāi)始時(shí)間較晚，但此時(shí)若發(fā)生強(qiáng)降水，也會(huì)可能會(huì)造成山洪災(zāi)害，因此，本文根據(jù)洪災(zāi)頻率，以6月1日為汛期開(kāi)始時(shí)間有其合理性。到了9月初，雖然降水量與入汛時(shí)相當(dāng)，但此時(shí)氣溫開(kāi)始降低，西太平洋副高開(kāi)始南撤，強(qiáng)對(duì)流天氣減少，出現(xiàn)暴雨的機(jī)會(huì)減少，且河道徑流也逐漸趨于穩(wěn)定，故發(fā)生洪澇災(zāi)害災(zāi)害的機(jī)會(huì)大為降低，汛期基本結(jié)束。

表5 1956－2010年洪澇災(zāi)害汛期和主汛期分布比例

圖2 遼寧省不同地區(qū)代表性雨量站多年平均逐日降水量

利用Fisher最優(yōu)分割法根據(jù)降水量劃分的主汛期與本文結(jié)果較為一致，大約開(kāi)始于7月上旬，結(jié)束于8月中旬，而根據(jù)徑流的劃分結(jié)果與本文有一定差別，開(kāi)始較晚，多在7月中下旬，結(jié)束時(shí)間各站差異也較大，義縣站和梨樹(shù)溝站為8月上旬，鐵嶺站推遲到9月1日，沈陽(yáng)站在8月24日。由于流域下墊面條件、流域面積、地形、水利工程等因素的影響，可能導(dǎo)致了河道徑流主汛期與降水量主汛期的不一致。洪澇災(zāi)害不僅包含河道洪水，還包含由暴雨引發(fā)的內(nèi)澇、山洪泥石流等，本文按洪澇災(zāi)害劃分主汛期，綜合體現(xiàn)了更能體現(xiàn)河道洪水、內(nèi)澇、山洪泥石流等多種因素，對(duì)防汛抗旱更有現(xiàn)實(shí)意義。

表7中計(jì)算了汛期和主汛期的降水量和徑流量占全年的比例，結(jié)果表明，整個(gè)汛期雖然只有97 d，占全年天數(shù)的1/4，但降水量占全年的比例在56%～72%，平均65%，主汛期41 d，僅占全年天數(shù)的1/10，降水量卻占全年降水量在18%～37%，平均33%，主汛期天數(shù)約為整個(gè)汛期的2/5，降水量卻占到一半。對(duì)于徑流，汛期占全年的比例與降水相當(dāng)，平均63%，主汛期占全的比例比降水略高，平均到達(dá)40%，而主汛期占汛期的比例明顯高于降水，達(dá)到64%。說(shuō)明汛期降水和徑流在全年高度集中，主汛期又集中了汛期中一半以上的降水和徑流，因此汛期和主汛期是防汛救災(zāi)和水資源管理調(diào)度的關(guān)鍵時(shí)期。

表6 基于Fisher最優(yōu)分割法的代表站點(diǎn)降水量、徑流汛期分期

表7汛期、主汛期降水量和徑流分配比例

4 結(jié)論與討論

對(duì)1956－2010年歷史洪澇災(zāi)害資料進(jìn)行摘錄和統(tǒng)計(jì)，確定洪災(zāi)總數(shù)44次，其中一般災(zāi)害27次，嚴(yán)重災(zāi)害17次。根據(jù)各候一般災(zāi)害和嚴(yán)重災(zāi)害的發(fā)生次數(shù)，確定遼寧省汛期為6月1日－9月5日，主汛期為7月11日－8月20日。汛期一般洪災(zāi)和嚴(yán)重洪災(zāi)所占比例達(dá)到100%;主汛期嚴(yán)重災(zāi)害比例達(dá)到100%，一般洪災(zāi)比例達(dá)到70.4%，兩者合計(jì)達(dá)到80%以上。汛期降水和徑流占全年60%以上，主汛期占全年30%～40%。

根據(jù)遼寧省汛期的大氣環(huán)流成因，由洪災(zāi)的發(fā)生時(shí)間和頻率確定汛期分期是合理的。進(jìn)一步與遼寧省主要流域代表性水文站點(diǎn)降水和徑流汛期分期結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，表明洪澇災(zāi)害的發(fā)生時(shí)間、頻率、等級(jí)能夠反映降水和徑流的年內(nèi)變化特征，重大災(zāi)害的出現(xiàn)與主汛期的出現(xiàn)具有同步性，本文方法可以得到較合理的汛期分期結(jié)果。

盡管本方法需要大量較為詳細(xì)的歷史洪澇災(zāi)害資料，且整理資料的工作量也較大，但與傳統(tǒng)的采用降水量或河道徑流作為研究對(duì)象的汛期分期相比，本方法避免了計(jì)算復(fù)雜等問(wèn)題，分期方法更為簡(jiǎn)潔、直接，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，不失為一類(lèi)較為有效的汛期分期分析方法。

需要指出的是，暴雨洪水是自然現(xiàn)象，洪澇災(zāi)害是自然與人類(lèi)活相互影響的產(chǎn)物［16］。一方面，隨著人口的增加，人類(lèi)活動(dòng)向沿江、沿河地帶集中，有可能增加洪澇災(zāi)害的發(fā)生;另一方面，由于近年來(lái)大型控制性水利工程的修建以及中小河流治理，常出現(xiàn)大水無(wú)大災(zāi)的情況。因此，利用本文方法確定汛期分期，洪澇災(zāi)害資料年代的選擇要具有代表性，必要時(shí)需要利用相應(yīng)的降水、徑流資料進(jìn)行修正，以保證汛期分期結(jié)果合理。此外，遼寧省季風(fēng)氣候顯著，暴雨集中出現(xiàn)在6－9月份，尤以7、8月份最多［16］，故洪澇災(zāi)害與汛期關(guān)系顯著。在其他氣候區(qū)，利用本文方法進(jìn)行汛期分期的適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

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