遼寧中小河流致洪暴雨時(shí)空分布特征分析

（遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧遼陽(yáng)111000）

遼寧中小河流致洪暴雨時(shí)空分布特征分析

劉啟和

（遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧遼陽(yáng)111000）

文中在系統(tǒng)分析遼寧省暴雨洪水特征的基礎(chǔ)上，嘗試對(duì)致洪暴雨閾值及其時(shí)空分布進(jìn)行研究。為保證降雨徑流的一致性，研究以遼寧省55個(gè)集水面積2 000 km2以下，受人類(lèi)活動(dòng)干擾較少的水文站為代表站，統(tǒng)計(jì)各站5年一遇洪水對(duì)應(yīng)的3h、6h、12h、24h降水，分析各時(shí)段致洪雨量閾值，并對(duì)其時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行研究。

中小河流；致洪暴雨，時(shí)空分布，遼寧省

1 暴雨洪水特征

氣候條件是遼寧省洪水災(zāi)害頻發(fā)主要原因。遼寧省屬于季風(fēng)性氣候。冬季受西伯利亞-蒙古高壓控制，盛行北風(fēng)和西北風(fēng)，降水量少；春季蒙古高壓北撤，雨量略見(jiàn)增多；夏季西風(fēng)帶氣旋頻繁通過(guò)，加上熱帶風(fēng)暴及臺(tái)風(fēng)頻繁北上，攜帶大量水汽，在副高位置偏北、偏西情況下，常形成遼寧省大暴雨與特大暴雨；秋季副高南撤，轉(zhuǎn)入少雨季節(jié)。造成遼寧省暴雨洪水的主要原因?yàn)楦备呒訌?qiáng)北移、臺(tái)風(fēng)等[1]。

研究統(tǒng)計(jì)了遼寧省1951年以來(lái)較大規(guī)模的場(chǎng)次降水（最大單點(diǎn)降水不小200 mm，兩場(chǎng)降水大于間隔6 h），分析遼寧省暴雨特征如下：①時(shí)間分布上，降水多集中在24 h之內(nèi)。對(duì)于暴雨中心雨量點(diǎn)，最大12 h降水量占場(chǎng)次總降水量的70%以上；最大24 h降水量占場(chǎng)次總降水量的80%以上；②空間分布上，暴雨中心多位于東南、西南部地區(qū)。就水資源三級(jí)區(qū)統(tǒng)計(jì)，暴雨中心在沿黃渤海東部諸河區(qū)約占30%，渾江口以下區(qū)約占25%、沿黃渤海西部諸河區(qū)約占15%，其余各分區(qū)均在5%～7%左右。

遼寧省洪水呈與暴雨相似的特征，但有所差異，表現(xiàn)為：①空間分布上，東南沿海頻次高，西北內(nèi)陸頻次低；②受災(zāi)面積分布上，中部重，東西兩側(cè)輕；③經(jīng)濟(jì)越發(fā)展損失越大；④在死亡人數(shù)上，呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。

2 致洪暴雨計(jì)算方法

現(xiàn)階段，致洪暴雨臨界雨量計(jì)算方法通常有兩種，即統(tǒng)計(jì)分析法及水文模型法[2]。水文模型法是在歷次暴雨洪水過(guò)程的基礎(chǔ)上，建立集水區(qū)產(chǎn)匯流模型，并基于此計(jì)算達(dá)到某一標(biāo)準(zhǔn)洪水的臨界降水閾值[3-6]；統(tǒng)計(jì)分析法是首先設(shè)定選樣標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)歷史資料建立超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)集，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)發(fā)掘等技術(shù)確定發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水的臨界雨量[7]。

考慮到水文模型法在很大程度上受前期降水影響，研究中以雨洪資料較好的水文站作為代表站，故采用統(tǒng)計(jì)分析法計(jì)算致洪暴雨臨界雨量。計(jì)算以水文站為單元，方法步驟如下：

1）資料收集：收集水文站基本資料及洪水要素信息，包括水文站位置、年最大洪峰流量、3日洪量，場(chǎng)次洪水發(fā)生時(shí)間，過(guò)程及峰值流量；集水區(qū)雨量站分布情況，各次洪水對(duì)應(yīng)的降水資料等。

2）確定選樣標(biāo)準(zhǔn)，建立超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)集：采用統(tǒng)計(jì)分析法計(jì)算致洪暴雨臨界雨量時(shí)應(yīng)首先需確定選樣標(biāo)準(zhǔn)，并篩選出超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)次過(guò)程，建立超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)集。通常而言選樣標(biāo)準(zhǔn)有3種：①歷次成災(zāi)的暴雨洪水過(guò)程；②長(zhǎng)系列資料中洪峰流量（水位）超過(guò)河道警戒流量（水位）的場(chǎng)次暴雨洪水過(guò)程；③洪水要素重現(xiàn)期超過(guò)某一特定標(biāo)準(zhǔn)的暴雨洪水過(guò)程。

3）單點(diǎn)臨界雨量計(jì)算。對(duì)于集水面積較大、下墊面情況復(fù)雜的水文站，由于降水在時(shí)空分布上不均勻，區(qū)域內(nèi)部分地域短歷時(shí)暴雨也可能會(huì)造成超標(biāo)準(zhǔn)洪水，對(duì)于此，應(yīng)確定單點(diǎn)臨界雨量，計(jì)算方法如下：

假設(shè)區(qū)域內(nèi)共有S處雨量站，分別為i=1，2，3，……S，共發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水N次，分別為j=1，2，3，……N，共統(tǒng)計(jì)T不同時(shí)間段的雨量（如3 h、6 h、12 h、24 h，總雨量），Rtij為雨量站i在第j次洪水中統(tǒng)計(jì)時(shí)段為t最大雨量，各站每個(gè)時(shí)間段N次統(tǒng)計(jì)值中，最小的一個(gè)為致洪暴雨臨界雨量閾值，計(jì)算公式如下：

4）區(qū)域面平均臨界雨量計(jì)算。對(duì)于集水面積較小、下墊面相似的水文站，可認(rèn)為降水空間分布基本一致，故直接計(jì)算區(qū)域面平均臨界雨量，計(jì)算方法如下：

假設(shè)區(qū)域內(nèi)共有S處雨量站，共發(fā)生超定量洪水N次，共統(tǒng)計(jì)T個(gè)不同時(shí)段的面平均雨量。Rtj為第j次洪水對(duì)應(yīng)的最大t時(shí)段面降水量（由S處雨量站計(jì)算得到）。統(tǒng)計(jì)N次洪水各時(shí)段最大雨量面平均值的最小值，即為各時(shí)段致洪暴雨臨界雨量。

Rt臨界=Min（Rtij）

其中，面平均雨量計(jì)算可采用算術(shù)平均法、泰森多邊形法、雨量等值法等多種方法，根據(jù)集水區(qū)實(shí)際情況而定，但要保證面平均雨量的計(jì)算精度。

3 致洪暴雨時(shí)空分布特征

3.1 資料收集

近年來(lái)，隨著人類(lèi)活動(dòng)對(duì)下墊面影響的增強(qiáng)，特別是水庫(kù)的修建運(yùn)用，流域產(chǎn)匯流規(guī)律發(fā)生了顯著變化。大型河流、大型流域的致洪雨量與天然條件有很大差異而作為防汛難點(diǎn)的中小河流、中小流域致洪雨量則相對(duì)穩(wěn)定。為更好的反應(yīng)天然條件下暴雨洪水特征，研究以遼寧省水文基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，選擇流域集水面積2 000 km2以下，資料系列長(zhǎng)、雨洪配套情況較好，受人類(lèi)活動(dòng)干擾相對(duì)較小的55處水文站作為代表站。

3.2 超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)集構(gòu)建

為建立超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)集，計(jì)算致洪暴雨臨界雨量，研究以遼寧省水文基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)洪水摘錄、降雨摘錄數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，篩選出55個(gè)水文站對(duì)應(yīng)的1 381場(chǎng)暴雨洪水過(guò)程作為分析的依據(jù)。其中面雨量計(jì)算采用集水區(qū)內(nèi)雨量站降水?dāng)?shù)據(jù)泰森多邊形加權(quán)平均得到。

遼寧省部分中小河流的防洪標(biāo)準(zhǔn)不高，項(xiàng)目中采用5年一遇洪水為致洪暴雨推算標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到遼寧省實(shí)際特征及防汛工作具體需求，頻率分析時(shí)同時(shí)考慮洪峰及3日洪量?jī)煞N要素，選取場(chǎng)次洪水洪峰大于5年一遇洪峰，3 d洪量大于5年一遇3 d洪量的洪水。按照上述規(guī)則篩選出55個(gè)水文站超定量洪水共398場(chǎng)，扣除降水資料相對(duì)較差的1964年之前數(shù)據(jù)，共有場(chǎng)次洪水340場(chǎng)，作為致洪雨量分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。

3.3 致洪暴雨時(shí)空分布

考慮到計(jì)算中采用集水面積2 000 km2以下的水文站作為代表站，可認(rèn)為其下墊面條件及降水空間分布基本相同。研究以上述超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，采用面平均臨界雨量計(jì)算方法，分析各站點(diǎn)不同時(shí)段致洪暴雨臨界雨量閾值。考慮到遼寧省較大等級(jí)暴雨中，24 h雨量占總降水量的80%以上，研究中計(jì)算了3 h、6 h、12 h、24 h的臨界雨量。

從計(jì)算結(jié)果分析可知：在時(shí)間尺度上，從全省角度講，致洪暴雨臨界3 h雨量、6 h雨量、12 h雨量占24 h雨量的比例分別為46%、66%、86%。其中，遼寧北部部分站點(diǎn)（如小五家、寶力、公主屯、小荒地、韓家杖子、東白城子、胡家、司屯、趙家屯）24 h致洪臨界雨量在50 mm以下，其余地區(qū)均在50 mm以上。其原因?yàn)檫|寧北部地區(qū)洪水發(fā)生次數(shù)較少，5年一遇洪水量級(jí)較低，所以相應(yīng)致洪暴雨臨界雨量閾值較小。

基于ArcGIS軟件，將水文站24 h致洪暴雨臨界雨量定位于流域重心，采用克里金法對(duì)其進(jìn)行空間插值，結(jié)果表明：

遼寧省致洪暴雨臨界雨量整體由東南向西北遞減。其中丹東大部、本溪南部、鞍山東南部（鴨綠江流域、大洋河流域）致洪暴雨在100 mm以上，鐵嶺、沈陽(yáng)、阜新、葫蘆島北部致洪臨界雨量在50 mm以下，其余地區(qū)致洪暴雨在50～80 mm之間。

4 結(jié)論與展望

致洪暴雨臨界雨量是中小河流防汛的關(guān)鍵預(yù)警指標(biāo)。研究在分析遼寧省暴雨洪水特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計(jì)分析法計(jì)算了全省55個(gè)2 000 km2以下水文站的致洪（5年一遇標(biāo)準(zhǔn)）暴雨臨界雨量，并對(duì)其時(shí)空分布特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：遼寧省致洪暴雨臨界雨量由東南向西北遞減，24 h臨界雨量在東南部地區(qū)為100 mm以上，北部地區(qū)則50 mm以下。

需要說(shuō)明的是：研究得到的致洪暴雨臨界雨量是可能發(fā)生5年一遇洪水的最低降水量。在該雨量條件下，有發(fā)生5年一遇洪水的可能，但并不是一定會(huì)發(fā)生。研究成果可為遼寧省洪水預(yù)警提供依據(jù)，也可為其他地區(qū)致洪暴雨臨界雨量研究提供參考。

［1］陳金龍.東北地區(qū)致洪暴雨天氣分型及典型過(guò)程分析［D］.大連：大連理工大學(xué)，2015.

［2］盧燕宇，謝五三，田紅.基于水文模型與統(tǒng)計(jì)方法的中河流致洪臨界雨量分析［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2016，25（3）：38-47.

［3］葉金印，李致家，常露.基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的山洪預(yù)警方法研究與應(yīng)用［J］.氣象，2014，40（1）：101-107.

［4］盧燕宇，田紅．基于HBV模型的淮河流域洪水致災(zāi)臨界雨量研究［J］．氣象，2015，41(6）：755-760．

［5］張亞杰，吳慧，吳勝安，等.南渡江流域暴雨洪澇致災(zāi)臨界面雨量的確定［J］．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2014，25（6）：731-740.

［6］葉勇，王振宇，范波芹．浙江省小流域山洪災(zāi)害臨界雨量確定方法分析［J］．水文,2008,28(1）：56-58．

［7］樊建勇，單九生，管珉，等.江西省小流域山洪災(zāi)害臨界雨量計(jì)算分析［J］.氣象，2012，38（9）：1110-1114.

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2017-01-04