典型區(qū)域降雨分布在山洪預警指標合理性分析中的應(yīng)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(qū)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(qū)域東部為中山地帶，地貌以高山峽谷為主，境內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復雜。巖層主要以夾沙灰、黑色頁巖、砂板巖、火成巖等構(gòu)成，土壤以暗棕壤、褐土、棕壤為主。區(qū)域氣候受西風環(huán)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(zāi)害發(fā)生。

為了充分應(yīng)用山洪災(zāi)害調(diào)查分析評價成果，最大限度地減少人員傷亡和財產(chǎn)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?？刹捎靡韵路椒ǎ海?）與當?shù)厣胶闉?zāi)害事件實際資料作對比分析，即用實際發(fā)生的山洪災(zāi)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(jié)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(chǎn)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(xù)的，臨界雨量雖與地質(zhì)、地理條件及氣象條件有關(guān)，但在匯流計算過程中，已限定選定的典型區(qū)域內(nèi)地質(zhì)、地理條件及氣象條件相差不大，且典型區(qū)域內(nèi)的設(shè)計雨型綜合分區(qū)、暴雨損失量分區(qū)、匯流參數(shù)分區(qū)、入滲率綜合分區(qū)等均按照同一分區(qū)進行參數(shù)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(qū)內(nèi)也是連續(xù)的，相同防洪能力的危險區(qū)的臨界雨量應(yīng)該符合典型區(qū)域內(nèi)的降雨分布規(guī)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(qū)域分析選擇；通過現(xiàn)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(qū)域內(nèi)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(qū)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(qū)域內(nèi)的降雨等值線分布情況做對比分析，通過其關(guān)聯(lián)性來驗證上述方法的可行性。

2 典型區(qū)域的選擇

對茂縣地區(qū)的各小流域通過投影尋蹤分類模型進行相似區(qū)域的選擇并劃定典型區(qū)域。投影尋蹤是統(tǒng)計學中處理高維數(shù)據(jù)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(qū)域。以茂縣境內(nèi)主要的53個流域區(qū)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?qū)挾?、形狀系?shù)、地質(zhì)條件（相關(guān)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(qū)域，以此來確定典型區(qū)域。小流域下墊面相關(guān)指標均采用山洪下發(fā)的底圖采用arcgis自動提取，降雨量取用流域附近雨量站點數(shù)據(jù)，并將最終計算的投影值結(jié)果范圍標繪至水系圖上，圖1為相似流域投影結(jié)果。

從圖1的流域相似度計算結(jié)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(qū)域；4類為岷江干流沿岸區(qū)域。

圖1 各小流域投影結(jié)果

3 茂縣境內(nèi)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(qū)域內(nèi)的降雨分布情況的分析。汶川地震后，阿壩州境內(nèi)新建了大批災(zāi)后重建遙測站點，極大緩解了州境內(nèi)水文站點不足的情況。本文在繪制茂縣地區(qū)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(qū)域站點），對茂縣地區(qū)進行降雨等值線圖的繪制。

本次降雨量均值區(qū)域分布圖的繪制過程中選取茂縣地區(qū)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(shù)據(jù)，災(zāi)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(qū)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(quán)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(jīng)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(qū)域降雨分布圖更能反應(yīng)地區(qū)實際降雨空間分布情形，茂縣范圍內(nèi)1小時最大降雨均值分布見圖2。

圖2 危險區(qū)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(xiāng)所在的土門河流域降雨量較大，其次為維城鄉(xiāng)所在的赤不蘇小流域，岷江干流左岸區(qū)域降雨較大，右岸大部分區(qū)域則偏小。

4 山洪災(zāi)害臨界雨量分布

以原山洪災(zāi)害計算成果為依據(jù)，選取防洪能力小于等于5年一遇防災(zāi)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(tǒng)計其時段為1小時臨界雨量成果。

（1）推理公式參數(shù)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(shù)參照《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》提供的參數(shù)及附圖進行取值；

（2）標準化單位線法直接利用全國統(tǒng)一下發(fā)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的小流域標準化單位線進行成果計算；

（3）CSC模型參數(shù)取值：主要參數(shù)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(shù)參照《手冊》進行取值；

三種不同方法臨界雨量計算成果統(tǒng)計值見表1。

表1 防災(zāi)對象臨界雨量統(tǒng)計值

為了驗證山洪臨界雨量預警指標的合理性，調(diào)查了選定的6個流域內(nèi)山洪實際發(fā)生情況（不包括地質(zhì)災(zāi)害如泥石流、滑坡等），共調(diào)查到1場洪水，據(jù)指認人員何培福（男，61歲，永和鄉(xiāng)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(fā)生洪水，洪水淹沒部分農(nóng)田農(nóng)舍，無人員傷亡。經(jīng)水情信息平臺查證災(zāi)害發(fā)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(jié)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(shù)取值存在差異息息相關(guān)，尚屬合理。

將上述成果按照調(diào)查經(jīng)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(guān)聯(lián)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(qū)域（后寨子屬4類區(qū)域、道財組屬3類區(qū)、道廟組和苦地坪屬1類區(qū)）。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(yīng)降雨量分布圖上也依次分布在降雨較小和較大的區(qū)域內(nèi)。由于典型區(qū)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(qū)域的臨界雨量值則符合地區(qū)降雨分布的規(guī)律。同樣防洪能力為2年一遇的危險區(qū)（同屬于4類典型區(qū)域）其臨界雨量3種方法的計算結(jié)果雖也存在差異（見圖4），但基本屬于同一量級，對應(yīng)降雨分布圖上也基本分布在同一等值線區(qū)域內(nèi)，符合區(qū)域降雨分布規(guī)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(jié)語

通過計算后的結(jié)果分析認為，防洪能力相同的典型區(qū)域內(nèi)危險區(qū)的臨界雨量成果大致符合實際的區(qū)域降雨分布規(guī)律。初步認為，通過典型區(qū)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(qū)域的兩個危險區(qū)，其預警指標并不符合實際降雨分布的規(guī)律。上述方法應(yīng)用的關(guān)鍵是分析選取合理的典型區(qū)域，找出典型區(qū)域內(nèi)臨界雨量不符合區(qū)域降雨分布規(guī)律的危險區(qū)，并對這些危險區(qū)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(qū)域降雨分布規(guī)律的重點防治區(qū)，應(yīng)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(zāi)害預警、人員轉(zhuǎn)移、群測群防等工作提供科學的預警支撐。