基于FloodArea模型的新源縣則克臺(tái)流域暴雨洪澇災(zāi)害臨界雨量研究

楚丹丹，張琦

（1.鞏留縣氣象局，新疆伊犁 835400；2.新源縣氣象局）

暴雨洪澇災(zāi)害是最為常見(jiàn)的自然災(zāi)害現(xiàn)象之一，山區(qū)的暴雨洪澇災(zāi)害尤為突出和嚴(yán)重，對(duì)于無(wú)實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)的小流域，山形復(fù)雜導(dǎo)致暴雨洪澇致災(zāi)因子具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和不確定性，因此，災(zāi)前風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警預(yù)報(bào)備受各級(jí)政府及氣象部門(mén)的高度關(guān)注。臨界雨量是洪澇災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)的重要指標(biāo)之一，指某一時(shí)段一定面積上，一個(gè)流域內(nèi)的平均雨量達(dá)到或超過(guò)某一量值時(shí)，該流域可能發(fā)生洪災(zāi)，該量值就為臨界面雨量[1-2]，一般用1 h或幾小時(shí)降雨量表示。確定了致災(zāi)臨界雨量，就可以從源頭密切跟蹤和監(jiān)測(cè)洪水動(dòng)態(tài)，并根據(jù)降水實(shí)況和氣象預(yù)報(bào)做出精準(zhǔn)山洪預(yù)警?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)和計(jì)量評(píng)價(jià)模型，學(xué)者們對(duì)各地區(qū)暴雨洪澇災(zāi)害進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和區(qū)劃研究[3-5]，比較成熟的臨界雨量的確定方法主要有統(tǒng)計(jì)歸納法和水位反推法[5-7]，為本文研究提供了方法借鑒。

新疆伊犁地區(qū)新源縣是全疆降水量最多地區(qū)，近些年由降水誘發(fā)的氣象災(zāi)害及衍生災(zāi)害十分頻繁，其中洪澇災(zāi)害最為嚴(yán)重。則克臺(tái)流域下游入河段的8 km河道近30年來(lái)向東西兩岸擴(kuò)張近120 m，尤其自1990 年以來(lái)，河道向兩岸加速擴(kuò)張，兩岸植被相繼破壞，近3 年來(lái)先后有50 戶約200 個(gè)居民被迫搬遷。研究探明該流域暴雨洪澇災(zāi)害的致災(zāi)成因及臨界雨量，對(duì)本區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。本文利用基于ArcGIS 平臺(tái)開(kāi)發(fā)的FloodArea 二維水動(dòng)力淹沒(méi)模型，對(duì)無(wú)水文資料新源縣則克臺(tái)流域進(jìn)行山洪過(guò)程的模擬，采用相關(guān)系數(shù)計(jì)算得到淹沒(méi)深度-降水的關(guān)系，通過(guò)不同等級(jí)的淹沒(méi)深度反推出致災(zāi)臨界雨量，據(jù)此可對(duì)當(dāng)?shù)厣胶闉?zāi)害做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)與評(píng)估。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

新源縣則克臺(tái)流域地處北緯43°05′～43°41′，東經(jīng)82°28′～84°34′之間，為伊犁河谷支流鞏乃斯河下游，地形特點(diǎn)呈北高南低，地貌分為山區(qū)（平均海拔2 630 m）、丘陵區(qū)（平均海拔1 150 m）和平原區(qū)（平均海拔836 m）。多年平均年降水量在270～880 mm 之間，其分布特點(diǎn)是東部多、西部少。最大月降水量一般出現(xiàn)在5～6 月，占年降水量的14%左右；區(qū)域內(nèi)年平均氣溫在1.4～8.9 ℃，極端最高氣溫39.8 ℃，最低氣溫-32.0 ℃；全年日照時(shí)數(shù)為4 442 h。多年平均水面蒸發(fā)量在802.0 mm。平均積雪深度為20～30 cm，最深達(dá)67 cm。則克臺(tái)流域系鞏乃斯河一級(jí)支流，流域面積136 km2，河長(zhǎng)29 km2，水源以融雪和降雨補(bǔ)給為主，徑流的四季分配較為均勻，夏水占年降水量的40%左右，春水多于秋水，占年降水量的25%以上。洪水以春季升溫融雪型洪水和夏季暴雨融雪混合型洪水為主。春季融雪型洪水多出現(xiàn)在4～5月；夏季暴雨融雪型洪水出現(xiàn)在6～8月，春季升溫融雪型洪水次數(shù)多于夏季暴雨融雪型洪水。

1.2 數(shù)據(jù)資料

1.2.1 氣象資料

收集新源縣則克臺(tái)流域內(nèi)區(qū)域自動(dòng)氣象站和水文站的基本信息。

1.2.2 基礎(chǔ)地理信息

從NASA 網(wǎng)站下載覆蓋研究區(qū)30 m 數(shù)字高程（DEM）數(shù)據(jù)；從地理空間數(shù)據(jù)云下載覆蓋研究區(qū)域的1 km土地利用數(shù)據(jù)。

1.2.3 歷史災(zāi)情資料

從新源縣氣象局獲取歷史典型洪水過(guò)程災(zāi)情記錄，包括雨情、水情記載、災(zāi)害損失、影響人數(shù)、水毀工程、場(chǎng)次水災(zāi)發(fā)生時(shí)段及淹沒(méi)信息（空間分布、水深、面積、淹沒(méi)歷時(shí)等）。

1.2.4 隱患點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

主要針對(duì)研究區(qū)內(nèi)的居民點(diǎn)、公路、鐵路、橋梁、農(nóng)田、廠房及其他建筑或公共場(chǎng)所，在災(zāi)害發(fā)生時(shí)易受洪水淹沒(méi)的地方或建筑設(shè)施等災(zāi)害隱患點(diǎn)。

2 研究方法

2.1 FloodArea模型計(jì)算原理

本文運(yùn)用FloodArea 模型對(duì)研究流域一次淹沒(méi)過(guò)程進(jìn)行反演。FloodArea模型是基于GIS柵格數(shù)據(jù)和水動(dòng)力方法，利用二維非恒定流水動(dòng)力模型，同時(shí)考慮一個(gè)柵格周?chē)?個(gè)單元的洪水淹沒(méi)模型（見(jiàn)圖1）[8-9]。該模型在山地地區(qū)模擬效果比平原地區(qū)好，已在國(guó)內(nèi)外科研及工程等部門(mén)得到了運(yùn)用。

圖1 柵格單元?jiǎng)澐?/p>

2.2 皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析法

本研究采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析法[10]，對(duì)模擬出的洪水淹沒(méi)深度與逐小時(shí)降水量進(jìn)行相關(guān)分析，計(jì)算公式如下：

式中：n 為樣本數(shù)，xi 和yi 分別為2 個(gè)變量的變量值分別為2變量的均值。

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

3.1.1 降水空間分布權(quán)重

降水空間分布權(quán)重表示一個(gè)區(qū)域不同地方降水占整個(gè)研究區(qū)的權(quán)重比例[11]。本文運(yùn)用克里金插值法來(lái)確定該區(qū)域的降水空間分布權(quán)重（見(jiàn)圖2）。

圖2 降水空間分布權(quán)重

3.1.2 地表水力糙度

地表水力糙度是衡量河道粗糙程度和形狀不規(guī)則性影響的一個(gè)綜合性指數(shù)[12-13]。本文利用新疆土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)，對(duì)不同土地利用類(lèi)型水力糙度賦初值并調(diào)整參數(shù)（見(jiàn)圖3），按建筑用地、水域、旱田、水田和林地5 種類(lèi)型確定地表水力糙度，按照經(jīng)驗(yàn)值分別取18、25、33、40和50。

圖3 地表水力糙度

3.1.3 典型降水過(guò)程面雨量的確定

根據(jù)歷史災(zāi)情資料，選取了2015 年5 月12日、2016 年4 月29 日、2016 年6 月17 日及2016年6 月29 日則克臺(tái)流域的4 次降水過(guò)程作為本研究的典型降水過(guò)程，得到逐小時(shí)平均降水?dāng)?shù)據(jù)，作為該區(qū)域內(nèi)一次降水過(guò)程的面雨量數(shù)據(jù)，并生成文本文件。

3.1.4 隱患點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集

本研究在該流域的中下游選取了2個(gè)山洪淹沒(méi)點(diǎn)進(jìn)行淹沒(méi)深度的測(cè)量，針對(duì)本次暴雨洪澇災(zāi)害，對(duì)淹沒(méi)點(diǎn)的地名、經(jīng)緯度、淹沒(méi)深度等數(shù)據(jù)做記錄（見(jiàn)表1）。

表1 2016 年6 月17 日則克臺(tái)河流域洪水災(zāi)后實(shí)地考察

表2 考察點(diǎn)實(shí)測(cè)水深與模擬水深對(duì)比

3.2 降水-淹沒(méi)深度關(guān)系的建立

本研究選取2 個(gè)考察點(diǎn)（見(jiàn)圖4），其中則克臺(tái)鎮(zhèn)-1 記為考察點(diǎn)1，則克臺(tái)鎮(zhèn)-2 記為考察點(diǎn)2，分析考察點(diǎn)處逐時(shí)不同累積時(shí)效的面雨量和模擬洪水過(guò)程線的相關(guān)關(guān)系，取相關(guān)系數(shù)最好的一組換算表達(dá)式，得到預(yù)警點(diǎn)淹沒(méi)某一深度時(shí)對(duì)應(yīng)的面雨量，這就是考察點(diǎn)淹沒(méi)達(dá)到或超過(guò)某一量值時(shí)的致災(zāi)臨界面雨量。本研究中考察點(diǎn)1 累積5 h 雨量相關(guān)性最好，考察點(diǎn)2累積5 h雨量相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)分別為達(dá)到0.833和0.603，淹沒(méi)水深和面雨量的換算表達(dá)式為：

圖4 模擬水深檢驗(yàn)的隱患點(diǎn)位置

式中：y分別為考察點(diǎn)1和考察點(diǎn)2的面雨量；x分別為考察點(diǎn)1和考察點(diǎn)2的淹沒(méi)深度。

3.3 精度檢驗(yàn)

通過(guò)2017年6月29日淹沒(méi)的真實(shí)深度對(duì)模擬的淹沒(méi)深度進(jìn)行精度檢驗(yàn)，如表2所示。可以看出，考察點(diǎn)1實(shí)測(cè)水深為0.94 m，模擬水深為0.61 m，相對(duì)誤差為0.34 m，誤差率為35.11%；考察點(diǎn)2實(shí)測(cè)水深為1.05 m，模擬水深為1.03 m，相對(duì)誤差為0.02 m，誤差率為1.90%。FloodArea模型對(duì)研究區(qū)洪水過(guò)程模擬的效果較好，可以反映出該區(qū)域的洪水淹沒(méi)情況，能為無(wú)水文資料的山區(qū)流域的山洪過(guò)程進(jìn)行較為精準(zhǔn)的模擬。

3.4 致災(zāi)臨界雨量的確定

按照山洪災(zāi)害等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定漫壩、淹沒(méi)預(yù)警點(diǎn)20 cm、60 cm、120 cm和180 cm分別對(duì)應(yīng)四級(jí)、三級(jí)、二級(jí)和一級(jí)洪水淹沒(méi)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)降水-淹沒(méi)深度的關(guān)系得出：預(yù)警點(diǎn)累積5 h降水得到對(duì)應(yīng)四級(jí)、三級(jí)、二級(jí)和一級(jí)山洪的致災(zāi)臨界雨量分別為：13.18 mm、21.46 mm、33.87 mm和46.29 mm（見(jiàn)表3）。

表3 不同淹沒(méi)等級(jí)的致災(zāi)臨界雨量

4 結(jié)論

本文以則克臺(tái)流域?yàn)檠芯繀^(qū)，運(yùn)用小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)、土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）、實(shí)測(cè)淹沒(méi)深度等數(shù)據(jù)，基于FloodArea 模型對(duì)研究區(qū)2015 年5 月12 日、2016 年4 月29 日、2016 年6 月17 日和2016 年6 月29 日洪水過(guò)程進(jìn)行再現(xiàn)模擬，通過(guò)精度驗(yàn)證并建立了降水-淹沒(méi)深度的關(guān)系，得出了研究區(qū)致災(zāi)臨界雨量，結(jié)果如下：（1）通過(guò)Pearson 分析了則克臺(tái)鎮(zhèn)-1 和則克臺(tái)鎮(zhèn)-2 逐時(shí)不同累積時(shí)效的面雨量和模擬洪水過(guò)程線的相關(guān)關(guān)系，并得出則克臺(tái)鎮(zhèn)-1 和則克臺(tái)鎮(zhèn)-2 都是累積5 h 降雨量與模擬洪水淹沒(méi)深度的相關(guān)性最好，分別達(dá)到了0.833 和0.603。（2）通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬的淹沒(méi)深度進(jìn)行精度檢驗(yàn)，則克臺(tái)鎮(zhèn)-1 和則克臺(tái)鎮(zhèn)-2 兩個(gè)考察點(diǎn)相對(duì)誤差分別為0.34 m 和0.02 m，誤差率分別為35.11%和1.90%。結(jié)果表明：FloodArea 模型對(duì)研究區(qū)洪水過(guò)程模擬的效果比較好，可以反映出該區(qū)域的洪水淹沒(méi)情況，能為無(wú)水文資料的山區(qū)流域的山洪過(guò)程進(jìn)行較為精準(zhǔn)的模擬。（3）按照山洪災(zāi)害等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)和降水-淹沒(méi)深度的關(guān)系得出：預(yù)警點(diǎn)累積5 h 降水得到對(duì)應(yīng)四級(jí)、三級(jí)、二級(jí)和一級(jí)山洪的致災(zāi)臨界雨量分別為：13.18 mm、21.46 mm、33.87 mm 和46.29 mm。