基于GIS的威海母豬河流域洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究

李旭杰　辛文鵬　王美琪

摘要 選取威海母豬河流域作為研究區(qū)域，依據(jù)該流域1961—1965年洪水過程為基礎(chǔ)資料，采用廣義極值分布函數(shù)方法計(jì)算了流域不同重現(xiàn)期面雨量;采用ArcGIS法計(jì)算該流域重現(xiàn)期面雨量空間分布;使用Flood Area模型進(jìn)行淹沒模擬;采用GIS空間插值技術(shù)，疊加DEM數(shù)據(jù)，通過全面分析得到威海母豬河流域洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

關(guān)鍵詞 洪水;風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃;重現(xiàn)期;雨量分布

中圖分類號(hào)：P331.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2022）04–0074–03

在各種自然災(zāi)害中，洪水是最常見且危害最大的一種。洪水會(huì)毀壞農(nóng)作物，淹沒農(nóng)田和房屋，破壞公共基礎(chǔ)設(shè)施，引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和人員損失。洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分析與區(qū)劃成果圖編制是洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其目的是將洪水分析結(jié)果及其相關(guān)信息根據(jù)制圖規(guī)范在地圖上清晰地表達(dá)，洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖將區(qū)劃對(duì)象劃分低、中、高、極高4類風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，能直觀地反映全國(guó)和流域、區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)總體狀況，確定防洪功能類型及其防治特征，明確區(qū)域內(nèi)部洪水風(fēng)險(xiǎn)程度，以及防治標(biāo)準(zhǔn)和緊迫性的空間分布特征，能夠清晰地反映出研究區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)分布情況，在防汛決策方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。對(duì)威海母豬河流域洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃進(jìn)行研究，所得風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果可以增強(qiáng)公眾防災(zāi)意識(shí)，引導(dǎo)合理的避洪轉(zhuǎn)移和安置，科學(xué)地選擇開發(fā)建設(shè)場(chǎng)所，采取資產(chǎn)自保措施，對(duì)災(zāi)害預(yù)防與應(yīng)急處置具有重要意義。

1 研究區(qū)域

母豬河是威海市第二長(zhǎng)河，是威海市流域面積最廣的河流，流域面積達(dá)1 115.18 km2，占文登市全市總面積的67.8%[1]。其上游的米山水庫(kù)是威海市最大的水庫(kù)。母豬河上游是水源涵養(yǎng)地、米山水庫(kù)飲用水源地等生態(tài)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)，中部是人口密集的市區(qū)，中下游是農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)、五壘島灣等生態(tài)敏感區(qū)，干流總長(zhǎng)65 km，縱貫文登全境，在半島南側(cè)注入南黃海。母豬河水文特征一是河川徑流的季節(jié)性變化明顯，汛期洪水暴漲暴落，而枯季徑流很小，甚至斷流河干;二是河川徑流的區(qū)域差異大，自東南向西北逐漸減少;三是河川徑流的年際變化大，豐水年與枯水年徑流量相差達(dá)10倍以上。

母豬河流域地形、干流河道及國(guó)家氣象站分布見圖1。

2 面雨量樣本選擇

首先，對(duì)母豬河流域1961—1965年歷年洪水過程進(jìn)行最大值篩選。

（1）對(duì)每年、每場(chǎng)洪水過程繪制水位、流量變化曲線，篩選大值場(chǎng)次共22場(chǎng)，并保證年度最高水位過程在序列中。

（2）對(duì)22場(chǎng)最大洪水過程進(jìn)行不同重現(xiàn)期下的極值水位、極值流量擬合求算（表1）。

（3）以最高水位與漲幅極值、最大流量與漲幅極值排序，綜合篩選確定母豬河流域10場(chǎng)最大洪水過程水位、流量，其中洪水過程歷年最高水位8.13 m，出現(xiàn)在1965年8月5日。

（4）確定每場(chǎng)最大洪水過程的時(shí)間—水位關(guān)系、時(shí)間—流量關(guān)系，對(duì)應(yīng)極值洪水的時(shí)間—水位關(guān)系、時(shí)間—流量關(guān)系，收集該流域各氣象站的對(duì)應(yīng)時(shí)段，并前推至少48 h的過程降雨資料，篩選各氣象站逐小時(shí)的降水量—水位、降水量—流量之間的響應(yīng)關(guān)系，以相關(guān)系數(shù)高者用于計(jì)算流域重現(xiàn)期面雨量：

①收集母豬河流域內(nèi)的1個(gè)國(guó)家氣象站資料，流域面雨量樣本以1個(gè)國(guó)家氣象站文登站確定（表2）;②母豬河流域降水量—水位、降水量—流量響應(yīng)關(guān)系較好（表3），時(shí)效分別以累計(jì)19 h和21 h為最佳（圖2）。

3 重現(xiàn)期面雨量計(jì)算

降水重現(xiàn)期的面雨量計(jì)算，是依據(jù)歷史洪水重現(xiàn)期，做該流域內(nèi)均勻雨量點(diǎn)而不考慮重現(xiàn)期的點(diǎn)雨量理論頻率計(jì)算，求出各雨量點(diǎn)的均值及CV值和流域平均值，以流域暴雨均值除暴雨量，即得各雨量點(diǎn)暴雨的K值，利用數(shù)值逼近法，反求該K值的重現(xiàn)期，將各點(diǎn)的重現(xiàn)期加權(quán)平均直至逼近與同次洪水重現(xiàn)期為止，降水中心點(diǎn)雨量的重現(xiàn)期即為所求的降水重現(xiàn)期。

采用46種概率分布函數(shù)分別進(jìn)行流域不同重現(xiàn)期面雨量計(jì)算，考慮相對(duì)合理且較為極端的重現(xiàn)期面雨量情形，最終選擇采用廣義極值分布函數(shù)方法，結(jié)果通過柯爾莫科洛夫檢驗(yàn)。

采用水位—降水量相關(guān)關(guān)系，結(jié)合不同重現(xiàn)期下的水位極值，計(jì)算出基于水位的不同重現(xiàn)期降水量;采用流量—降水量相關(guān)關(guān)系，結(jié)合不同重現(xiàn)期下的流量極值，計(jì)算出基于流量的不同重現(xiàn)期降水量;母豬河流域最終選用的結(jié)果為前者（表4）。

4 雨型分布與空間分布

4.1 雨型分布

考慮區(qū)域降水較為典型的情形，結(jié)合面雨量空間分布特點(diǎn)，篩選確定單場(chǎng)雨型（1965年7月27日）作為母豬河流域設(shè)計(jì)雨型，并求取逐時(shí)雨量系數(shù)（圖3）。

4.2 空間分布

考慮洪水淹沒范圍、降水范圍等因素，選取流域內(nèi)典型場(chǎng)次1965年7月27日降水過程8個(gè)氣象站的雨量數(shù)據(jù)，采用反距離插值方法，獲得母豬河流域重現(xiàn)期面雨量空間分布（圖4）。

5 淹沒模擬計(jì)算

5.1 技術(shù)流程

洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)流程見圖5。

5.2 中小河流域洪水淹沒模擬計(jì)算

5.2.1 不同重現(xiàn)期（T年一遇）洪水的危險(xiǎn)性 將計(jì)算得到的流域洪水不同重現(xiàn)期面雨量、小時(shí)雨型分布等數(shù)據(jù)代入FloodArea模型進(jìn)行淹沒模擬[2]，采用GIS空間插值技術(shù)，疊加DEM數(shù)據(jù)，得到不同重現(xiàn)期下淹沒圖。

5.2.2 不同重現(xiàn)期（T年一遇）中小河流洪水風(fēng)險(xiǎn) 不同重現(xiàn)期下（5、10、15、20、30、50、100年一遇）中小河流域洪水淹沒結(jié)果分別疊加人口、GDP信息，得到不同重現(xiàn)期下人口、GDP風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖譜[3]。

（1）不同重現(xiàn)期（T年一遇）洪水受影響人口數(shù)量。在不同重現(xiàn)期（T年一遇）洪水淹沒圖上疊加人口，得到受洪水影響的人口數(shù)量。

（2）受不同重現(xiàn)期（T年一遇）洪水影響的GDP。在不同重現(xiàn)期（T年一遇）洪水的淹沒圖上疊加GDP，得到受洪水影響的GDP，具體見圖6和表5。

（3）受不同重現(xiàn)期（T年一遇）內(nèi)澇影響的各類型土地面積。在不同重現(xiàn)期（T年一遇）內(nèi)澇的淹沒圖上疊加土地利用，得到受內(nèi)澇淹沒的各類型土地面積[4]（表6）。

6 結(jié)論及存在的問題

6.1 結(jié)論

通過對(duì)母豬河流域洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，可以預(yù)判降水過程對(duì)流域內(nèi)人口、GDP、土地、淹沒深度等因子造成的影響，對(duì)應(yīng)7種重現(xiàn)期，可以有針對(duì)性地進(jìn)行預(yù)防;有利于加強(qiáng)對(duì)災(zāi)害防治區(qū)局地突發(fā)性強(qiáng)降水及其引發(fā)的中小河流洪水、山洪、地質(zhì)災(zāi)害等的氣象監(jiān)測(cè)、預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;能有效增強(qiáng)氣象災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)布的時(shí)效性、針對(duì)性及覆蓋率。

6.2 存在的問題

（1）氣象站資料只采用了國(guó)家氣象站，且流域內(nèi)外的站點(diǎn)均較少且稀疏，導(dǎo)致雨量數(shù)據(jù)空間內(nèi)插結(jié)果可能與實(shí)際存在一定差異。

（2）母豬河流域基于流量的降水量不同重現(xiàn)期面雨量確定結(jié)果偏小，本次采用基于水位的降水量關(guān)系確定不同重現(xiàn)期面雨量;由于實(shí)際洪水過程的水位、流量時(shí)間響應(yīng)關(guān)系并不同步，該流域甚至出現(xiàn)最大水位與最大流量時(shí)距達(dá)10 h以上，有待進(jìn)一步深入對(duì)比研究并分析實(shí)際情況。

（3）本文考慮了歷年洪水水位、流量的大值因素進(jìn)行的洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，對(duì)災(zāi)害事件概率的估計(jì)是否能反映流域?qū)崨r還有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

（4）未能收集實(shí)際洪水過程的災(zāi)害實(shí)況驗(yàn)證。中小河流域淹沒模型尚未采用個(gè)例驗(yàn)證，需要進(jìn)一步針對(duì)流域?yàn)?zāi)情率，并驗(yàn)證參數(shù)，明確模型在該流域的適用性問題。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯：黃艷飛

The Study on Flood Risk Zoning of Weihai Sow River Basin Based on GIS

LI Xujie et al（Weihai Meteorological Bureau， Shandong， Weihai 264200）

Abstract Weihai sow river basin was selected as the research area. Based on the flood process of the basin from 1961 to 1965， the generalized extreme value distribution function method was used to calculate the area rainfall in different return periods. ArcGIS was used to calculate the spatial distribution of area rainfall in the return period of the basin， the flood area model was used for inundation simulation， GIS spatial interpolation technology was used， DEM data was superimposed， and the flood risk zoning of Weihai sow river basin was obtained through comprehensive analysis.

Key words Flood; Risk zoning; Return period; Rainfall distribution