基于GIS 的四川龍門山脈德陽段強降雨淹沒模型研究＊

蔡嘉婧，李曉明，熊 麗，劉楊洋

（德陽市氣象局，四川 德陽 613000）

四川省龍門山脈德陽段主體處于31.1°N—31.7°N、103.7°E—104.2°E 之間，屬亞熱帶季風濕潤性氣候地區(qū)[1]，區(qū)域內(nèi)海拔高差跨度極大，中國最著名的斷裂帶——龍門山斷裂帶橫亙其中，造成域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地理條件極為復雜。且該地區(qū)屬于四川主要暴雨中心之一——龍門山、鹿頭山暴雨區(qū)范圍，降水量大[1-2]。伴隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和山區(qū)旅游業(yè)的深度開發(fā)，該地區(qū)的人員活動越發(fā)頻繁，尤其是夏季前往避暑的人員數(shù)量與日俱增，而這個時段又正值強降水天氣頻發(fā)的時期，因而由強降雨引發(fā)的洪澇、滑坡、泥石流、崩塌等次生災(zāi)害對域內(nèi)的人民生命財產(chǎn)造成的危害更大。如2010-08-13 在局地暴雨誘發(fā)作用下，綿遠河上游的清平和天池（現(xiàn)漢旺）境內(nèi)的24 條溝谷同時爆發(fā)了泥石流，沖出的固體物質(zhì)高達1.08×107m3，其中僅清平附近，泥石流堆積扇規(guī)模就達到7.62×106m3，泥石流淤滿河道形成了1.5 km2的堰塞體，致使14 人死亡和失蹤，清平境內(nèi)大量震后重建的民房遭淤埋，泥石流多次中斷九環(huán)線的重要支線——綿（竹）茂（縣）公路漢旺—清平段，直接經(jīng)濟損失高達4.3億元以上[1，3]。本文通過對過去30 年降水資料進行分析，得到該地區(qū)的降水情況特征，同時根據(jù)水文地質(zhì)條件、主要河流水文情況和降雨歷史資料，分析建立強降雨重現(xiàn)期淹沒模型，在評價防災(zāi)減災(zāi)效益、制定防災(zāi)減災(zāi)決策和社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃中起著重要的作用。

1 數(shù)據(jù)

1.1 氣象資料

本文以龍門山脈德陽段所轄的綿竹、什邡2 個國家自動氣象站及清平、漢旺、楠木溝、鎣華等76 氣象站建站近30 年逐日及逐小時降水資料為氣象資料。

1.2 水文資料

水文資料為龍門山脈德陽段內(nèi)水文站典型洪水過程逐小時流量和水位數(shù)據(jù)，以及水文站警戒、保證水位等。

1.3 地理信息資料

龍門山脈德陽段的DEM 為STRM30（30 m×30 m），龍門山脈德陽段的土地利用數(shù)據(jù)，本文收集的是2010年數(shù)據(jù)（如有更新數(shù)據(jù)最佳），精度為30 m×30 m。

1.4 社會經(jīng)濟統(tǒng)計資料

社會經(jīng)濟統(tǒng)計資料為龍門山脈德陽段的GDP 數(shù)據(jù)，本文收集的是2010 年數(shù)據(jù)（如有更新數(shù)據(jù)最佳），精度為1 km×1 km；且收集的為2010 年人口數(shù)據(jù)，精度為1 km×1 km。

最后利用Python、ArcGⅠS 等軟件對降水資料進行統(tǒng)計分析、處理并最終建立淹沒模型，得到龍門山脈德陽段的淹沒情況。

2 降水情況分析

龍門山脈德陽段年平均雨量為705.0～1 491.0 mm，2020 年年平均雨量最多，2015 年年平均雨量最少，單站最大年降雨量出現(xiàn)在2013 年的什邡鎣華場鎮(zhèn)站點，為2 550.4 mm，單站最小年降雨量出現(xiàn)在2014 年的什邡師古蘇家橋站，為321.4 mm。龍門山脈德陽段多年平均降水分布和地形如圖1 所示。龍門山脈德陽段降水年際主要特征如下。

圖1 龍門山德陽段多年平均降水分布圖和地形圖

2.1 年際變化

降水的年際變化極大，且“涇渭分明”，從近10年極端降水事件發(fā)生概率和強度來看，極端降水量呈上升趨勢。統(tǒng)計的76 個氣象觀測站中，降水豐年為2013 年、2018 年和2020 年，平均降水量分別為1 437.5 mm、1 459.0 mm 和1 491.4 mm，均在 1 400 mm以上，且均值逐漸上升。而全球整體氣候態(tài)研究也表明，強降水事件的頻率在中高緯度（中國大部分地區(qū)）是顯著增加的[4-5]，因此對極端降水事件可能造成的影響研究顯得尤為重要。

2.2 極值特征

年降水極大值站點間差異極大，年際間差異也極大，一般出現(xiàn)在降水豐年。統(tǒng)計的76 個氣象觀測站中，有9 站年降水極大值超過了2 000 mm，其中什邡4 站、綿竹9 站、什邡鎣華場鎮(zhèn)站點的年極大降水值高達2 550.4 mm，也是德陽地區(qū)有氣象記錄的年降水量極值。有39 個站的年降水極值超過1 500 mm，27 個站的年降水極值超過1 000 mm，2 個高原站點的年降水極值均為661 mm[6-8]。

2.3 地形增幅

龍門山脈地區(qū)由于處于川西高原和成都平原的過渡區(qū)域，下墊面地形復雜，對降水影響較大，且年降水極大值異常偏大的站點往往出現(xiàn)在喇叭口地形區(qū)域內(nèi)[9-13]。所謂喇叭口地形[13]，就是逐漸收縮的河谷地形，在龍門山脈德陽段，如石亭江、綿遠河等水系，切割山體形成喇叭口地形。例如本文研究中涉及的鎣華場鎮(zhèn)、漢旺老熊溝、清平鹽井等站點就處于喇叭口地形內(nèi)，或者附近存在一個明顯的喇叭口地形。當朝向喇叭口的氣流進入喇叭口后，因地形作用，使氣流輻合加強，并伴隨更加劇烈的上升運動[13]，因此喇叭口地形在動力條件和熱力條件2 方面都將有一定程度的增幅，對降水有“增幅效應(yīng)”。

3 龍門山脈德陽段強降雨重現(xiàn)期淹沒模型

3.1 龍門山脈德陽段主要徑流

由于龍門山脈德陽段降水極為豐沛，且降水主要時段集中在6 月、7 月、8 月、9 月這4 個月，因此域內(nèi)降水可為地表徑流提供充分補給，徑流水源主要來源于降水，上游山區(qū)有少量融雪補給（地下水泉流也屬于降水補給[14]）。同時山區(qū)地勢較高，域內(nèi)沒有河流流經(jīng)，為沱江水系的發(fā)源地，水來自龍門山脈德陽段約1 360 km2的集雨面上。主要有石亭江和綿遠河2條干流，還有通溪河、頭道金河、二道金河、連山灣河、長河壩河、梅子溝、清水河、湔氐河、平水河、小黑灣、黃水河、楠木溝、白溪河等支流，這些支流多為山溪，2 個或多個山溪匯聚后方能成河，如連山灣河與通溪河在紅白匯聚后匯入金河。另外在龍門山脈德陽段東南部的沿山區(qū)和壩區(qū)有大量的人工溝渠。龍門山脈德陽段水系分布如圖2 所示。

圖2 龍門山脈德陽段水系分布圖

3.2 龍門山脈德陽段強降雨重現(xiàn)期方法選取及淹沒模型計算

3.2.1 強降雨重現(xiàn)期方法選取

極端事件的重現(xiàn)期指在一定年代的資料統(tǒng)計期間內(nèi)，等于或大于某量級的極端事件出現(xiàn)一次的平均間隔事件[14]，為該極端事件發(fā)生頻率的倒數(shù)。其計算公式如下：

式（1）中：xt為極值的重現(xiàn)期；X為某要素的極值變量；x為它們的某一可能值（例如年的最大值和最小值）。

針對不同流域的水文資料及氣象資料情況，致災(zāi)閾值的重現(xiàn)期計算一般可分為3 種計算方法，即閾值法、水文模型法和大數(shù)據(jù)分析法[15-24]。但根據(jù)現(xiàn)有的氣象數(shù)據(jù)樣本數(shù)和各個方法的誤差范圍，最終本研究確定以HBV 為主的水文模型法在該地區(qū)最為適用。它主要是利用水文觀測數(shù)據(jù)（流量）建立HBV 模型，效率系數(shù)達到80%以上；然后將流域內(nèi)氣象站的逐日降水數(shù)據(jù)輸入到水文模型中，計算流域控制斷面的流量和水位高度值；再根據(jù)AM 和POT 對水位數(shù)據(jù)進行采樣，建立極端水位值序列，計算水位重現(xiàn)期，再查找對應(yīng)水位重現(xiàn)期的降水量值。

3.2.2 強降雨重現(xiàn)期淹沒模型計算

本研究根據(jù)收集的基礎(chǔ)信息，氣象、水文、地理信息和社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)首先建立了暴雨洪澇災(zāi)害的風險數(shù)據(jù)庫[25-26]；再利用ArcGⅠS軟件根據(jù)DEM、水系和水文站斷面信息提取流域邊界信息，采用以HBV 模型為主的水文模型計算降水-徑流關(guān)系，確定致災(zāi)臨界（面）雨量；然后利用國家站歷史長序列小時雨量資料，結(jié)合致災(zāi)臨界（面）雨量以及歷史暴雨洪澇災(zāi)情，建立致洪面雨量序列，計算不同重現(xiàn)期（本文主要計算了5 年、10 年、15 年、20年、30 年、50 年、100 年一遇情況[25-28]）的致洪面雨量、逐小時降水概率、小時雨型分布數(shù)據(jù)；最后將上述計算結(jié)果結(jié)合帶有流域堤壩信息的DEM、Manning系數(shù)等數(shù)據(jù)輸入到水動力模型進行淹沒模擬，得到不同重現(xiàn)期下的洪水淹沒范圍和水深[25]，并根據(jù)當?shù)貙嶋H情況將計算淹沒深度劃分為5 個等級，最終得到淹沒模型計算結(jié)果，如圖3 所示。

圖3 龍門山脈德陽段5 年、10 年、15 年、20 年、30 年、50 年、100 年一遇淹沒圖

4 淹沒結(jié)果分析

從龍門山脈德陽段強降水不同重現(xiàn)期的淹沒模型計算結(jié)果來看，龍門山脈德陽段強降雨重現(xiàn)期主要有以下幾個特征：①由于龍門山脈德陽段的大部分地方地形以山區(qū)、高山區(qū)為主，其淹沒區(qū)主要為石亭江、綿遠河的干流和主要支流河道內(nèi)以及周邊淺灘地帶，部分高海拔地區(qū)的草地地區(qū)也有一定的淹沒深度，但相對深度較淺，一般在0.5 m 以下；②由于山區(qū)的河流區(qū)域一般為低海拔深溝地形，與周邊高海拔山脈易形成較大時的海拔落差，因此當強降雨出現(xiàn)時也易出現(xiàn)局地性的嚴重淹沒區(qū)，從5 年一遇的開始，河道開始出現(xiàn)15 m 以上的淹沒段，而到了100 年一遇時15 m以上的淹沒區(qū)域大幅增加，因此在強降雨出現(xiàn)時河道周圍的區(qū)域應(yīng)為重點防范區(qū)域；③干流淹沒情況要遠重于支流淹沒的情況，這是因為干流匯水和集雨面更大的原因，同時干流對地形的切割更明顯，因此其淹沒的深度一般更深；④根據(jù)淹沒圖對比情況，選取100年一遇淹沒圖，結(jié)合居民點密度圖分布情況和土地利用類型的分布[20-21]情況進行極端強降水的淹沒風險分析，如圖4 所示。由圖4 可知在鎣華鎮(zhèn)、廣濟鎮(zhèn)和洛水鎮(zhèn)交界處、清平鎮(zhèn)中部以及漢旺鎮(zhèn)的中部，有河道的周邊地區(qū)，即人口活動較頻繁地區(qū)，同時也是淹沒圖淹沒深度較大（8 m 以上甚至15 m 以上的深度）地區(qū)，那么上述地區(qū)在強降雨多發(fā)時段的淹沒風險最高，同時易造成人員傷亡和經(jīng)濟損失，應(yīng)尤其注意防災(zāi)減災(zāi)工作。

圖4 100 年一遇強降雨淹沒投影疊加人口密度分布情況和土地利用類型分布情況