典型区域降雨分布在山洪预警指标合理性分析中的应用

王慈德，周晶晶

（四川省阿坝州水文水资源勘测局，四川 阿坝 623000）

0 引言

研究区位于四川省西北部、阿坝藏族羌族自治州东南部的青藏高原东南边缘，地跨岷江和涪江上游高山河谷地带，区域东部为中山地带，地貌以高山峡谷为主，境内地质构造复杂。岩层主要以夹沙灰、黑色页岩、砂板岩、火成岩等构成，土壤以暗棕壤、褐土、棕壤为主。区域气候受西风环流和印度洋西南季风影响，属高原性季风气候。汛期常有暴雨、洪水、冰雹、泥石流灾害发生。

为了充分应用山洪灾害调查分析评价成果，最大限度地减少人员伤亡和财产损失，须验证分析预警指标的合理性，山洪预警指标的合理性分析通常可采用以下方法：（1）与当地山洪灾害事件实际资料作对比分析，即用实际发生的山洪灾害的降雨资料进行预警指标的合理性检查；（2）将多种方法的计算结果进行对比分析，以尽量避免因某一种方法的不确定性而产生的较大偏差；（3）通过相似流域采用比拟的思想对预警指标成果进行合理性检查。本文主要采用方法（3）的思想和思路进行验证，从宏观面上来做出合理性分析。

1 研究方法

降雨量的分布从气候角度来看是空间连续的，临界雨量虽与地质、地理条件及气象条件有关，但在汇流计算过程中，已限定选定的典型区域内地质、地理条件及气象条件相差不大，且典型区域内的设计雨型综合分区、暴雨损失量分区、汇流参数分区、入渗率综合分区等均按照同一分区进行参数的选取。在计算过程中，遵循了暴雨洪水同频率的假定，因此，可以认为临界雨量的分布在典型区内也是连续的，相同防洪能力的危险区的临界雨量应该符合典型区域内的降雨分布规律，可通过勾绘实际降雨分布图的方法来验证其合理性。研究思路为：典型区域分析选择；通过现有站点的年最大1小时雨量均值点绘降雨分布图；同样选取典型区域内汇流时间为1小时的临界雨量成果（山洪临界雨量成果分为干旱、一般、以及湿润情况下的指标值。本文以湿润情况下的临界雨量作为分析对象，也可选其他两种情况），且对相同防洪能力的危险区进行归纳分类。为保证分析成果的准确性，临界雨量值采用多种方法[1]的计算成果；将对多种方法的计算成果与实际典型区域内的降雨等值线分布情况做对比分析，通过其关联性来验证上述方法的可行性。

2 典型区域的选择

对茂县地区的各小流域通过投影寻踪分类模型进行相似区域的选择并划定典型区域。投影寻踪是统计学中处理高维数据的有效方法[2]。对包括多个指标的多个流域，用投影寻踪聚类方法判定流域相似度的思路是：分别将各流域的特征指标投影到一维空间，找到反映多个指标综合信息的一维投影特征值；通过比较特征值的相对差异从而判定各流域之间的综合差异，按照相似与差异性进而选择典型流域区域。以茂县境内主要的53个流域区域为分析计算单元，选取的特征指标分别为5个气象指标：6月、7月、8月、9月和年平均降水量，代表下垫面特征的6个指标：流域面积、主河道长、河道纵坡、流域宽度、形状系数、地质条件（相关指标的分类和投影均参照文献[2]中的方法）。按照投影寻踪分类模型分别计算各选定小流域的投影值，并对投影值的大小做分类处理，利用投影值的大小范围来确定流域的相似度，相似度相同的流域划定为同一区域，以此来确定典型区域。小流域下垫面相关指标均采用山洪下发的底图采用arcgis自动提取，降雨量取用流域附近雨量站点数据，并将最终计算的投影值结果范围标绘至水系图上，图1为相似流域投影结果。

从图1的流域相似度计算结果来看，相似度较高的流域大致可描述为4类：1类为土门河流域；2类为黑水河上游流域；3类为岷江右岸及松坪沟上游区域；4类为岷江干流沿岸区域。

图1 各小流域投影结果

3 茂县境内年最大一小时降雨均值分布

由于在编制四川省中小流域暴雨洪水计算手册时，受雨量站点稀少的影响，降雨等值线分布稀疏。年最大1小时点雨量均值分布仅有15 mm和20 mm两个量级划分，不能满足本次小范围区域内的降雨分布情况的分析。汶川地震后，阿坝州境内新建了大批灾后重建遥测站点，极大缓解了州境内水文站点不足的情况。本文在绘制茂县地区年最大1小时点雨量均值降雨分布图时，加入了大量新建雨量站点（包含茂县周边区域站点），对茂县地区进行降雨等值线图的绘制。

本次降雨量均值区域分布图的绘制过程中选取茂县地区及周边雨量站点30处，原有站点雨量资料选取近10年的降雨数据，灾后重建站点因受资料年限限制，只选取近5年资料。降雨分布图采用arcgis软件绘制，对空白区域采用空间降水插值，插值方法大体可分为3类：①整体插值法(趋势面法和多元回归法等)；②局部插值法(泰森多边形法、反距离加权法、克里金插值法和样条法)；③混合插值法(整体插值法和局部插值法的综合)等。经过对比分析认为，克里金插值法充分考虑了地形、高程等对降雨空间分布的影响，绘制的区域降雨分布图更能反应地区实际降雨空间分布情形，茂县范围内1小时最大降雨均值分布见图2。

图2 危险区临界雨量及1小时最大降雨分布图

从图2的降雨分布可以看出，土门乡所在的土门河流域降雨量较大，其次为维城乡所在的赤不苏小流域，岷江干流左岸区域降雨较大，右岸大部分区域则偏小。

4 山洪灾害临界雨量分布

以原山洪灾害计算成果为依据，选取防洪能力小于等于5年一遇防灾对象，分别按照推理公式法、标准化单位线法、SCS模型法三种方法计算并统计其时段为1小时临界雨量成果。

（1）推理公式参数取值说明：F(流域面积)、J（沿流程的平均纵比降）、L（流域最长汇流路径）分别从茂县工作底图中提取，其余参数参照《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》提供的参数及附图进行取值；

（2）标准化单位线法直接利用全国统一下发的基础数据中的小流域标准化单位线进行成果计算；

（3）CSC模型参数取值：主要参数CN值通过查算SCS模型的前期土壤湿润程度表、土壤分类表和CN值表得到，其余参数参照《手册》进行取值；

三种不同方法临界雨量计算成果统计值见表1。

表1 防灾对象临界雨量统计值

为了验证山洪临界雨量预警指标的合理性，调查了选定的6个流域内山洪实际发生情况（不包括地质灾害如泥石流、滑坡等），共调查到1场洪水，据指认人员何培福（男，61岁，永和乡永宁村人，小学文化程度）描述：2013年7月6日下午开始下雨，晚上约9时许发生洪水，洪水淹没部分农田农舍，无人员伤亡。经水情信息平台查证灾害发生流域附近雨量站点（永和雨量站）7月6日15时1小时降雨量为24.2 mm。与临界雨量预警指标值较为接近，进一步印证了预警指标值的确定较为合理。

从表1的计算结果来看，三种不同方法计算的临界雨量值存在一定的差异，这与三种方法的计算原理与参数取值存在差异息息相关，尚属合理。

将上述成果按照调查经纬度点绘至降雨分布图上，按站点所在位置的降雨分布情况来分析其关联性。分布图见图2。

从图2中临界雨量分布情况可以看出，防洪能力为5年一遇的后寨子、道财组、道庙组以及苦地坪分属于3个不同类型的典型区域（后寨子属4类区域、道财组属3类区、道庙组和苦地坪属1类区）。将其临界雨量按照3种不同的方法计算后依次从小到大排列（见图3），对应降雨量分布图上也依次分布在降雨较小和较大的区域内。由于典型区域不同，后寨子、道财组与后两者的的雨量差异也较大，但同一典型区域的临界雨量值则符合地区降雨分布的规律。同样防洪能力为2年一遇的危险区（同属于4类典型区域）其临界雨量3种方法的计算结果虽也存在差异（见图4），但基本属于同一量级，对应降雨分布图上也基本分布在同一等值线区域内，符合区域降雨分布规律。

图3 5年一遇临界雨量成果

图4 2年一遇临界雨量成果

5 结语

通过计算后的结果分析认为，防洪能力相同的典型区域内危险区的临界雨量成果大致符合实际的区域降雨分布规律。初步认为，通过典型区域降雨分布进行山洪预警指标的合理性分析方法简易可行。从大范围的山洪预警指标计算成果来看，不在同一典型区域的两个危险区，其预警指标并不符合实际降雨分布的规律。上述方法应用的关键是分析选取合理的典型区域，找出典型区域内临界雨量不符合区域降雨分布规律的危险区，并对这些危险区的预警指标进行重点复核。对反复重新计算后成果与原成果仍然一致但不符合典型区域降雨分布规律的重点防治区，应分析并找出合理性因素所在，以确保预警指标合理，最大限度为山洪灾害预警、人员转移、群测群防等工作提供科学的预警支撑。