基于GIS的威海母猪河流域洪水风险区划研究

李旭杰　辛文鹏　王美琪

摘要 选取威海母猪河流域作为研究区域，依据该流域1961—1965年洪水过程为基础资料，采用广义极值分布函数方法计算了流域不同重现期面雨量;采用ArcGIS法计算该流域重现期面雨量空间分布;使用Flood Area模型进行淹没模拟;采用GIS空间插值技术，叠加DEM数据，通过全面分析得到威海母猪河流域洪水风险区划。

关键词 洪水;风险区划;重现期;雨量分布

中图分类号：P331.1 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2022）04–0074–03

在各种自然灾害中，洪水是最常见且危害最大的一种。洪水会毁坏农作物，淹没农田和房屋，破坏公共基础设施，引发滑坡、泥石流等地质灾害，从而造成严重的经济和人员损失。洪水风险区划分析与区划成果图编制是洪水风险区划的一个重要环节，其目的是将洪水分析结果及其相关信息根据制图规范在地图上清晰地表达，洪水风险区划图将区划对象划分低、中、高、极高4类风险级别，能直观地反映全国和流域、区域洪水风险总体状况，确定防洪功能类型及其防治特征，明确区域内部洪水风险程度，以及防治标准和紧迫性的空间分布特征，能够清晰地反映出研究区洪水风险分布情况，在防汛决策方面发挥着至关重要的作用。对威海母猪河流域洪水风险区划进行研究，所得风险区划结果可以增强公众防灾意识，引导合理的避洪转移和安置，科学地选择开发建设场所，采取资产自保措施，对灾害预防与应急处置具有重要意义。

1 研究区域

母猪河是威海市第二长河，是威海市流域面积最广的河流，流域面积达1 115.18 km2，占文登市全市总面积的67.8%[1]。其上游的米山水库是威海市最大的水库。母猪河上游是水源涵养地、米山水库饮用水源地等生态重点保护区，中部是人口密集的市区，中下游是农业灌溉区、五垒岛湾等生态敏感区，干流总长65 km，纵贯文登全境，在半岛南侧注入南黄海。母猪河水文特征一是河川径流的季节性变化明显，汛期洪水暴涨暴落，而枯季径流很小，甚至断流河干;二是河川径流的区域差异大，自东南向西北逐渐减少;三是河川径流的年际变化大，丰水年与枯水年径流量相差达10倍以上。

母猪河流域地形、干流河道及国家气象站分布见图1。

2 面雨量样本选择

首先，对母猪河流域1961—1965年历年洪水过程进行最大值筛选。

（1）对每年、每场洪水过程绘制水位、流量变化曲线，筛选大值场次共22场，并保证年度最高水位过程在序列中。

（2）对22场最大洪水过程进行不同重现期下的极值水位、极值流量拟合求算（表1）。

（3）以最高水位与涨幅极值、最大流量与涨幅极值排序，综合筛选确定母猪河流域10场最大洪水过程水位、流量，其中洪水过程历年最高水位8.13 m，出现在1965年8月5日。

（4）确定每场最大洪水过程的时间—水位关系、时间—流量关系，对应极值洪水的时间—水位关系、时间—流量关系，收集该流域各气象站的对应时段，并前推至少48 h的过程降雨资料，筛选各气象站逐小时的降水量—水位、降水量—流量之間的响应关系，以相关系数高者用于计算流域重现期面雨量：

①收集母猪河流域内的1个国家气象站资料，流域面雨量样本以1个国家气象站文登站确定（表2）;②母猪河流域降水量—水位、降水量—流量响应关系较好（表3），时效分别以累计19 h和21 h为最佳（图2）。

3 重现期面雨量计算

降水重现期的面雨量计算，是依据历史洪水重现期，做该流域内均匀雨量点而不考虑重现期的点雨量理论频率计算，求出各雨量点的均值及CV值和流域平均值，以流域暴雨均值除暴雨量，即得各雨量点暴雨的K值，利用数值逼近法，反求该K值的重现期，将各点的重现期加权平均直至逼近与同次洪水重现期为止，降水中心点雨量的重现期即为所求的降水重现期。

采用46种概率分布函数分别进行流域不同重现期面雨量计算，考虑相对合理且较为极端的重现期面雨量情形，最终选择采用广义极值分布函数方法，结果通过柯尔莫科洛夫检验。

采用水位—降水量相关关系，结合不同重现期下的水位极值，计算出基于水位的不同重现期降水量;采用流量—降水量相关关系，结合不同重现期下的流量极值，计算出基于流量的不同重现期降水量;母猪河流域最终选用的结果为前者（表4）。

4 雨型分布与空间分布

4.1 雨型分布

考虑区域降水较为典型的情形，结合面雨量空间分布特点，筛选确定单场雨型（1965年7月27日）作为母猪河流域设计雨型，并求取逐时雨量系数（图3）。

4.2 空间分布

考虑洪水淹没范围、降水范围等因素，选取流域内典型场次1965年7月27日降水过程8个气象站的雨量数据，采用反距离插值方法，获得母猪河流域重现期面雨量空间分布（图4）。

5 淹没模拟计算

5.1 技术流程

洪水风险区划技术流程见图5。

5.2 中小河流域洪水淹没模拟计算

5.2.1 不同重现期（T年一遇）洪水的危险性 将计算得到的流域洪水不同重现期面雨量、小时雨型分布等数据代入FloodArea模型进行淹没模拟[2]，采用GIS空间插值技术，叠加DEM数据，得到不同重现期下淹没图。

5.2.2 不同重现期（T年一遇）中小河流洪水风险 不同重现期下（5、10、15、20、30、50、100年一遇）中小河流域洪水淹没结果分别叠加人口、GDP信息，得到不同重现期下人口、GDP风险区划图谱[3]。

（1）不同重现期（T年一遇）洪水受影响人口数量。在不同重现期（T年一遇）洪水淹没图上叠加人口，得到受洪水影响的人口数量。

（2）受不同重现期（T年一遇）洪水影响的GDP。在不同重现期（T年一遇）洪水的淹没图上叠加GDP，得到受洪水影响的GDP，具体见图6和表5。

（3）受不同重現期（T年一遇）内涝影响的各类型土地面积。在不同重现期（T年一遇）内涝的淹没图上叠加土地利用，得到受内涝淹没的各类型土地面积[4]（表6）。

6 结论及存在的问题

6.1 结论

通过对母猪河流域洪水风险区划，可以预判降水过程对流域内人口、GDP、土地、淹没深度等因子造成的影响，对应7种重现期，可以有针对性地进行预防;有利于加强对灾害防治区局地突发性强降水及其引发的中小河流洪水、山洪、地质灾害等的气象监测、预警及风险评估;能有效增强气象灾害预警信息发布的时效性、针对性及覆盖率。

6.2 存在的问题

（1）气象站资料只采用了国家气象站，且流域内外的站点均较少且稀疏，导致雨量数据空间内插结果可能与实际存在一定差异。

（2）母猪河流域基于流量的降水量不同重现期面雨量确定结果偏小，本次采用基于水位的降水量关系确定不同重现期面雨量;由于实际洪水过程的水位、流量时间响应关系并不同步，该流域甚至出现最大水位与最大流量时距达10 h以上，有待进一步深入对比研究并分析实际情况。

（3）本文考虑了历年洪水水位、流量的大值因素进行的洪水风险区划，对灾害事件概率的估计是否能反映流域实况还有待进一步研究验证。

（4）未能收集实际洪水过程的灾害实况验证。中小河流域淹没模型尚未采用个例验证，需要进一步针对流域灾情率，并验证参数，明确模型在该流域的适用性问题。

参考文献

[1] 左德鹏，徐宗学，李福林，等.基于SWAT模型的母猪河流域水资源时空变化特征研究[J].北京师范大学学报（自然科学版），2014，50（5）：461-466..

[2] 戴雨菡，黄路婷，李明志，等.基于Floo-dArea模型的龙须河流域暴雨洪涝淹没模拟研究[J].气象研究与应用， 2016，37（4）：46-49，130.

[3] 黄冬梅，黄卓帆，赵林，等.基于GIS的红水河流域暴雨洪涝灾害风险区划[C]//第33届中国气象学会年会 S9 水文气象灾害预报预警.[出版者不详]， 2016：57-63.

[4] 谢五三，吴蓉，田红，等.东津河流域暴雨洪涝灾害风险区划[J].气象，2017，43 （3）：341-347.

责任编辑：黄艳飞

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