基于GIS 的四川龙门山脉德阳段强降雨淹没模型研究＊

蔡嘉婧，李晓明，熊 丽，刘杨洋

（德阳市气象局，四川 德阳 613000）

四川省龙门山脉德阳段主体处于31.1°N—31.7°N、103.7°E—104.2°E 之间，属亚热带季风湿润性气候地区[1]，区域内海拔高差跨度极大，中国最著名的断裂带——龙门山断裂带横亘其中，造成域内地质构造、地形地貌、地理条件极为复杂。且该地区属于四川主要暴雨中心之一——龙门山、鹿头山暴雨区范围，降水量大[1-2]。伴随着社会经济发展和山区旅游业的深度开发，该地区的人员活动越发频繁，尤其是夏季前往避暑的人员数量与日俱增，而这个时段又正值强降水天气频发的时期，因而由强降雨引发的洪涝、滑坡、泥石流、崩塌等次生灾害对域内的人民生命财产造成的危害更大。如2010-08-13 在局地暴雨诱发作用下，绵远河上游的清平和天池（现汉旺）境内的24 条沟谷同时爆发了泥石流，冲出的固体物质高达1.08×107m3，其中仅清平附近，泥石流堆积扇规模就达到7.62×106m3，泥石流淤满河道形成了1.5 km2的堰塞体，致使14 人死亡和失踪，清平境内大量震后重建的民房遭淤埋，泥石流多次中断九环线的重要支线——绵（竹）茂（县）公路汉旺—清平段，直接经济损失高达4.3亿元以上[1，3]。本文通过对过去30 年降水资料进行分析，得到该地区的降水情况特征，同时根据水文地质条件、主要河流水文情况和降雨历史资料，分析建立强降雨重现期淹没模型，在评价防灾减灾效益、制定防灾减灾决策和社会经济发展规划中起着重要的作用。

1 数据

1.1 气象资料

本文以龙门山脉德阳段所辖的绵竹、什邡2 个国家自动气象站及清平、汉旺、楠木沟、蓥华等76 气象站建站近30 年逐日及逐小时降水资料为气象资料。

1.2 水文资料

水文资料为龙门山脉德阳段内水文站典型洪水过程逐小时流量和水位数据，以及水文站警戒、保证水位等。

1.3 地理信息资料

龙门山脉德阳段的DEM 为STRM30（30 m×30 m），龙门山脉德阳段的土地利用数据，本文收集的是2010年数据（如有更新数据最佳），精度为30 m×30 m。

1.4 社会经济统计资料

社会经济统计资料为龙门山脉德阳段的GDP 数据，本文收集的是2010 年数据（如有更新数据最佳），精度为1 km×1 km；且收集的为2010 年人口数据，精度为1 km×1 km。

最后利用Python、ArcGⅠS 等软件对降水资料进行统计分析、处理并最终建立淹没模型，得到龙门山脉德阳段的淹没情况。

2 降水情况分析

龙门山脉德阳段年平均雨量为705.0～1 491.0 mm，2020 年年平均雨量最多，2015 年年平均雨量最少，单站最大年降雨量出现在2013 年的什邡蓥华场镇站点，为2 550.4 mm，单站最小年降雨量出现在2014 年的什邡师古苏家桥站，为321.4 mm。龙门山脉德阳段多年平均降水分布和地形如图1 所示。龙门山脉德阳段降水年际主要特征如下。

图1 龙门山德阳段多年平均降水分布图和地形图

2.1 年际变化

降水的年际变化极大，且“泾渭分明”，从近10年极端降水事件发生概率和强度来看，极端降水量呈上升趋势。统计的76 个气象观测站中，降水丰年为2013 年、2018 年和2020 年，平均降水量分别为1 437.5 mm、1 459.0 mm 和1 491.4 mm，均在 1 400 mm以上，且均值逐渐上升。而全球整体气候态研究也表明，强降水事件的频率在中高纬度（中国大部分地区）是显著增加的[4-5]，因此对极端降水事件可能造成的影响研究显得尤为重要。

2.2 极值特征

年降水极大值站点间差异极大，年际间差异也极大，一般出现在降水丰年。统计的76 个气象观测站中，有9 站年降水极大值超过了2 000 mm，其中什邡4 站、绵竹9 站、什邡蓥华场镇站点的年极大降水值高达2 550.4 mm，也是德阳地区有气象记录的年降水量极值。有39 个站的年降水极值超过1 500 mm，27 个站的年降水极值超过1 000 mm，2 个高原站点的年降水极值均为661 mm[6-8]。

2.3 地形增幅

龙门山脉地区由于处于川西高原和成都平原的过渡区域，下垫面地形复杂，对降水影响较大，且年降水极大值异常偏大的站点往往出现在喇叭口地形区域内[9-13]。所谓喇叭口地形[13]，就是逐渐收缩的河谷地形，在龙门山脉德阳段，如石亭江、绵远河等水系，切割山体形成喇叭口地形。例如本文研究中涉及的蓥华场镇、汉旺老熊沟、清平盐井等站点就处于喇叭口地形内，或者附近存在一个明显的喇叭口地形。当朝向喇叭口的气流进入喇叭口后，因地形作用，使气流辐合加强，并伴随更加剧烈的上升运动[13]，因此喇叭口地形在动力条件和热力条件2 方面都将有一定程度的增幅，对降水有“增幅效应”。

3 龙门山脉德阳段强降雨重现期淹没模型

3.1 龙门山脉德阳段主要径流

由于龙门山脉德阳段降水极为丰沛，且降水主要时段集中在6 月、7 月、8 月、9 月这4 个月，因此域内降水可为地表径流提供充分补给，径流水源主要来源于降水，上游山区有少量融雪补给（地下水泉流也属于降水补给[14]）。同时山区地势较高，域内没有河流流经，为沱江水系的发源地，水来自龙门山脉德阳段约1 360 km2的集雨面上。主要有石亭江和绵远河2条干流，还有通溪河、头道金河、二道金河、连山湾河、长河坝河、梅子沟、清水河、湔氐河、平水河、小黑湾、黄水河、楠木沟、白溪河等支流，这些支流多为山溪，2 个或多个山溪汇聚后方能成河，如连山湾河与通溪河在红白汇聚后汇入金河。另外在龙门山脉德阳段东南部的沿山区和坝区有大量的人工沟渠。龙门山脉德阳段水系分布如图2 所示。

图2 龙门山脉德阳段水系分布图

3.2 龙门山脉德阳段强降雨重现期方法选取及淹没模型计算

3.2.1 强降雨重现期方法选取

极端事件的重现期指在一定年代的资料统计期间内，等于或大于某量级的极端事件出现一次的平均间隔事件[14]，为该极端事件发生频率的倒数。其计算公式如下：

式（1）中：xt为极值的重现期；X为某要素的极值变量；x为它们的某一可能值（例如年的最大值和最小值）。

针对不同流域的水文资料及气象资料情况，致灾阈值的重现期计算一般可分为3 种计算方法，即阈值法、水文模型法和大数据分析法[15-24]。但根据现有的气象数据样本数和各个方法的误差范围，最终本研究确定以HBV 为主的水文模型法在该地区最为适用。它主要是利用水文观测数据（流量）建立HBV 模型，效率系数达到80%以上；然后将流域内气象站的逐日降水数据输入到水文模型中，计算流域控制断面的流量和水位高度值；再根据AM 和POT 对水位数据进行采样，建立极端水位值序列，计算水位重现期，再查找对应水位重现期的降水量值。

3.2.2 强降雨重现期淹没模型计算

本研究根据收集的基础信息，气象、水文、地理信息和社会经济统计数据，结合历史灾情数据首先建立了暴雨洪涝灾害的风险数据库[25-26]；再利用ArcGⅠS软件根据DEM、水系和水文站断面信息提取流域边界信息，采用以HBV 模型为主的水文模型计算降水-径流关系，确定致灾临界（面）雨量；然后利用国家站历史长序列小时雨量资料，结合致灾临界（面）雨量以及历史暴雨洪涝灾情，建立致洪面雨量序列，计算不同重现期（本文主要计算了5 年、10 年、15 年、20年、30 年、50 年、100 年一遇情况[25-28]）的致洪面雨量、逐小时降水概率、小时雨型分布数据；最后将上述计算结果结合带有流域堤坝信息的DEM、Manning系数等数据输入到水动力模型进行淹没模拟，得到不同重现期下的洪水淹没范围和水深[25]，并根据当地实际情况将计算淹没深度划分为5 个等级，最终得到淹没模型计算结果，如图3 所示。

图3 龙门山脉德阳段5 年、10 年、15 年、20 年、30 年、50 年、100 年一遇淹没图

4 淹没结果分析

从龙门山脉德阳段强降水不同重现期的淹没模型计算结果来看，龙门山脉德阳段强降雨重现期主要有以下几个特征：①由于龙门山脉德阳段的大部分地方地形以山区、高山区为主，其淹没区主要为石亭江、绵远河的干流和主要支流河道内以及周边浅滩地带，部分高海拔地区的草地地区也有一定的淹没深度，但相对深度较浅，一般在0.5 m 以下；②由于山区的河流区域一般为低海拔深沟地形，与周边高海拔山脉易形成较大时的海拔落差，因此当强降雨出现时也易出现局地性的严重淹没区，从5 年一遇的开始，河道开始出现15 m 以上的淹没段，而到了100 年一遇时15 m以上的淹没区域大幅增加，因此在强降雨出现时河道周围的区域应为重点防范区域；③干流淹没情况要远重于支流淹没的情况，这是因为干流汇水和集雨面更大的原因，同时干流对地形的切割更明显，因此其淹没的深度一般更深；④根据淹没图对比情况，选取100年一遇淹没图，结合居民点密度图分布情况和土地利用类型的分布[20-21]情况进行极端强降水的淹没风险分析，如图4 所示。由图4 可知在蓥华镇、广济镇和洛水镇交界处、清平镇中部以及汉旺镇的中部，有河道的周边地区，即人口活动较频繁地区，同时也是淹没图淹没深度较大（8 m 以上甚至15 m 以上的深度）地区，那么上述地区在强降雨多发时段的淹没风险最高，同时易造成人员伤亡和经济损失，应尤其注意防灾减灾工作。

图4 100 年一遇强降雨淹没投影叠加人口密度分布情况和土地利用类型分布情况