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        遼寧中小河流致洪暴雨時(shí)空分布特征分析

        2017-05-15 12:37:13
        東北水利水電 2017年5期
        關(guān)鍵詞:超標(biāo)準(zhǔn)雨量站場(chǎng)次

        (遼寧省遼陽水文局,遼寧遼陽111000)

        遼寧中小河流致洪暴雨時(shí)空分布特征分析

        劉啟和

        (遼寧省遼陽水文局,遼寧遼陽111000)

        文中在系統(tǒng)分析遼寧省暴雨洪水特征的基礎(chǔ)上,嘗試對(duì)致洪暴雨閾值及其時(shí)空分布進(jìn)行研究。為保證降雨徑流的一致性,研究以遼寧省55個(gè)集水面積2 000 km2以下,受人類活動(dòng)干擾較少的水文站為代表站,統(tǒng)計(jì)各站5年一遇洪水對(duì)應(yīng)的3h、6h、12h、24h降水,分析各時(shí)段致洪雨量閾值,并對(duì)其時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行研究。

        中小河流;致洪暴雨,時(shí)空分布,遼寧省

        1 暴雨洪水特征

        氣候條件是遼寧省洪水災(zāi)害頻發(fā)主要原因。遼寧省屬于季風(fēng)性氣候。冬季受西伯利亞-蒙古高壓控制,盛行北風(fēng)和西北風(fēng),降水量少;春季蒙古高壓北撤,雨量略見增多;夏季西風(fēng)帶氣旋頻繁通過,加上熱帶風(fēng)暴及臺(tái)風(fēng)頻繁北上,攜帶大量水汽,在副高位置偏北、偏西情況下,常形成遼寧省大暴雨與特大暴雨;秋季副高南撤,轉(zhuǎn)入少雨季節(jié)。造成遼寧省暴雨洪水的主要原因?yàn)楦备呒訌?qiáng)北移、臺(tái)風(fēng)等[1]。

        研究統(tǒng)計(jì)了遼寧省1951年以來較大規(guī)模的場(chǎng)次降水(最大單點(diǎn)降水不小200 mm,兩場(chǎng)降水大于間隔6 h),分析遼寧省暴雨特征如下:①時(shí)間分布上,降水多集中在24 h之內(nèi)。對(duì)于暴雨中心雨量點(diǎn),最大12 h降水量占場(chǎng)次總降水量的70%以上;最大24 h降水量占場(chǎng)次總降水量的80%以上;②空間分布上,暴雨中心多位于東南、西南部地區(qū)。就水資源三級(jí)區(qū)統(tǒng)計(jì),暴雨中心在沿黃渤海東部諸河區(qū)約占30%,渾江口以下區(qū)約占25%、沿黃渤海西部諸河區(qū)約占15%,其余各分區(qū)均在5%~7%左右。

        遼寧省洪水呈與暴雨相似的特征,但有所差異,表現(xiàn)為:①空間分布上,東南沿海頻次高,西北內(nèi)陸頻次低;②受災(zāi)面積分布上,中部重,東西兩側(cè)輕;③經(jīng)濟(jì)越發(fā)展損失越大;④在死亡人數(shù)上,呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。

        2 致洪暴雨計(jì)算方法

        現(xiàn)階段,致洪暴雨臨界雨量計(jì)算方法通常有兩種,即統(tǒng)計(jì)分析法及水文模型法[2]。水文模型法是在歷次暴雨洪水過程的基礎(chǔ)上,建立集水區(qū)產(chǎn)匯流模型,并基于此計(jì)算達(dá)到某一標(biāo)準(zhǔn)洪水的臨界降水閾值[3-6];統(tǒng)計(jì)分析法是首先設(shè)定選樣標(biāo)準(zhǔn),并依據(jù)歷史資料建立超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)集,通過統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)發(fā)掘等技術(shù)確定發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水的臨界雨量[7]。

        考慮到水文模型法在很大程度上受前期降水影響,研究中以雨洪資料較好的水文站作為代表站,故采用統(tǒng)計(jì)分析法計(jì)算致洪暴雨臨界雨量。計(jì)算以水文站為單元,方法步驟如下:

        1)資料收集:收集水文站基本資料及洪水要素信息,包括水文站位置、年最大洪峰流量、3日洪量,場(chǎng)次洪水發(fā)生時(shí)間,過程及峰值流量;集水區(qū)雨量站分布情況,各次洪水對(duì)應(yīng)的降水資料等。

        2)確定選樣標(biāo)準(zhǔn),建立超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)集:采用統(tǒng)計(jì)分析法計(jì)算致洪暴雨臨界雨量時(shí)應(yīng)首先需確定選樣標(biāo)準(zhǔn),并篩選出超過該標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)次過程,建立超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)集。通常而言選樣標(biāo)準(zhǔn)有3種:①歷次成災(zāi)的暴雨洪水過程;②長(zhǎng)系列資料中洪峰流量(水位)超過河道警戒流量(水位)的場(chǎng)次暴雨洪水過程;③洪水要素重現(xiàn)期超過某一特定標(biāo)準(zhǔn)的暴雨洪水過程。

        3)單點(diǎn)臨界雨量計(jì)算。對(duì)于集水面積較大、下墊面情況復(fù)雜的水文站,由于降水在時(shí)空分布上不均勻,區(qū)域內(nèi)部分地域短歷時(shí)暴雨也可能會(huì)造成超標(biāo)準(zhǔn)洪水,對(duì)于此,應(yīng)確定單點(diǎn)臨界雨量,計(jì)算方法如下:

        假設(shè)區(qū)域內(nèi)共有S處雨量站,分別為i=1,2,3,……S,共發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水N次,分別為j=1,2,3,……N,共統(tǒng)計(jì)T不同時(shí)間段的雨量(如3 h、6 h、12 h、24 h,總雨量),Rtij為雨量站i在第j次洪水中統(tǒng)計(jì)時(shí)段為t最大雨量,各站每個(gè)時(shí)間段N次統(tǒng)計(jì)值中,最小的一個(gè)為致洪暴雨臨界雨量閾值,計(jì)算公式如下:

        4)區(qū)域面平均臨界雨量計(jì)算。對(duì)于集水面積較小、下墊面相似的水文站,可認(rèn)為降水空間分布基本一致,故直接計(jì)算區(qū)域面平均臨界雨量,計(jì)算方法如下:

        假設(shè)區(qū)域內(nèi)共有S處雨量站,共發(fā)生超定量洪水N次,共統(tǒng)計(jì)T個(gè)不同時(shí)段的面平均雨量。Rtj為第j次洪水對(duì)應(yīng)的最大t時(shí)段面降水量(由S處雨量站計(jì)算得到)。統(tǒng)計(jì)N次洪水各時(shí)段最大雨量面平均值的最小值,即為各時(shí)段致洪暴雨臨界雨量。

        Rt臨界=Min(Rtij)

        其中,面平均雨量計(jì)算可采用算術(shù)平均法、泰森多邊形法、雨量等值法等多種方法,根據(jù)集水區(qū)實(shí)際情況而定,但要保證面平均雨量的計(jì)算精度。

        3 致洪暴雨時(shí)空分布特征

        3.1 資料收集

        近年來,隨著人類活動(dòng)對(duì)下墊面影響的增強(qiáng),特別是水庫(kù)的修建運(yùn)用,流域產(chǎn)匯流規(guī)律發(fā)生了顯著變化。大型河流、大型流域的致洪雨量與天然條件有很大差異而作為防汛難點(diǎn)的中小河流、中小流域致洪雨量則相對(duì)穩(wěn)定。為更好的反應(yīng)天然條件下暴雨洪水特征,研究以遼寧省水文基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),選擇流域集水面積2 000 km2以下,資料系列長(zhǎng)、雨洪配套情況較好,受人類活動(dòng)干擾相對(duì)較小的55處水文站作為代表站。

        3.2 超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)集構(gòu)建

        為建立超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)集,計(jì)算致洪暴雨臨界雨量,研究以遼寧省水文基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)洪水摘錄、降雨摘錄數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),篩選出55個(gè)水文站對(duì)應(yīng)的1 381場(chǎng)暴雨洪水過程作為分析的依據(jù)。其中面雨量計(jì)算采用集水區(qū)內(nèi)雨量站降水?dāng)?shù)據(jù)泰森多邊形加權(quán)平均得到。

        遼寧省部分中小河流的防洪標(biāo)準(zhǔn)不高,項(xiàng)目中采用5年一遇洪水為致洪暴雨推算標(biāo)準(zhǔn)。考慮到遼寧省實(shí)際特征及防汛工作具體需求,頻率分析時(shí)同時(shí)考慮洪峰及3日洪量?jī)煞N要素,選取場(chǎng)次洪水洪峰大于5年一遇洪峰,3 d洪量大于5年一遇3 d洪量的洪水。按照上述規(guī)則篩選出55個(gè)水文站超定量洪水共398場(chǎng),扣除降水資料相對(duì)較差的1964年之前數(shù)據(jù),共有場(chǎng)次洪水340場(chǎng),作為致洪雨量分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。

        3.3 致洪暴雨時(shí)空分布

        考慮到計(jì)算中采用集水面積2 000 km2以下的水文站作為代表站,可認(rèn)為其下墊面條件及降水空間分布基本相同。研究以上述超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)集為基礎(chǔ),采用面平均臨界雨量計(jì)算方法,分析各站點(diǎn)不同時(shí)段致洪暴雨臨界雨量閾值??紤]到遼寧省較大等級(jí)暴雨中,24 h雨量占總降水量的80%以上,研究中計(jì)算了3 h、6 h、12 h、24 h的臨界雨量。

        從計(jì)算結(jié)果分析可知:在時(shí)間尺度上,從全省角度講,致洪暴雨臨界3 h雨量、6 h雨量、12 h雨量占24 h雨量的比例分別為46%、66%、86%。其中,遼寧北部部分站點(diǎn)(如小五家、寶力、公主屯、小荒地、韓家杖子、東白城子、胡家、司屯、趙家屯)24 h致洪臨界雨量在50 mm以下,其余地區(qū)均在50 mm以上。其原因?yàn)檫|寧北部地區(qū)洪水發(fā)生次數(shù)較少,5年一遇洪水量級(jí)較低,所以相應(yīng)致洪暴雨臨界雨量閾值較小。

        基于ArcGIS軟件,將水文站24 h致洪暴雨臨界雨量定位于流域重心,采用克里金法對(duì)其進(jìn)行空間插值,結(jié)果表明:

        遼寧省致洪暴雨臨界雨量整體由東南向西北遞減。其中丹東大部、本溪南部、鞍山東南部(鴨綠江流域、大洋河流域)致洪暴雨在100 mm以上,鐵嶺、沈陽、阜新、葫蘆島北部致洪臨界雨量在50 mm以下,其余地區(qū)致洪暴雨在50~80 mm之間。

        4 結(jié)論與展望

        致洪暴雨臨界雨量是中小河流防汛的關(guān)鍵預(yù)警指標(biāo)。研究在分析遼寧省暴雨洪水特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,采用統(tǒng)計(jì)分析法計(jì)算了全省55個(gè)2 000 km2以下水文站的致洪(5年一遇標(biāo)準(zhǔn))暴雨臨界雨量,并對(duì)其時(shí)空分布特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明:遼寧省致洪暴雨臨界雨量由東南向西北遞減,24 h臨界雨量在東南部地區(qū)為100 mm以上,北部地區(qū)則50 mm以下。

        需要說明的是:研究得到的致洪暴雨臨界雨量是可能發(fā)生5年一遇洪水的最低降水量。在該雨量條件下,有發(fā)生5年一遇洪水的可能,但并不是一定會(huì)發(fā)生。研究成果可為遼寧省洪水預(yù)警提供依據(jù),也可為其他地區(qū)致洪暴雨臨界雨量研究提供參考。

        [1]陳金龍.東北地區(qū)致洪暴雨天氣分型及典型過程分析[D].大連:大連理工大學(xué),2015.

        [2]盧燕宇,謝五三,田紅.基于水文模型與統(tǒng)計(jì)方法的中河流致洪臨界雨量分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2016,25(3):38-47.

        [3]葉金印,李致家,常露.基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的山洪預(yù)警方法研究與應(yīng)用[J].氣象,2014,40(1):101-107.

        [4]盧燕宇,田紅.基于HBV模型的淮河流域洪水致災(zāi)臨界雨量研究[J].氣象,2015,41(6):755-760.

        [5]張亞杰,吳慧,吳勝安,等.南渡江流域暴雨洪澇致災(zāi)臨界面雨量的確定[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2014,25(6):731-740.

        [6]葉勇,王振宇,范波芹.浙江省小流域山洪災(zāi)害臨界雨量確定方法分析[J].水文,2008,28(1):56-58.

        [7]樊建勇,單九生,管珉,等.江西省小流域山洪災(zāi)害臨界雨量計(jì)算分析[J].氣象,2012,38(9):1110-1114.

        1002-0624(2017)05-0029-02

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        2017-01-04

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