誘發(fā)典型小流域洪水的雨量閾值研究
——以安昌河流域?yàn)槔?/h1>
2018-07-03 11:32:18張青艷陳梁勛
西南科技大學(xué)學(xué)報(bào) 2018年2期
張青艷 陳梁勛
(四川省綿陽市氣象局 四川綿陽 621000)
關(guān)于流域數(shù)字水系構(gòu)建和洪水閾值，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展過廣泛的研究，尤其是長江、黃河流域研究和使用較廣泛[1-2]。利用DEM數(shù)據(jù)系統(tǒng)提取流域資料，確定流域集水面積閾值，又稱臨界集水面積(Critical Contributing Area)，或者利用DEM和電子水系地圖相結(jié)合的方法，確定閾值所得到的數(shù)字水系與實(shí)際水系在水系密度、河網(wǎng)形態(tài)和河網(wǎng)發(fā)育程度上的差異，得到更高精度的數(shù)字水系。集水面積閾值作為確定數(shù)字水系的一個(gè)重要參數(shù)，體現(xiàn)了河道源頭所處的位置和形成的條件。該值取決于氣候條件、土壤特性、地表覆被和坡面特性[3]，影響著數(shù)字水系的結(jié)構(gòu)和形態(tài)[4]、也影響著所提取的其它流域特征[5]，反應(yīng)流域的長期特性。龐紅偉、包紅軍等探討過流域水位流量的預(yù)測[6-7]，并在淮河流域洪水預(yù)報(bào)中引入降水預(yù)報(bào)信息。中期或短期流域洪水的防范或預(yù)報(bào)能力是非常重要的，而中期或短期流域洪水是否發(fā)生主要依賴氣象條件，也就是一定區(qū)域的降雨量。在沒有特殊外力(地震等)作用時(shí)流域匯水區(qū)降雨量是流域洪水發(fā)生的直接因素，流域匯水區(qū)面積內(nèi)降雨量與洪水的相關(guān)性研究有助于提高洪水預(yù)報(bào)時(shí)間量，而相關(guān)研究不多，對(duì)于小流域的匯水區(qū)內(nèi)降雨量與洪水的相關(guān)性研究更少報(bào)道。本文以安昌河為例開展小流域洪水的雨量閥值研究，以期指導(dǎo)流域防洪和流域周邊區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害防范工作。
1 研究區(qū)概況
1.1 安昌河流域自然環(huán)境概況
安昌河，又名安昌江，屬于長江流域、嘉陵江水系，流經(jīng)綿陽市的北川、安昌、涪城區(qū)，是涪江的一條支流，于綿陽市區(qū)注入涪江，對(duì)綿陽市人民的生產(chǎn)生活有重要影響。綿陽市位于四川盆地西北部，面積20 249.45 km2，占四川省土地面積4.2%。其中綿陽市區(qū)面積90 km2。全市地貌類型山區(qū)占61%，丘陵區(qū)占20.4%，平壩區(qū)占18.6%。受地貌影響，綿陽市境降水豐沛，徑流量大，江河縱橫，水系發(fā)達(dá)。全市境內(nèi)有河流、溪溝3 000余條，所有河流及溪溝都分別注入嘉陵江支流涪江、白龍江與西河。市境內(nèi)多發(fā)洪災(zāi)，洪災(zāi)的區(qū)域分布以安昌江和涪江上游出現(xiàn)的頻率最高，特別是涪江右岸及以西沿龍門山前緣一線的北川、安縣、江油最為頻繁。北川、安縣是四川省暴雨中心之一。2008年汶川地震時(shí)北川、安縣、江油受災(zāi)嚴(yán)重，地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，極易發(fā)生由暴雨引發(fā)的洪水等自然災(zāi)害，對(duì)人民生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響，甚至威脅到人身安全。
1.2 河流概況
安昌河為涪江右岸的一級(jí)支流，其上游分為茶坪河和蘇寶河二支，二支流分別發(fā)源于安縣、青川交接之龍門、九頂山脈。
右支茶坪河為主支，在安昌鎮(zhèn)與左支蘇寶河匯合后，始稱安昌河。安昌河為西北-東南流向，經(jīng)安縣黃土、花荄、綿陽永興，繞綿陽城南，于南塔嘴匯入涪江(圖1)。
安昌河上游是著名的鹿頭山暴雨區(qū)。安昌河上游從河源行經(jīng)高山峽谷區(qū)，在安昌鎮(zhèn)出谷。地表比降與河道比降一致，河道迂回曲折、沱沱相見，主流隨流勢變化，河床為天然復(fù)式河床，呈寬淺式，河濠密布河床，局部河心洲灘高出地表1 m左右。
圖1 安昌河地理位置圖Fig. 1 The geographical location map of Anchang River
安昌河流域地勢由西北向東南傾斜。地貌特征以安昌鎮(zhèn)為界，上游為山地峽谷地形，河流陡坡流急；下游丘陵平壩區(qū)。茶坪河和蘇寶河穿行于高山峽谷之間，河谷狹窄，河道灘多彎急,常有泥沙亂石塌入河中，成為懸移質(zhì)的主要來源。下游從茶坪河和蘇寶河匯合后為丘陵平壩區(qū)，海拔高程約在400～600 m；相對(duì)高差100～200 m左右，河道寬度一般約100～200 m。河道比降向下游逐漸減??；多為不對(duì)稱的寬淺式河床，兩岸臺(tái)地發(fā)育，農(nóng)耕發(fā)達(dá)，植被較差，水土流失較嚴(yán)重。一旦發(fā)生洪水將會(huì)造成較大損失。
2 數(shù)據(jù)來源與分析方法
2.1 數(shù)據(jù)來源
2.1.1 匯水區(qū)的選取
匯水面積[8-9]指的是雨水流向同一山谷地面的受雨面積。匯水面積的邊界線是由一系列的山脊線和道路、堤壩連接而成。由圖2看出，由山脊線與公路上的AB線段所圍成的面積，就是這個(gè)山谷的匯水面積。在圖上作設(shè)計(jì)的道路(或橋涵)中心線與山脊線(分水線)的交點(diǎn)。沿山脊及山頂點(diǎn)劃分范圍線(圖2)，該范圍線及道路中心線AB所包圍的區(qū)域就是雨水匯集范圍。
圖2 匯水區(qū)示意圖Fig. 2 Sketch map of catchment area
沿著安昌河流域匯水區(qū)邊緣取東經(jīng)104.181 3°～104.767 6°，北緯31.417 9°～31.820 1°，用arcgis計(jì)算出安昌河流域匯水面積945.9 km2。
2.1.2 安昌河流域匯水區(qū)域雨量資料
分別對(duì)綿陽自動(dòng)雨量站經(jīng)緯度、海拔原始數(shù)據(jù)和安昌河流域匯水面GIS的shp文件做MapInfo格式化預(yù)處理。使用MapInfo Professional 11.0軟件根據(jù)安昌河流域匯水面積圖篩選流域內(nèi)自動(dòng)站[10-11]，選取在這個(gè)區(qū)域的自動(dòng)雨量站共計(jì)110個(gè)，這些自動(dòng)雨量站分別分布在北川、安縣、涪城區(qū)境內(nèi)。
資料長度為2009-2017年，讀取歷年5-9月上述自動(dòng)雨量站逐小時(shí)雨量資料。
2.1.3 安昌河流域水文資料
從綿陽市水文局獲取安昌河安昌水文站水位及流量資料，資料長度為2009-2017年，讀取歷年5-9月逐日水位和逐日流量資料。
2.2 匯水區(qū)面雨量計(jì)算
洪水災(zāi)害產(chǎn)生的直接原因是一定量級(jí)的降水，面雨量是一切洪水預(yù)報(bào)模型的輸入場，所以，面雨量估算以及預(yù)報(bào)也成為目前國內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外專家做了大量的有益探索，如以泰森多邊形法、Kriging插值為代表的實(shí)況插值法[12-13]等。
面雨量或稱面平均降雨量，是指單位面積上的降雨量，即為某一特定區(qū)域的平均降雨?duì)顩r，其計(jì)算公式為：
式中，A為特定區(qū)域面積，P為有限元dA上的雨量。不同的面雨量計(jì)算方法，其結(jié)果存在一定差異，由于各種方法的適用范圍不同，因而首先要分析區(qū)域內(nèi)的雨量站分布及降水資料，根據(jù)不同特征選擇不同計(jì)算方法。主要的方法有以下幾種：算術(shù)平均法、等值線法、泰森多邊形法、網(wǎng)格插值法等。
由于2009年至今，安昌流域內(nèi)自動(dòng)站數(shù)量有較大幅度的變化，分布情況前后也有較大差別?？紤]到以上這些實(shí)際情況選用計(jì)算方式快捷靈活的泰森多邊形法計(jì)算面雨量。
泰森多邊形法又稱垂直平分法或加權(quán)平均法。首先將流域內(nèi)各相鄰測站用直線相連，作各連線的垂直平分線，把流域分為若干個(gè)多邊形，每個(gè)多邊形內(nèi)都有一個(gè)測點(diǎn)，根據(jù)劃分出的垂直平分多邊形可計(jì)算得到每個(gè)多邊形的面積Ai，若流域總面積為A，則每個(gè)測站的權(quán)重系數(shù)fi為：
fi=ΔAi/Ai=1,2,3,…,n
R=R1f1+R2f2+…+Rnfn
R為面雨量，Ri為第i個(gè)多邊形內(nèi)的雨量站實(shí)測雨量，fi為第i個(gè)雨量站的權(quán)重系數(shù)。
根據(jù)匯水面邊界和自動(dòng)雨量站點(diǎn)分布做泰森多邊形，計(jì)算各點(diǎn)面積權(quán)重。累加自動(dòng)站08-08點(diǎn)小時(shí)雨量為日雨量，逐站帶入權(quán)重計(jì)算，累加為面雨量。
3 結(jié)果與分析
3.1 水位、流量和流域面雨量相關(guān)性分析
為了分析安昌河流域水位、流量與流域匯水區(qū)域面水量的關(guān)系，分別計(jì)算5-9月安昌河流域1,2,3,10,30 d的平均滑動(dòng)面雨量，尋找各類平均滑動(dòng)面雨量與水位和流量的相關(guān)關(guān)系，繪制出安昌河水位與1,2,3,10,30 d平均滑動(dòng)面雨量的時(shí)間序列圖表(圖略)，同時(shí)繪制出安昌河流量與1,2,3,10,30 d的平均滑動(dòng)面雨量時(shí)間序列圖表(圖略)。
從上述圖表繪制過程中知道：流域水位峰值和流量峰值均與流域面雨量時(shí)間平均值有正相關(guān)性。其中10 d和30 d平均滑動(dòng)面雨量和水位峰值及流量峰值有一定的滯后性，30 d的流域平均滑動(dòng)面雨量峰值滯后性最大。因此10 d和30 d的平均面雨量對(duì)流域水位和流量峰值明顯不具有提前預(yù)警性；1,2,3 d平均面雨量和水位峰值及流量峰值有更好正相關(guān)，而且具備一定的時(shí)間提前量。因此在此重點(diǎn)討論1,2,3 d平均滑動(dòng)面雨量與水位峰值及流量峰值的相關(guān)性。
為了更好地分析1,2,3 d平均滑動(dòng)面雨量與水位峰值及流量峰值的相關(guān)性，分別選取2009-2017年5月1日到9月30日水位峰值≥92 m的峰值出現(xiàn)時(shí)間，把一次水位峰值≥92 m(綿陽市水文局資料：安昌河水位陡長，出現(xiàn)洪水可能的水位為≥92 m)的時(shí)間視為一個(gè)個(gè)例，對(duì)應(yīng)每個(gè)個(gè)例給出水位峰值出現(xiàn)時(shí)間(即流量峰值出現(xiàn)時(shí)間)，以及當(dāng)日1 d面雨量峰值及出現(xiàn)時(shí)間、2 d平均面雨量峰值及出現(xiàn)時(shí)間以及3 d平均面雨量峰值及出現(xiàn)時(shí)間，分別繪制出水位峰值與面雨量時(shí)間序列圖(圖3、圖4、圖5)。
圖3 安昌河水位峰值與1 d面雨量時(shí)間序列圖Fig. 3 Sequence diagram of peak water level and 1 day’s rainfall of Anchang River
圖4 安昌河水位峰值與2 d面雨量時(shí)間序列圖Fig. 4 Sequence diagram of peak water level and 2 days’ rainfall of Anchang River
圖5 安昌河水位峰值與3 d面雨量時(shí)間序列圖Fig. 5 Sequence diagram of peak water level and 3 days’ rainfall of Anchang River
分析發(fā)現(xiàn)：1 d的面雨量峰值出現(xiàn)時(shí)間平均比水位峰值和流量峰值出現(xiàn)時(shí)間均提前1 d；2 d的平均面雨量峰值出現(xiàn)時(shí)間基本和水位峰值或流量峰值同時(shí)出現(xiàn)；3 d的面雨量峰值出現(xiàn)時(shí)間比水位峰值或流量峰值平均晚0.5 d。說明雨強(qiáng)較大，持續(xù)時(shí)間較短的突發(fā)性強(qiáng)降雨更容易造成安昌河流域洪水，而雨強(qiáng)較小，降雨時(shí)間較長的持續(xù)性降雨，較不容易引起安昌河流域洪水，在安昌河流域出現(xiàn)暴雨后的24 h內(nèi)出現(xiàn)洪峰概率最大。
3.2 可能引發(fā)洪水的面雨量閾值分析
1 d的面雨量對(duì)流域水位峰值和流量峰值的到來具有提前預(yù)報(bào)性，提前量為1 d。2009-2017年出現(xiàn)水位峰值或流量峰值的個(gè)例與單日面雨量峰值對(duì)比分析，能造成水位峰值≥92 m的單日面雨量峰值共27個(gè)個(gè)例，排除缺資料的1個(gè)個(gè)例，流量峰值小于650 m3/s的1個(gè)個(gè)例，單日面雨量峰值≥58.8 mm的個(gè)例數(shù)占比91%。從上述分析中可以發(fā)現(xiàn)可能造成安昌流域洪水的1日面雨量閾值為≥58.8 mm。
4 結(jié)論
(1)日面雨量是造成安昌河流域洪水的最直接原因。流域水位峰值和流量峰值均與流域面雨量時(shí)間平均值有正相關(guān)性。10 d和30 d的平均面雨量峰值落后于安昌河流域水位峰值及流量峰值，10 d以上的平均面雨量對(duì)安昌河流域水位峰值及流量峰值不具備提前預(yù)報(bào)性。2 d和3 d的平均面雨量峰值與安昌河流域水位峰值及流量峰值有較好相關(guān)性，但基本沒有預(yù)報(bào)提前量。1 d的面雨量峰值與安昌河流域水位峰值及流量峰值相關(guān)性最好，而且1 d面雨量峰值出現(xiàn)時(shí)間比安昌河流域水位峰值及流量峰值出現(xiàn)時(shí)間可提前24 h，即雨強(qiáng)較大的突發(fā)性強(qiáng)降雨更容易誘發(fā)安昌河流域洪水，而雨強(qiáng)較小的、持續(xù)時(shí)間較長的連續(xù)性降雨不容易引起安昌河流域洪水。在安昌河流域出現(xiàn)暴雨后的24 h內(nèi)流域出現(xiàn)洪峰概率最大。
(2)誘發(fā)安昌河流域水位峰值≥92 m，流量峰值≥650 m3/s的1日面雨量閾值為≥58.8 mm。
(3)較長日數(shù)的平均面雨量峰值落后于安昌河流域水位及流量峰值，一般對(duì)安昌河流域水位及流量不具備預(yù)報(bào)性；較短日數(shù)的平均面雨量峰值與其水位及流量峰值的相關(guān)性增大，短時(shí)間的面雨量峰值可提前于安昌河流域水位及流量峰值出現(xiàn)時(shí)間24 h。而突發(fā)性強(qiáng)降雨更容易產(chǎn)生安昌河流域洪水，特別在出現(xiàn)暴雨后的24 h內(nèi)流域出現(xiàn)洪峰概率最大。
(4)對(duì)具有類似安昌河水文條件的較小河流，要特別注意突發(fā)性強(qiáng)降雨造成的水位上漲，以免對(duì)流域生產(chǎn)和生活帶來不利影響。
[1] RINALDO A,VOGEL G K,RIGON R,et al. Can one gauge the shape of a basin? [J]. Water Resources Research, 1995, 31(4): 1119-1127.
[2] 李麗, 郝振純, 王加虎. 復(fù)合信息提取流域特征及其應(yīng)用[C]// 夏軍. 水問題的復(fù)雜性與不確定性研究與進(jìn)展. 北京: 中國水利水電出版社, 2004: 196-205.
[3] MARTZ L W, GARBRECH J. Numerical definition of drainage network and subcatchment areas from digital elevation models [J].Comput.Geosci, 1992, 18 (6): 747-761.
[4] ROGER M, CLAUDE. Fractal analyses of tree-like channel networks from digital elevation model data [J]. Journal of Hydrology, 1996, 187: 157-172.
[5] YANG D, S HERATH,KMUSIAK.Spatial resolution sensitivity of catchment geomorphologic properties and the effect on hydrological simulation[J]. Hydrological Processes, 2000, 15: 2085-2099.
[6] 龐紅偉,王斌 ,朱士江.利用 Free Search算法推求水位流量關(guān)系曲線[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2017，45(26)：179-181.
[7] 包紅軍,張珂,魏麗,等.淮河流域2016年汛期洪水預(yù)報(bào)試驗(yàn)[J].氣象, 2017,43(7)：831-844.
[8] 高琦,徐明,李武階,等.我國面雨量研究及業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)展[J]. 氣象科技進(jìn)展, 2014,4(2):66-69.
[9] 高琦，徐明，李武階，等. 長江上游六流域強(qiáng)降水面雨量特征分析[J]. 人民長江, 2013,44 (13) :14-17.
[10] 彭濤，沈鐵元，高玉芳. 域水文氣象耦合的洪水預(yù)報(bào)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J]. 氣象科技進(jìn)展, 2014, (2) :52-58.
[11] 董前進(jìn),陳森林. 統(tǒng)計(jì)相關(guān)條件下降水及洪水預(yù)報(bào)誤差相關(guān)分析[J]. 水文,2014,34 (2) :14-18.
[12] 劉家富. 中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)在無流量站中小河流洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J]. 廣東水利水電, 2011 ,(11): 39-41.
[13] 包紅軍,趙琳娜. Development and application of an Atmospheric-Hydrologic-Hydraulic flood forecasting model driven by TIGGE ensemble forecasts [J]. 氣象學(xué)報(bào)(英文版),2012, 26 (1) :93-102.
猜你喜歡
寧夏紅柳溝流域水沙變化及產(chǎn)沙分析農(nóng)業(yè)科學(xué)研究(2022年2期)2022-08-01 05:25:30 洪水時(shí)遇到電線低垂或折斷該怎么辦娃娃樂園·綜合智能(2019年6期)2019-07-10 00:37:32 基于小波去噪的稱重雨量數(shù)據(jù)分析成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)(2019年1期)2019-05-20 09:14:26 A6 CVT豪華版世界汽車(2018年11期)2018-11-17 06:24:40 又見洪水(外二首)天津詩人(2017年2期)2017-11-29 01:24:25 昌河 發(fā)力乘用車市場經(jīng)營者·汽車商業(yè)評(píng)論(2017年1期)2017-03-11 20:54:16 SL—1 型雨量傳感器故障分析排除和維護(hù)西藏科技(2016年5期)2016-09-26 12:16:40 《土鎮(zhèn)的百年孤獨(dú)—安昌河小說研究》首發(fā)式暨研討會(huì)在安州舉行劍南文學(xué)(2016年13期)2016-08-23 12:11:00 洪水來了幼兒畫刊(2016年8期)2016-02-28 21:00:52 論設(shè)計(jì)洪水計(jì)算水利水電科技進(jìn)展(2014年1期)2014-10-17 02:29:08
張青艷 陳梁勛
(四川省綿陽市氣象局 四川綿陽 621000)
關(guān)于流域數(shù)字水系構(gòu)建和洪水閾值，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展過廣泛的研究，尤其是長江、黃河流域研究和使用較廣泛[1-2]。利用DEM數(shù)據(jù)系統(tǒng)提取流域資料，確定流域集水面積閾值，又稱臨界集水面積(Critical Contributing Area)，或者利用DEM和電子水系地圖相結(jié)合的方法，確定閾值所得到的數(shù)字水系與實(shí)際水系在水系密度、河網(wǎng)形態(tài)和河網(wǎng)發(fā)育程度上的差異，得到更高精度的數(shù)字水系。集水面積閾值作為確定數(shù)字水系的一個(gè)重要參數(shù)，體現(xiàn)了河道源頭所處的位置和形成的條件。該值取決于氣候條件、土壤特性、地表覆被和坡面特性[3]，影響著數(shù)字水系的結(jié)構(gòu)和形態(tài)[4]、也影響著所提取的其它流域特征[5]，反應(yīng)流域的長期特性。龐紅偉、包紅軍等探討過流域水位流量的預(yù)測[6-7]，并在淮河流域洪水預(yù)報(bào)中引入降水預(yù)報(bào)信息。中期或短期流域洪水的防范或預(yù)報(bào)能力是非常重要的，而中期或短期流域洪水是否發(fā)生主要依賴氣象條件，也就是一定區(qū)域的降雨量。在沒有特殊外力(地震等)作用時(shí)流域匯水區(qū)降雨量是流域洪水發(fā)生的直接因素，流域匯水區(qū)面積內(nèi)降雨量與洪水的相關(guān)性研究有助于提高洪水預(yù)報(bào)時(shí)間量，而相關(guān)研究不多，對(duì)于小流域的匯水區(qū)內(nèi)降雨量與洪水的相關(guān)性研究更少報(bào)道。本文以安昌河為例開展小流域洪水的雨量閥值研究，以期指導(dǎo)流域防洪和流域周邊區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害防范工作。
1 研究區(qū)概況
1.1 安昌河流域自然環(huán)境概況
安昌河，又名安昌江，屬于長江流域、嘉陵江水系，流經(jīng)綿陽市的北川、安昌、涪城區(qū)，是涪江的一條支流，于綿陽市區(qū)注入涪江，對(duì)綿陽市人民的生產(chǎn)生活有重要影響。綿陽市位于四川盆地西北部，面積20 249.45 km2，占四川省土地面積4.2%。其中綿陽市區(qū)面積90 km2。全市地貌類型山區(qū)占61%，丘陵區(qū)占20.4%，平壩區(qū)占18.6%。受地貌影響，綿陽市境降水豐沛，徑流量大，江河縱橫，水系發(fā)達(dá)。全市境內(nèi)有河流、溪溝3 000余條，所有河流及溪溝都分別注入嘉陵江支流涪江、白龍江與西河。市境內(nèi)多發(fā)洪災(zāi)，洪災(zāi)的區(qū)域分布以安昌江和涪江上游出現(xiàn)的頻率最高，特別是涪江右岸及以西沿龍門山前緣一線的北川、安縣、江油最為頻繁。北川、安縣是四川省暴雨中心之一。2008年汶川地震時(shí)北川、安縣、江油受災(zāi)嚴(yán)重，地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，極易發(fā)生由暴雨引發(fā)的洪水等自然災(zāi)害，對(duì)人民生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響，甚至威脅到人身安全。
1.2 河流概況
安昌河為涪江右岸的一級(jí)支流，其上游分為茶坪河和蘇寶河二支，二支流分別發(fā)源于安縣、青川交接之龍門、九頂山脈。
右支茶坪河為主支，在安昌鎮(zhèn)與左支蘇寶河匯合后，始稱安昌河。安昌河為西北-東南流向，經(jīng)安縣黃土、花荄、綿陽永興，繞綿陽城南，于南塔嘴匯入涪江(圖1)。
安昌河上游是著名的鹿頭山暴雨區(qū)。安昌河上游從河源行經(jīng)高山峽谷區(qū)，在安昌鎮(zhèn)出谷。地表比降與河道比降一致，河道迂回曲折、沱沱相見，主流隨流勢變化，河床為天然復(fù)式河床，呈寬淺式，河濠密布河床，局部河心洲灘高出地表1 m左右。
圖1 安昌河地理位置圖Fig. 1 The geographical location map of Anchang River
安昌河流域地勢由西北向東南傾斜。地貌特征以安昌鎮(zhèn)為界，上游為山地峽谷地形，河流陡坡流急；下游丘陵平壩區(qū)。茶坪河和蘇寶河穿行于高山峽谷之間，河谷狹窄，河道灘多彎急,常有泥沙亂石塌入河中，成為懸移質(zhì)的主要來源。下游從茶坪河和蘇寶河匯合后為丘陵平壩區(qū)，海拔高程約在400～600 m；相對(duì)高差100～200 m左右，河道寬度一般約100～200 m。河道比降向下游逐漸減??；多為不對(duì)稱的寬淺式河床，兩岸臺(tái)地發(fā)育，農(nóng)耕發(fā)達(dá)，植被較差，水土流失較嚴(yán)重。一旦發(fā)生洪水將會(huì)造成較大損失。
2 數(shù)據(jù)來源與分析方法
2.1 數(shù)據(jù)來源
2.1.1 匯水區(qū)的選取
匯水面積[8-9]指的是雨水流向同一山谷地面的受雨面積。匯水面積的邊界線是由一系列的山脊線和道路、堤壩連接而成。由圖2看出，由山脊線與公路上的AB線段所圍成的面積，就是這個(gè)山谷的匯水面積。在圖上作設(shè)計(jì)的道路(或橋涵)中心線與山脊線(分水線)的交點(diǎn)。沿山脊及山頂點(diǎn)劃分范圍線(圖2)，該范圍線及道路中心線AB所包圍的區(qū)域就是雨水匯集范圍。
圖2 匯水區(qū)示意圖Fig. 2 Sketch map of catchment area
沿著安昌河流域匯水區(qū)邊緣取東經(jīng)104.181 3°～104.767 6°，北緯31.417 9°～31.820 1°，用arcgis計(jì)算出安昌河流域匯水面積945.9 km2。
2.1.2 安昌河流域匯水區(qū)域雨量資料
分別對(duì)綿陽自動(dòng)雨量站經(jīng)緯度、海拔原始數(shù)據(jù)和安昌河流域匯水面GIS的shp文件做MapInfo格式化預(yù)處理。使用MapInfo Professional 11.0軟件根據(jù)安昌河流域匯水面積圖篩選流域內(nèi)自動(dòng)站[10-11]，選取在這個(gè)區(qū)域的自動(dòng)雨量站共計(jì)110個(gè)，這些自動(dòng)雨量站分別分布在北川、安縣、涪城區(qū)境內(nèi)。
資料長度為2009-2017年，讀取歷年5-9月上述自動(dòng)雨量站逐小時(shí)雨量資料。
2.1.3 安昌河流域水文資料
從綿陽市水文局獲取安昌河安昌水文站水位及流量資料，資料長度為2009-2017年，讀取歷年5-9月逐日水位和逐日流量資料。
2.2 匯水區(qū)面雨量計(jì)算
洪水災(zāi)害產(chǎn)生的直接原因是一定量級(jí)的降水，面雨量是一切洪水預(yù)報(bào)模型的輸入場，所以，面雨量估算以及預(yù)報(bào)也成為目前國內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外專家做了大量的有益探索，如以泰森多邊形法、Kriging插值為代表的實(shí)況插值法[12-13]等。
面雨量或稱面平均降雨量，是指單位面積上的降雨量，即為某一特定區(qū)域的平均降雨?duì)顩r，其計(jì)算公式為：
式中，A為特定區(qū)域面積，P為有限元dA上的雨量。不同的面雨量計(jì)算方法，其結(jié)果存在一定差異，由于各種方法的適用范圍不同，因而首先要分析區(qū)域內(nèi)的雨量站分布及降水資料，根據(jù)不同特征選擇不同計(jì)算方法。主要的方法有以下幾種：算術(shù)平均法、等值線法、泰森多邊形法、網(wǎng)格插值法等。
由于2009年至今，安昌流域內(nèi)自動(dòng)站數(shù)量有較大幅度的變化，分布情況前后也有較大差別?？紤]到以上這些實(shí)際情況選用計(jì)算方式快捷靈活的泰森多邊形法計(jì)算面雨量。
泰森多邊形法又稱垂直平分法或加權(quán)平均法。首先將流域內(nèi)各相鄰測站用直線相連，作各連線的垂直平分線，把流域分為若干個(gè)多邊形，每個(gè)多邊形內(nèi)都有一個(gè)測點(diǎn)，根據(jù)劃分出的垂直平分多邊形可計(jì)算得到每個(gè)多邊形的面積Ai，若流域總面積為A，則每個(gè)測站的權(quán)重系數(shù)fi為：
fi=ΔAi/Ai=1,2,3,…,n
R=R1f1+R2f2+…+Rnfn
R為面雨量，Ri為第i個(gè)多邊形內(nèi)的雨量站實(shí)測雨量，fi為第i個(gè)雨量站的權(quán)重系數(shù)。
根據(jù)匯水面邊界和自動(dòng)雨量站點(diǎn)分布做泰森多邊形，計(jì)算各點(diǎn)面積權(quán)重。累加自動(dòng)站08-08點(diǎn)小時(shí)雨量為日雨量，逐站帶入權(quán)重計(jì)算，累加為面雨量。
3 結(jié)果與分析
3.1 水位、流量和流域面雨量相關(guān)性分析
為了分析安昌河流域水位、流量與流域匯水區(qū)域面水量的關(guān)系，分別計(jì)算5-9月安昌河流域1,2,3,10,30 d的平均滑動(dòng)面雨量，尋找各類平均滑動(dòng)面雨量與水位和流量的相關(guān)關(guān)系，繪制出安昌河水位與1,2,3,10,30 d平均滑動(dòng)面雨量的時(shí)間序列圖表(圖略)，同時(shí)繪制出安昌河流量與1,2,3,10,30 d的平均滑動(dòng)面雨量時(shí)間序列圖表(圖略)。
從上述圖表繪制過程中知道：流域水位峰值和流量峰值均與流域面雨量時(shí)間平均值有正相關(guān)性。其中10 d和30 d平均滑動(dòng)面雨量和水位峰值及流量峰值有一定的滯后性，30 d的流域平均滑動(dòng)面雨量峰值滯后性最大。因此10 d和30 d的平均面雨量對(duì)流域水位和流量峰值明顯不具有提前預(yù)警性；1,2,3 d平均面雨量和水位峰值及流量峰值有更好正相關(guān)，而且具備一定的時(shí)間提前量。因此在此重點(diǎn)討論1,2,3 d平均滑動(dòng)面雨量與水位峰值及流量峰值的相關(guān)性。
為了更好地分析1,2,3 d平均滑動(dòng)面雨量與水位峰值及流量峰值的相關(guān)性，分別選取2009-2017年5月1日到9月30日水位峰值≥92 m的峰值出現(xiàn)時(shí)間，把一次水位峰值≥92 m(綿陽市水文局資料：安昌河水位陡長，出現(xiàn)洪水可能的水位為≥92 m)的時(shí)間視為一個(gè)個(gè)例，對(duì)應(yīng)每個(gè)個(gè)例給出水位峰值出現(xiàn)時(shí)間(即流量峰值出現(xiàn)時(shí)間)，以及當(dāng)日1 d面雨量峰值及出現(xiàn)時(shí)間、2 d平均面雨量峰值及出現(xiàn)時(shí)間以及3 d平均面雨量峰值及出現(xiàn)時(shí)間，分別繪制出水位峰值與面雨量時(shí)間序列圖(圖3、圖4、圖5)。
圖3 安昌河水位峰值與1 d面雨量時(shí)間序列圖Fig. 3 Sequence diagram of peak water level and 1 day’s rainfall of Anchang River
圖4 安昌河水位峰值與2 d面雨量時(shí)間序列圖Fig. 4 Sequence diagram of peak water level and 2 days’ rainfall of Anchang River
圖5 安昌河水位峰值與3 d面雨量時(shí)間序列圖Fig. 5 Sequence diagram of peak water level and 3 days’ rainfall of Anchang River
分析發(fā)現(xiàn)：1 d的面雨量峰值出現(xiàn)時(shí)間平均比水位峰值和流量峰值出現(xiàn)時(shí)間均提前1 d；2 d的平均面雨量峰值出現(xiàn)時(shí)間基本和水位峰值或流量峰值同時(shí)出現(xiàn)；3 d的面雨量峰值出現(xiàn)時(shí)間比水位峰值或流量峰值平均晚0.5 d。說明雨強(qiáng)較大，持續(xù)時(shí)間較短的突發(fā)性強(qiáng)降雨更容易造成安昌河流域洪水，而雨強(qiáng)較小，降雨時(shí)間較長的持續(xù)性降雨，較不容易引起安昌河流域洪水，在安昌河流域出現(xiàn)暴雨后的24 h內(nèi)出現(xiàn)洪峰概率最大。
3.2 可能引發(fā)洪水的面雨量閾值分析
1 d的面雨量對(duì)流域水位峰值和流量峰值的到來具有提前預(yù)報(bào)性，提前量為1 d。2009-2017年出現(xiàn)水位峰值或流量峰值的個(gè)例與單日面雨量峰值對(duì)比分析，能造成水位峰值≥92 m的單日面雨量峰值共27個(gè)個(gè)例，排除缺資料的1個(gè)個(gè)例，流量峰值小于650 m3/s的1個(gè)個(gè)例，單日面雨量峰值≥58.8 mm的個(gè)例數(shù)占比91%。從上述分析中可以發(fā)現(xiàn)可能造成安昌流域洪水的1日面雨量閾值為≥58.8 mm。
4 結(jié)論
(1)日面雨量是造成安昌河流域洪水的最直接原因。流域水位峰值和流量峰值均與流域面雨量時(shí)間平均值有正相關(guān)性。10 d和30 d的平均面雨量峰值落后于安昌河流域水位峰值及流量峰值，10 d以上的平均面雨量對(duì)安昌河流域水位峰值及流量峰值不具備提前預(yù)報(bào)性。2 d和3 d的平均面雨量峰值與安昌河流域水位峰值及流量峰值有較好相關(guān)性，但基本沒有預(yù)報(bào)提前量。1 d的面雨量峰值與安昌河流域水位峰值及流量峰值相關(guān)性最好，而且1 d面雨量峰值出現(xiàn)時(shí)間比安昌河流域水位峰值及流量峰值出現(xiàn)時(shí)間可提前24 h，即雨強(qiáng)較大的突發(fā)性強(qiáng)降雨更容易誘發(fā)安昌河流域洪水，而雨強(qiáng)較小的、持續(xù)時(shí)間較長的連續(xù)性降雨不容易引起安昌河流域洪水。在安昌河流域出現(xiàn)暴雨后的24 h內(nèi)流域出現(xiàn)洪峰概率最大。
(2)誘發(fā)安昌河流域水位峰值≥92 m，流量峰值≥650 m3/s的1日面雨量閾值為≥58.8 mm。
(3)較長日數(shù)的平均面雨量峰值落后于安昌河流域水位及流量峰值，一般對(duì)安昌河流域水位及流量不具備預(yù)報(bào)性；較短日數(shù)的平均面雨量峰值與其水位及流量峰值的相關(guān)性增大，短時(shí)間的面雨量峰值可提前于安昌河流域水位及流量峰值出現(xiàn)時(shí)間24 h。而突發(fā)性強(qiáng)降雨更容易產(chǎn)生安昌河流域洪水，特別在出現(xiàn)暴雨后的24 h內(nèi)流域出現(xiàn)洪峰概率最大。
(4)對(duì)具有類似安昌河水文條件的較小河流，要特別注意突發(fā)性強(qiáng)降雨造成的水位上漲，以免對(duì)流域生產(chǎn)和生活帶來不利影響。
[1] RINALDO A,VOGEL G K,RIGON R,et al. Can one gauge the shape of a basin? [J]. Water Resources Research, 1995, 31(4): 1119-1127.
[2] 李麗, 郝振純, 王加虎. 復(fù)合信息提取流域特征及其應(yīng)用[C]// 夏軍. 水問題的復(fù)雜性與不確定性研究與進(jìn)展. 北京: 中國水利水電出版社, 2004: 196-205.
[3] MARTZ L W, GARBRECH J. Numerical definition of drainage network and subcatchment areas from digital elevation models [J].Comput.Geosci, 1992, 18 (6): 747-761.
[4] ROGER M, CLAUDE. Fractal analyses of tree-like channel networks from digital elevation model data [J]. Journal of Hydrology, 1996, 187: 157-172.
[5] YANG D, S HERATH,KMUSIAK.Spatial resolution sensitivity of catchment geomorphologic properties and the effect on hydrological simulation[J]. Hydrological Processes, 2000, 15: 2085-2099.
[6] 龐紅偉,王斌 ,朱士江.利用 Free Search算法推求水位流量關(guān)系曲線[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2017，45(26)：179-181.
[7] 包紅軍,張珂,魏麗,等.淮河流域2016年汛期洪水預(yù)報(bào)試驗(yàn)[J].氣象, 2017,43(7)：831-844.
[8] 高琦,徐明,李武階,等.我國面雨量研究及業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)展[J]. 氣象科技進(jìn)展, 2014,4(2):66-69.
[9] 高琦，徐明，李武階，等. 長江上游六流域強(qiáng)降水面雨量特征分析[J]. 人民長江, 2013,44 (13) :14-17.
[10] 彭濤，沈鐵元，高玉芳. 域水文氣象耦合的洪水預(yù)報(bào)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J]. 氣象科技進(jìn)展, 2014, (2) :52-58.
[11] 董前進(jìn),陳森林. 統(tǒng)計(jì)相關(guān)條件下降水及洪水預(yù)報(bào)誤差相關(guān)分析[J]. 水文,2014,34 (2) :14-18.
[12] 劉家富. 中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)在無流量站中小河流洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J]. 廣東水利水電, 2011 ,(11): 39-41.
[13] 包紅軍,趙琳娜. Development and application of an Atmospheric-Hydrologic-Hydraulic flood forecasting model driven by TIGGE ensemble forecasts [J]. 氣象學(xué)報(bào)(英文版),2012, 26 (1) :93-102.
猜你喜歡
農(nóng)業(yè)科學(xué)研究(2022年2期)2022-08-01 05:25:30
娃娃樂園·綜合智能(2019年6期)2019-07-10 00:37:32
成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)(2019年1期)2019-05-20 09:14:26
世界汽車(2018年11期)2018-11-17 06:24:40
天津詩人(2017年2期)2017-11-29 01:24:25
經(jīng)營者·汽車商業(yè)評(píng)論(2017年1期)2017-03-11 20:54:16
西藏科技(2016年5期)2016-09-26 12:16:40
劍南文學(xué)(2016年13期)2016-08-23 12:11:00
幼兒畫刊(2016年8期)2016-02-28 21:00:52
水利水電科技進(jìn)展(2014年1期)2014-10-17 02:29:08
