楚丹丹，張琦

（1.鞏留縣氣象局，新疆伊犁 835400；2.新源縣氣象局）

暴雨洪澇災害是最為常見的自然災害現(xiàn)象之一，山區(qū)的暴雨洪澇災害尤為突出和嚴重，對于無實測水文數(shù)據(jù)的小流域，山形復雜導致暴雨洪澇致災因子具有很強的隨機性和不確定性，因此，災前風險評估和預警預報備受各級政府及氣象部門的高度關注。臨界雨量是洪澇災害預警預報的重要指標之一，指某一時段一定面積上，一個流域內的平均雨量達到或超過某一量值時，該流域可能發(fā)生洪災，該量值就為臨界面雨量[1-2]，一般用1 h或幾小時降雨量表示。確定了致災臨界雨量，就可以從源頭密切跟蹤和監(jiān)測洪水動態(tài)，并根據(jù)降水實況和氣象預報做出精準山洪預警?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)和計量評價模型，學者們對各地區(qū)暴雨洪澇災害進行了風險評估和區(qū)劃研究[3-5]，比較成熟的臨界雨量的確定方法主要有統(tǒng)計歸納法和水位反推法[5-7]，為本文研究提供了方法借鑒。

新疆伊犁地區(qū)新源縣是全疆降水量最多地區(qū)，近些年由降水誘發(fā)的氣象災害及衍生災害十分頻繁，其中洪澇災害最為嚴重。則克臺流域下游入河段的8 km河道近30年來向東西兩岸擴張近120 m，尤其自1990 年以來，河道向兩岸加速擴張，兩岸植被相繼破壞，近3 年來先后有50 戶約200 個居民被迫搬遷。研究探明該流域暴雨洪澇災害的致災成因及臨界雨量，對本區(qū)域防災減災具有重要意義。本文利用基于ArcGIS 平臺開發(fā)的FloodArea 二維水動力淹沒模型，對無水文資料新源縣則克臺流域進行山洪過程的模擬，采用相關系數(shù)計算得到淹沒深度-降水的關系，通過不同等級的淹沒深度反推出致災臨界雨量，據(jù)此可對當?shù)厣胶闉暮ψ龀鰷蚀_的預測與評估。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

新源縣則克臺流域地處北緯43°05′～43°41′，東經(jīng)82°28′～84°34′之間，為伊犁河谷支流鞏乃斯河下游，地形特點呈北高南低，地貌分為山區(qū)（平均海拔2 630 m）、丘陵區(qū)（平均海拔1 150 m）和平原區(qū)（平均海拔836 m）。多年平均年降水量在270～880 mm 之間，其分布特點是東部多、西部少。最大月降水量一般出現(xiàn)在5～6 月，占年降水量的14%左右；區(qū)域內年平均氣溫在1.4～8.9 ℃，極端最高氣溫39.8 ℃，最低氣溫-32.0 ℃；全年日照時數(shù)為4 442 h。多年平均水面蒸發(fā)量在802.0 mm。平均積雪深度為20～30 cm，最深達67 cm。則克臺流域系鞏乃斯河一級支流，流域面積136 km2，河長29 km2，水源以融雪和降雨補給為主，徑流的四季分配較為均勻，夏水占年降水量的40%左右，春水多于秋水，占年降水量的25%以上。洪水以春季升溫融雪型洪水和夏季暴雨融雪混合型洪水為主。春季融雪型洪水多出現(xiàn)在4～5月；夏季暴雨融雪型洪水出現(xiàn)在6～8月，春季升溫融雪型洪水次數(shù)多于夏季暴雨融雪型洪水。

1.2 數(shù)據(jù)資料

1.2.1 氣象資料

收集新源縣則克臺流域內區(qū)域自動氣象站和水文站的基本信息。

1.2.2 基礎地理信息

從NASA 網(wǎng)站下載覆蓋研究區(qū)30 m 數(shù)字高程（DEM）數(shù)據(jù)；從地理空間數(shù)據(jù)云下載覆蓋研究區(qū)域的1 km土地利用數(shù)據(jù)。

1.2.3 歷史災情資料

從新源縣氣象局獲取歷史典型洪水過程災情記錄，包括雨情、水情記載、災害損失、影響人數(shù)、水毀工程、場次水災發(fā)生時段及淹沒信息（空間分布、水深、面積、淹沒歷時等）。

1.2.4 隱患點的實測數(shù)據(jù)

主要針對研究區(qū)內的居民點、公路、鐵路、橋梁、農(nóng)田、廠房及其他建筑或公共場所，在災害發(fā)生時易受洪水淹沒的地方或建筑設施等災害隱患點。

2 研究方法

2.1 FloodArea模型計算原理

本文運用FloodArea 模型對研究流域一次淹沒過程進行反演。FloodArea模型是基于GIS柵格數(shù)據(jù)和水動力方法，利用二維非恒定流水動力模型，同時考慮一個柵格周圍8個單元的洪水淹沒模型（見圖1）[8-9]。該模型在山地地區(qū)模擬效果比平原地區(qū)好，已在國內外科研及工程等部門得到了運用。

圖1 柵格單元劃分

2.2 皮爾遜相關系數(shù)分析法

本研究采用Pearson相關系數(shù)分析法[10]，對模擬出的洪水淹沒深度與逐小時降水量進行相關分析，計算公式如下：

式中：n 為樣本數(shù)，xi 和yi 分別為2 個變量的變量值分別為2變量的均值。

3 結果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

3.1.1 降水空間分布權重

降水空間分布權重表示一個區(qū)域不同地方降水占整個研究區(qū)的權重比例[11]。本文運用克里金插值法來確定該區(qū)域的降水空間分布權重（見圖2）。

圖2 降水空間分布權重

3.1.2 地表水力糙度

地表水力糙度是衡量河道粗糙程度和形狀不規(guī)則性影響的一個綜合性指數(shù)[12-13]。本文利用新疆土地利用類型數(shù)據(jù)，對不同土地利用類型水力糙度賦初值并調整參數(shù)（見圖3），按建筑用地、水域、旱田、水田和林地5 種類型確定地表水力糙度，按照經(jīng)驗值分別取18、25、33、40和50。

圖3 地表水力糙度

3.1.3 典型降水過程面雨量的確定

根據(jù)歷史災情資料，選取了2015 年5 月12日、2016 年4 月29 日、2016 年6 月17 日及2016年6 月29 日則克臺流域的4 次降水過程作為本研究的典型降水過程，得到逐小時平均降水數(shù)據(jù)，作為該區(qū)域內一次降水過程的面雨量數(shù)據(jù)，并生成文本文件。

3.1.4 隱患點的實測數(shù)據(jù)采集

本研究在該流域的中下游選取了2個山洪淹沒點進行淹沒深度的測量，針對本次暴雨洪澇災害，對淹沒點的地名、經(jīng)緯度、淹沒深度等數(shù)據(jù)做記錄（見表1）。

表1 2016 年6 月17 日則克臺河流域洪水災后實地考察

表2 考察點實測水深與模擬水深對比

3.2 降水-淹沒深度關系的建立

本研究選取2 個考察點（見圖4），其中則克臺鎮(zhèn)-1 記為考察點1，則克臺鎮(zhèn)-2 記為考察點2，分析考察點處逐時不同累積時效的面雨量和模擬洪水過程線的相關關系，取相關系數(shù)最好的一組換算表達式，得到預警點淹沒某一深度時對應的面雨量，這就是考察點淹沒達到或超過某一量值時的致災臨界面雨量。本研究中考察點1 累積5 h 雨量相關性最好，考察點2累積5 h雨量相關性最好，相關系數(shù)分別為達到0.833和0.603，淹沒水深和面雨量的換算表達式為：

圖4 模擬水深檢驗的隱患點位置

式中：y分別為考察點1和考察點2的面雨量；x分別為考察點1和考察點2的淹沒深度。

3.3 精度檢驗

通過2017年6月29日淹沒的真實深度對模擬的淹沒深度進行精度檢驗，如表2所示?？梢钥闯?，考察點1實測水深為0.94 m，模擬水深為0.61 m，相對誤差為0.34 m，誤差率為35.11%；考察點2實測水深為1.05 m，模擬水深為1.03 m，相對誤差為0.02 m，誤差率為1.90%。FloodArea模型對研究區(qū)洪水過程模擬的效果較好，可以反映出該區(qū)域的洪水淹沒情況，能為無水文資料的山區(qū)流域的山洪過程進行較為精準的模擬。

3.4 致災臨界雨量的確定

按照山洪災害等級劃分標準，確定漫壩、淹沒預警點20 cm、60 cm、120 cm和180 cm分別對應四級、三級、二級和一級洪水淹沒標準，依據(jù)降水-淹沒深度的關系得出：預警點累積5 h降水得到對應四級、三級、二級和一級山洪的致災臨界雨量分別為：13.18 mm、21.46 mm、33.87 mm和46.29 mm（見表3）。

表3 不同淹沒等級的致災臨界雨量

4 結論

本文以則克臺流域為研究區(qū)，運用小時降水數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）、實測淹沒深度等數(shù)據(jù)，基于FloodArea 模型對研究區(qū)2015 年5 月12 日、2016 年4 月29 日、2016 年6 月17 日和2016 年6 月29 日洪水過程進行再現(xiàn)模擬，通過精度驗證并建立了降水-淹沒深度的關系，得出了研究區(qū)致災臨界雨量，結果如下：（1）通過Pearson 分析了則克臺鎮(zhèn)-1 和則克臺鎮(zhèn)-2 逐時不同累積時效的面雨量和模擬洪水過程線的相關關系，并得出則克臺鎮(zhèn)-1 和則克臺鎮(zhèn)-2 都是累積5 h 降雨量與模擬洪水淹沒深度的相關性最好，分別達到了0.833 和0.603。（2）通過實測數(shù)據(jù)對模擬的淹沒深度進行精度檢驗，則克臺鎮(zhèn)-1 和則克臺鎮(zhèn)-2 兩個考察點相對誤差分別為0.34 m 和0.02 m，誤差率分別為35.11%和1.90%。結果表明：FloodArea 模型對研究區(qū)洪水過程模擬的效果比較好，可以反映出該區(qū)域的洪水淹沒情況，能為無水文資料的山區(qū)流域的山洪過程進行較為精準的模擬。（3）按照山洪災害等級劃分標準和降水-淹沒深度的關系得出：預警點累積5 h 降水得到對應四級、三級、二級和一級山洪的致災臨界雨量分別為：13.18 mm、21.46 mm、33.87 mm 和46.29 mm。