蔡嘉婧，李曉明，熊 麗，劉楊洋

（德陽(yáng)市氣象局，四川 德陽(yáng) 613000）

四川省龍門山脈德陽(yáng)段主體處于31.1°N—31.7°N、103.7°E—104.2°E 之間，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)性氣候地區(qū)[1]，區(qū)域內(nèi)海拔高差跨度極大，中國(guó)最著名的斷裂帶——龍門山斷裂帶橫亙其中，造成域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地理?xiàng)l件極為復(fù)雜。且該地區(qū)屬于四川主要暴雨中心之一——龍門山、鹿頭山暴雨區(qū)范圍，降水量大[1-2]。伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和山區(qū)旅游業(yè)的深度開發(fā)，該地區(qū)的人員活動(dòng)越發(fā)頻繁，尤其是夏季前往避暑的人員數(shù)量與日俱增，而這個(gè)時(shí)段又正值強(qiáng)降水天氣頻發(fā)的時(shí)期，因而由強(qiáng)降雨引發(fā)的洪澇、滑坡、泥石流、崩塌等次生災(zāi)害對(duì)域內(nèi)的人民生命財(cái)產(chǎn)造成的危害更大。如2010-08-13 在局地暴雨誘發(fā)作用下，綿遠(yuǎn)河上游的清平和天池（現(xiàn)漢旺）境內(nèi)的24 條溝谷同時(shí)爆發(fā)了泥石流，沖出的固體物質(zhì)高達(dá)1.08×107m3，其中僅清平附近，泥石流堆積扇規(guī)模就達(dá)到7.62×106m3，泥石流淤滿河道形成了1.5 km2的堰塞體，致使14 人死亡和失蹤，清平境內(nèi)大量震后重建的民房遭淤埋，泥石流多次中斷九環(huán)線的重要支線——綿（竹）茂（縣）公路漢旺—清平段，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)4.3億元以上[1，3]。本文通過(guò)對(duì)過(guò)去30 年降水資料進(jìn)行分析，得到該地區(qū)的降水情況特征，同時(shí)根據(jù)水文地質(zhì)條件、主要河流水文情況和降雨歷史資料，分析建立強(qiáng)降雨重現(xiàn)期淹沒(méi)模型，在評(píng)價(jià)防災(zāi)減災(zāi)效益、制定防災(zāi)減災(zāi)決策和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃中起著重要的作用。

1 數(shù)據(jù)

1.1 氣象資料

本文以龍門山脈德陽(yáng)段所轄的綿竹、什邡2 個(gè)國(guó)家自動(dòng)氣象站及清平、漢旺、楠木溝、鎣華等76 氣象站建站近30 年逐日及逐小時(shí)降水資料為氣象資料。

1.2 水文資料

水文資料為龍門山脈德陽(yáng)段內(nèi)水文站典型洪水過(guò)程逐小時(shí)流量和水位數(shù)據(jù)，以及水文站警戒、保證水位等。

1.3 地理信息資料

龍門山脈德陽(yáng)段的DEM 為STRM30（30 m×30 m），龍門山脈德陽(yáng)段的土地利用數(shù)據(jù)，本文收集的是2010年數(shù)據(jù)（如有更新數(shù)據(jù)最佳），精度為30 m×30 m。

1.4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料

社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料為龍門山脈德陽(yáng)段的GDP 數(shù)據(jù)，本文收集的是2010 年數(shù)據(jù)（如有更新數(shù)據(jù)最佳），精度為1 km×1 km；且收集的為2010 年人口數(shù)據(jù)，精度為1 km×1 km。

最后利用Python、ArcGⅠS 等軟件對(duì)降水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、處理并最終建立淹沒(méi)模型，得到龍門山脈德陽(yáng)段的淹沒(méi)情況。

2 降水情況分析

龍門山脈德陽(yáng)段年平均雨量為705.0～1 491.0 mm，2020 年年平均雨量最多，2015 年年平均雨量最少，單站最大年降雨量出現(xiàn)在2013 年的什邡鎣華場(chǎng)鎮(zhèn)站點(diǎn)，為2 550.4 mm，單站最小年降雨量出現(xiàn)在2014 年的什邡師古蘇家橋站，為321.4 mm。龍門山脈德陽(yáng)段多年平均降水分布和地形如圖1 所示。龍門山脈德陽(yáng)段降水年際主要特征如下。

圖1 龍門山德陽(yáng)段多年平均降水分布圖和地形圖

2.1 年際變化

降水的年際變化極大，且“涇渭分明”，從近10年極端降水事件發(fā)生概率和強(qiáng)度來(lái)看，極端降水量呈上升趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)的76 個(gè)氣象觀測(cè)站中，降水豐年為2013 年、2018 年和2020 年，平均降水量分別為1 437.5 mm、1 459.0 mm 和1 491.4 mm，均在 1 400 mm以上，且均值逐漸上升。而全球整體氣候態(tài)研究也表明，強(qiáng)降水事件的頻率在中高緯度（中國(guó)大部分地區(qū)）是顯著增加的[4-5]，因此對(duì)極端降水事件可能造成的影響研究顯得尤為重要。

2.2 極值特征

年降水極大值站點(diǎn)間差異極大，年際間差異也極大，一般出現(xiàn)在降水豐年。統(tǒng)計(jì)的76 個(gè)氣象觀測(cè)站中，有9 站年降水極大值超過(guò)了2 000 mm，其中什邡4 站、綿竹9 站、什邡鎣華場(chǎng)鎮(zhèn)站點(diǎn)的年極大降水值高達(dá)2 550.4 mm，也是德陽(yáng)地區(qū)有氣象記錄的年降水量極值。有39 個(gè)站的年降水極值超過(guò)1 500 mm，27 個(gè)站的年降水極值超過(guò)1 000 mm，2 個(gè)高原站點(diǎn)的年降水極值均為661 mm[6-8]。

2.3 地形增幅

龍門山脈地區(qū)由于處于川西高原和成都平原的過(guò)渡區(qū)域，下墊面地形復(fù)雜，對(duì)降水影響較大，且年降水極大值異常偏大的站點(diǎn)往往出現(xiàn)在喇叭口地形區(qū)域內(nèi)[9-13]。所謂喇叭口地形[13]，就是逐漸收縮的河谷地形，在龍門山脈德陽(yáng)段，如石亭江、綿遠(yuǎn)河等水系，切割山體形成喇叭口地形。例如本文研究中涉及的鎣華場(chǎng)鎮(zhèn)、漢旺老熊溝、清平鹽井等站點(diǎn)就處于喇叭口地形內(nèi)，或者附近存在一個(gè)明顯的喇叭口地形。當(dāng)朝向喇叭口的氣流進(jìn)入喇叭口后，因地形作用，使氣流輻合加強(qiáng)，并伴隨更加劇烈的上升運(yùn)動(dòng)[13]，因此喇叭口地形在動(dòng)力條件和熱力條件2 方面都將有一定程度的增幅，對(duì)降水有“增幅效應(yīng)”。

3 龍門山脈德陽(yáng)段強(qiáng)降雨重現(xiàn)期淹沒(méi)模型

3.1 龍門山脈德陽(yáng)段主要徑流

由于龍門山脈德陽(yáng)段降水極為豐沛，且降水主要時(shí)段集中在6 月、7 月、8 月、9 月這4 個(gè)月，因此域內(nèi)降水可為地表徑流提供充分補(bǔ)給，徑流水源主要來(lái)源于降水，上游山區(qū)有少量融雪補(bǔ)給（地下水泉流也屬于降水補(bǔ)給[14]）。同時(shí)山區(qū)地勢(shì)較高，域內(nèi)沒(méi)有河流流經(jīng)，為沱江水系的發(fā)源地，水來(lái)自龍門山脈德陽(yáng)段約1 360 km2的集雨面上。主要有石亭江和綿遠(yuǎn)河2條干流，還有通溪河、頭道金河、二道金河、連山灣河、長(zhǎng)河壩河、梅子溝、清水河、湔氐河、平水河、小黑灣、黃水河、楠木溝、白溪河等支流，這些支流多為山溪，2 個(gè)或多個(gè)山溪匯聚后方能成河，如連山灣河與通溪河在紅白匯聚后匯入金河。另外在龍門山脈德陽(yáng)段東南部的沿山區(qū)和壩區(qū)有大量的人工溝渠。龍門山脈德陽(yáng)段水系分布如圖2 所示。

圖2 龍門山脈德陽(yáng)段水系分布圖

3.2 龍門山脈德陽(yáng)段強(qiáng)降雨重現(xiàn)期方法選取及淹沒(méi)模型計(jì)算

3.2.1 強(qiáng)降雨重現(xiàn)期方法選取

極端事件的重現(xiàn)期指在一定年代的資料統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)，等于或大于某量級(jí)的極端事件出現(xiàn)一次的平均間隔事件[14]，為該極端事件發(fā)生頻率的倒數(shù)。其計(jì)算公式如下：

式（1）中：xt為極值的重現(xiàn)期；X為某要素的極值變量；x為它們的某一可能值（例如年的最大值和最小值）。

針對(duì)不同流域的水文資料及氣象資料情況，致災(zāi)閾值的重現(xiàn)期計(jì)算一般可分為3 種計(jì)算方法，即閾值法、水文模型法和大數(shù)據(jù)分析法[15-24]。但根據(jù)現(xiàn)有的氣象數(shù)據(jù)樣本數(shù)和各個(gè)方法的誤差范圍，最終本研究確定以HBV 為主的水文模型法在該地區(qū)最為適用。它主要是利用水文觀測(cè)數(shù)據(jù)（流量）建立HBV 模型，效率系數(shù)達(dá)到80%以上；然后將流域內(nèi)氣象站的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)輸入到水文模型中，計(jì)算流域控制斷面的流量和水位高度值；再根據(jù)AM 和POT 對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，建立極端水位值序列，計(jì)算水位重現(xiàn)期，再查找對(duì)應(yīng)水位重現(xiàn)期的降水量值。

3.2.2 強(qiáng)降雨重現(xiàn)期淹沒(méi)模型計(jì)算

本研究根據(jù)收集的基礎(chǔ)信息，氣象、水文、地理信息和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)首先建立了暴雨洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)[25-26]；再利用ArcGⅠS軟件根據(jù)DEM、水系和水文站斷面信息提取流域邊界信息，采用以HBV 模型為主的水文模型計(jì)算降水-徑流關(guān)系，確定致災(zāi)臨界（面）雨量；然后利用國(guó)家站歷史長(zhǎng)序列小時(shí)雨量資料，結(jié)合致災(zāi)臨界（面）雨量以及歷史暴雨洪澇災(zāi)情，建立致洪面雨量序列，計(jì)算不同重現(xiàn)期（本文主要計(jì)算了5 年、10 年、15 年、20年、30 年、50 年、100 年一遇情況[25-28]）的致洪面雨量、逐小時(shí)降水概率、小時(shí)雨型分布數(shù)據(jù)；最后將上述計(jì)算結(jié)果結(jié)合帶有流域堤壩信息的DEM、Manning系數(shù)等數(shù)據(jù)輸入到水動(dòng)力模型進(jìn)行淹沒(méi)模擬，得到不同重現(xiàn)期下的洪水淹沒(méi)范圍和水深[25]，并根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況將計(jì)算淹沒(méi)深度劃分為5 個(gè)等級(jí)，最終得到淹沒(méi)模型計(jì)算結(jié)果，如圖3 所示。

圖3 龍門山脈德陽(yáng)段5 年、10 年、15 年、20 年、30 年、50 年、100 年一遇淹沒(méi)圖

4 淹沒(méi)結(jié)果分析

從龍門山脈德陽(yáng)段強(qiáng)降水不同重現(xiàn)期的淹沒(méi)模型計(jì)算結(jié)果來(lái)看，龍門山脈德陽(yáng)段強(qiáng)降雨重現(xiàn)期主要有以下幾個(gè)特征：①由于龍門山脈德陽(yáng)段的大部分地方地形以山區(qū)、高山區(qū)為主，其淹沒(méi)區(qū)主要為石亭江、綿遠(yuǎn)河的干流和主要支流河道內(nèi)以及周邊淺灘地帶，部分高海拔地區(qū)的草地地區(qū)也有一定的淹沒(méi)深度，但相對(duì)深度較淺，一般在0.5 m 以下；②由于山區(qū)的河流區(qū)域一般為低海拔深溝地形，與周邊高海拔山脈易形成較大時(shí)的海拔落差，因此當(dāng)強(qiáng)降雨出現(xiàn)時(shí)也易出現(xiàn)局地性的嚴(yán)重淹沒(méi)區(qū)，從5 年一遇的開始，河道開始出現(xiàn)15 m 以上的淹沒(méi)段，而到了100 年一遇時(shí)15 m以上的淹沒(méi)區(qū)域大幅增加，因此在強(qiáng)降雨出現(xiàn)時(shí)河道周圍的區(qū)域應(yīng)為重點(diǎn)防范區(qū)域；③干流淹沒(méi)情況要遠(yuǎn)重于支流淹沒(méi)的情況，這是因?yàn)楦闪鲄R水和集雨面更大的原因，同時(shí)干流對(duì)地形的切割更明顯，因此其淹沒(méi)的深度一般更深；④根據(jù)淹沒(méi)圖對(duì)比情況，選取100年一遇淹沒(méi)圖，結(jié)合居民點(diǎn)密度圖分布情況和土地利用類型的分布[20-21]情況進(jìn)行極端強(qiáng)降水的淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)分析，如圖4 所示。由圖4 可知在鎣華鎮(zhèn)、廣濟(jì)鎮(zhèn)和洛水鎮(zhèn)交界處、清平鎮(zhèn)中部以及漢旺鎮(zhèn)的中部，有河道的周邊地區(qū)，即人口活動(dòng)較頻繁地區(qū)，同時(shí)也是淹沒(méi)圖淹沒(méi)深度較大（8 m 以上甚至15 m 以上的深度）地區(qū)，那么上述地區(qū)在強(qiáng)降雨多發(fā)時(shí)段的淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)最高，同時(shí)易造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，應(yīng)尤其注意防災(zāi)減災(zāi)工作。

圖4 100 年一遇強(qiáng)降雨淹沒(méi)投影疊加人口密度分布情況和土地利用類型分布情況