基于辽宁省洪水要素及致洪雨量时空分布特征探析

2020-04-13王刚

水利规划与设计 2020年4期

王刚

(绥中县水利事务服务中心，辽宁绥中 125200)

洪水灾害是辽宁省最大的自然灾害，其发生的洪涝灾害损失都较大，其中暴雨是区域发生洪水的主要原因[1]。辽宁省夏季受西风气旋影响，大量北上水汽通过副热带高压位置北偏的影响，使得夏季辽宁地区发生大量级暴雨的概率较大[3]。对区域致灾暴雨洪水特征进行分析，对于防洪减灾措施规划具有重要研究意义[4]。当前，辽宁省暴雨洪水特性分析已取得一定的研究成果[5- 12]，但是对其致灾暴雨洪水时空分布特征的研究还较少，本文结合山洪灾害预警指标中临界致灾雨量的概念[13]，对其近68年致灾暴雨洪水时空分布特征进行研究，研究成果对于区域防洪减灾具有参考价值。

1 资料选取和研究方法

1.1 资料选取

为正确反映辽宁省降水特点，识别区域暴雨洪水特征，选择观测系列较长的544个雨量站降水数据进行分析。站点分布如图1所示。考虑人类活动对洪水影响，选取辽宁省集水面积在2000km2以下的55个站点作为洪水时空分布特征分析的数据。

图1 选取的雨量站点分布

1.2 研究方法

由于水文模型方法受到前期降水影响程度较大，本文以暴雨洪水资料系列较长的站点作为研究站点，结合统计学方法计算其临界雨量，主要计算方法如下。

(1)数据整理：对选取水文站点的降水、流量数据进行整理，整理内容为站点的位置、最大洪峰和洪量数值，洪峰出现的时间，洪水场次过程以及洪峰流量。在流域内降水站点的分布以及洪水发生对应时间段内的降水数据进行收集和整理。

(2)确定数据分析方法：建立暴雨洪水数据选样标准，结合统计学方法计算产生对应洪水临界雨量，并结合选样标准对洪水数据进行筛选，建立超标准洪水数据系列，一般而言洪水选样方法有3种：①历史上造成洪水灾害的暴雨洪水典型过程；②数据系列超过50年中的洪峰或洪量超过河道防洪标准的场次暴雨洪水过程；③洪水出现概率超高某一个设计标准的暴雨洪水过程。

(3)临界雨量站点计算：对于汇水面积加大、下垫面条件较为复杂的站点，因为降水时空分布不均，使得区域内短时强降水产生的洪水会超过洪水选样的标准，因此单个雨量站点计算时，采用以下方法进行计算。

假定区域内有S个雨量站点，区域发生超过选样标准洪水的场次数为N次，采用统计学模型统计不同降水时段内的总雨量，统计的时段分别为3h、6h、12h、24h，各个时段降雨阈值作为其临界雨量的计算值，其主要计算方程为：

Rti临界=Min(Rtij)

(1)

式中，Rtij—第i个雨量站点第j场洪水不同时段内的雨量最大值。

(4)面平均临界雨量计算：在汇水面积较小，下垫面比较一致的站点，其降水分布较为均匀，因此采用面积加权的方法计算面雨量值，假定区域内有S个雨量站点，区域发生超过选样标准洪水场次数为N次，采用统计学模型统计不同降水时段内的总雨量，统计的时段分别为3h、6h、12h、24h，各个时段面降雨阈值作为其临界雨量的计算值，作为不同时段的面平均临界雨量，计算方程为：

(2)

2 研究成果

2.1 最大24h暴雨时空分布

结合544个降水站点156场暴雨场次数据，对辽宁省不同分区的最大24h降水量的频次和空间分布特征进行统计分析，分析结果见表1。

从156场暴雨特征分析数据进行统计分析发现其中，不同区域24h降水量占总降水量的80%～90%站点数比例可以达到52.5%。辽宁地区暴雨时段主要集中在降水初期的24h以内。从空间分布

表1 不同区域超标准最大24h频次分布

看，24h超过200mm的暴雨主要分布在东南和西南区域，从发生暴雨的频次可看出，沿黄渤海东部诸河区发生200mm以上暴雨等级的频次为47次，浑江以下发生超过200mm的暴雨的频次达到39次，而在近68年中沿黄渤海西部诸河区及其他区域，发生超过200mm的暴雨频次在10～23次之间，从年代际变化，各个区域发生超过200mm暴雨的频次变化较为稳定，但从东南向西北呈现明显的递减变化，各个区域存在较大的变化差异性。

2.2 暴雨频次空间分布结果

结合选取的雨量站点，按暴雨等级分别统计日降水量超过100mm以及超过50mm的暴雨频次的空间分布，统计分析结果如图2—3所示。

从空间分布结果可看出，分析的两个日暴雨等级下其空间分布具有一致性，均呈现从东南逐步向西北递减的空间变化特征。从不同量级的暴雨日数变化结果可看出，辽宁省发生暴雨的时间主要集中在3d以内，暴雨易发地区主要集中在东南部地区，辽河下游流域发生超200mm标准的暴雨的天数呈现明显的递减变大暴雨发生天数在0-12d/10a之间，大暴雨多发地区为丹东地区。辽河柳河口以上、柳河口以下超标准暴雨发生次数呈减少趋势；浑河、太子河超标准暴雨发生次数呈增加趋势；浑江口以上超标准暴雨发生次数变化不明显；浑江口以下超标准暴雨发生次数70a之后呈减少趋势；沿黄渤海东部、西部诸河超标准暴雨发生次数呈增加趋势。

图2 日降水超过100mm的频次分布结果

图3 日降水超过5mm的频次分布结果

2.3 洪水要素时空分布

结合64个水文站点的场次洪水数据，统计分析辽宁省最大洪峰模式和3d最大洪量模数的时空分布，分析结果如图4—5所示。

在考虑到流域面积对洪峰影响较大，研究将之换转为洪峰模数，即洪峰流量/流域面积作为分析的指标。基于地理信息软件，将水文站最大洪峰模数定位于流域中心，并采用克里金法对最大洪峰模数进行空间插值，辽宁省最大洪峰模数最大值出现与丹东地区鸭绿江流域，最小值出现与辽河西部支流，如秀水河流域、柳河流域、绕阳河流域等。此外结合辽宁省产汇流、退水特征，统计70个水文站最大3d洪量，并取其最大值分析区域特征。考虑到流域面积对洪量影响较大，研究中采用3d洪量模数作为指标，对辽宁省3d洪量模数进行分析，从分析结果可看出，3d日洪量最大值出现于辽东等地区。最小值出现辽西和辽北等地区。

2.4 致洪雨量时空分布

结合致灾雨量的计算方法，对选取的典型降雨站点的致洪雨量进行计算，计算结果见表2，并对致洪雨量的空间分布进行分析，分析结果如图6所示。

图4 辽宁省最大洪峰模式分布结果

图5 辽宁省最大洪峰模式分布结果

表2 选取的辽宁省典型降雨站点致洪雨量计算结果单位：mm

图6 辽宁省典型致洪临界雨量空间分布结果

从不同时段的致灾雨量统计分析结果可看出，不同时段的雨量占比分别为46%、66%、86%，辽宁北部地区雨量站点的致洪临界雨量较小，这主要和区域的产流机制有关，区域主要为超渗产流机制，使得其致洪临界雨量小于50mm，各其他区域的致洪临界雨量均高于50mm。从致洪临界雨量空间分布结果可看出，在空间上致洪临界雨量总体呈现从东向西逐步递减的变化趋势，东部区域致洪暴雨均在100mm以上，而北部区域致洪暴雨等级小于50mm，这一区域主要包括的城市为铁岭、沈阳，而西部由于发生大暴雨的次数较低，总体也在50mm以下，致洪暴雨在50～80mm之间的比例在30%～45%之间。