吳秀蘭, 江遠(yuǎn)安, 余行杰, 張國棟

(1.新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心, 新疆 烏魯木齊8 30002； 2.新疆尼勒克縣氣象局, 新疆 伊犁 835000)

在山區(qū)的溪溝或者干溝中，遇到突發(fā)暴雨時(shí)常會誘發(fā)河水暴漲，進(jìn)而發(fā)展成為山洪。山洪下泄沖刷形成的溪溝叫山洪溝，山洪溝的流域面積大小一般小于200 km2，洪災(zāi)特別嚴(yán)重或者一些特殊地理?xiàng)l件的地區(qū)(如新疆山脈縱橫，山洪溝流域面積較大)面積可以適當(dāng)放寬[1]。山洪災(zāi)害多為短歷時(shí)強(qiáng)降雨造成的，其顯著特點(diǎn)是降水持續(xù)時(shí)間短，洪水漲幅大，具有突發(fā)性，破壞力強(qiáng)，常造成人畜死傷，房屋、農(nóng)田、橋梁等被嚴(yán)重沖毀損壞[2]。在全球變暖和超強(qiáng)厄爾尼諾背景下，新疆強(qiáng)降水等極端天氣事件不斷頻發(fā)，強(qiáng)度也更甚。由暴雨引發(fā)的山洪及泥石流、滑坡等災(zāi)害也可能頻頻發(fā)生，同時(shí)，社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展導(dǎo)致山洪造成的經(jīng)濟(jì)損失也愈發(fā)嚴(yán)重，因此適時(shí)開展山洪監(jiān)測預(yù)警以降低其造成的危害風(fēng)險(xiǎn)具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義[3]。

一些發(fā)達(dá)國家如美國、日本等早在20世紀(jì)50—60年代就已經(jīng)開展了山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)研究[4]，亦有不少相關(guān)研究成果。中國在該領(lǐng)域的研究起步相對較晚一些，最早也開始于20世紀(jì)80年代，劉樹坤等[5]總結(jié)了中國哪些地區(qū)易受洪水威脅；張碩輔等[6]制作了湖南省大型水庫洪水風(fēng)險(xiǎn)示意圖集；趙咸榕[7]對黃河流域的洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析并制作了圖譜等。山洪災(zāi)害的誘因是短歷時(shí)強(qiáng)降水，能夠迅速反映山洪發(fā)生的前兆降水量信號或指標(biāo)就是山洪臨界(面)雨量，當(dāng)一定時(shí)段內(nèi)的降雨量達(dá)到或超過該臨界值時(shí)將引發(fā)不同等級的山洪災(zāi)害?？v觀當(dāng)下山洪臨界面雨量的計(jì)算方法主要包含：以大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)分析法和基于致災(zāi)物理機(jī)制的模型法[8-10]。韓秀君等[11]利用1951—2012年遼寧暴雨過程及暴雨災(zāi)情資料，在對該地區(qū)的暴雨特征及暴雨災(zāi)害進(jìn)行評估分析的基礎(chǔ)之上運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法建立了暴雨致災(zāi)指標(biāo)與災(zāi)害影響預(yù)評估的關(guān)系。鄭永山[12]基于甘肅省歷年積累的暴雨山洪災(zāi)情資料，先在數(shù)據(jù)資料條件較好的地區(qū)用統(tǒng)計(jì)分析法計(jì)算臨界雨量，對于無水文和暴雨災(zāi)情資料的地區(qū)采用內(nèi)插法、比擬法以及實(shí)地調(diào)查法等經(jīng)驗(yàn)法來推求臨界面雨量。由此可知，統(tǒng)計(jì)分析方法和水文模型法對資料完備程度要求較高。近年來一些研究者在ArcGIS強(qiáng)大的空間分析功能支持下，利用FloodArea淹沒模型反演山洪個(gè)例的演進(jìn)過程，并在此基礎(chǔ)上推算出致災(zāi)臨界面雨量，成為確定山洪致災(zāi)臨界面雨量一個(gè)新的研究方向，如姬興杰等[13]以豫西山區(qū)為研究區(qū)，采用FloodArea模型對研究區(qū)暴雨誘發(fā)的山洪過程進(jìn)行了模擬，并結(jié)合設(shè)定雨量情景法確定了致災(zāi)臨界面雨量。鄭璟等[14]利用FloodArea模型結(jié)合氣象、水文等數(shù)據(jù)，對廣東茂名馬貴河流域確定了不同降水歷時(shí)、不同風(fēng)險(xiǎn)等級的致災(zāi)臨界雨量。王勝等[15]基于FloodArea模型對廣東省淠河流域暴雨山洪進(jìn)行了分險(xiǎn)區(qū)劃，在利用統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合水文模型確定了致災(zāi)臨界雨量的基礎(chǔ)上，通過疊加承載體信息完成了研究區(qū)內(nèi)的洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃圖，并結(jié)合淹沒實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。新疆由于其特殊的地域特征，山區(qū)面積大，海拔高，自然條件較惡劣，許多山區(qū)通達(dá)度較差致使氣象站和水文站的架設(shè)不能實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致山洪過程的數(shù)據(jù)資料較為缺乏，對于這類資料缺乏的山洪溝可以利用水動力模型FloodArea模擬計(jì)算其致災(zāi)臨界雨量值。

在新疆，暴雨洪澇災(zāi)害一直是有關(guān)部門關(guān)注的重點(diǎn)，對于暴雨的研究前人也做了許多工作，有些研究者是從發(fā)生洪災(zāi)的大氣環(huán)流背景通過一次暴雨過程定性或者定量地分析水汽、低空急流等因素對降水的影響程度以及與降水強(qiáng)度之間的量化關(guān)系，還有學(xué)者將降水量作為新疆易災(zāi)暴雨風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的指標(biāo)，完成了全疆易災(zāi)暴雨的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃[16]。但是目前為止并未有基于淹沒模型確定致災(zāi)臨界雨量的相關(guān)研究，故本文擬利用基于GIS的水動力模型FloodArea，選取新疆伊犁地區(qū)尼勒克縣科蒙鄉(xiāng)吉林臺蘇河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，根據(jù)對洪水現(xiàn)場實(shí)地考察結(jié)果，測量考察點(diǎn)的洪水淹沒深度進(jìn)而調(diào)整模型參數(shù)至趨于穩(wěn)定，通過對吉林臺蘇河“6.17”特大山洪過程的再現(xiàn)淹沒模擬，結(jié)合預(yù)警點(diǎn)處逐時(shí)不同累計(jì)時(shí)效的泰森面雨量和模擬洪水過程線的相關(guān)關(guān)系，以期確定吉林臺蘇河流域山洪災(zāi)害致災(zāi)臨界面雨量，進(jìn)而驗(yàn)證FloodArea模型在該流域的適用性。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林臺蘇河發(fā)源于新疆伊犁州尼勒克縣科克浩特浩爾蒙古族鄉(xiāng)(科蒙鄉(xiāng))北部山區(qū)，是喀什河的一條支流，流域面積約185.5 km2，河流長度約19 km。科蒙鄉(xiāng)東距尼勒克縣城約18 km，東與烏拉斯臺鄉(xiāng)相鄰，南與胡吉爾臺鄉(xiāng)接壤，西與烏贊鄉(xiāng)、尼勒克鎮(zhèn)相連，省道315由東至西橫穿整個(gè)鄉(xiāng)。2016年6月16日夜間至17日上午，尼勒克全縣普降暴雨，有10個(gè)區(qū)域自動站累計(jì)降水超過100 mm，其中科蒙鄉(xiāng)累計(jì)過程降水量最高達(dá)138.6 mm。從16日23∶00至17日早晨8∶00共計(jì)9個(gè)小時(shí)，僅區(qū)域自動站Y6 447累計(jì)降水達(dá)到65.4 mm，其中在17日0∶00—1∶00這1 h的降水量更達(dá)到36.9 mm,此等強(qiáng)度在新疆較罕見〔新疆大(暴)雨12 h標(biāo)準(zhǔn)：20.1～40 mm為暴雨，大于40 mm為大暴雨〕，短時(shí)超強(qiáng)降雨加之研究區(qū)地處山區(qū)故引發(fā)了暴雨山洪并造成一定災(zāi)害。

經(jīng)實(shí)地考察分析此次科蒙鄉(xiāng)吉林臺蘇河山洪主要原因是該區(qū)域發(fā)生了罕見的長歷時(shí)強(qiáng)降水，暴雨雨強(qiáng)大、持續(xù)時(shí)間長、山區(qū)暴雨、并伴有雷電、冰雹發(fā)生，傾盆如注的大雨沖刷著山坡，順著洪溝頃刻而下，導(dǎo)致該鄉(xiāng)山洪溝水位暴漲，引發(fā)了山洪災(zāi)害。該流域內(nèi)僅有2個(gè)自動氣象站，無水文站，流域周邊還有吉林臺蘇和恰哈那木溝3個(gè)自動氣象站。

1.2 資料來源及處理

本文數(shù)據(jù)資料包括：研究區(qū)1∶5萬的數(shù)字高程模型(digital elevation model， DEM)數(shù)據(jù)；基于掩膜所得DEM數(shù)據(jù)提取的吉林臺蘇河的流域邊界；基于吉林臺蘇河流域邊界提取的該流域土地利用類型數(shù)據(jù)，并進(jìn)行賦值所得地表粗糙度數(shù)據(jù)(建筑用地，18；水域，25；旱田，33；水田，40；林地，50)；吉林臺蘇河流域內(nèi)及周邊的4個(gè)區(qū)域自動站6月17日這場暴雨過程連續(xù)的、逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，并整理成.txt格式文件；在ArcGIS中，基于這6個(gè)自動站的逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，采用克里金(Kriging)插值方法得到代表該流域面雨量空間分布權(quán)重的柵格數(shù)據(jù)；災(zāi)害發(fā)生后，調(diào)查小組在實(shí)地考察所得到的考察點(diǎn)實(shí)際淹沒深度數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 FloodArea模型 FloodArea是基于GIS的二維水動力模型，它是無縫鑲嵌到集成到ArcGIS中的一個(gè)模塊。其計(jì)算原理基于水動力方法，同時(shí)考慮了一個(gè)柵格的周圍8個(gè)單元，相鄰單元的水流寬度被認(rèn)為是相等的，對角線上的單元，以不同的長度算法來計(jì)算。模擬演進(jìn)以柵格為單元進(jìn)行，通過迭代運(yùn)算獲得每個(gè)時(shí)相各柵格單元之間的水位坡度及由此確定的水流流向，各柵格單元的流速及鄰近單元的瀉入量由Manning-Stricken公式計(jì)算。水流方向由柵格間坡度決定，坡度由單元之間的最低的水位和最高的地形高程之間的差異所決定。FloodArea模型能夠以柵格形式輸出洪水演進(jìn)過程中每個(gè)時(shí)相的淹沒范圍、淹沒深度及水流流向等數(shù)據(jù)，對洪水演進(jìn)的動態(tài)過程表達(dá)得更清晰[17]。

1.3.2 致災(zāi)臨界雨量確定方法 基于FloodArea暴雨模式，對吉林臺蘇河6月17日發(fā)生的特大洪水過程進(jìn)行反演。輸入?yún)?shù)1∶5萬數(shù)字高程數(shù)據(jù)、6月17日暴雨過程的逐小時(shí)數(shù)據(jù)、通過克里金插值法得到的該流域降水的空間分布權(quán)重柵格數(shù)據(jù)、地表水力糙度。啟動FloodArea模型，模擬得到該流域逐小時(shí)洪水淹沒深度和淹沒范圍?；趯?shí)地考察的洪水淹沒深度對模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，在驗(yàn)證FloodArea模型適用性的同時(shí)率定模型參數(shù)。

選擇重災(zāi)區(qū)2個(gè)考察點(diǎn)，所選的考察點(diǎn)均是受到不同程度洪水淹沒的區(qū)域，如民居、農(nóng)田、橋梁等人口集中、經(jīng)濟(jì)相對較發(fā)達(dá)的區(qū)域。選擇其中一處作為預(yù)警點(diǎn)，分析預(yù)警點(diǎn)處逐時(shí)不同累計(jì)時(shí)效面雨量與模擬所得洪水淹沒深度的線性相關(guān)，取相關(guān)性最好的一組構(gòu)建表達(dá)式，即可得到預(yù)警點(diǎn)達(dá)到或者超過某一量值時(shí)的致災(zāi)臨界面雨量。

依據(jù)山洪災(zāi)害等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將山洪分為4個(gè)等級，0.2，0.6，1.2，1.8 m分別為4，3，2和1級山洪。基于已得到的表達(dá)式即可得出考察點(diǎn)累計(jì)某小時(shí)的各等級致災(zāi)臨界雨量。

2 結(jié)果與分析

2.1 FloodArea洪水過程反演

基于GIS的水動力淹沒模型FloodArea，在對吉林臺蘇河“6·17”這場持續(xù)9個(gè)小時(shí)降水誘發(fā)的洪水過程進(jìn)行模擬試驗(yàn)后得到該流域此次暴雨洪水淹沒結(jié)果,模擬步長為1 h，總時(shí)長9 h，通過FloodArea模型得出了吉林臺蘇河流域在此次洪水過程中不同時(shí)次、不同地點(diǎn)的淹沒深度和淹沒范圍的變化。從再現(xiàn)模擬過程可以看出，隨著時(shí)間的推移，洪水從上游山區(qū)向中下游的村莊和農(nóng)田不斷演進(jìn)，洪水淹沒區(qū)主要集中在中下游較平坦的吉仁臺村，該村也是此次洪水淹沒的重災(zāi)區(qū)。

從反演過程可以看出，流域大部淹沒深度主要集中在低于0.2 m這個(gè)區(qū)間，洪水主要沿著河道、溝渠等向下游演進(jìn)，隨著時(shí)間的推移，地表降水量不斷累積，洪水不斷向中下游涌進(jìn)，淹沒范圍在不斷擴(kuò)大，其中0.6～1.2 m區(qū)間的淹沒范圍增長最快，從2 h的100.3 hm2增加到9 h的258.4 hm2。從時(shí)間和空間的演變過程來看，在2 h降水累計(jì)較少，整個(gè)流域的淹沒深度較淺，大部分低于0.2 m，只有吉仁臺村莫扎溝山區(qū)由于降水量較大淹沒深度在0.2～0.6 m之間。在4 h，隨著雨量不斷累積，洪水逐漸向流域中游淹沒，此時(shí)位于0.2～0.6，0.6～1.2 m深度范圍的淹沒面積增長劇烈。6 h洪水已經(jīng)沖刷到流域下游的村莊，多地淹沒深度超過1.2 m，有多戶居民家中有不同程度的水淹、牛棚羊圈倒塌、院里積沙等災(zāi)情出現(xiàn)，位于考察點(diǎn)2的部分民居外墻淹沒痕跡均1 m多高。9 h許，洪水沖過吉仁臺村繼續(xù)向下游農(nóng)田淹沒，受淹范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，淹沒深度達(dá)1.8 m左右，最終洪水匯入了下游的河道。災(zāi)后經(jīng)實(shí)測下游河道橋底的橋墩處洪水痕跡最深可達(dá)3 m。

在模擬試驗(yàn)中，通過調(diào)整參數(shù)最大交換率(maximum exchange rate，該參數(shù)定義了存在于當(dāng)前柵格單元中可與相鄰單元交換的水量百分比，通過調(diào)整該因子可以改變迭代計(jì)算的最小時(shí)間步長)得到不同交換率參數(shù)條件下模擬水位過程線(如表1)。在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)最大交換率參數(shù)設(shè)置為1時(shí)，莫扎溝和吉仁臺村2個(gè)考察點(diǎn)的實(shí)際淹沒深度與模擬結(jié)果最接近，而在未受到洪水淹沒的流域上游部分區(qū)域，模擬結(jié)果顯示淹沒了0.6 m左右，模擬結(jié)果整體上都稍偏高，但總體來看，此次吉林臺蘇河流域的淹沒模擬效果較好。

表1 FloodArea模型驗(yàn)證

注：①考察點(diǎn)1實(shí)測淹沒水深0.65 m； ②考察點(diǎn)2實(shí)測淹沒水深1.25 m。

2.2 山洪致災(zāi)面雨量的確定

鑒于考察點(diǎn)2位于流域上方，洪水經(jīng)過早、漲水快、水力大，出于幾條支流的交匯處，且該點(diǎn)位于吉仁臺村莊上游，是最早達(dá)到淹沒深度的點(diǎn)，綜合比較了2個(gè)考察點(diǎn)所在地理位置、海拔高度、距離村莊遠(yuǎn)近等多個(gè)因素，最終選擇其考察點(diǎn)2作為該流域的山洪預(yù)警點(diǎn)。

基于山洪過程模擬得到的考察點(diǎn)2處1～9 h各時(shí)段的淹沒深度，分別計(jì)算1～6 h累計(jì)面雨量與對應(yīng)淹沒深度的相關(guān)關(guān)系，取相關(guān)關(guān)系最好的一組來確定該流域的致災(zāi)臨界面雨量(圖1a—1f)。本文利用SPSS軟件，在求取相關(guān)系數(shù)的同時(shí)進(jìn)行了這2組變量的顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示在顯著性水平為0.05的條件下，sig=0.013，也就是說5 h累計(jì)面雨量與淹沒深度有顯著的不同。如圖2分析可得，模擬淹沒深度與5 h累計(jì)面雨量的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為0.878 3，因此本文選取了累計(jì)5 h尺度的面雨量來確定吉林臺蘇河流域的致災(zāi)臨界面雨量。

圖1 預(yù)警點(diǎn)模擬水深與累計(jì)降雨量的關(guān)系

由圖1可得，吉林臺蘇河累計(jì)面雨量與淹沒水深的換算表達(dá)式：y=32.443x+6.312 3(y為致災(zāi)臨界面雨量，x為淹沒水深)。

按照山洪等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)以上所得累計(jì)面雨量與淹沒深度的表達(dá)式即可推算出山洪預(yù)警點(diǎn)淹沒深度超過0.2，0.6，1.2，1.8 m(風(fēng)險(xiǎn)由低到高對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級4，3，2，1級)4個(gè)等級時(shí)對應(yīng)的累計(jì)5 h的面雨量，此降雨量即為吉林臺蘇河相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級的致災(zāi)臨界面雨量(表2)。

表2 吉林臺蘇河不同風(fēng)險(xiǎn)等級下的致災(zāi)臨界面雨量

以上各等級相較于新疆當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的24 h雨量標(biāo)準(zhǔn)(即6～12 mm為中雨，12～24 mm為大雨，24～48 mm為暴雨，大于48 mm為大暴雨)，與模擬所得的4,3,2等級的臨界雨量值較接近，說明基于FloodArea模型計(jì)算臨界面雨量的方法較為有效，且該方法計(jì)算的結(jié)果更為精準(zhǔn)和更有針對性。

3 結(jié) 論

(1) FloodArea模型能夠較準(zhǔn)確地反演出尼勒克縣科蒙鄉(xiāng)山洪個(gè)例淹沒過程，并能直觀的反映淹沒范圍和淹沒深度的空間差異。

(2) 吉林臺蘇河流域典型洪水過程淹沒深度與對應(yīng)累計(jì)5 h的面雨量相關(guān)性最高。其規(guī)律是隨著時(shí)間推移，洪水不斷向中、下游聚集，地形越低，淹沒水深相對越深。

(3) 研究確定了尼勒克縣吉林臺蘇河流域的4級暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)等級對應(yīng)的致災(zāi)臨界值分別為12.80 mm(4級)，25.78 mm(3級)，45.24 mm(2級)，64.71 mm(1級)。

4 討 論

(1) FloodArea模型對洪水的淹沒反演主要是基于高程數(shù)據(jù)完成的，因此，高程數(shù)據(jù)的空間分辨率大小就直接影響致災(zāi)臨界面雨量的確定，本文采用的高程數(shù)據(jù)分辨率為25 m，對于地形復(fù)雜的新疆山區(qū)來說精度偏低，這將會導(dǎo)致所確定的臨界雨量存在偏差，在未來的研究中如果可以引入高精度的數(shù)據(jù)對研究結(jié)果應(yīng)該會有積極地影響。

(2) 暴雨洪澇災(zāi)害的致災(zāi)臨界面雨量不僅與短時(shí)強(qiáng)降雨有關(guān)，還與流域內(nèi)的下墊面差異、土壤前期的含水量以及防洪減災(zāi)工程設(shè)施等有關(guān)，本文的試驗(yàn)研究未考慮土壤前期的物理性質(zhì)及人類活動等因素，在未來的研究中應(yīng)關(guān)注這些因子的影響，進(jìn)一步提高推算山洪致災(zāi)臨界雨量的準(zhǔn)確性，能夠更好地為山洪防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。

(3) 新疆由于其獨(dú)特的地域特征，在高山區(qū)發(fā)育和分布著眾多冰川和常年積雪，故新疆的洪水不止有暴雨型的，還有部分是融雪性洪水，也有的是兩者共同作用誘發(fā)的，因此對不止因暴雨誘發(fā)的洪水模擬中，F(xiàn)loodarea模擬的結(jié)果精度可能會受到一定影響。

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