閩北山洪致災臨界雨量重現(xiàn)期分布及山洪風險分析

文明章，吳 濱，張容焱，鮑瑞娟，鄭榮玉

（1.福建省氣候中心，福州 350001；2.三明市氣象局，三明 350700）

福建是我國氣象災害最嚴重的省份之一，其中頻繁發(fā)生的暴雨引發(fā)的山洪災害給社會和公眾帶來巨大損失.山洪是指山區(qū)小流域河谷地帶發(fā)生的暴漲洪水，一般多為暴雨所致，有發(fā)生突然、洪峰勢猛、流速快等特點，極具沖刷破壞力［1－3］；山洪及其誘發(fā)的次生災害，常造成人員傷亡、房屋毀壞、田地淹沒、道路橋梁沖垮等災害，對國民經(jīng)濟和人民生命安全造成嚴重危害.近年來隨著全球氣候變暖，福建山洪暴發(fā)愈加頻繁、災害越發(fā)嚴重.

山洪風險研究大致可分為兩個階段.起初學者多從暴雨頻數(shù)和地理資料入手，分析暴雨洪澇對承災體的災害影響［2－8］；隨著對暴雨洪澇風險研究的深入，致災臨界雨量逐步成為山洪災害預警公認的依據(jù)指標［1，10］，學者開始對小流域山洪災害易發(fā)區(qū)和洪水成災條件進行研究，根據(jù)地形地貌和短歷時暴雨特點分析山洪發(fā)生的機理，利用水動力模型計算山洪致災降水閾值，如文明章等對無水文資料的山洪溝流域的致災臨界雨量計算方法作了較好的研究［1］，張亞萍等基于天氣雷達觀測資料和地面雨量對山洪的降水條件進行了精細化研究［11］；樊建勇等根據(jù)多年的山洪災害和氣候統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對不同歷時山洪致災臨界雨量進行了研究［12］.

福建北部為山區(qū)（以下簡稱“閩北”），約2.56×104km2，地形以山谷丘陵為主，境內峰嶺峙立，丘陵連綿，河谷、盆地穿插期間，汛期暴雨頻次高、強度大，特殊的地形地貌導致暴雨極易引發(fā)山洪.本文根據(jù)山洪發(fā)生時的降水資料、洪水淹沒記錄和地理信息資料，利用二維水動力模型計算閩北山洪致災臨界降水量；同時利用閩北氣象站降水資料分析計算不同重現(xiàn)期的短歷時最大降水.根據(jù)以上計算結果，對閩北山區(qū)山洪致災臨界雨量重現(xiàn)期進行研究，同時對引發(fā)山洪的強降水天氣背景進行分析，以期為政府在山洪防御規(guī)劃的工作提供理論參考.

1 資料和方法

1.1 資料來源

降水資料來自閩北19個氣象站1981—2010年降水自記紙觀測記錄資料和2010—2014年閩北雨量觀測站資料；精細化地理信息資料來自福建省地理信息中心；閩北山洪易發(fā)區(qū)來自地方部門山洪災害區(qū)劃資料，根據(jù)山洪易發(fā)區(qū)的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，利用ArcGIS提取26個山洪溝邊界，將26 個山洪溝分別命名流域編號為0～25；近5年山洪災情資料來自氣象部門實地考察和部門收集.26個山洪溝及雨量觀測站分布如圖1所示.

1.2 山洪致災臨界雨量計算

1.2.1 流域面雨量計算

根據(jù)山洪溝流域內氣象站及自動雨量站地理位置，利用ArcGIS制作流域的泰森多邊形；采用山洪發(fā)生時雨量站逐時降水資料，根據(jù)泰森多邊形法計算山洪發(fā)生時流域的逐時面雨量，計算方法如下［1］：

圖1 閩北山洪溝和雨量觀測站分布Fig.1 Distribution of mountain torrents and rainfall observation station in Northern Fujian

式（1）中AR為流域面雨量，Ri為雨量站點i的逐時降水資料，Ai為雨量站點i 代表的泰森多邊形面積，A為流域總面積，n為泰森多邊形個數(shù).

1.2.2 山洪致災臨界雨量計算

山洪溝出現(xiàn)某風險等級洪水時對應的累計降水量，即為該等級的山洪致災臨界雨量，通常用短歷時降水量表示［1，10］.對已發(fā)生的山洪災情進行實地考察，測量不同受災點洪水淹沒深度、調查洪水發(fā)生時間及災情損失，以人口集中、經(jīng)濟發(fā)達的洪澇易發(fā)區(qū)作為山洪預警點.根據(jù)預警點地面淹沒水深，設定山洪致災臨界水位：高等級1.2m（成年人逃生困難），中等級致災臨界水位0.6m（老人和兒童逃生困難、農村糧囤浸水），低等級致災臨界水位＞0.1m（地面開始積水）.2013—2014年，福建省氣象部門在全省開展暴雨洪澇災害精細化風險普查工作.普查成果表明，引發(fā)山洪的降水條件有兩種情況：其一，歷史罕見的短歷時極端強降水引發(fā)山洪；其二，在前期持續(xù)性低強度降水的基礎上，短歷時強降水引發(fā)山洪.福建山區(qū)引發(fā)致災性山洪的強降水持續(xù)時間一般為4～6h.為便于分析山洪臨界雨量的重現(xiàn)期，本文統(tǒng)一采用6h作為山洪致災臨界雨量的累計時間，3個等級的致災臨界水位對應的6h面雨量即為不同等級的山洪致災臨界雨量.

根據(jù)文明章等人的研究方法，采用二維水動力模型“Floodarea”對已發(fā)生的山洪進行再現(xiàn)淹沒模擬，并根據(jù)洪水災情考察資料對模擬結果進行校正，得出不同風險等級的山洪致災臨界雨量［1］.

1.3 不同重現(xiàn)期6h最大降水量計算方法

根據(jù)19個基本氣象站降水自記紙的觀測記錄資料計算1980—2011年逐年6h 最大降水量；利用1981—2011年歷年6h最大降水量數(shù)據(jù)，采用皮爾遜Ⅲ型方法，計算閩北山區(qū)19個基本氣象站不同重現(xiàn)期6h最大降水量.

皮爾遜－Ⅲ型分布：

式（2）中，α，β，a0經(jīng)適當換算，可以用3個統(tǒng)計參數(shù)，cs，cv來表示：

2 結果與分析

2.1 短歷時最大降水量空間分布特點

閩北19個氣象站不同重現(xiàn)期6h最大降水量計算結果如表1所示，圖2為閩北不同重現(xiàn)期6h最大降水量空間分布圖.

由圖2可以看出，閩北不同重現(xiàn)期6h最大降水量的高值區(qū)分布于西部、東部以及中南部部分地區(qū)，中部大部分地區(qū)為低值區(qū).6h最大降水量：2年一遇，高值區(qū)降水量超過80mm，局部超過100mm；5年一遇，高值區(qū)降水量超過110mm，局部超過130mm；10年一遇，高值區(qū)降水量超過130mm，局部超過150 mm；20 年一遇，高值區(qū)降水量超過140 mm，局部超過160 mm；30 年一遇，高值區(qū)降水量超過140mm，局部超過170mm；50年一遇，高值區(qū)降水量超過150mm，局部超過180mm（圖2）.

表1 閩北氣象站不同重現(xiàn)期6h最大降水量Tab.1 6hours maximum precipitation in different return period of meteorological station in Northern Fujian

圖2 閩北地區(qū)不同重現(xiàn)期6h最大降水量空間分布Fig.2 Spatial distribution of 6hours maximum precipitation of different return period in Northern Fujian

2.2 山洪致災臨界雨量重現(xiàn)期分布特點

2.2.1 山洪致災臨界雨量計算結果

根據(jù)1.2節(jié)方法計算各山洪溝的不同風險等級的山洪致災6h臨界雨量，結果如表2所示.

表2 閩北各山洪溝不同風險等級的山洪致災6h臨界雨量Tab.2 Different critical rainfall of mountain flood disaster during 6hours in Northern Fujian

2.2.2 結果分析

分析閩北不同風險等級山洪致災臨界雨量的空間分布特征；同時根據(jù)閩北不同重現(xiàn)期6h最大降水量的空間分布特征，分析各山洪溝不同風險等級山洪致災臨界雨量的重現(xiàn)期分布特點.

（1）低風險等級致災臨界雨量重現(xiàn)期分布

東部、西部共4個（6，12，15，17號）山洪溝臨界雨量為70～130mm，相當于5年重現(xiàn)期的6h最大降水量；東部、西部、中部共7個山洪溝（0，7，8，10，13，19，21號）臨界雨量為60～106mm，相當于2年重現(xiàn)期的6h最大降水量；其余山洪溝臨界雨量均小于2年重現(xiàn)期的6h最大降水量（圖3）.

圖3 閩北山洪低致災等級6h臨界雨量重現(xiàn)期空間分布Fig.3 Spatial distribution of different return period of low critical rainfall of mountain flood disaster during 6hours in Northern Fujian

（2）中風險等級致災臨界雨量重現(xiàn)期分布

4個山洪溝臨界雨量相當于5年以上重現(xiàn)期的6h最大降水量；6個山洪溝臨界雨量相當于5年重現(xiàn)期的6h最大降水量；4個山洪溝臨界雨量相當于重現(xiàn)期為2～5年的6h最大降水量；3個山洪溝臨界雨量相當于2年重現(xiàn)期的6h最大降水量；8個山洪溝臨界雨量為相當于2年以內重現(xiàn)期的6h最大降水量（表3、圖4）.

表3 閩北山洪中致災等級6h臨界雨量重現(xiàn)期分布Tab.3 Distribution of different return period of moderate critical rainfall of mountain flood disaster during 6 hours in Northern Fujian

圖4 閩北山洪中致災等級6h臨界雨量重現(xiàn)期空間分布Fig.4 Spatial distribution of different return period of medium critical rainfall of mountain flood disaster during 6hours in Northern Fujian

（3）高風險等級致災臨界雨量重現(xiàn)期分布

2號和7號2個山洪溝所在區(qū)域6h最大降水量相對偏小，且山洪溝下游河道堤壩較高，導致這兩個山洪溝高風險臨界雨量相當于50年以上重現(xiàn)期的6h最大降水量；6個山洪溝臨界雨量相當于50年重現(xiàn)期的6h最大降水量；3個山洪溝臨界雨量相當于10年重現(xiàn)期的6h最大降水量；11個山洪溝臨界雨量相當于5年重現(xiàn)期的6h最大降水量；4個山洪溝臨界雨量相當于5年以內重現(xiàn)期的6h最大降水量（表4、圖5）.

表4 閩北山洪高致災等級6h臨界雨量重現(xiàn)期分布Tab.4 Distribution of different return period of high critical rainfall of mountain flood disaster during 6 hours in Northern Fujian

圖5 閩北山洪高致災等級6h臨界雨量重現(xiàn)期空間分布Fig.5 Spatial distribution of different return period of high critical rainfall of mountain flood disaster during 6hours in Northern Fujian

2.3 強降水成因及山洪風險分析

閩北強降水的天氣背景主要有兩類：一是西風帶系統(tǒng)引起的鋒面暴雨，主要發(fā)生在5～6月的雨季，閩北的中西部地區(qū)70%～90%的暴雨是上述原因造成的，且其中60%左右的降水為小于6h的短歷時強降水；二是臺風等低壓系統(tǒng)引起的暴雨［13］，主要出現(xiàn)在夏季的7～9月，閩北的東部地區(qū)45%左右的暴雨由其引起，另有45%的暴雨為鋒面暴雨.閩北強降水的地形致因：閩北的西部為山勢高峻的武夷山脈北段，中東部為山體高大寬厚、起伏連綿鷲峰山脈，東部為狹窄的丘陵臺地.這種地形特征造成了閩北兩個高強度暴雨的頻發(fā)區(qū)，分別位于兩大山脈的東麓，即西部的光澤縣、武夷山市和東部的柘榮縣、福鼎市、寧德市.

由于閩北地形復雜，海拔高度落差大，加之閩北山脈的東部是暴雨高發(fā)區(qū)及降水量的極值區(qū)，導致這些地區(qū)山洪災害的風險性大、發(fā)生頻率高，從上面的分析可知，西部、中部、東部和東南部共有11個山洪溝高致災等級山洪暴發(fā)周期為5年，另外西部和中南部有2個山洪溝高致災等級山洪暴發(fā)周期小于2年.

3 結論與討論

（1）閩北各重現(xiàn)期6h最大降水量空間分布特點，高值區(qū)位于西部、東部和中南部部分地區(qū)，中部大部分地區(qū)為低值區(qū)；閩北5、10、20、50年重現(xiàn)期6h降水極值高值分別超過110、130、140、150mm.閩北西部地區(qū)短歷時強降水主要由鋒面暴雨引起，閩北東部地區(qū)短歷時強降水主要由鋒面暴雨和臺風暴雨引起.

（2）閩北山洪溝低等級致災臨界雨量重現(xiàn)期均小于5年，其中超過半數(shù)重現(xiàn)期為1年；中等級致災臨界雨量重現(xiàn)期：西部多數(shù)為2年以內，中部多數(shù)為5年以內，東部多數(shù)山為5年.閩北山區(qū)的西北部、中北部和東北部地區(qū)，發(fā)生極端強降水的概率較低，這些區(qū)域的大多數(shù)山洪溝高等級致災臨界雨量重現(xiàn)期≥50年；其余地區(qū)山洪溝高等級致災臨界雨量重現(xiàn)期均≤10年.

（3）短歷時強降水是山洪的主要致因，前期長時間低強度降水是引發(fā)山洪的潛在誘因.本文在考慮地表滲流、地面截流的基礎上計算地表產(chǎn)流，進行山洪再現(xiàn)淹沒模擬，提高了計算山洪致災臨界雨量的準確性.

（4）文中山洪致災臨界雨量只能應用于汛期的山洪預報預警，同時需根據(jù)山洪災情的反饋信息對臨界雨量進行修正和完善.

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