西藏東南部山洪災害過程水文動力模擬和臨界雨量

林志強， 尼瑪吉， 黃志誠

(1.西藏自治區(qū)氣候中心, 西藏 拉薩 850000; 2.西藏自治區(qū)氣象局信息網(wǎng)絡(luò)中心, 西藏 拉薩 850000)

西藏東南部山洪災害過程水文動力模擬和臨界雨量

林志強1， 尼瑪吉1， 黃志誠2

(1.西藏自治區(qū)氣候中心, 西藏 拉薩 850000; 2.西藏自治區(qū)氣象局信息網(wǎng)絡(luò)中心, 西藏 拉薩 850000)

[目的] 研究西藏山洪致災臨界雨量確定方法，為西藏地區(qū)水文氣象預警提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，以服務(wù)于高原山洪災害防御工作。[方法] 采用水文動力模式Floodarea模型對西藏東南部的一次山洪過程進行模擬研究，并利用氣象資料逐時降水量進行了淹沒高度計算，得到了山洪致災臨界雨量。通過實地考察獲取西藏自治區(qū)林芝市巴宜區(qū)2015年8月一次山洪災害的基本參數(shù)資料，與模型模擬研究結(jié)果進行對比分析和模型驗證。[結(jié)果] (1) Floodarea對暴雨誘發(fā)山洪過程的模擬結(jié)果較好，結(jié)合多源降水數(shù)據(jù)能更準確地模擬西藏山區(qū)山洪暴發(fā)的過程； (2) 通過調(diào)整雨量情景設(shè)定可推算山洪不同淹沒水深的臨界雨量，得到較為準確的洪水淹沒范圍和降雨量—淹沒深度關(guān)系； (3) 應(yīng)用降雨量—淹沒深度關(guān)系計算得到巴宜區(qū)永久河山洪溝的4個淹沒深度災害山洪等級(0.1，0.6，1.2，1.8 m)的6 h累計臨界雨量分別為33，55.7，75.4，91.9 mm。[結(jié)論] 研究結(jié)果表明Floodarea軟件適用于西藏高原水文觀測資料匱乏的復雜地形山區(qū)，能較準確地重現(xiàn)山洪災害過程和確定山洪臨界雨量，可為復雜地形山區(qū)山洪防治和預警提供參考。

Floodarea模型; 西藏林芝; 山洪; 臨界雨量

文獻參數(shù)： 林志強, 尼瑪吉, 黃志誠.西藏東南部山洪災害過程水文動力模擬和臨界雨量[J].水土保持通報，2017,37(1)：183-187.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.033； Lin Zhiqiang, Nimaji, Huang Zhicheng, et al. Hydrological dynamics simulation and critical rainfall for flash flood in Southeastern Tibet[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：183-187.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.033

山洪是發(fā)生在山區(qū)溝谷或河道地形的突發(fā)性洪水，多為短歷時強降雨造成，具有持續(xù)時間短、能量集中、破壞性大，難以預防等特點，山洪及其誘發(fā)的泥石流和滑坡等次生災害常造成人員傷亡，沖毀房屋、田地、道路橋梁，甚至能導致水壩潰決，是國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全的重大威脅[1-3]。西藏地區(qū)地處中國西南邊陲，是青藏高原的主體，向有“亞洲水塔”之美稱，中國的主要大河長江、黃河、怒江、金沙江都起源于西藏，雅魯藏布江、獅泉河、象泉河、瀾滄江等河流還流向南亞、東南亞國家，這些河流和淡水資源是下游地區(qū)生態(tài)和經(jīng)濟的生命線，為數(shù)以億計的下游人民提供生存和發(fā)展所需的核心資源[4]，由于西藏地區(qū)地形復雜、地層巖性多變、構(gòu)造運動頻繁，地形陡峻、切割破碎，生態(tài)環(huán)境脆弱，山洪災害是影響西藏經(jīng)濟發(fā)展、基礎(chǔ)工程建設(shè)和人民生命財產(chǎn)安全的主要氣象災害之一[5]。在氣候變暖的背景下，西藏地區(qū)極端降水事件發(fā)生頻繁[6]，加之冰川退化，山洪災害的發(fā)生越來越頻繁，影響越來越嚴重。如何減輕山洪災害的影響，保障西藏生態(tài)安全屏障建設(shè)是西藏氣象工作者責無旁貸的重任。

致災臨界雨量閾值是山洪預報預警的關(guān)鍵指標之一[7]：當小流域范圍內(nèi)的降雨量達到或超過一定量級，形成的山洪流量超出河道的安全泄洪能力，該雨量即為致災臨界面雨量。結(jié)合準確的區(qū)域定量雨量預報和致災臨界面雨量，氣象部門即可向社會和決策部門提供較為準確的山洪預警服務(wù)?；诰欴EM數(shù)據(jù)的洪水動態(tài)水文模擬[8-10]可以較為準確地分析山洪的發(fā)生和發(fā)展過程，模擬不同雨量量級的淹沒范圍和水深，是一種成熟的致災臨界雨量研究方案，已在中國不同區(qū)域得到了應(yīng)用：張明達等[11]利用Floodarea模型分析了云南宣威2012年“7·12”山洪災害淹沒高度，并得到不同等級山洪災害臨界面雨量；姬興杰等[12]模擬了豫西山區(qū)無水文資料的暴雨誘發(fā)山洪過程，通過雨量情景設(shè)定方法確定了洛河上游地區(qū)4種雨量分配方式下的致災臨界雨量；張磊等[13]針對缺乏水文資料但有歷史洪水淹沒記錄的山區(qū)小流域進行山洪風險雨量計算，實現(xiàn)山洪災害精細化風險評估；謝五三等[14]利用Floodarea模型模擬了安徽大通河流域的暴雨淹沒情景，模擬值和實際的淹沒過程較為吻合；姜智懷等[15]分析了江西省曹水流域降水導致山洪過程的推進路線、淹沒范圍和淹沒水深，表明Floodarea模型嵌入河道柵格方法可用于推算曹水流域致災臨界雨量；文明章等[16]利用Floodarea再現(xiàn)了福建上清溪流域無水文資料山區(qū)的山洪過程，通過模擬結(jié)果水深和雨量相關(guān)關(guān)系推算流域受災隱患點不同等級淹沒水深的臨界雨量；葉麗梅等[17]依據(jù)蓄滿產(chǎn)流平衡原理和暴雨洪澇淹沒模型對通城縣一次強降水造成的洪澇淹沒水深和范圍進行了模擬。最近，劉義花等[18]對青海省羊智溝的洪水動態(tài)模擬表明Floodarea能適用于青藏高原這樣的復雜地形地區(qū)的山洪模擬，尤其是Floodarea模型可以適用于無水文觀測資料地區(qū)山洪分析，這尤其適用于地廣人稀、觀測資料匱乏的西藏地區(qū)，本文擬采用該模型通過對西藏東南部山洪災害過程分析，探討西藏地區(qū)山洪致災臨界雨量研究，為水文氣象預警提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，為防御山洪災害提供參考。

1 災害過程概況

本研究選取的山洪溝位于西藏自治區(qū)林芝市巴宜區(qū)，山洪發(fā)生災害點位于94°21′38.69″E，緯度：29°36′07.61″N，海拔高度2 984 m。林芝地處西藏東南部，南接喜馬拉雅山脈，北靠念青唐古拉山脈，東連橫斷山脈，位于雅魯藏布江下游地區(qū)，主要有帕隆藏布和尼洋河，高山峽谷相間，多陡峻峽谷，侵蝕強烈，是地質(zhì)災害的多發(fā)區(qū)[19]。林芝屬于高山溫濕季風氣候，印度洋暖濕氣流在夏季西南季風驅(qū)動下沿雅魯藏布江河谷北上[20]，形成較為豐沛的降水，植被生長茂盛，有“雪域江南”之譽，也是廣受游客喜愛的旅游目的地。林芝山洪災害多由強降水引發(fā)，多發(fā)于5—9月的汛期，山高坡陡，山洪匯流快、成災迅猛。由于林芝地處川藏交界，是入藏出藏重要交通干道，山洪及其次生地質(zhì)災害往往造成交通中斷，甚至是嚴重的交通事故，是旅游事業(yè)發(fā)展的重大威脅。

2015年8月17—19日，在西太副高、孟加拉暖濕氣流輸送和西風槽東移的綜合影響下，西藏中東部地區(qū)大部持續(xù)強降水，其中林芝市多地有大到暴雨過程，其中林芝、波密和米林3個氣象站的日降水量打破了有氣象站記錄以來的日降水量極值，此次過程按照林志強等[6]的環(huán)流分型，屬于典型的西太副高西伸型。強降水造成318國道一鋼便橋被山洪沖毀，致交通中斷達20余天；山洪引發(fā)泥石流災害，導致地處永久河邊永久村的部分道路、橋梁、交通工具和房屋、店鋪等不同程度損毀，所幸未造成人員傷亡。此次山洪及其次生災害過程共造成直接經(jīng)濟損失900多萬元，間接經(jīng)濟損失達2 000多萬元。與其他山洪災害相比，由于災害發(fā)生地點距聚居區(qū)較近，有道路施工人員見證過程，為西藏東南部山區(qū)的山洪災害分析提供了寶貴的資料。

2 資料和方法

2.1 災害調(diào)查

由于研究區(qū)域地形起伏較大，不同的研究地點將導致淹沒深度變化，因此本文將以垮塌鋼便橋和永久河附近為致災臨界雨量的淹沒深度參考區(qū)，由于河道無防護堤，淹沒水深為基于河道測量的水深。由于山洪暴發(fā)過程時間短，災害強，親歷者并不是專業(yè)氣象、水文工作人員，因此很多信息并不完整，以山洪災害發(fā)生時受洪水淹沒的橋體設(shè)施和附近的樹木、施工簡易設(shè)施等淹沒痕跡進行實地測量，并進行相應(yīng)的實地災害調(diào)查，準確記錄淹沒點的位置，包括經(jīng)度、緯度、海拔高度、最大淹沒深度等信息。

附近村民和搶險施工人員和資料查詢，并通過多方信息相互映證，得到盡可能準確的淹沒過程信息，由于無法確定淹沒水深隨時間的變化，因此采取多點測量災害過程中淹沒跡線獲取最大淹沒深度的方法，與模擬時段得到的最大淹沒深度進行對比(表1)。

表1 山洪淹沒深度調(diào)查信息

2.2 氣象和地理信息數(shù)據(jù)

本文采用的降水數(shù)據(jù)為西藏自治區(qū)氣象局信息網(wǎng)絡(luò)中心提供的自動氣象站逐小時降水觀測數(shù)據(jù)，為彌補氣象觀測站不足，采用CMORPH(CPC MORPHing technique)多衛(wèi)星觀測融合降水數(shù)據(jù)作為降水觀測的補充，以往的研究表明[10]，結(jié)合CMORPH數(shù)據(jù)和站點觀測能更準確地反映降水的強度和分布情況。

地形數(shù)據(jù)采用ASTER GDEM V2全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)，空間分辨率達30 m，由日本METI和美國NASA聯(lián)合研制，于2015年1月6日免費面向公眾分發(fā)，數(shù)據(jù)由地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn)提供下載；土地利用數(shù)據(jù)采用歐洲空間局(ESA，http:∥due.esrin.esa.int/page_globcover.php)2009年全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)集，分辨率為300 m，在ArcGIS平臺上通過最鄰近法插值到與DEM相一致的30 m。按照張洪江等[21]的試驗結(jié)果，由土地利用類型得到流域Manning水力糙度系數(shù)。

2.3 Floodarea模型

Floodarea是德國Geomer公司開發(fā)的水文動力學洪水淹沒模型，內(nèi)嵌于ArcGIS平臺，被廣泛應(yīng)用于洪水演進模擬、洪水動態(tài)風險評估等，國內(nèi)的應(yīng)用表明了其在不同地區(qū)山洪淹沒模擬的適用性[11-18]。Floodarea洪水過程同時考慮柵格周圍八個單元，水流量由Manning-Stricker公式計算，坡度由單元最低水位和最高高程差異決定，對每個單元都進行計算[22]，相鄰單元的水流寬度被認為是相等的；位于對角線的單元，以不同的長度算法來計算；水流方向柵格間坡度決定。Floodarea每個時相運行過程的相應(yīng)淹沒范圍和水深都以柵格形式存儲，直觀地呈現(xiàn)洪水演進動態(tài)過程。

3 結(jié)果分析

3.1 山洪災害淹沒過程模擬

圖1給出了Floodarea模擬的2015年8月19日08時至20日08時(北京時，下同)暴雨過程鋼便橋附近的淹沒過程，同時給出了距山洪暴發(fā)區(qū)域最近的林芝自動氣象站的逐小時降水監(jiān)測數(shù)據(jù)。降水過程具有顯著的日變化特征[23]，早晨降水較弱；隨著地面增暖加強，地面加熱形成對流，午后14時降水強度開始增大，到18時降水強度最大，達到10.1 mm/h；較強降水持續(xù)到夜間20時，隨后開始減弱；凌晨04時又開始形成較弱的降水。鋼便橋的高度約為2 m左右，根據(jù)調(diào)查鋼便橋約在19時40分垮塌，此時模擬深度達2.5 m左右，沒過鋼便橋約0.5 m，較降水峰值滯后2 h左右。模擬的淹沒水深較降水強度有所滯后，在20日0時達到最大，接近3 m，這較降水峰值滯后達5 h左右，較強降水時段滯后約4 h，這可能與流域集水過程有關(guān)，經(jīng)過進一步檢查降水區(qū)域分布情況，發(fā)現(xiàn)在流域上游地區(qū)的自動站監(jiān)測得到在20—23時上游有較強的降水，這綜合形成了淹沒深度的峰值；隨著降水的減弱，淹沒深度逐漸減小，到20日04時的降水后淹沒深度稍有回升。從山洪淹沒過程的模擬來看，F(xiàn)loodarea很好地反映了降水強度和分布的影響，與災情調(diào)查的結(jié)果吻合較好。

圖1 林芝巴宜流域永久河鋼便橋逐時淹沒水深模擬結(jié)果

3.2 災害調(diào)查與模擬對比

對山洪暴發(fā)區(qū)最大淹沒水深的調(diào)查結(jié)果與Floodarea模擬結(jié)果進行對比，圖2給出所有調(diào)查點的對比結(jié)果。模擬結(jié)果與實地調(diào)查得到的最大水深誤差在-0.2～2.9 m之間，其中5個調(diào)查點的模擬結(jié)果誤差小于0.2 m，8個調(diào)查點模擬結(jié)果誤差小于0.5 m；2個調(diào)查點的誤差大于1 m；大部分的模擬結(jié)果的淹沒深度大于調(diào)查結(jié)果，河床上的模擬結(jié)果較差，偏高幅度最大。

總體而言，F(xiàn)loodarea的模擬結(jié)果效果較好地反映了此次山洪過程的影響，淹沒范圍與實際發(fā)生山洪災害分布基本一致，準確地反映了地勢低地區(qū)的永久村、橋梁公路與其相鄰的渥羅幫嘎村的淹沒差異情況，表明在精細的地理信息基礎(chǔ)上，F(xiàn)loodarea可以較準確地反映洪水在地勢低洼區(qū)積水匯集和水流演進的過程。

3.3 降雨量—淹沒深度關(guān)系和臨界雨量

綜合考慮流域山洪災害影響的區(qū)域和模擬結(jié)果，地形、海拔高度、與河溝的距離遠近，居民聚居點、公路、橋梁等設(shè)施和社會影響等因素，選取鋼便橋、柏油公路和永河村3個地點為預警(山洪隱患)點，通過逐步增加面雨量的方式動態(tài)調(diào)整降水情景，分別模擬不同面雨量下的淹沒深度和淹沒水深；當隱患點的淹沒水深達到山洪災害等級時，即可得出預警點的山洪致災臨界雨量。

圖2 山洪災害調(diào)查點淹沒水深模擬與觀測對比

根據(jù)西藏東南部地區(qū)短時強降水的特征，以6 h為模擬時間長度，模擬降水時間步長為1 h，按照6 h累積雨量10～100 mm的降水強度分別進行模擬，以5 mm的增量逐漸調(diào)整降水強度，得到不同設(shè)定雨量強度下的淹沒模擬結(jié)果，并提取預警點的最大淹沒水深。圖3給出得到的3個預警點的淹沒水深和降雨量的關(guān)系，淹沒水深隨降雨量增加而增大，但兩者并不成線性關(guān)系，淹沒深度在降雨量較小時一直保持較低的淹沒深度，當6 h降雨量達到40～55 mm以上時，淹沒深度隨降雨量增加開始呈現(xiàn)線性增加趨勢；淹沒深度與降雨量的這種關(guān)系與日常業(yè)務(wù)中對山洪的認識是一致的，與山洪暴發(fā)的集水過程、地形和上游地面產(chǎn)流過程有關(guān)，這種降雨量—淹沒深度關(guān)系的非線性特征也是山洪多由短時強降水造成的原因。

圖3 林芝巴宜區(qū)永久河流域降雨量—淹沒深度關(guān)系

根據(jù)預警點得到的降雨量—淹沒水深關(guān)系，當預警點的淹沒水深分別達到0.1，0.6，1.2和1.8 m時，其對應(yīng)的雨量即為該預警點的1,2,3和4級山洪災害致災臨界雨量(表2)。

3.4 臨界雨量山洪淹沒模擬

以地勢較低、受災影響較大的柏油公路得到的致災臨界雨量作為流域山洪致災臨界雨量，把1—4級山洪臨界雨量輸入Floodarea模型作為驅(qū)動雨量，計算得到不同山洪災害等級臨界雨量對應(yīng)的淹沒范圍和深度。隨著臨界雨量的增大，洪水泛濫的范圍擴大，淹沒水深增大，在業(yè)務(wù)中，結(jié)合精細化分布的居民點和交通數(shù)據(jù)與淹沒柵格數(shù)據(jù)相疊加，能夠直觀地了解山洪災害的影響程度。以圖形和柵格數(shù)據(jù)的方式提供給流域地區(qū)氣象部門，根據(jù)氣象觀測數(shù)據(jù)和降水預報可得到流域山洪精細化預警。本研究還以相同的方法得到了流域4級山洪臨界雨量的1,3,12和24 h累積降雨量及其對應(yīng)淹沒柵格數(shù)據(jù)，為不同時段山洪預警提供參考。

表2 林芝巴宜永久河流域山洪臨界雨量閾值

4 討論與結(jié)論

(1) Floodarea水動力模型可以較好地模擬西藏復雜地形地區(qū)的山洪淹沒過程，與災害普查的山洪影響范圍和淹沒深度較為一致，在無水文觀測資料的山區(qū)小流域山洪分析具有較高應(yīng)用價值；

(2) 通過逐步增加面雨量值得方法，以模擬不同強度雨量情景，可用于確定山洪不同淹沒水深的雨量，建立降雨量—淹沒水深關(guān)系，進而推算不同山洪災害等級的致災臨界雨量；利用這個方法確定了3個山洪預警點的臨界雨量；

(3) 林芝巴宜區(qū)永久河山洪溝的0.1，0.6，1.2，1.8 m淹沒高度災害等級的6 h臨界雨量分別為33，55.7，75.4和91.9 mm。

從實地考察和衛(wèi)星圖片上可以發(fā)現(xiàn)研究流域地區(qū)有多條泥石流溝，災情報告也強調(diào)了山洪誘發(fā)的泥石流災害，山洪和泥石流災害共同作用加大了山洪研究的難度；由于山洪的暴發(fā)過程較快，匯水和集水的過程時間短，F(xiàn)loodarea模型并未考慮水流的下滲問題，山洪臨界雨量計算時沒有考慮前期降雨和土壤含水狀況；在利用Floodarea進行淹沒模擬過程中發(fā)現(xiàn)，普查的GPS數(shù)據(jù)和海拔高度與DEM模型有一定的差異，這些因素都可能給淹沒模擬帶來一定的誤差，這是在服務(wù)中利用淹沒區(qū)域模擬結(jié)果需要加以注意的。在沒有山洪淹沒過程的準確資料情況下，采用多地點考察最大淹沒深度的方式進行驗證，可為西藏地區(qū)這樣幅員遼闊、人口稀少，山洪災害過程記錄匱乏的地區(qū)提供一種可行的災害普查方法和途徑；還需要再加強山洪災害風險普查工作，為西藏山洪分析和預警工作的開展提供更詳盡、準確的基礎(chǔ)資料，改善水文模型的率定效果和驗證；西藏地區(qū)的氣象觀測站點稀疏，山洪過程集水范圍較小，在業(yè)務(wù)應(yīng)用中需要綜合多種資料得到盡可能精細的降水分布和面雨量以更準確評估山洪災害的影響。

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Hydrological Dynamics Simulation and Critical Rainfall for Flash Flood in Southeastern Tibet

LIN Zhiqiang1, Nimaji1, HUANG Zhicheng2

(1.ClimateCenterofTibetAutonomousRegion,Lhasa850000,China; 2.MeteorologyInformationNetworkCenter,MeteorologicalBureauoftheTibetanAutonomousRegion,Lhasa850000,China)

[Objective] In this paper, we aimed to determine the critical rainfall of flash flood in Tibet, in order to provide the basic data for hydrological and meteorological warning in Tibet and serve the flash flood prevention. [Methods] We simulated the process of a flood in Southeastern Tibet by hydrodynamic model Floodarea, and calculated the submergence depth by using meteorological data of hourly precipitation, and we then obtained the critical rainfall of flash flood. To test the simulation result, we conducted a field survey to obtain the basic parameter of a flash flood disaster in August 2015 in Bayi Nyingchi region. [Results] The Floodarea model could be well used in the simulation of rainfall induced mountain flood process. The critical rainfall of flood submerged in different water depth could be calculated by adjusting the rainfall scenarios. According to the relationships between rainfall amount and submergence depth, the critical 6 hours accumulated rainfall amounts in four mountain flood ditches with different submergence depths(0.1, 0.5, 1.2, 1.8 m) were 33, 55.7, 75.4 and 91.9 mm, respectively. [Conclusion] Floodarea model software can be applied in the complex terrain mountainous areas that lack of hydrological observation data, in Tibetan Plateau. It can accurately simulate the flash flood disaster process and determine the critical rainfall. This study can provide reference for flood prevention and early warning in complex terrain mountainous areas.

Floodarea model; Nyingchi prefecture in Tibet; flash flood; critical rainfall

2016-05-05

2016-06-11

第三次青藏高原資助項目專題“西藏高原災害性天氣分析和預報方法研究”(GYHY201406001); 中國氣象局業(yè)務(wù)建設(shè)項目“西藏暴雨洪澇災害風險評估”

林志強(1982—),男(漢族),福建省漳州市人,碩士,工程師,主要從事西藏氣候分析工作。E-mail:linzq82@gmail.com。

A

1000-288X(2017)01-0183-05

P339