基于遼寧省洪水要素及致洪雨量時空分布特征探析

王 剛

(綏中縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 綏中 125200)

洪水災(zāi)害是遼寧省最大的自然災(zāi)害，其發(fā)生的洪澇災(zāi)害損失都較大，其中暴雨是區(qū)域發(fā)生洪水的主要原因[1]。遼寧省夏季受西風氣旋影響，大量北上水汽通過副熱帶高壓位置北偏的影響，使得夏季遼寧地區(qū)發(fā)生大量級暴雨的概率較大[3]。對區(qū)域致災(zāi)暴雨洪水特征進行分析，對于防洪減災(zāi)措施規(guī)劃具有重要研究意義[4]。當前，遼寧省暴雨洪水特性分析已取得一定的研究成果[5- 12]，但是對其致災(zāi)暴雨洪水時空分布特征的研究還較少，本文結(jié)合山洪災(zāi)害預(yù)警指標中臨界致災(zāi)雨量的概念[13]，對其近68年致災(zāi)暴雨洪水時空分布特征進行研究，研究成果對于區(qū)域防洪減災(zāi)具有參考價值。

1 資料選取和研究方法

1.1 資料選取

為正確反映遼寧省降水特點，識別區(qū)域暴雨洪水特征，選擇觀測系列較長的544個雨量站降水數(shù)據(jù)進行分析。站點分布如圖1所示。考慮人類活動對洪水影響，選取遼寧省集水面積在2000km2以下的55個站點作為洪水時空分布特征分析的數(shù)據(jù)。

圖1 選取的雨量站點分布

1.2 研究方法

由于水文模型方法受到前期降水影響程度較大，本文以暴雨洪水資料系列較長的站點作為研究站點，結(jié)合統(tǒng)計學方法計算其臨界雨量，主要計算方法如下。

(1)數(shù)據(jù)整理：對選取水文站點的降水、流量數(shù)據(jù)進行整理，整理內(nèi)容為站點的位置、最大洪峰和洪量數(shù)值，洪峰出現(xiàn)的時間，洪水場次過程以及洪峰流量。在流域內(nèi)降水站點的分布以及洪水發(fā)生對應(yīng)時間段內(nèi)的降水數(shù)據(jù)進行收集和整理。

(2)確定數(shù)據(jù)分析方法：建立暴雨洪水數(shù)據(jù)選樣標準，結(jié)合統(tǒng)計學方法計算產(chǎn)生對應(yīng)洪水臨界雨量，并結(jié)合選樣標準對洪水數(shù)據(jù)進行篩選，建立超標準洪水數(shù)據(jù)系列，一般而言洪水選樣方法有3種：①歷史上造成洪水災(zāi)害的暴雨洪水典型過程；②數(shù)據(jù)系列超過50年中的洪峰或洪量超過河道防洪標準的場次暴雨洪水過程；③洪水出現(xiàn)概率超高某一個設(shè)計標準的暴雨洪水過程。

(3)臨界雨量站點計算：對于匯水面積加大、下墊面條件較為復(fù)雜的站點，因為降水時空分布不均，使得區(qū)域內(nèi)短時強降水產(chǎn)生的洪水會超過洪水選樣的標準，因此單個雨量站點計算時，采用以下方法進行計算。

假定區(qū)域內(nèi)有S個雨量站點，區(qū)域發(fā)生超過選樣標準洪水的場次數(shù)為N次，采用統(tǒng)計學模型統(tǒng)計不同降水時段內(nèi)的總雨量，統(tǒng)計的時段分別為3h、6h、12h、24h，各個時段降雨閾值作為其臨界雨量的計算值，其主要計算方程為：

Rti臨界=Min(Rtij)

(1)

式中，Rtij—第i個雨量站點第j場洪水不同時段內(nèi)的雨量最大值。

(4)面平均臨界雨量計算：在匯水面積較小，下墊面比較一致的站點，其降水分布較為均勻，因此采用面積加權(quán)的方法計算面雨量值，假定區(qū)域內(nèi)有S個雨量站點，區(qū)域發(fā)生超過選樣標準洪水場次數(shù)為N次，采用統(tǒng)計學模型統(tǒng)計不同降水時段內(nèi)的總雨量，統(tǒng)計的時段分別為3h、6h、12h、24h，各個時段面降雨閾值作為其臨界雨量的計算值，作為不同時段的面平均臨界雨量，計算方程為：

(2)

2 研究成果

2.1 最大24h暴雨時空分布

結(jié)合544個降水站點156場暴雨場次數(shù)據(jù)，對遼寧省不同分區(qū)的最大24h降水量的頻次和空間分布特征進行統(tǒng)計分析，分析結(jié)果見表1。

從156場暴雨特征分析數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)其中，不同區(qū)域24h降水量占總降水量的80%～90%站點數(shù)比例可以達到52.5%。遼寧地區(qū)暴雨時段主要集中在降水初期的24h以內(nèi)。從空間分布

表1 不同區(qū)域超標準最大24h頻次分布

看，24h超過200mm的暴雨主要分布在東南和西南區(qū)域，從發(fā)生暴雨的頻次可看出，沿黃渤海東部諸河區(qū)發(fā)生200mm以上暴雨等級的頻次為47次，渾江以下發(fā)生超過200mm的暴雨的頻次達到39次，而在近68年中沿黃渤海西部諸河區(qū)及其他區(qū)域，發(fā)生超過200mm的暴雨頻次在10～23次之間，從年代際變化，各個區(qū)域發(fā)生超過200mm暴雨的頻次變化較為穩(wěn)定，但從東南向西北呈現(xiàn)明顯的遞減變化，各個區(qū)域存在較大的變化差異性。

2.2 暴雨頻次空間分布結(jié)果

結(jié)合選取的雨量站點，按暴雨等級分別統(tǒng)計日降水量超過100mm以及超過50mm的暴雨頻次的空間分布，統(tǒng)計分析結(jié)果如圖2—3所示。

從空間分布結(jié)果可看出，分析的兩個日暴雨等級下其空間分布具有一致性，均呈現(xiàn)從東南逐步向西北遞減的空間變化特征。從不同量級的暴雨日數(shù)變化結(jié)果可看出，遼寧省發(fā)生暴雨的時間主要集中在3d以內(nèi)，暴雨易發(fā)地區(qū)主要集中在東南部地區(qū)，遼河下游流域發(fā)生超200mm標準的暴雨的天數(shù)呈現(xiàn)明顯的遞減變大暴雨發(fā)生天數(shù)在0-12d/10a之間，大暴雨多發(fā)地區(qū)為丹東地區(qū)。遼河柳河口以上、柳河口以下超標準暴雨發(fā)生次數(shù)呈減少趨勢；渾河、太子河超標準暴雨發(fā)生次數(shù)呈增加趨勢；渾江口以上超標準暴雨發(fā)生次數(shù)變化不明顯；渾江口以下超標準暴雨發(fā)生次數(shù)70a之后呈減少趨勢；沿黃渤海東部、西部諸河超標準暴雨發(fā)生次數(shù)呈增加趨勢。

圖2 日降水超過100mm的頻次分布結(jié)果

圖3 日降水超過5mm的頻次分布結(jié)果

2.3 洪水要素時空分布

結(jié)合64個水文站點的場次洪水數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析遼寧省最大洪峰模式和3d最大洪量模數(shù)的時空分布，分析結(jié)果如圖4—5所示。

在考慮到流域面積對洪峰影響較大，研究將之換轉(zhuǎn)為洪峰模數(shù)，即洪峰流量/流域面積作為分析的指標?；诘乩硇畔④浖瑢⑺恼咀畲蠛榉迥?shù)定位于流域中心，并采用克里金法對最大洪峰模數(shù)進行空間插值，遼寧省最大洪峰模數(shù)最大值出現(xiàn)與丹東地區(qū)鴨綠江流域，最小值出現(xiàn)與遼河西部支流，如秀水河流域、柳河流域、繞陽河流域等。此外結(jié)合遼寧省產(chǎn)匯流、退水特征，統(tǒng)計70個水文站最大3d洪量，并取其最大值分析區(qū)域特征。考慮到流域面積對洪量影響較大，研究中采用3d洪量模數(shù)作為指標，對遼寧省3d洪量模數(shù)進行分析，從分析結(jié)果可看出，3d日洪量最大值出現(xiàn)于遼東等地區(qū)。最小值出現(xiàn)遼西和遼北等地區(qū)。

2.4 致洪雨量時空分布

結(jié)合致災(zāi)雨量的計算方法，對選取的典型降雨站點的致洪雨量進行計算，計算結(jié)果見表2，并對致洪雨量的空間分布進行分析，分析結(jié)果如圖6所示。

圖4 遼寧省最大洪峰模式分布結(jié)果

圖5 遼寧省最大洪峰模式分布結(jié)果

表2 選取的遼寧省典型降雨站點致洪雨量計算結(jié)果 單位：mm

圖6 遼寧省典型致洪臨界雨量空間分布結(jié)果

從不同時段的致災(zāi)雨量統(tǒng)計分析結(jié)果可看出，不同時段的雨量占比分別為46%、66%、86%，遼寧北部地區(qū)雨量站點的致洪臨界雨量較小，這主要和區(qū)域的產(chǎn)流機制有關(guān)，區(qū)域主要為超滲產(chǎn)流機制，使得其致洪臨界雨量小于50mm，各其他區(qū)域的致洪臨界雨量均高于50mm。從致洪臨界雨量空間分布結(jié)果可看出，在空間上致洪臨界雨量總體呈現(xiàn)從東向西逐步遞減的變化趨勢，東部區(qū)域致洪暴雨均在100mm以上，而北部區(qū)域致洪暴雨等級小于50mm，這一區(qū)域主要包括的城市為鐵嶺、沈陽，而西部由于發(fā)生大暴雨的次數(shù)較低，總體也在50mm以下，致洪暴雨在50～80mm之間的比例在30%～45%之間。

3 結(jié)論

(1)遼寧省超標準暴雨的暴雨中心降水量多集中于24h。各年代超標準暴雨中心降水量最大值呈下降趨勢；各區(qū)域特征各異：遼河波動較大，渾河、太子河為遞增變化，渾江口以上、沿黃渤海東部諸河、西部諸河、渾江口以下為遞減變化趨勢。

(2)遼寧省各區(qū)域最大24h降水量在110～660mm之間，由東南向西北遞減分布，中心位于丹東、鞍山地區(qū)；暴雨(日雨量大于50mm)發(fā)生頻次在3～48d/a年之間，大暴雨(日雨量大于100mm)發(fā)生頻次在0～12d/10a之間，兩者均由東南向西北遞減分布。

(3)丹東大部、本溪南部、鞍山東南部致洪暴雨在100mm以上，遼河以西及阜新、葫蘆島北部致洪臨界雨量在50mm以下，其余地區(qū)致洪暴雨在50～80mm之間。