闽北山洪致灾临界雨量重现期分布及山洪风险分析

2015-11-19文明章张容焱鲍瑞娟郑荣玉

复旦学报（自然科学版） 2015年5期

文明章，吴滨，张容焱，鲍瑞娟，郑荣玉

（1.福建省气候中心，福州 350001；2.三明市气象局，三明 350700）

福建是我国气象灾害最严重的省份之一，其中频繁发生的暴雨引发的山洪灾害给社会和公众带来巨大损失.山洪是指山区小流域河谷地带发生的暴涨洪水，一般多为暴雨所致，有发生突然、洪峰势猛、流速快等特点，极具冲刷破坏力［1－3］；山洪及其诱发的次生灾害，常造成人员伤亡、房屋毁坏、田地淹没、道路桥梁冲垮等灾害，对国民经济和人民生命安全造成严重危害.近年来随着全球气候变暖，福建山洪暴发愈加频繁、灾害越发严重.

山洪风险研究大致可分为两个阶段.起初学者多从暴雨频数和地理资料入手，分析暴雨洪涝对承灾体的灾害影响［2－8］；随着对暴雨洪涝风险研究的深入，致灾临界雨量逐步成为山洪灾害预警公认的依据指标［1，10］，学者开始对小流域山洪灾害易发区和洪水成灾条件进行研究，根据地形地貌和短历时暴雨特点分析山洪发生的机理，利用水动力模型计算山洪致灾降水阈值，如文明章等对无水文资料的山洪沟流域的致灾临界雨量计算方法作了较好的研究［1］，张亚萍等基于天气雷达观测资料和地面雨量对山洪的降水条件进行了精细化研究［11］；樊建勇等根据多年的山洪灾害和气候统计数据，对不同历时山洪致灾临界雨量进行了研究［12］.

福建北部为山区（以下简称“闽北”），约2.56×104km2，地形以山谷丘陵为主，境内峰岭峙立，丘陵连绵，河谷、盆地穿插期间，汛期暴雨频次高、强度大，特殊的地形地貌导致暴雨极易引发山洪.本文根据山洪发生时的降水资料、洪水淹没记录和地理信息资料，利用二维水动力模型计算闽北山洪致灾临界降水量；同时利用闽北气象站降水资料分析计算不同重现期的短历时最大降水.根据以上计算结果，对闽北山区山洪致灾临界雨量重现期进行研究，同时对引发山洪的强降水天气背景进行分析，以期为政府在山洪防御规划的工作提供理论参考.

1 资料和方法

1.1 资料来源

降水资料来自闽北19个气象站1981—2010年降水自记纸观测记录资料和2010—2014年闽北雨量观测站资料；精细化地理信息资料来自福建省地理信息中心；闽北山洪易发区来自地方部门山洪灾害区划资料，根据山洪易发区的数字高程模型数据，利用ArcGIS提取26个山洪沟边界，将26 个山洪沟分别命名流域编号为0～25；近5年山洪灾情资料来自气象部门实地考察和部门收集.26个山洪沟及雨量观测站分布如图1所示.

1.2 山洪致灾临界雨量计算

1.2.1 流域面雨量计算

根据山洪沟流域内气象站及自动雨量站地理位置，利用ArcGIS制作流域的泰森多边形；采用山洪发生时雨量站逐时降水资料，根据泰森多边形法计算山洪发生时流域的逐时面雨量，计算方法如下［1］：

图1 闽北山洪沟和雨量观测站分布Fig.1 Distribution of mountain torrents and rainfall observation station in Northern Fujian

式（1）中AR为流域面雨量，Ri为雨量站点i的逐时降水资料，Ai为雨量站点i 代表的泰森多边形面积，A为流域总面积，n为泰森多边形个数.

1.2.2 山洪致灾临界雨量计算

山洪沟出现某风险等级洪水时对应的累计降水量，即为该等级的山洪致灾临界雨量，通常用短历时降水量表示［1，10］.对已发生的山洪灾情进行实地考察，测量不同受灾点洪水淹没深度、调查洪水发生时间及灾情损失，以人口集中、经济发达的洪涝易发区作为山洪预警点.根据预警点地面淹没水深，设定山洪致灾临界水位：高等级1.2m（成年人逃生困难），中等级致灾临界水位0.6m（老人和儿童逃生困难、农村粮囤浸水），低等级致灾临界水位＞0.1m（地面开始积水）.2013—2014年，福建省气象部门在全省开展暴雨洪涝灾害精细化风险普查工作.普查成果表明，引发山洪的降水条件有两种情况：其一，历史罕见的短历时极端强降水引发山洪；其二，在前期持续性低强度降水的基础上，短历时强降水引发山洪.福建山区引发致灾性山洪的强降水持续时间一般为4～6h.为便于分析山洪临界雨量的重现期，本文统一采用6h作为山洪致灾临界雨量的累计时间，3个等级的致灾临界水位对应的6h面雨量即为不同等级的山洪致灾临界雨量.

根据文明章等人的研究方法，采用二维水动力模型“Floodarea”对已发生的山洪进行再现淹没模拟，并根据洪水灾情考察资料对模拟结果进行校正，得出不同风险等级的山洪致灾临界雨量［1］.

1.3 不同重现期6h最大降水量计算方法

根据19个基本气象站降水自记纸的观测记录资料计算1980—2011年逐年6h 最大降水量；利用1981—2011年历年6h最大降水量数据，采用皮尔逊Ⅲ型方法，计算闽北山区19个基本气象站不同重现期6h最大降水量.

皮尔逊－Ⅲ型分布：

式（2）中，α，β，a0经适当换算，可以用3个统计参数，cs，cv来表示：

2 结果与分析

2.1 短历时最大降水量空间分布特点

闽北19个气象站不同重现期6h最大降水量计算结果如表1所示，图2为闽北不同重现期6h最大降水量空间分布图.

由图2可以看出，闽北不同重现期6h最大降水量的高值区分布于西部、东部以及中南部部分地区，中部大部分地区为低值区.6h最大降水量：2年一遇，高值区降水量超过80mm，局部超过100mm；5年一遇，高值区降水量超过110mm，局部超过130mm；10年一遇，高值区降水量超过130mm，局部超过150 mm；20 年一遇，高值区降水量超过140 mm，局部超过160 mm；30 年一遇，高值区降水量超过140mm，局部超过170mm；50年一遇，高值区降水量超过150mm，局部超过180mm（图2）.

表1 闽北气象站不同重现期6h最大降水量Tab.1 6hours maximum precipitation in different return period of meteorological station in Northern Fujian

图2 闽北地区不同重现期6h最大降水量空间分布Fig.2 Spatial distribution of 6hours maximum precipitation of different return period in Northern Fujian

2.2 山洪致灾临界雨量重现期分布特点

2.2.1 山洪致灾临界雨量计算结果

根据1.2节方法计算各山洪沟的不同风险等级的山洪致灾6h临界雨量，结果如表2所示.

表2 闽北各山洪沟不同风险等级的山洪致灾6h临界雨量Tab.2 Different critical rainfall of mountain flood disaster during 6hours in Northern Fujian

2.2.2 结果分析

分析闽北不同风险等级山洪致灾临界雨量的空间分布特征；同时根据闽北不同重现期6h最大降水量的空间分布特征，分析各山洪沟不同风险等级山洪致灾临界雨量的重现期分布特点.

（1）低风险等级致灾临界雨量重现期分布

东部、西部共4个（6，12，15，17号）山洪沟临界雨量为70～130mm，相当于5年重现期的6h最大降水量；东部、西部、中部共7个山洪沟（0，7，8，10，13，19，21号）临界雨量为60～106mm，相当于2年重现期的6h最大降水量；其余山洪沟临界雨量均小于2年重现期的6h最大降水量（图3）.

图3 闽北山洪低致灾等级6h临界雨量重现期空间分布Fig.3 Spatial distribution of different return period of low critical rainfall of mountain flood disaster during 6hours in Northern Fujian

（2）中风险等级致灾临界雨量重现期分布

4个山洪沟临界雨量相当于5年以上重现期的6h最大降水量；6个山洪沟临界雨量相当于5年重现期的6h最大降水量；4个山洪沟临界雨量相当于重现期为2～5年的6h最大降水量；3个山洪沟临界雨量相当于2年重现期的6h最大降水量；8个山洪沟临界雨量为相当于2年以内重现期的6h最大降水量（表3、图4）.

表3 闽北山洪中致灾等级6h临界雨量重现期分布Tab.3 Distribution of different return period of moderate critical rainfall of mountain flood disaster during 6 hours in Northern Fujian

图4 闽北山洪中致灾等级6h临界雨量重现期空间分布Fig.4 Spatial distribution of different return period of medium critical rainfall of mountain flood disaster during 6hours in Northern Fujian

（3）高风险等级致灾临界雨量重现期分布

2号和7号2个山洪沟所在区域6h最大降水量相对偏小，且山洪沟下游河道堤坝较高，导致这两个山洪沟高风险临界雨量相当于50年以上重现期的6h最大降水量；6个山洪沟临界雨量相当于50年重现期的6h最大降水量；3个山洪沟临界雨量相当于10年重现期的6h最大降水量；11个山洪沟临界雨量相当于5年重现期的6h最大降水量；4个山洪沟临界雨量相当于5年以内重现期的6h最大降水量（表4、图5）.

表4 闽北山洪高致灾等级6h临界雨量重现期分布Tab.4 Distribution of different return period of high critical rainfall of mountain flood disaster during 6 hours in Northern Fujian

图5 闽北山洪高致灾等级6h临界雨量重现期空间分布Fig.5 Spatial distribution of different return period of high critical rainfall of mountain flood disaster during 6hours in Northern Fujian

2.3 强降水成因及山洪风险分析

闽北强降水的天气背景主要有两类：一是西风带系统引起的锋面暴雨，主要发生在5～6月的雨季，闽北的中西部地区70%～90%的暴雨是上述原因造成的，且其中60%左右的降水为小于6h的短历时强降水；二是台风等低压系统引起的暴雨［13］，主要出现在夏季的7～9月，闽北的东部地区45%左右的暴雨由其引起，另有45%的暴雨为锋面暴雨.闽北强降水的地形致因：闽北的西部为山势高峻的武夷山脉北段，中东部为山体高大宽厚、起伏连绵鹫峰山脉，东部为狭窄的丘陵台地.这种地形特征造成了闽北两个高强度暴雨的频发区，分别位于两大山脉的东麓，即西部的光泽县、武夷山市和东部的柘荣县、福鼎市、宁德市.

由于闽北地形复杂，海拔高度落差大，加之闽北山脉的东部是暴雨高发区及降水量的极值区，导致这些地区山洪灾害的风险性大、发生频率高，从上面的分析可知，西部、中部、东部和东南部共有11个山洪沟高致灾等级山洪暴发周期为5年，另外西部和中南部有2个山洪沟高致灾等级山洪暴发周期小于2年.

3 结论与讨论

（1）闽北各重现期6h最大降水量空间分布特点，高值区位于西部、东部和中南部部分地区，中部大部分地区为低值区；闽北5、10、20、50年重现期6h降水极值高值分别超过110、130、140、150mm.闽北西部地区短历时强降水主要由锋面暴雨引起，闽北东部地区短历时强降水主要由锋面暴雨和台风暴雨引起.

（2）闽北山洪沟低等级致灾临界雨量重现期均小于5年，其中超过半数重现期为1年；中等级致灾临界雨量重现期：西部多数为2年以内，中部多数为5年以内，东部多数山为5年.闽北山区的西北部、中北部和东北部地区，发生极端强降水的概率较低，这些区域的大多数山洪沟高等级致灾临界雨量重现期≥50年；其余地区山洪沟高等级致灾临界雨量重现期均≤10年.

（3）短历时强降水是山洪的主要致因，前期长时间低强度降水是引发山洪的潜在诱因.本文在考虑地表渗流、地面截流的基础上计算地表产流，进行山洪再现淹没模拟，提高了计算山洪致灾临界雨量的准确性.

（4）文中山洪致灾临界雨量只能应用于汛期的山洪预报预警，同时需根据山洪灾情的反馈信息对临界雨量进行修正和完善.

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