云南楚雄州山洪气象风险预警临界面雨量研究

刘博文，李华宏，胡 娟

(云南省气象台，云南 昆明 650034)

1 引言

山洪指山洪沟中发生的突发暴涨洪水事件，是指在山洪沟的集水面积上短时间内强降雨远远超过它的承水量而产生的地表径流[1]。山洪沟由于山体陡峭、地势复杂、河道狭窄、河流湍急，当遇到局地性暴雨或连续降雨，山坡岩土体饱和软化，稳定性迅速降低，极易引发山洪[2]。近年来，极端天气事件多发，常发生突发性暴雨，所诱发的山体滑坡、泥石流和山洪等气象次生灾害，对公路、房屋、水库等公共基础设施造成巨大的破坏，同时还会威胁灾害发生地居民生命财产安全。山洪灾害具有突发性、降雨集中、历时短、雨量大、难预报等特点，是威胁人民生命财产安全的主要次生灾害之一，并且严重制约着山区的经济发展和生态建设，有效预警山洪灾害以降低其威胁已成为国内外关注的热点[3-6]。

楚雄州位于滇中地区，人口密度大，山地广，承灾体多。由于境内高山峡谷交错分布、不同区域的地形和海拔差异突出，小气候特征明显；干湿季分明、降水集中在汛期(5～10月份)且局地降水多发，形成了复杂的气象要素分布和立体气候特点。楚雄州位于元江、金沙江两大流域内，河流长年累月的冲刷形成较深的河谷，其两侧的岩壁十分陡峭、岩石相对松散，当有强降水发生或累积降水量过大时容易导致山体滑坡、泥石流等山地灾害的发生。并且全州位于横断山脉与云贵高原的过渡地带，地势西北高东南低，境内多山，山地面积约占全州总面积95%。地质环境脆弱、陡坡地分布面积大、地形切割剧烈、地表风化严重、地质稳定性差。哀牢山自楚雄市向南穿过楚雄州，该区域地势陡峭，土体松软，特殊的地形地貌有利于山洪灾害的形成和发生。此外，集中采矿等人为因素和地壳运动等自然因素，造成一部分山区形成新的崩塌、滑坡和泥石流，破坏了山体的稳定性，使得地质环境脆弱，山地岩土体稳定性出现退化，抵御山洪灾害的能力削弱[7]。哀牢山对降水的增幅作用是导致山洪灾害发生的外在条件，在内外因的共同作用下楚雄州山洪灾害频发。

临界雨量是山洪灾害预报预警的一个重要指标，其概念广泛应用于广义山洪灾害(包括滑坡、泥石流)的预报预警研究中[8-11]。在提高可预报性工作中，降水造成的面雨量达到或超过区域临界雨量的阈值，常被认为很有可能发生山洪灾害，应及时发布相关预警信息。由此可见，区域临界雨量的研究对山洪灾害的防灾减灾具有十分重要的意义。

云南在山洪灾害方面开展了大量的基础性研究工作，但主要是有关中尺度滤波、诊断分析及灾害风险评价[12]，而对致灾临界雨量阈值的研究相对较少[13，14]。本文通过收集区域内2014～2016年有记录的20起山洪灾害资料及气象资料，分析灾情降水与灾害发生的雨洪关系。运用区域临界雨量法求得临界面雨量的范围，再用泰森多边形法求出面雨量与灾害点临近区域站雨量的算术平均法做比较，得出初步临界面雨量修订值；通过插值法和类比法确定无观测资料区域的山洪沟临界面雨量值[15，16]，最后用2017年的灾害过程进行检验，订正后得到最终的临界面雨量值。

2 楚雄州山洪沟概况

2.1 山洪沟分布情况

图1是楚雄州山洪沟分布情况，图右下角示意楚雄州在云南省的位置。基于云南省气候中心的普查结果，运用Arcgis软件提取到楚雄境内的山洪沟有47条，主要分布在北部金沙江水系区域永仁县、大姚县、元谋县、武定县、姚安县和牟定县，北部山洪沟占整个楚雄州境内山洪沟总数的88.68%。其中永仁县境内山洪沟最多有16条，占到全州山洪沟总数的30.2%。

2.2 历史山洪灾害情况统计

山洪灾害主要发生在主汛期6～10月，分为短时强降水引发的山洪灾害和前期累计雨量较大造成岩体饱和诱发山洪。其中又以8～10月灾害发生最频繁，是因为汛期开始到8月累计降水达到峰值后，此时岩土体稳定性明显降低，此后再受到强降水的激发就更容易诱发山洪灾害。由表1可见2016年灾害事件最多，有12起，空间分布上发生在楚雄州北部的灾情占到总灾情的65%。是因为北部山洪沟多地势高，金沙江流域夏天对流云团沿着河谷发展易形成强降水，而楚雄南部、东部虽然降水相对偏多，但是地势相对较为平缓，即使降水大也不容易出灾。根据表1前五天累积降水超过大雨量级(25 mm)的占到69.6%，说明山洪灾害和前期雨量密切相关。由于灾情的收集受到一定条件的制约性，存在着有些上报的灾情不在山洪沟里，例如表1中灾害样本有20起，但所能提取出的山洪沟只有13条，而有些山洪沟成灾后没有上报，导致灾害样本减少。本文主要是围绕这13条山洪沟展开研究。

图1 楚雄州山洪沟分布图(阴影区域为山洪沟位置)

Fig.1 The distribution map of ChuXiong’s Mountain torrents (The shaded area is the position of the torrents)

3 资料与方法

3.1 资料来源

整理云南气象台收集的2014～2016年3年灾情资料和云南国土资源厅提供的部分灾情资料，有记录的楚雄州山洪灾害过程有20起，涉及8个县13条山洪沟23个灾害事件样本。采用楚雄州210个区域雨量站逐小时雨量，统计20起灾害事件的过程雨量、灾害前五天逐日降水、灾害当天1 h、3 h、6 h、12 h、24 h最大雨强，降水累计时段为当日08∶00至次日08∶00。

3.2 区域山洪临界雨量的分析思路

整理出20起灾情区域内各雨量站山洪灾害发生的时间，统计发生山洪灾害的山洪沟内雨量站个数以及发生山洪灾害的次数，统计出山洪灾害各个时段对应的降水过程中的最大面雨量平均值，即统计出每一次灾害的逐1 h、3 h、6 h、12 h、24 h最大雨强。最后选取山洪灾害样本中各时段最大面平均雨量中的最小值，作为各时段区域山洪临界雨量初值[17]，统计分析公式如下：

表1 楚雄州2014年～2016年山洪灾害发生情况统计表Tab.1 The statistics of Chuxiong’s mountain torrent from 2014～2016

(1)

3.3 泰森多边形法

由于观测站点为离散分布，需要采用泰森多边形法对雨量观测站的降水量进行区域平均降水量的计算。将研究区域内相邻的雨量观测站两两相互连接，形成三角形，对三角形的各边作垂直平分线，若干垂直平分线将研究区域划分成不同大小的几何形状，则每一个雨量站的降水量就代表这个雨量站所在多边形区域内的降水量，并称这个多边形为泰森多边形。这种方法充分考虑了各雨量观测站的权重，当某个站的位置固定不变时，则该站所占的权重也不产生变化；利用FORTRAN程序编程计算所在区域的泰森多边形，然后根据每个雨量站所占流域面积权重，采用加权法对流域各雨量站的时段降雨量进行叠加求得[19]。即：

(2)

式中：AR流域面雨量；Ri为站点i的雨量；Ai为站点i代表的面积；A为流域总面积；n为泰森多边形个数。

3.4 算术平均法

算术平均法是将某一区域或流域内某一时段所有测站的同期降水量相加后除以总测站数作为该区域或流域的面雨量。其数学表达式为：

R=(∑Ri)/N(i=1、2……N)

(3)

本文运用经纬度计算大圆距离法[20]，这里的某一区域以灾害点为中心画圆，取离灾害点最近的5个雨量站来做算术平均。因为测站太少没有表征意义，区域代表性不大；而测站太多的话，由于站点分散，虽然对灾害点雨量影响小，但会对平均雨量造成影响。

4 结果分析

4.1 全州初步临界面雨量

对于没有灾情的山洪沟可以通过全州总体的雨洪关系得到初步的临界雨量。由于统计的灾害样本空间分布不均，部分县市的灾情个例较少或者没有灾情，划分不出风险等级，因此将地质条件大致相同的县市合并分析。将金沙江流域地区的元谋县和永仁县，以及元江流域地区的双柏县3个县内10个样本归类为河谷地带样本，其余县市13个样本归为非河谷地带样本。将样本序列灾害当日雨量从小到大依次排列，画出灾害当日雨量与灾害发生频率的关系图。通过分析图2a发现当灾害当日雨量为9.2 mm、26.1 mm、48.4 mm、66.7 mm时，曲线斜率出现了4次增大，可将这4个跳跃点作为全州一个总体的不同预报预警等级的临界雨量。根据水利部和中国气象局联合制定的山洪灾害气象预警规定，并结合经验来看，在非河谷地区，降雨量<9.2 mm时山洪灾害发生可能性不大，当降雨量为9.2 mm～26.1 mm之间时，对应山洪预警级别为Ⅳ级即可能发生；当日降雨在26.1 mm～48.4 mm之间时，山洪预警级别为Ⅲ级即可能性较大；当日降雨在48.4 mm～66.7 mm之间时，山洪预警级别为Ⅱ级即可能性大；当日降雨≥66.7 mm时，山洪预警级别为Ⅰ级即可能性很大。在河谷地区地势相对平坦，激发山洪灾害的降雨量较小，但是原理相同，从图2b同样可以将7.8 mm、13.5 mm、17 mm、25.5 mm作为河谷地区4个级别预警等级的临界雨量。

4.2 三种统计方法临界面雨量

根据公式(1)(2)(3)分别用三种统计方法求出13条山洪沟所对应的1 h、3 h、6 h、12 h、24 h临界面雨量值，结果如表2所示。

结果表明，总体而言泰森多边形法求得的临界值与区域临界雨量法的结果相差不大，如果各山洪沟内有多条灾情则两种方法都能求得一个临界雨量的范围，如果各山洪沟只有一条灾情样本则两种方法都只能求得一个临界雨量值。而如果各山洪沟内只有一个关联雨量站，则两种方法结果相同，这是因为泰森多边形法考虑了所有相邻雨量站的权重；如果山洪沟内只有一个雨量站，就无法构成多边形，山洪沟内雨量站越多结果就越精确。而算术平均法临界面雨量与上述两种方法的值差别较大，这是因为根据大圆距离法取的5个雨量站是以灾害点为中心，有的雨量站和山洪沟没有关联，离得较远，所以影响了平均雨量。

图2 灾害当日雨量与灾害发生频次关系图(a非河谷地区；b河谷地区)Fig.2 The relation chart between the amount of rainfall and the frequency of disasters on the day of the disaster(a.Non-river valley area；b.Valley area) 表2 各时段3种方法临界面雨量值Tab.2 The statistics of critical surface rainfall value of three methods in each period /mm

4.3 临界面雨量的确定

由于有效灾情样本少，区域临界雨量法计算时站点偏少且没考虑站点权重，所以区域临界雨量法和泰森法结果相接近但略偏小，这两个方法都相对于算术平均法较稳定。在区域面积不大，地形相对平坦，雨量站分布较均匀的情况下，采用区域临界雨量法、泰森多边形法和算术平均法3种方法计算的面雨量结果相差不大。例如大庄河山洪沟、三木小流域山洪沟、石羊西河山洪沟和双河山洪沟。当出现局地性降雨，个别站点出现了强降水情况时，由于泰森多边形法考虑了站点分布不均匀的情况，增加了雨量站的权重系数，采用该种方法计算结果精度更高更可靠。所以综合分析采用泰森多边形法求得的面雨量作为临界雨量值，而其余没有灾情样本分析的山洪沟临界雨量值就参考4.1节全州总体的临界值。以24 h降水为例将泰森多边形法求得13条山洪沟面雨量与山洪预警临界值对应，细化到四级预警指标，得到全州47条山洪沟24 h的临界雨量值。表3选取了灾情事件中的13条山洪沟，及4.1节划分的河谷地区和非河谷地区类型各2个山洪沟展示。

5 临界面雨量检验

临界面雨量的确定还需要新灾情的验证，2017年收集到有7条山洪灾情(表4)，都发生在主汛期。灾害当日降水量除了9月6日禄丰县的灾情以外都达到了大到暴雨的量级。灾害前五天累积降水量也有5次灾情达到大到暴雨量级。灾情对应的山洪沟为盘龙河山洪沟、维的河山洪沟、进化河(大)山洪沟。

表3 楚雄州部分山洪沟24 h临界面雨量Tab.3 The 24 hours critical rainfall about partial of Chuxiong’s mountain torrent /mm

表4 2017年灾情Tab.4 The disaster in 2017

针对7月7日武定县，7月7日永仁县莲池乡，8月14日永仁县猛虎乡3条有具体山洪沟灾情的信息做检验，将4.3节求得的临界阈值替换现有的省气象台山洪灾害气象风险预警业务系统的阈值，带入相应的QPF(定量降水预报)得到如下结果。检验7月7日武定和永仁的灾情：在7月6日20时的24 h预报，武定的盘龙河山洪气象风险等级达到Ⅳ级，有一定风险。永仁的维的河山洪气象风险等级达到Ⅱ级，风险高。在7月7日08时的24 h预报，武定的盘龙河山洪气象风险等级达到Ⅳ级，有一定风险。永仁的维的河山洪气象风险等级达到Ⅱ级，风险高，两个预报时段内两条山洪沟的预警等级没有变。而在原山洪灾害气象风险预警业务系统中两个时效的预报都没有报出山洪预警等级。

检验8月14日永仁猛虎乡的灾情：在8月13日20时的24 h预报，永仁的进化河(大)山洪气象风险等级达到Ⅲ级，风险较高。而在8月14日08时的24 h预报，进化河(大)山洪气象风险等级上升达到Ⅱ级，风险高。同样在原山洪灾害气象风险预警业务系统中这两个时效的预报都没有报出山洪预警等级。

通过新阈值的预警图和原系统的预警图对比得到结论，修订的临界面雨量阈值相比于原始阈值更有指示意义。

6 结论与讨论

楚雄州2014～2016年有记录的20起山洪灾害事件中，2016年灾情事件最多，有12起；山洪灾害主要发生在主汛期6～10月，分为短时强降水引发的山洪灾害和前期累计雨量造成岩体水分饱和诱发山洪。其中发生在楚雄州北部的山洪事件数占到全州总灾害事件数的65%。

区域临界雨量法因不考虑雨量站权重，计算结果略偏小。泰森多边形法因考虑了各雨量站的权重，且当测站固定不变时，各测站的权重也不变，结果相对较合理，精度也较高。算术平均法取的雨量站点与山洪沟关联性相对较差，会影响面雨量计算值。所以最终采用泰森多边形法求得的临界面雨量值比较合理。

对于没有灾情的山洪沟通过全州总体的雨洪关系得到不同预报预警等级的临界雨量值。楚雄州非河谷地区山洪灾害气象预警Ⅳ级～Ⅰ级对应的临界雨量值为9.2 mm、26.1 mm、48.4 mm、66.7 mm，河谷地区山洪灾害气象预警Ⅳ级～Ⅰ级对应临界雨量值分别为7.8 mm、13.5 mm、17 mm、25.5 mm。

经2017年山洪灾情检验，修订后的临界面雨量阈值相比于当时业务系统中的原始阈值更有指示意义。但由于QPF的准确性还有待提高，并且灾情样本太少导致楚雄州的临界面雨量阈值尚没有细化到每一条山洪沟，所以后续工作还要加强灾情的收集及提高QPF的预报准确率。