基于FloodArea模型的新源县则克台流域暴雨洪涝灾害临界雨量研究

楚丹丹，张琦

（1.巩留县气象局，新疆伊犁 835400；2.新源县气象局）

暴雨洪涝灾害是最为常见的自然灾害现象之一，山区的暴雨洪涝灾害尤为突出和严重，对于无实测水文数据的小流域，山形复杂导致暴雨洪涝致灾因子具有很强的随机性和不确定性，因此，灾前风险评估和预警预报备受各级政府及气象部门的高度关注。临界雨量是洪涝灾害预警预报的重要指标之一，指某一时段一定面积上，一个流域内的平均雨量达到或超过某一量值时，该流域可能发生洪灾，该量值就为临界面雨量[1-2]，一般用1 h或几小时降雨量表示。确定了致灾临界雨量，就可以从源头密切跟踪和监测洪水动态，并根据降水实况和气象预报做出精准山洪预警。基于地理信息系统和计量评价模型，学者们对各地区暴雨洪涝灾害进行了风险评估和区划研究[3-5]，比较成熟的临界雨量的确定方法主要有统计归纳法和水位反推法[5-7]，为本文研究提供了方法借鉴。

新疆伊犁地区新源县是全疆降水量最多地区，近些年由降水诱发的气象灾害及衍生灾害十分频繁，其中洪涝灾害最为严重。则克台流域下游入河段的8 km河道近30年来向东西两岸扩张近120 m，尤其自1990 年以来，河道向两岸加速扩张，两岸植被相继破坏，近3 年来先后有50 户约200 个居民被迫搬迁。研究探明该流域暴雨洪涝灾害的致灾成因及临界雨量，对本区域防灾减灾具有重要意义。本文利用基于ArcGIS 平台开发的FloodArea 二维水动力淹没模型，对无水文资料新源县则克台流域进行山洪过程的模拟，采用相关系数计算得到淹没深度-降水的关系，通过不同等级的淹没深度反推出致灾临界雨量，据此可对当地山洪灾害做出准确的预测与评估。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

新源县则克台流域地处北纬43°05′～43°41′，东经82°28′～84°34′之间，为伊犁河谷支流巩乃斯河下游，地形特点呈北高南低，地貌分为山区（平均海拔2 630 m）、丘陵区（平均海拔1 150 m）和平原区（平均海拔836 m）。多年平均年降水量在270～880 mm 之间，其分布特点是东部多、西部少。最大月降水量一般出现在5～6 月，占年降水量的14%左右；区域内年平均气温在1.4～8.9 ℃，极端最高气温39.8 ℃，最低气温-32.0 ℃；全年日照时数为4 442 h。多年平均水面蒸发量在802.0 mm。平均积雪深度为20～30 cm，最深达67 cm。则克台流域系巩乃斯河一级支流，流域面积136 km2，河长29 km2，水源以融雪和降雨补给为主，径流的四季分配较为均匀，夏水占年降水量的40%左右，春水多于秋水，占年降水量的25%以上。洪水以春季升温融雪型洪水和夏季暴雨融雪混合型洪水为主。春季融雪型洪水多出现在4～5月；夏季暴雨融雪型洪水出现在6～8月，春季升温融雪型洪水次数多于夏季暴雨融雪型洪水。

1.2 数据资料

1.2.1 气象资料

收集新源县则克台流域内区域自动气象站和水文站的基本信息。

1.2.2 基础地理信息

从NASA 网站下载覆盖研究区30 m 数字高程（DEM）数据；从地理空间数据云下载覆盖研究区域的1 km土地利用数据。

1.2.3 历史灾情资料

从新源县气象局获取历史典型洪水过程灾情记录，包括雨情、水情记载、灾害损失、影响人数、水毁工程、场次水灾发生时段及淹没信息（空间分布、水深、面积、淹没历时等）。

1.2.4 隐患点的实测数据

主要针对研究区内的居民点、公路、铁路、桥梁、农田、厂房及其他建筑或公共场所，在灾害发生时易受洪水淹没的地方或建筑设施等灾害隐患点。

2 研究方法

2.1 FloodArea模型计算原理

本文运用FloodArea 模型对研究流域一次淹没过程进行反演。FloodArea模型是基于GIS栅格数据和水动力方法，利用二维非恒定流水动力模型，同时考虑一个栅格周围8个单元的洪水淹没模型（见图1）[8-9]。该模型在山地地区模拟效果比平原地区好，已在国内外科研及工程等部门得到了运用。

图1 栅格单元划分

2.2 皮尔逊相关系数分析法

本研究采用Pearson相关系数分析法[10]，对模拟出的洪水淹没深度与逐小时降水量进行相关分析，计算公式如下：

式中：n 为样本数，xi 和yi 分别为2 个变量的变量值分别为2变量的均值。

3 结果分析

3.1 数据处理

3.1.1 降水空间分布权重

降水空间分布权重表示一个区域不同地方降水占整个研究区的权重比例[11]。本文运用克里金插值法来确定该区域的降水空间分布权重（见图2）。

图2 降水空间分布权重

3.1.2 地表水力糙度

地表水力糙度是衡量河道粗糙程度和形状不规则性影响的一个综合性指数[12-13]。本文利用新疆土地利用类型数据，对不同土地利用类型水力糙度赋初值并调整参数（见图3），按建筑用地、水域、旱田、水田和林地5 种类型确定地表水力糙度，按照经验值分别取18、25、33、40和50。

图3 地表水力糙度

3.1.3 典型降水过程面雨量的确定

根据历史灾情资料，选取了2015 年5 月12日、2016 年4 月29 日、2016 年6 月17 日及2016年6 月29 日则克台流域的4 次降水过程作为本研究的典型降水过程，得到逐小时平均降水数据，作为该区域内一次降水过程的面雨量数据，并生成文本文件。

3.1.4 隐患点的实测数据采集

本研究在该流域的中下游选取了2个山洪淹没点进行淹没深度的测量，针对本次暴雨洪涝灾害，对淹没点的地名、经纬度、淹没深度等数据做记录（见表1）。

表1 2016 年6 月17 日则克台河流域洪水灾后实地考察

表2 考察点实测水深与模拟水深对比

3.2 降水-淹没深度关系的建立

本研究选取2 个考察点（见图4），其中则克台镇-1 记为考察点1，则克台镇-2 记为考察点2，分析考察点处逐时不同累积时效的面雨量和模拟洪水过程线的相关关系，取相关系数最好的一组换算表达式，得到预警点淹没某一深度时对应的面雨量，这就是考察点淹没达到或超过某一量值时的致灾临界面雨量。本研究中考察点1 累积5 h 雨量相关性最好，考察点2累积5 h雨量相关性最好，相关系数分别为达到0.833和0.603，淹没水深和面雨量的换算表达式为：

图4 模拟水深检验的隐患点位置

式中：y分别为考察点1和考察点2的面雨量；x分别为考察点1和考察点2的淹没深度。

3.3 精度检验

通过2017年6月29日淹没的真实深度对模拟的淹没深度进行精度检验，如表2所示。可以看出，考察点1实测水深为0.94 m，模拟水深为0.61 m，相对误差为0.34 m，误差率为35.11%；考察点2实测水深为1.05 m，模拟水深为1.03 m，相对误差为0.02 m，误差率为1.90%。FloodArea模型对研究区洪水过程模拟的效果较好，可以反映出该区域的洪水淹没情况，能为无水文资料的山区流域的山洪过程进行较为精准的模拟。

3.4 致灾临界雨量的确定

按照山洪灾害等级划分标准，确定漫坝、淹没预警点20 cm、60 cm、120 cm和180 cm分别对应四级、三级、二级和一级洪水淹没标准，依据降水-淹没深度的关系得出：预警点累积5 h降水得到对应四级、三级、二级和一级山洪的致灾临界雨量分别为：13.18 mm、21.46 mm、33.87 mm和46.29 mm（见表3）。

表3 不同淹没等级的致灾临界雨量

4 结论

本文以则克台流域为研究区，运用小时降水数据、土地利用类型数据、数字高程数据（DEM）、实测淹没深度等数据，基于FloodArea 模型对研究区2015 年5 月12 日、2016 年4 月29 日、2016 年6 月17 日和2016 年6 月29 日洪水过程进行再现模拟，通过精度验证并建立了降水-淹没深度的关系，得出了研究区致灾临界雨量，结果如下：（1）通过Pearson 分析了则克台镇-1 和则克台镇-2 逐时不同累积时效的面雨量和模拟洪水过程线的相关关系，并得出则克台镇-1 和则克台镇-2 都是累积5 h 降雨量与模拟洪水淹没深度的相关性最好，分别达到了0.833 和0.603。（2）通过实测数据对模拟的淹没深度进行精度检验，则克台镇-1 和则克台镇-2 两个考察点相对误差分别为0.34 m 和0.02 m，误差率分别为35.11%和1.90%。结果表明：FloodArea 模型对研究区洪水过程模拟的效果比较好，可以反映出该区域的洪水淹没情况，能为无水文资料的山区流域的山洪过程进行较为精准的模拟。（3）按照山洪灾害等级划分标准和降水-淹没深度的关系得出：预警点累积5 h 降水得到对应四级、三级、二级和一级山洪的致灾临界雨量分别为：13.18 mm、21.46 mm、33.87 mm 和46.29 mm。