统计分析法在辽宁省中小河流致洪暴雨临界雨量计算中的应用

2023-02-19刘元锋李书博

中国防汛抗旱 2023年1期

刘元锋李书博

（辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司沈阳分公司，沈阳 110003）

0 引言

防洪预警可以对可能发生的洪水进行预警，提前安排部署相关防洪措施，最大降低洪水灾害产生的影响[1]，是当前流域防洪指挥决策的重要依据。辽宁省已完成大江大河部分站点及山洪灾害的预警指标体系研究[2-13]，但在中小河流预警指标的分析研究方面还是空白[14]。近些年，大江大河水利工程调度以及高防洪标准等综合作用，大江大河的洪水灾害已经得到有效控制，而中小河流洪水和山洪由于突发性强、局地短历时强降水影响，产生的洪水灾害已超过大江大河产生的灾害影响，成为当前防汛的重点[15]，亟须对区域中小河流洪水预警技术进行研究。本文在全省各防汛分区选取流域面积小于2 000 km2的中小河流的22 个代表站，结合各代表站时段降雨量和场次洪峰数据，按照5年一遇防洪标准，对各代表站不同计算时段的雨量预警阈值进行确定，并按照防洪分区进行区域综合分析，得到全省不同防洪分区的时段降雨量预警指标。

1 中小河流分区预警指标确定方法

导致洪水的原因有多种，如暴雨、冰凌、溃坝等。其中，暴雨是导致洪水发生的主要原因。洪水预警指标可由导致洪水灾害发生的最小临界雨量表征。由于洪水大小、是否成灾等特性极为复杂，致洪洪水预警指标存在不确定性和模糊性。

水文模型法和统计分析法是雨量预警指标确定常用的两种方法。水文模型法是对站点所在流域建立产汇流计算模型，通过模型按照防洪标准对其雨量预警阈值进行确定。统计分析法是结合中小河流站点长序列的暴雨洪水观测资料通过样本选择的方式，对其进行统计分析，确定超过防洪标准条件下的雨量阈值。由于水文模型法受前期降雨量影响较大，故本文采用统计分析法计算致洪暴雨临界雨量。

致洪暴雨计算以水文站集水区为计算单元，计算方法如下：

（1）资料收集。收集计算单元（水文站集水区）基本信息，包括水文站年最大洪峰流量、3 d洪量、洪水发生次数、各次洪水要素信息（洪峰、洪量等）、集水区雨量站分布情况、各次洪水的降雨资料（各站降雨量、面雨量及时空分布特征）等。

（2）确定选样标准。建立水文站暴雨洪水数据集，计算致洪暴雨时首先需确定选样标准，一般情况有3种样本选择标准：①造成洪水灾害的场次暴雨对应的洪水流量过程；②超水位或者流量预警时该场次暴雨对应的洪水过程峰值；③超过防洪标准的场次暴雨对应的洪峰和洪量值。

（3）雨量阈值的单点计算。对于复杂下垫面和流域面积较大的中小河流水文站点，由于降雨时空分布的差异，短历时强降水会在区域内部产生高于防洪标准的洪水量级，因此，需要对雨量阈值进行单个站点的计算，计算过程主要为：

若计算流域范围内雨量站的个数统计值为S，超过防洪标准的洪水次数为N，统计不同计算时段内的总降雨量，Rti为在统计时段内的降雨量最大值，将选取的中小河流代表站按照洪水次数j进行不同时间段降雨量统计，雨量预警阈值为其统计值的最小值，即：

（4）区域面平均雨量预警阈值计算。对于下垫面条件较为单一且流域面积较小的中小河流站点，由于区域降水时空分布差异程度较低，因此可以直接计算其面平均降雨量阈值。对计算区域内的面平均降雨量最大值进行不同时段的统计，若计算区域内的雨量站点数为S，且统计时段内出现的超标准洪水次数N，面平均降雨量统计时段为T个，可采用算术平均、泰森多边形、等值线方法对其面平均降雨量进行统计，按照区域实际降雨量特征进行设定，但要确定面平均降雨量计算误差。Rtj为采用滑动平均计算得到第j次洪水对应的时段雨量，则T个计算时段内的雨量面平均值的计算方程为：

2 中小河流代表站选择

辽宁省产流机制复杂：辽东地区为蓄满产流，辽西地区为超渗产流，辽东南半岛是蓄满和超渗产流同时兼具。土壤包气带在蓄满产流区净雨主要产生在饱和后，随着雨量的递增其逐步增加，造锋雨多在9～24 h。在辽西超渗产流区，净雨和雨强和雨量累计值联系密切，造锋雨多在3～9 h。结合辽宁省防汛分区（图1）对不同时段降雨量及其峰量进行系统识别，按照降雨空间分布特征、样本资料的完整和可靠程度，按照流域面积小于2 000 km2选取22个中小河流水文站点作为研究代表站，对各代表站的雨量和峰量进行相关性分析，选取的代表站所在防汛分区情况如表1所示。

图1 辽宁省防汛分区示意图

表1 代表站点信息

3 各防汛分区不同时段降水与洪峰关系分析

按照峰高量大在选取的中小河流代表站选取10场典型洪水过程，按照洪水一致性、可靠性进行场次洪水数据的筛选，建立样本数据系列。在站点以上流域汇水区域内，选取观测系列高于20 a的雨量站点作为分析站点。采用泰森多边形方法对时段长为1 h的面平均降雨量进行合理计算。基于以上数据集，分析各代表性水文站不同时段降雨与洪峰关系，本文选取部分站点进行成果展示。

3.1 太平哨水文站

结合太平哨水文站1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h降雨量数据和对应的洪峰流量，统计分析其不同时段最大降雨量与洪峰流量相关关系，如图2所示。

图2 太平哨水文站不同时段最大降雨量与洪峰流量相关图

由图2可知，太平哨水文站洪峰流量与集水区不同时段最大降雨量呈正相关关系，与最大1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h降雨量的相关系数分别为0.281 8、0.516 5、0.620 8、0.880 6、0.697 1、0.577 3。可见，洪峰流量与最大9 h降雨量相关性最强，最大1～9 h降雨量相关性逐渐增强，最大9～24 h 降雨量相关性逐渐减弱。最大9 h 降雨量是形成太平哨水文站洪峰的重要指标。

3.2 占贝水文站

结合抚顺占贝水文站1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h时段降雨量数据和对应的洪峰流量，统计分析其不同时段最大降雨量与洪峰流量相关关系，如图3所示。

由图3可知，占贝水文站洪峰流量与集水区不同时段最大降雨量呈正相关关系，与最大1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h 降雨量的相关系数分别为0.537 5、0.708 4、0.836 6、0.843 7、0.802 1、0.815 2。可见，占贝水文站洪峰流量与最大9 h 降雨量相关性最强，最大1～9 h 降雨量相关性逐渐增强，最大9～24 h 降雨量相关性逐渐减弱。最大9 h 降雨量是形成占贝水文站洪峰的重要指标。

图3 占贝水文站不同时段最大降水与洪峰流量相关图

3.3 韩家杖子水文站

结合阜新韩家杖子水文站1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h时段降雨量数据和对应的洪峰流量，统计分析其不同时段最大降雨量与洪峰流量相关关系，如图4所示。

图4 阜新韩家杖子水文站不同时段最大降水与洪峰流量相关图

由图4可知，韩家杖子水文站洪峰流量与集水区不同时段最大降水量呈正相关关系，与最大1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h降雨量的相关系数分别为0.566 2、0.786 4、0.776 9、0.674 2、0.601 5、0.586 9。可见，洪峰流量与最大3 h降雨量相关性最强，最大1～3 h 降雨量相关性逐渐增强，最大3～24 h降雨量相关性逐渐减弱。最大3 h降雨量是形成韩家杖子水文站洪峰的重要指标。

3.4 团山子水文站

结合葫芦岛团山子水文站1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h时段降雨量数据和对应的洪峰流量，统计分析其不同时段最大降雨量与洪峰流量相关关系，如图5所示。

图5 团山子水文站不同时段最大降水量与洪峰流量相关图

由图5可知，团山子水文站洪峰流量与集水区不同时段最大降雨量呈正相关关系，与最大1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h 降雨量的相关系数分别为0.637 9、0.757 5、0.705 1、0.669 0、0.623 0、0.604 3。可见，洪峰流量与最大3 h降雨量相关性最强，最大1～3 h降雨量相关性逐渐增强，最大3～24 h 降雨量相关性逐渐减弱。最大3 h 降雨量是形成团山子水文站洪峰的重要指标。

3.5 辽宁省各防汛分区

在以上站点不同时段最大降水与洪峰流量相关分析基础上，统计分析其他防汛分区站点不同时段最大降水与洪峰流量相关分析（表2）。

表2 各防汛分区站点洪峰流量与不同时段最大降水量相关系数表

由表2可知，在防汛区划各防汛分区中，Ⅰ区洪峰流量与9～24 h 降雨量相关性较好；Ⅱ区洪峰流量与6～9 h 降雨量相关性较好；Ⅳ区洪峰流量与12 h 降雨量相关性较好，Ⅴ区洪峰流量与3～9 h 降雨量相关性较好；Ⅵ区洪峰流量与与3～12 h降雨量相关性较好。Ⅲ区为平原区，无中小河流代表站，其洪水主要为大型河流洪水及城市内涝，不在本次统计中。

4 预警指标确定

4.1 各水文站雨量预警指标确定

考虑到辽宁省部分中小河流的防洪标准不高，此外水利部水文局《水情预警信息发布管理办法（试行）》推荐采用洪水要素重现期接近5 a 为蓝色预警指标，达到或超过5 a为黄色预警指标。中小河流洪水预警采用重现期5 a作为计算标准。综合考虑辽宁省不同区域的防洪特征，洪峰和3 日洪量均进行频率分析，超过5 年一遇标准对场次洪水的洪峰进行选取，5 年一遇对应的3 日洪量作为其洪量的选取。按照上述原则共对22 个代表站选取398 场超过5年一遇标准的洪水，将1964年以前降水观测数据系列质量较低的数据进行剔除，共选取340场洪水进行分析，作为雨量预警指标阈值分析的数据系列。依据各防汛分区站点洪峰流量与不同时段最大降雨量相关系数分析成果，采用前述预警指标确定方法，分别计算各水文站3 h、6 h、12 h、24 h预警指标，如表3所示。

表3 各水文站不同时段雨量预警阈值 mm

4.2 各水文站洪水预警指标确定

综合各站点洪峰流量与不同时段最大降水量相关性分析成果，对于防汛区划Ⅰ区，采用24 h 降雨量作为预警标准，对于防汛区划Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ区，采用12 h 降雨量作为预警标准；对于防汛区划Ⅴ区，采用5 h 降雨量作为预警标准。结合表3成果，采用平均法，确定辽宁省各防汛分区中小河流洪水综合预警指标，如表4所示。