基于遼寧省洪水要素及致洪雨量時空分布特征探析

王 剛

(綏中縣水利事務服務中心，遼寧 綏中 125200)

洪水災害是遼寧省最大的自然災害，其發生的洪澇災害損失都較大，其中暴雨是區域發生洪水的主要原因[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，使得夏季遼寧地區發生大量級暴雨的概率較大[3]。對區域致災暴雨洪水特征進行分析，對于防洪減災措施規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]，但是對其致災暴雨洪水時空分布特征的研究還較少，本文結合山洪災害預警指標中臨界致災雨量的概念[13]，對其近68年致災暴雨洪水時空分布特征進行研究，研究成果對于區域防洪減災具有參考價值。

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，識別區域暴雨洪水特征，選擇觀測系列較長的544個雨量站降水數據進行分析。站點分布如圖1所示?？紤]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據。

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，結合統計學方法計算其臨界雨量，主要計算方法如下。

(1)數據整理：對選取水文站點的降水、流量數據進行整理，整理內容為站點的位置、最大洪峰和洪量數值，洪峰出現的時間，洪水場次過程以及洪峰流量。在流域內降水站點的分布以及洪水發生對應時間段內的降水數據進行收集和整理。

(2)確定數據分析方法：建立暴雨洪水數據選樣標準，結合統計學方法計算產生對應洪水臨界雨量，并結合選樣標準對洪水數據進行篩選，建立超標準洪水數據系列，一般而言洪水選樣方法有3種：①歷史上造成洪水災害的暴雨洪水典型過程；②數據系列超過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洪水出現概率超高某一個設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、下墊面條件較為復雜的站點，因為降水時空分布不均，使得區域內短時強降水產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。

假定區域內有S個雨量站點，區域發生超過選樣標準洪水的場次數為N次，采用統計學模型統計不同降水時段內的總雨量，統計的時段分別為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，因此采用面積加權的方法計算面雨量值，假定區域內有S個雨量站點，區域發生超過選樣標準洪水場次數為N次，采用統計學模型統計不同降水時段內的總雨量，統計的時段分別為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

結合544個降水站點156場暴雨場次數據，對遼寧省不同分區的最大24h降水量的頻次和空間分布特征進行統計分析，分析結果見表1。

從156場暴雨特征分析數據進行統計分析發現其中，不同區域24h降水量占總降水量的80%～90%站點數比例可以達到52.5%。遼寧地區暴雨時段主要集中在降水初期的24h以內。從空間分布

表1 不同區域超標準最大24h頻次分布

看，24h超過200mm的暴雨主要分布在東南和西南區域，從發生暴雨的頻次可看出，沿黃渤海東部諸河區發生200mm以上暴雨等級的頻次為47次，渾江以下發生超過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及其他區域，發生超過200mm的暴雨頻次在10～23次之間，從年代際變化，各個區域發生超過200mm暴雨的頻次變化較為穩定，但從東南向西北呈現明顯的遞減變化，各個區域存在較大的變化差異性。

2.2 暴雨頻次空間分布結果

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

從空間分布結果可看出，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變化結果可看出，遼寧省發生暴雨的時間主要集中在3d以內，暴雨易發地區主要集中在東南部地區，遼河下游流域發生超200mm標準的暴雨的天數呈現明顯的遞減變大暴雨發生天數在0-12d/10a之間，大暴雨多發地區為丹東地區。遼河柳河口以上、柳河口以下超標準暴雨發生次數呈減少趨勢；渾河、太子河超標準暴雨發生次數呈增加趨勢；渾江口以上超標準暴雨發生次數變化不明顯；渾江口以下超標準暴雨發生次數70a之后呈減少趨勢；沿黃渤海東部、西部諸河超標準暴雨發生次數呈增加趨勢。

圖2 日降水超過100mm的頻次分布結果

圖3 日降水超過5mm的頻次分布結果

2.3 洪水要素時空分布

結合64個水文站點的場次洪水數據，統計分析遼寧省最大洪峰模式和3d最大洪量模數的時空分布，分析結果如圖4—5所示。

在考慮到流域面積對洪峰影響較大，研究將之換轉為洪峰模數，即洪峰流量/流域面積作為分析的指標?；诘乩硇畔④浖?，將水文站最大洪峰模數定位于流域中心，并采用克里金法對最大洪峰模數進行空間插值，遼寧省最大洪峰模數最大值出現與丹東地區鴨綠江流域，最小值出現與遼河西部支流，如秀水河流域、柳河流域、繞陽河流域等。此外結合遼寧省產匯流、退水特征，統計70個水文站最大3d洪量，并取其最大值分析區域特征?？紤]到流域面積對洪量影響較大，研究中采用3d洪量模數作為指標，對遼寧省3d洪量模數進行分析，從分析結果可看出，3d日洪量最大值出現于遼東等地區。最小值出現遼西和遼北等地區。

2.4 致洪雨量時空分布

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

圖4 遼寧省最大洪峰模式分布結果

圖5 遼寧省最大洪峰模式分布結果

表2 選取的遼寧省典型降雨站點致洪雨量計算結果 單位：mm

圖6 遼寧省典型致洪臨界雨量空間分布結果

從不同時段的致災雨量統計分析結果可看出，不同時段的雨量占比分別為46%、66%、86%，遼寧北部地區雨量站點的致洪臨界雨量較小，這主要和區域的產流機制有關，區域主要為超滲產流機制，使得其致洪臨界雨量小于50mm，各其他區域的致洪臨界雨量均高于50mm。從致洪臨界雨量空間分布結果可看出，在空間上致洪臨界雨量總體呈現從東向西逐步遞減的變化趨勢，東部區域致洪暴雨均在100mm以上，而北部區域致洪暴雨等級小于50mm，這一區域主要包括的城市為鐵嶺、沈陽，而西部由于發生大暴雨的次數較低，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；暴雨(日雨量大于50mm)發生頻次在3～48d/a年之間，大暴雨(日雨量大于100mm)發生頻次在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，其余地區致洪暴雨在50～80mm之間。