渭河下游洪水災(zāi)害的降水危險性評估與區(qū)劃*

摘要：大氣降水的不規(guī)則運動是引發(fā)洪水災(zāi)害的重要因素。通過對“小洪水、大災(zāi)情”特性顯著的渭河下游洪泛區(qū)的洪水特性、降水規(guī)律以及二者的關(guān)系進行分析，利用插值計算法進行降水量和降水變率空間分析，評估并區(qū)劃了研究區(qū)汛期洪災(zāi)風(fēng)險的降水危險性。主要結(jié)論為：①季節(jié)性的強降水過程是引發(fā)渭河下游洪水災(zāi)害的重要因素，連續(xù)暴雨或大范圍暴雨往往帶來洪水災(zāi)害；②汛期降雨量呈現(xiàn)出顯著的南多北少特征，且從東南到西北依次遞減，咸陽、高陵縣、大荔縣西北部降水量偏低，而秦嶺北麓的華縣、華陰及西安市區(qū)降水相對豐富；③汛期降水變率雖然呈現(xiàn)出相間分布的特征，但降水量變化較大的區(qū)域（西安市區(qū)、華縣以及潼關(guān)縣東南部）都集中于南部的秦嶺北麓；④根據(jù)降水量越大，影響度越高，降水變率越大，降水量越不穩(wěn)定，洪水危險性越高的原則，進行洪災(zāi)的降水危險性評估與區(qū)劃，結(jié)果顯示降水危險性較高與較低區(qū)域呈環(huán)狀相間分布，危險性較高的區(qū)域更多地分布于渭河干流南岸。

關(guān)鍵詞 渭河下游；洪災(zāi)危險性；降雨量；降雨變率

中圖分類號 P333 文獻標識碼 A 文章編號 1002-2104（2011）02-0106-06

洪水災(zāi)害主要是指由于大氣降水的不規(guī)則運動所引起的洪水給人類正常生活、生產(chǎn)活動帶來的損失與禍患［1］，具有高維性、復(fù)雜性、不確定性、開放性、動態(tài)性和非線性等特點［2］。近年來，渭河下游 “小洪水、大災(zāi)情”的洪災(zāi)特征日趨顯著，直接威脅著民眾安危并制約了區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展［3］。而誘發(fā)洪災(zāi)的首要因素是夏季西太平洋副熱帶高壓帶來的高強度季節(jié)性降水，較長時間的連陰雨、連續(xù)暴雨或大范圍暴雨往往引發(fā)洪水，加之渭河下游泥沙淤積嚴重，且淤積的重心不斷向上游延伸，范圍也不斷向上游擴展［4］，“地上懸河”導(dǎo)致汛期洪災(zāi)損失嚴重。

渭河下游泥沙淤積［5］、河道變遷［6-7］、潼關(guān)高程［8］等問題已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和流域管理部門的研究焦點，許多學(xué)者在渭河流域洪澇災(zāi)害的成因分析和防汛對策、水沙變化的水文特性和趨勢分析等方面進行了大量的研究和探討。趙景波等對較長尺度的渭河洪水變化及其影響進行了深入研究［9-10］；胡安焱等利用近50年來降水、水土保持措施、水利措施及工業(yè)生活用水等方面的資料，分析了降水和人類活動對渭河流域水沙變化的影響［11］；王雁林等系統(tǒng)地分析了陜西省渭河流域生態(tài)環(huán)境需水量的界定范圍［12］；李景宜等對渭河中下游洪水特性及其所引發(fā)的景觀變化、土地風(fēng)險、洪水資源化潛力等問題進行了分析評估［3，13-17］。

洪水危險性分析是研究受洪水威脅地區(qū)可能遭受洪水影響的強度和頻度，具體到渭河下游洪泛區(qū)，分析并定量評估汛期（7-10月）降水的空間分布強度（即洪災(zāi)風(fēng)險的降水危險性評估與區(qū)劃）是開展洪水危險性評估、科學(xué)有效地防災(zāi)減災(zāi)的重要基礎(chǔ)工作。

1 渭河下游洪水與流域降水

1.1 洪水特性及其成因

渭河流域絕大部分為開闊的平原，河道比降小。由于上游來水和下泄能力的矛盾突出，加之受季風(fēng)氣候影響，降水集中的7-10月，長時間的連陰雨、連續(xù)暴雨或大范圍暴雨往往帶來洪水災(zāi)害。近年來渭河下游泥沙淤積嚴重，淤積的重心不斷向上游延伸，范圍也不斷向上游擴展，使渭河幾乎每年汛期都有不同程度的洪災(zāi)出現(xiàn)。

經(jīng)過對20世紀50年代以來渭河流域洪水災(zāi)害有關(guān)資料的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)1954-2002年共出現(xiàn)洪災(zāi)45次，年平均近1次，其中，50年代3次，60年14次，占總次數(shù)的31％，70年代、80年代和90年代均為9次。同一年內(nèi)出現(xiàn)3次洪災(zāi)的有1962、1966、1970和1996年，以60年代最多，究其原因，除了降雨本身偏多外，水利防洪設(shè)施較差，河道防洪能力較弱也是重要原因：同一年內(nèi)出現(xiàn)2-3次洪災(zāi)的年份數(shù)除80年代為2次外，60年代、70年代和90年代均為3次。45次個例中有8次是全流域性的嚴重洪澇，其中70年代出現(xiàn)最多為3次，90年代次之為2次，其余均為1次。

從洪水年內(nèi)發(fā)生的時間方面分析，最早出現(xiàn)在5月上旬，汛期出現(xiàn)頻率最高值集中在7月和8月，均為18次，其中7月下旬最高達11次，以后逐旬減少，最遲出現(xiàn)在10月中旬。從洪水發(fā)生的區(qū)間方面分析，由于中下游的北部分別有涇河與北洛河兩條主要支流，加之秦嶺北麓渭河的南山支流較多，所以中下游發(fā)生洪災(zāi)的幾率較高，占總數(shù)的60％，且中游多于下游。

三門峽水庫建庫前，渭河主河槽的泄洪能力為4 500-5 000 m3／s，1960年三門峽水庫蓄水運行后，渭河水流流速變緩，河道比降變緩，沖淤平衡失控，造成下游河道的大量淤積，導(dǎo)致下游河道主槽過流斷面逐年萎縮，河道過流能力大幅度降低，使渭河下游由一條沖淤平衡的地下河逐漸淪為一條“地上懸河”，直接影響著渭河的行洪能力。

渭河下游洪泛區(qū)包括河流沿線的9個縣（區(qū)）（即：咸陽市區(qū)、西安市區(qū)、高陵縣、臨潼區(qū)、渭南市區(qū)、華縣、華陰市、大荔縣和潼關(guān)縣），總面積7 997 km2，緯度34.17-35.03°，經(jīng)度108.56°-110.42°（見圖1）。

Fig.1 Distribution of weather stations hydrological stations[HJ*3/5][HT9.5SS]

20世紀90年代以來，渭河下游河槽淤積加劇，洪水過程線由尖瘦逐漸變得矮胖，洪峰出現(xiàn)明顯推后，洪水歷時顯著延長，峰現(xiàn)時刻比20世紀70年代滯后了許多（見表1）。

李景宜：渭河下游洪水災(zāi)害的降水危險性評估與區(qū)劃中國人口#8226;資源與環(huán)境 2011年 第2期表1 華縣站歷史洪水特征值及災(zāi)情

54031342.81606.031.921928.0×108元華縣站1977年最大洪峰流量為4 470 m3/s ，洪水過程陡漲陡落，從900 m3/s 起漲到回落，總歷時56 h；1992年洪峰比1977年洪峰小520 m3/s，洪峰卻比1977年推后了約48 h，洪水歷時延長了50 h；2003年最大流量為3 540 m3/s，洪峰流量比1977年小930 m3/s，峰現(xiàn)時刻卻比1977年推后了大約88 h，洪水漲落時間為219 h，洪水歷時延長了2.92倍，洪水的漲落水段上都有明顯的平臺段，其洪水歷時之長為歷史罕見。由此可見，渭河下游洪水隨著時間推移呈現(xiàn)出歷時變長、水位變高和峰現(xiàn)時間錯后以及災(zāi)害嚴重的顯著特點［18］。

河道淤積、河槽泄洪能力下降是上述洪水過程特征變化的根本原因。三門峽水庫建庫前，渭河主河槽的泄洪能力為4 500-5 000 m3/s，1960年三門峽水庫蓄水運行后，渭河水流流速變緩，河道比降變緩，沖淤平衡失控，造成下游河道的大量淤積，導(dǎo)致下游河道主槽過流斷面逐年萎縮，河道過流能力大幅度降低，使渭河下游由一條沖淤平衡的地下河逐漸淪為一條“地上懸河”，直接影響渭河的行洪能力，因而引發(fā)了“1992.8”、“1996.7”、“2003.8”等小流量、高水位洪水，形成小水大災(zāi)的洪災(zāi)特性（見圖2）。

圖2 渭河下游華縣站歷年主槽過洪能力

Fig.2 Flooding capacity of huaxian station [HJ*3/5][HT9.5SS]

1.2 洪水水量特征

暴雨洪澇是渭河中下游地區(qū)的主要自然災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計，1960-2000年渭河下游咸陽站洪峰流量大于1 000 m3/ s的洪水共116次，華縣站洪峰流量大于1 500 m3/ s的洪水共108次。干流各站多年平均洪水水量與多年平均徑流總量進行比較（見表2），洪水水量均值占徑流總量均值的33.1%-36.7%，說明洪水在年徑流總量中所占比例是比較大的，而洪水發(fā)生的時間與每年7-10月的降雨集中時段相吻合，因此，可以說，渭河下游季節(jié)性的強降水過程是引發(fā)洪水災(zāi)害的重要因素。

2 汛期降水危險性評估與區(qū)劃

2.1 研究區(qū)降水特征

渭河流域?qū)俅箨懶詺夂颍哂卸居暄┥佟o霜期短、春季升溫快、晝夜溫差大的特點，多年平均降水量683．6 mm，局部可達1 000 mm。流域降水量及其年內(nèi)分配受東亞大氣環(huán)流和流域特殊地形的影響，形成每年10月至次年3月冬春少雨的特點，降水量僅占年總量的20％；夏秋季隨著太平洋副熱帶高壓北展西延，西南季風(fēng)盛行，降水量大增，4-9月降水量占年總量的80％。流域內(nèi)的降水量分布極不均勻，由東南向西北遞減。

渭河流域內(nèi)較長時間的連陰雨，連續(xù)暴雨或大范圍暴雨往往帶來洪水災(zāi)害，而降水量年內(nèi)分配不均和年際變化強烈是形成渭河流域洪水的主要原因。研究區(qū)降水具有區(qū)域性和季節(jié)性的特點：區(qū)域性是指陜南洪水，多由大面積暴雨形成，產(chǎn)流率高，峰體較胖，一次洪水過程一般在5-7天左右；陜北洪水多由局地暴雨形成，峰體尖瘦，洪峰陡漲陡落，一次洪水一般維持1-2天，甚至幾個小時；而渭河下游洪泛區(qū)由于地勢較緩，洪水特性呈陜南、陜北過渡狀。季節(jié)性是指發(fā)生在不同季節(jié)的洪水各有差異，春秋兩季降雨一般持續(xù)時間長，范圍廣，形成的春汛和秋汛洪水一般峰體胖，峰值小，洪量大，持續(xù)時間長；而盛夏洪水往往持續(xù)時間較短，峰值大，洪量小。兩者形成鮮明對照，但單次洪水都具有短歷時，高流速，大含沙的共性。

2.2 降水量、降水變率插值分析

降水量和降水變率是影響洪水特性的主要氣象因素。

降水量是誘發(fā)洪水的首要因素，降水量越大則形成洪水的可能性越大、災(zāi)情也越嚴重，降水量可以用年降水深度來表征。降水變率是降水平均偏差與多年平均降水量的百分比，是衡量降水穩(wěn)定程度的指標。降水變率越小，說明降水年際變化越小，降水量越穩(wěn)定；降水變率越大，降水量年際變化大，往往引起旱澇災(zāi)害［19］。由于研究區(qū)的降水量主要集中在7-10月，這一時段降水量約占全年降水量的60%以上，因此，本次研究中采用9個區(qū)的多年平均汛期雨季（7-10月）降水量和降水變率來綜合表征降水對洪水危險性的影響。

空間化的降雨信息對區(qū)域水文、水資源分析以及區(qū)域水資源管理、旱澇災(zāi)害管理、生態(tài)環(huán)境治理意義重大，這些研究大多需要空間化的降雨數(shù)據(jù)作為環(huán)境因子參數(shù)，而站點外區(qū)域的降雨信息通常由臨近站點的觀測值來估算，即進行降雨信息的空間插值［20］。

降水資料主要來自研究區(qū)內(nèi)的17個氣象站和水文站（見圖1）1961-2005年的降水數(shù)據(jù)。首先計算多年平均汛期雨季（7-10月）的降水量和降水變率，再通過各測站的經(jīng)緯度坐標定位到地圖上，形成平均汛期雨季降雨量和降水變率點狀圖，然后以該點狀圖為基礎(chǔ)，在ArcGIS 9的桌面軟件ArcMap中采用以插值點與樣本點間的距離為權(quán)重進行加權(quán)平均的反距離權(quán)重（IDW—Inverse Distance Weighted）插值法進行空間插值，并采樣得到分辨率為90 m×90 m的面狀柵格圖，空間分析中的范圍以研究區(qū)的政區(qū)邊界圖為基準，投影也與邊界文件相同。最后，將多年平均汛期雨季降雨量和降水變率插值圖進行聯(lián)合，通過其所屬級別賦予不同的影響因子，從而制作得到綜合降水因子對洪水災(zāi)害可能形成的影響度區(qū)劃圖。

對于不同量綱和不同級別的數(shù)據(jù)，標準化過程中綜合了公式法（公式1）和專家分級賦值法［21］。

N=I-IminImax-Imin×(0.9-0.1)+0.1（1）

式中，I是原始系列數(shù)據(jù)，Imin和Imax分別為其中的最小值和最大值，N是標準化后的值。經(jīng)過標準化后的值在［0.1，0.9］之間。當處理后的數(shù)據(jù)分布不均勻時，采用分級賦值法盡量使數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。

圖3和圖4分別為分辨率為90 m×90 m的多年平均汛期雨季降雨量和降水變率插值圖。可以看到，研究區(qū)汛期降雨量呈現(xiàn)出顯著的南多北少特征，從東南到西北依次遞減，咸陽大部、高陵縣、大荔縣西北部降水量偏低，而秦

圖3 汛期降雨量插值圖

Fig.3 Interpolative picture on rainfall[HJ*3/5][HT9.5SS]

圖4 汛期降水變率插值圖

Fig.4Interpolative picture on rainfall change rate[HJ*3/5][HT9.5SS]

嶺北麓的華縣、華陰及西安市區(qū)降水相對豐富；汛期降水變率雖然呈現(xiàn)出相間分布的特征，但降水量變化較大的區(qū)域（西安市區(qū)、華縣以及潼關(guān)縣東南部）都集中于研究區(qū)南部的秦嶺北麓。

2.3 降水危險性區(qū)劃

根據(jù)降水量越大，影響度越高，降水變率越大，降水量越不穩(wěn)定，洪水危險性越高的原則，確定出降水因子對洪災(zāi)形成的影響度劃分標準，影響度的值域定義在（0，1）之間（見表3）。在ArcToolbox中首先利用Combine函數(shù)將多年平均汛期雨季降雨量和降水變率插值圖進行聯(lián)合，并將屬性數(shù)據(jù)輸出，然后利用IDL語言按照影響度劃分標準編寫程序，最后將賦值計算結(jié)果存為dbf格式，在ArcMap中進行屬性合并，通過分類符號設(shè)置，從而得到分辨率為90 m×90 m的洪水的降水危險性區(qū)劃圖（見圖5）。圖中，影響度值越高的區(qū)域，其降水引發(fā)洪水災(zāi)害的發(fā)生幾率就越高、災(zāi)情就越嚴重，洪災(zāi)的危險性就越大。可以看出，降水危險性較高與較低區(qū)域呈現(xiàn)出環(huán)狀相間分布的特點，同時，危險性較高的區(qū)域更多地分布于渭河干流南岸，這個結(jié)論與近年來渭河下游每遇洪水則南岸支流更易潰堤泛濫的現(xiàn)實情況較為吻合。

表3 降水影響度劃分標準

Tab.3 Dividing standard for the affecting degrees

of precipitation factors

項目Item[ZB(][BHDG6mm，WK49mmW]降水量(mm) Precipitation[BHDWG6mm，WK8mm，WK11mm。3，WKW]< 329329-340340-355355-377> 377[ZB)W][BHDG21mm，WK15mm，WKW]降水變

率(%)[ZB(]< 28.30.30.40.50.60.728.3-28.60.40.50.60.70.8>28.60.50.60.70.80.9[ZB)W]3 結(jié) 論

大氣降水的不規(guī)則運動是引發(fā)洪水災(zāi)害的重要影響?yīng)?/p>

圖5 綜合降水影響因子圖

Fig.5 AFfecting factor’s image of the

integrated precipitation[HJ*3/5][HT9.5SS]

因素，這一特點在降水季節(jié)性較強的季風(fēng)氣候區(qū)尤為顯著。本次研究以“小洪水、大災(zāi)情”的渭河下游洪泛區(qū)為例，對洪水特性、降水規(guī)律以及二者的關(guān)系進行分析，通過降水量和降水變率的插值計算，定量評估并區(qū)劃了研究區(qū)汛期洪災(zāi)風(fēng)險的降水危險性。主要結(jié)論為：季節(jié)性的強降水過程是引發(fā)渭河下游洪水災(zāi)害的重要因素；汛期降雨量呈現(xiàn)出顯著的南多北少特征，且從東南到西北依次遞減，咸陽、高陵縣、大荔縣西北部降水量偏低，而秦嶺北麓的華縣、華陰及西安市區(qū)降水相對豐富；汛期降水變率雖然呈現(xiàn)出相間分布的特征，但降水量變化較大的區(qū)域（西安市區(qū)、華縣以及潼關(guān)縣東南部）都集中于南部的秦嶺北麓；降水危險性較高與較低區(qū)域環(huán)狀相間分布，危險性較高的區(qū)域更多地分布于渭河干流南岸。

當然，洪水風(fēng)險的影響因素除了降水之外，還包括水系、地形、水利設(shè)施以及各項洪水管理措施等因素，后續(xù)的研究工作會不但要進一步提高數(shù)據(jù)點的采集密度，減少由于插值分析而產(chǎn)生的誤差，更要綜合考慮洪水危險性的其他影響因素，為流域洪水危險性評估以及防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃的制定提供參考。

(編輯：于 杰)

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Evaluation and Regionalization of Precipitation Fatalness for Flood

in Lower Reacher of Weihe River

LI Jingyi1，2

(1. Key Laboratory of Disaster Survey Mechanism Simulation of Shaanxi Province， Baoji Shaanxi 721013，China;2.Key

Laboratory of Western China’s Environmental Systems (Lanzhou University） Ministry of Education， Lanzhou Gansu 731000， China)

Abstract Erratic behavior of precipitation is the important factor which causes flood disaster.Flood characteristics， precipitation variation and their relationship were analyzed. By interpolating algorithm for precipitation and its change rate， precipitation fatalness in flood season was evaluated and zoned. Seasonal strong precipitation is the important factor that causes flood disater in lower reacher of Weihe River. Continuous torrential rain and wide range rainstorm usually fetch flood disaster. Precipitation in flood season shows descending remarkably from southeast to northwest by turns. It is on the low side in Xianyang， Gaoling and northwest of Dali. And it is abundant comparatively in northern slope of Qinling， such as Huaxian， Huayin and Xi’an. Change rate of precipitation shows interphase distribution. Remarkable variation regions all converge in northern slope of Qinling， such as Xi’an， Huaxian and southeast of Tongguan. Based on the principle between precipitation and its change rate， higher fatalness of precipitation regions alternate with the lower regions， and the higher regions usually distribute circlewise on the southness shore of mainstream watershed of the Weihe River.

Key words lower reaches of Weihe River; flood fatalness; precipitation; change rate of precipitation