基于GIS的威海母豬河流域洪水風險區劃研究

李旭杰　辛文鵬　王美琪

摘要 選取威海母豬河流域作為研究區域，依據該流域1961—1965年洪水過程為基礎資料，采用廣義極值分布函數方法計算了流域不同重現期面雨量;采用ArcGIS法計算該流域重現期面雨量空間分布;使用Flood Area模型進行淹沒模擬;采用GIS空間插值技術，疊加DEM數據，通過全面分析得到威海母豬河流域洪水風險區劃。

關鍵詞 洪水;風險區劃;重現期;雨量分布

中圖分類號：P331.1 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）04–0074–03

在各種自然災害中，洪水是最常見且危害最大的一種。洪水會毀壞農作物，淹沒農田和房屋，破壞公共基礎設施，引發滑坡、泥石流等地質災害，從而造成嚴重的經濟和人員損失。洪水風險區劃分析與區劃成果圖編制是洪水風險區劃的一個重要環節，其目的是將洪水分析結果及其相關信息根據制圖規范在地圖上清晰地表達，洪水風險區劃圖將區劃對象劃分低、中、高、極高4類風險級別，能直觀地反映全國和流域、區域洪水風險總體狀況，確定防洪功能類型及其防治特征，明確區域內部洪水風險程度，以及防治標準和緊迫性的空間分布特征，能夠清晰地反映出研究區洪水風險分布情況，在防汛決策方面發揮著至關重要的作用。對威海母豬河流域洪水風險區劃進行研究，所得風險區劃結果可以增強公眾防災意識，引導合理的避洪轉移和安置，科學地選擇開發建設場所，采取資產自保措施，對災害預防與應急處置具有重要意義。

1 研究區域

母豬河是威海市第二長河，是威海市流域面積最廣的河流，流域面積達1 115.18 km2，占文登市全市總面積的67.8%[1]。其上游的米山水庫是威海市最大的水庫。母豬河上游是水源涵養地、米山水庫飲用水源地等生態重點保護區，中部是人口密集的市區，中下游是農業灌溉區、五壘島灣等生態敏感區，干流總長65 km，縱貫文登全境，在半島南側注入南黃海。母豬河水文特征一是河川徑流的季節性變化明顯，汛期洪水暴漲暴落，而枯季徑流很小，甚至斷流河干;二是河川徑流的區域差異大，自東南向西北逐漸減少;三是河川徑流的年際變化大，豐水年與枯水年徑流量相差達10倍以上。

母豬河流域地形、干流河道及國家氣象站分布見圖1。

2 面雨量樣本選擇

首先，對母豬河流域1961—1965年歷年洪水過程進行最大值篩選。

（1）對每年、每場洪水過程繪制水位、流量變化曲線，篩選大值場次共22場，并保證年度最高水位過程在序列中。

（2）對22場最大洪水過程進行不同重現期下的極值水位、極值流量擬合求算（表1）。

（3）以最高水位與漲幅極值、最大流量與漲幅極值排序，綜合篩選確定母豬河流域10場最大洪水過程水位、流量，其中洪水過程歷年最高水位8.13 m，出現在1965年8月5日。

（4）確定每場最大洪水過程的時間—水位關系、時間—流量關系，對應極值洪水的時間—水位關系、時間—流量關系，收集該流域各氣象站的對應時段，并前推至少48 h的過程降雨資料，篩選各氣象站逐小時的降水量—水位、降水量—流量之間的響應關系，以相關系數高者用于計算流域重現期面雨量：

①收集母豬河流域內的1個國家氣象站資料，流域面雨量樣本以1個國家氣象站文登站確定（表2）;②母豬河流域降水量—水位、降水量—流量響應關系較好（表3），時效分別以累計19 h和21 h為最佳（圖2）。

3 重現期面雨量計算

降水重現期的面雨量計算，是依據歷史洪水重現期，做該流域內均勻雨量點而不考慮重現期的點雨量理論頻率計算，求出各雨量點的均值及CV值和流域平均值，以流域暴雨均值除暴雨量，即得各雨量點暴雨的K值，利用數值逼近法，反求該K值的重現期，將各點的重現期加權平均直至逼近與同次洪水重現期為止，降水中心點雨量的重現期即為所求的降水重現期。

采用46種概率分布函數分別進行流域不同重現期面雨量計算，考慮相對合理且較為極端的重現期面雨量情形，最終選擇采用廣義極值分布函數方法，結果通過柯爾莫科洛夫檢驗。

采用水位—降水量相關關系，結合不同重現期下的水位極值，計算出基于水位的不同重現期降水量;采用流量—降水量相關關系，結合不同重現期下的流量極值，計算出基于流量的不同重現期降水量;母豬河流域最終選用的結果為前者（表4）。

4 雨型分布與空間分布

4.1 雨型分布

考慮區域降水較為典型的情形，結合面雨量空間分布特點，篩選確定單場雨型（1965年7月27日）作為母豬河流域設計雨型，并求取逐時雨量系數（圖3）。

4.2 空間分布

考慮洪水淹沒范圍、降水范圍等因素，選取流域內典型場次1965年7月27日降水過程8個氣象站的雨量數據，采用反距離插值方法，獲得母豬河流域重現期面雨量空間分布（圖4）。

5 淹沒模擬計算

5.1 技術流程

洪水風險區劃技術流程見圖5。

5.2 中小河流域洪水淹沒模擬計算

5.2.1 不同重現期（T年一遇）洪水的危險性 將計算得到的流域洪水不同重現期面雨量、小時雨型分布等數據代入FloodArea模型進行淹沒模擬[2]，采用GIS空間插值技術，疊加DEM數據，得到不同重現期下淹沒圖。

5.2.2 不同重現期（T年一遇）中小河流洪水風險 不同重現期下（5、10、15、20、30、50、100年一遇）中小河流域洪水淹沒結果分別疊加人口、GDP信息，得到不同重現期下人口、GDP風險區劃圖譜[3]。

（1）不同重現期（T年一遇）洪水受影響人口數量。在不同重現期（T年一遇）洪水淹沒圖上疊加人口，得到受洪水影響的人口數量。

（2）受不同重現期（T年一遇）洪水影響的GDP。在不同重現期（T年一遇）洪水的淹沒圖上疊加GDP，得到受洪水影響的GDP，具體見圖6和表5。

（3）受不同重現期（T年一遇）內澇影響的各類型土地面積。在不同重現期（T年一遇）內澇的淹沒圖上疊加土地利用，得到受內澇淹沒的各類型土地面積[4]（表6）。

6 結論及存在的問題

6.1 結論

通過對母豬河流域洪水風險區劃，可以預判降水過程對流域內人口、GDP、土地、淹沒深度等因子造成的影響，對應7種重現期，可以有針對性地進行預防;有利于加強對災害防治區局地突發性強降水及其引發的中小河流洪水、山洪、地質災害等的氣象監測、預警及風險評估;能有效增強氣象災害預警信息發布的時效性、針對性及覆蓋率。

6.2 存在的問題

（1）氣象站資料只采用了國家氣象站，且流域內外的站點均較少且稀疏，導致雨量數據空間內插結果可能與實際存在一定差異。

（2）母豬河流域基于流量的降水量不同重現期面雨量確定結果偏小，本次采用基于水位的降水量關系確定不同重現期面雨量;由于實際洪水過程的水位、流量時間響應關系并不同步，該流域甚至出現最大水位與最大流量時距達10 h以上，有待進一步深入對比研究并分析實際情況。

（3）本文考慮了歷年洪水水位、流量的大值因素進行的洪水風險區劃，對災害事件概率的估計是否能反映流域實況還有待進一步研究驗證。

（4）未能收集實際洪水過程的災害實況驗證。中小河流域淹沒模型尚未采用個例驗證，需要進一步針對流域災情率，并驗證參數，明確模型在該流域的適用性問題。

參考文獻

[1] 左德鵬，徐宗學，李福林，等.基于SWAT模型的母豬河流域水資源時空變化特征研究[J].北京師范大學學報（自然科學版），2014，50（5）：461-466..

[2] 戴雨菡，黃路婷，李明志，等.基于Floo-dArea模型的龍須河流域暴雨洪澇淹沒模擬研究[J].氣象研究與應用， 2016，37（4）：46-49，130.

[3] 黃冬梅，黃卓帆，趙林，等.基于GIS的紅水河流域暴雨洪澇災害風險區劃[C]//第33屆中國氣象學會年會 S9 水文氣象災害預報預警.[出版者不詳]， 2016：57-63.

[4] 謝五三，吳蓉，田紅，等.東津河流域暴雨洪澇災害風險區劃[J].氣象，2017，43 （3）：341-347.

責任編輯：黃艷飛

The Study on Flood Risk Zoning of Weihai Sow River Basin Based on GIS

LI Xujie et al（Weihai Meteorological Bureau， Shandong， Weihai 264200）

Abstract Weihai sow river basin was selected as the research area. Based on the flood process of the basin from 1961 to 1965， the generalized extreme value distribution function method was used to calculate the area rainfall in different return periods. ArcGIS was used to calculate the spatial distribution of area rainfall in the return period of the basin， the flood area model was used for inundation simulation， GIS spatial interpolation technology was used， DEM data was superimposed， and the flood risk zoning of Weihai sow river basin was obtained through comprehensive analysis.

Key words Flood; Risk zoning; Return period; Rainfall distribution