引言

自然灾害风险区划是要给出自然灾害风险分布情况，指出自然灾害出现的概率是多少，哪些地区风险大。暴雨洪涝风险区划是给出暴雨洪涝灾害风险的分布情况，李军玲等(2010)在分析洪灾形成的各主要因子的基础上，提出了基于地理信息系统(GIS)的洪灾风险评估指标模型，以降雨、地形和区域社会经济易损性为主要指标，得出河南省洪灾风险综合区划图；俞布等(2011)构建一个集致灾因子、孕灾环境、承灾体及防灾能力为一体的区域台风暴雨洪涝灾害风险评价模型，通过GIS实现各评价指标的栅格化，并利用模糊综合评价方法，编制以100 m×100 m栅格为基本评价单元的杭州市台风暴雨洪涝灾害风险区划图；郭广芬等(2009)利用重现期和百分位法给出了湖北省统一指标和分区指标统计的各站渍涝、轻涝、一般洪涝、较重洪涝、严重洪涝的历史发生次数空间分布图；苏布达等(2005)运用Floodarea模型进行了荆江分洪区洪水演进动态模拟。欧美等国家从20世纪70年代开始采用水文、水力学数值模拟方法编制洪水风险图，加拿大、澳大利亚等国编绘的洪水风险图标出了20年一遇和100年一遇的洪水淹没范围；美国的洪水风险图中指出了10、50、100和500年一遇的洪水淹没范围(章国材，2010)。本文利用基于GIS的暴雨洪涝淹没模型，以流域为界和行政区域为界制作不同重现期下强降水淹没范围，并按灾害风险定义制作风险区划图，目的是为政府决策、实时灾害风险评估、灾害防御规划及其防御工程的建设提供更准确的资料。

1 资料与方法 1.1 资料

用到的资料包含：1:25万地理信息数据、漳河流域矢量边界数据、漳河流域逐日水文雨量站数据(1969年5月1日至2011年3月1日)、漳河水库历史逐日水位、历史洪水径流、水库抗洪能力数据、钟祥历史暴雨洪涝灾情数据、常规站、自动站建站以来历史降水数据、行政区矢量边界数据。

1.2 方法

强降水造成洪涝灾害是因为降水到地面形成径流，汇流的结果，汇流以流域分水岭为边界。由漳河水库抗洪能力等相关数据确定漳河流域致灾临界水位，利用漳河流域20个水文雨量站降水数据、漳河水库观音寺水文站相应的日水位资料制作实际雨洪曲线(理论雨洪关系曲线由水库历史洪水径流、抗洪能力相关数据确定)，从而得到不同水位下的流域暴雨洪涝灾害临界面雨量。计算流域面雨量重现期、运用基于GIS的暴雨洪涝淹没模型计算不同水位下重现期降水的淹没范围和水深；运用灾害风险原理，制作风险区划图。

由于实际工作中，流域水文雨量站观测数据难以获取，本文同时尝试运用湖北钟祥行政边界、气象观测站数据制作风险区划图。

2 结果分析 2.1 漳河流域致灾临界水位

漳河发源于湖北省南漳县境内荆山南麓的三景庄，流经保康、远安、荆门、当阳等县(市)，于当阳市两河口与西支沮河汇流，全长202 km。流域为一长条形，自西北向东南倾斜，平均长约100 km、宽约30 km，流域面积2980 km²。漳河水库位于湖北省荆门市境内，漳河水库系拦截漳河及其支流而成，承雨面积2212 km²，总库容20.35×10⁸ m³(彭涛等，2010)。

从漳河水库抗洪能力表^①可知，水库设计汛限水位为122 m(观音寺水文站水位)，洪水位125 m，校核洪水位127.5 m，通过调查水库周边高程可知，122 m为水库周边平均海拔高度，如果以水库自然调蓄能力为限(超过该水位，需要人工抽排)，汛限水位即是漳河流域临界水位。

① 赵金河，陈崇德.2001.漳河水库调度运用手册.湖北省漳河工程管理局.

2.2 流域致灾临界面雨量

利用漳河流域20个水文雨量站1969年5月1日至2010年12月31日逐日降水量资料，求取漳河流域逐日面雨量数据。如图 1所示，水文雨量站点均匀分布：

$ R = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{H_i}} $

(1)

式中，R为流域日面雨量(单位：mm)，H_i为水文雨量站点日雨量(i=1, 2, …, n，单位：mm)，n为站点数。

利用观音寺站历史逐日水位和流域面雨量数据，选定汛限水位及前一日对应的水位和雨量，建立汛限水位与面雨量关系曲线(图 2a)。同时用漳河水库水位-库容关系、常年降水径流系数(漳河水库调度运用手册)等相关数据得到漳河水库汛限水位-面雨量理论关系曲线(图 2b)，图 2中的R²为拟合优度判定系数。

$ y = - 0.0002{x^2} + 0.003x + 121.98 $

(2)

式中，x为面雨量(单位：mm)，y为水位(单位：m)。

对比图 2a与2b，随着水位的增加，图 2a与2b中关系曲线的斜率绝对值均有随水位增加而逐渐变小的趋势，图 2a在汛限水位处，斜率为零。在水位119.46 m以上，理论曲线与实际曲线值较接近。水位y到达汛限所需要的面雨量x为流域致灾临界雨量，可见，在不同的水位下，流域致灾临界面雨量不同。如果面雨量大于当前水位到达汛限的临界面雨量，流域就可能发生暴雨洪涝灾害。

2.3 漳河流域洪涝灾害风险区划 2.3.1 历史洪涝灾害风险

由于面雨量大于致灾临界雨量就可能发生洪涝灾害，运用水位和面雨量资料，挑选过程面雨量(3日)超过临界面雨量的个例，做汽泡图(图 3)，图中超过临界雨量的数值为汽泡。汽泡越大，表示超过临界值的雨量越大，即洪涝灾害发生风险越大。结果如图 3所示，出现洪涝灾害风险的水位段主要在120.5~122 m之间，120.5 m以下出险的概率很小，而119.5 m以下，无出险个例。如连续几天出现风险，取第一天作为风险事件。

2.3.2 不同重现期面雨量

利用漳河流域面雨量序列资料，运用耿贝尔极值Ⅰ型分布法原理(郭广芬等，2009)，求取重现期。

极值Ⅰ型分布函数为：

$ F\left(x \right) = P\left({{X_{\max }} < x} \right) = {{\rm{e}}^{ - {{\rm{e}}^{ - a\left({x - u} \right)}}}} $

(3)

其超过保证率函数, 即Gumbel概率分布函数是：

$ p\left(x \right) = 1 - {{\rm{e}}^{ - {{\rm{e}}^{ - a\left({x - u} \right)}}}} $

(4)

重现期为概率的倒数，a及u是极大值分布参数，计算公式为：

$ a = \frac{{{\sigma _y}}}{{{\sigma _x}}} $

(5)

$ u = \bar x - \frac{{{\sigma _y}}}{{{\sigma _x}}}\bar y $

(6)

其中，x和σ_x分别为样本序列的数学期望和均方差，y和σ_y可根据不同的样本数通过查表得到。

不同重现期的面雨量可通过下式求得：

$ {X_p} = u - \frac{1}{a}\ln \left[ { - \ln \left({1 - p} \right)} \right] $

(7)

其中p为概率，即重现期的倒数，得表 1。

2.3.3 不同重现期降水淹没风险

暴雨洪涝淹没模型是基于GIS栅格数据的水动力学暴雨洪涝演进模型，运用最大坡降算法(deterministic eight node，D8) 及曼宁公式来计算水流方向及流量(孙艳玲等，2004；郭生练等，2000；贾界峰等，2010)。

由于不同水位下，临界面雨量不同，运用2.3.1节的分析，将120.5~122.0 m之间水位分成3段(120.5~121.0 m、121.0~121.5 m、121.5~122.0 m)，分别取其中值代表该段水位，按照20和50年不同重现期的面雨量计算漳河流域淹没范围和淹没水深。

$ {R_{淹没}} = {C_j} - X $

(8)

式中，R_淹没为实际用于计算流域淹没面积的面雨量，C_j为重现期面雨量，j为重现期，X为相应水位下的临界面雨量。

计算时间步长为24 h(降水随时间无变化)，同时，将计算得到的水深数据作归一化处理，并按分位数法(Quantile)分成5级，得到图 4。

2.3.4 漳河流域暴雨洪涝风险区划图

风险系数：

$ K = \sum\limits_{i = 1}^n {{K_i}{\alpha _i}} $

(9)

式中，K为风险系数，K_i为灾害发生的概率，α_i为灾害发生时受灾率，i为灾害类别。

按照风险系数的定义，K_i用面雨量的重现期(概率)表示，分别为20年(0.05)、50年(0.02)；α_i为该致灾面雨量下的淹没(用归一化的水深表示，即水深越大、受灾率越大)。由于主要风险出现在121~122 m水位段(图 3)，则漳河流域的风险分布如图 5所示。

从图中看出，中风险至高风险区位于漳河流域中下游地区、河道的周边及单站降水较强的区域。

2.4 钟祥市暴雨洪涝灾害风险区划

由于流域水文雨量站资料难以获取，尝试运用钟祥市行政边界、气象观测站降水资料(自动站降水序列延长^②)，制作钟祥市暴雨洪涝灾害风险区划图(运用10年一遇降水量)，并与2000—2010年钟祥市分乡镇暴雨洪涝灾害发生频次图对比(图 6)(致灾临界面雨量利用当地旱涝灾情资料计算)，暴雨洪涝灾害频次图采用自然断点法制作。对比图 6a和6b，中部、南部及西部高风险区对应较好，但东部对应较差。

② 郭广芬等.2010.仙桃市暴雨洪涝灾害风险区划研究.湖北省气象学会2010年年会文集

3 小结与讨论

(1) 暴雨致灾不同于其他气象灾害，暴雨并不一定会直接造成生命伤亡和人类社会财产损失，造成的灾害是通过形成径流淹没而形成，基于暴雨洪涝淹没模型的暴雨洪涝区划方法直观反映了降水径流的形成过程，能够表达暴雨洪涝灾害的形成，也反映了流域及研究区域内的暴雨洪涝灾害风险。

(2) 如果能够得到包含行政区域的流域边界及站点降水量数据，在先计算流域范围暴雨洪涝风险的前提下，再提取行政边界范围的暴雨洪涝风险，比直接运用行政边界计算更科学合理。

(3) 如果有承灾体信息，利用承灾体耐淹水深和耐淹历时数据，就可以直接得到灾害损失的风险。