摘 要： 以辽宁省基础水文数据库为依托, 选取544个雨量站、64个水文站作为代表站, 采用ArcGIS空间分析等技术, 系统识别辽宁省暴雨洪水要素空间特征。在此基础上, 综合暴雨洪水发生的频次和量级两方面特征, 采用可变模糊聚类方法对辽宁省进行暴雨洪水区域划分, 并对各分区暴雨洪水特征进行统计, 为辽宁省防洪减灾决策提供参考。
关键词： 辽宁; 暴雨洪水; 可变模糊聚类;
1、 概况
辽宁省位于我国东北地区南部, 东北、西北、西南分别与吉林、内蒙、河北3省毗连, 东南与朝鲜民主主义人民共和国隔鸭绿江相望, 南濒渤海及黄海。土地总面积14.84万km2。
辽宁省地处温带半湿润和半干旱的季风气候区。四季分明, 雨热同季, 日照丰富, 干燥多风;各地因自然地理条件不同, 气候差异显着。暴雨洪水是辽宁省主要的自然灾害之一, 发生频率高、损失程度重[1,2,3], 导致辽宁省暴雨的气候成因包括北上台风、较强西风槽及相应的地面冷锋、华北气旋、江淮气旋等天气系统[4];另外, 副高后部降水、冷涡、切变线等往往也是造成局部暴雨的天气系统之一。
统计1949—2017年辽宁省洪灾资料, 可以发现辽宁省雨洪灾害特征: (1) 发生次数上, 东南沿海频次高, 西北内陆频次低; (2) 受灾面积分布上, 中部重, 东西两侧轻; (3) 在经济损失上, 经济越发展损失越大; (4) 在死亡人数上, 随时间呈现递减趋势。
2 、研究资料及方法
2.1、 资料来源
为系统识别辽宁省暴雨特征, 在辽宁省基础水文数据库的基础上, 选取资料系列完整、代表性较好的544个雨量站作为代表站, 收集1950—2013年日尺度及小时尺度的降水数据, 统计其特征参数并进行空间展布, 识别辽宁省暴雨空间特征。
在洪水方面, 考虑到大江大河干流流量受水库调节影响极大, 研究选用资料系列较长、区域代表性好且集水面积小于2 000 km2的64处水文站作为代表站。按最大值原则每站筛选出10～20场次洪水, 合计924场洪水用以分析区域洪水特征。
2.2 、研究方法
在上述数据的基础上, 基于ArcGIS平台, 采用泰森多边形法、克里金插值法对数据进行空间离散, 识别辽宁省暴雨洪水区域性特征;并采用可变模糊聚类法进行暴雨洪水分区, 对雨洪特征进行综合描述。
可变模糊聚类模型[5,6]通过聚类中心矩阵S、相对隶属度矩阵U的循环迭代计算, 得到误差小于预设值的聚类结果。
设有指标数为m的待聚类样本, 其总数为n。则样本指标特征值为:
式中:Xij为样本j指标i的特征值。对指标特征值进行标准化处理后, 得到指标特征值标准化矩阵
式中:rij为样本j指标i的标准化特征值。
设样本数为n, 选取m个指标, 按照c类进行聚类, 则有模糊聚类隶属度矩阵U= (uhj) 。其中, uhj为样本j对类别h的隶属度, i=1, 2, …, m;j=1, 2, …, n;h=1, 2, …, c。且有:
h个聚类中心的指标标准化值表征了这h类的聚类特征, 可用m行c列矩阵表示:
式中:sih为聚类中心h指标i的标准化特征值。
式中:α为优化准则参数、p为可变距离参数, 且有α/p=1。ω为权重, 其余参数同前。
可变模糊聚类迭代模型求解步骤如下:
1) 给定优化准则参数α, 距离参数p, 聚类数c, 权重w及模糊聚类矩阵与聚类中心矩阵迭代计算精度ε1, ε2;
2) 给定满足约束条件的初始模糊聚类矩阵;
3) 根据公式 (8) 计算聚类中心;
4) 根据公式 (7) 计算模糊聚类矩阵, 再根据公式 (8) 计算模糊聚类矩阵;
5) 若满足约束条件:
则迭代结束, 否则转入l=l+1, 重复步骤4继续进行迭代计算。
3、 辽宁省暴雨洪水空间特征
3.1 、暴雨空间特征
基于544个代表雨量站降水资料, 统计各站点最大24 h降水量 (mm) 、暴雨日数 (降水量大于50 mm的日数, d/10 a) 、大暴雨日数 (降水量大于100 mm的日数, d/10 a) 、特大暴雨日数 (降水量大于250 mm的日数, d/10 a) 4项指标, 并采用泰森多边形进行空间离散, 系统识别辽宁省暴雨空间分布特征。
分析表明:辽宁省最大24 h降水量在110～660 mm之间, 最大值区位于丹东-鞍山一带, 多在300 mm以上;最小值区在沈阳、铁岭、阜新、朝阳地区北部, 多在200 mm以下。辽宁省暴雨日数在4～48 d/10 a之间, 最大值区位于本溪-丹东-鞍山-大连一带及葫芦岛南部, 多在20 d/10 a以上;最小值区位于朝阳、阜新地区北部, 多在10 d/10 a以下。辽宁省大暴雨日数0～12 d/10 a之间, 最大值区位于丹东地区, 多在6 d/10 a以上;最小值区位于铁岭、沈阳、阜新、朝阳地区北部一带, 多在2d/10 a以下。辽宁省最大24 h降水量、暴雨日数、大暴雨日数3项指标均呈由东南向西北递减趋势。辽宁省特大暴雨发生日数在0～0.7 d/10 y之间, 集中于辽宁东南部地区及辽河流域 (1950年辽河大水) 。
3.2、 洪水空间特征
对于某一特定场次洪水, 其要素特征受降水、下垫面特征、人类活动 (如水库调节) 等多种因素的共同影响, 并与集水区面积、流域形状等要素相关。为反映区域洪水特征, 除了选择人类活动影响较少的水文站外, 尚需在洪水要素中消除集水面积的影响。研究中选用洪峰模数、洪量模数为指标, 分析洪水的区域性特征。同时, 考虑到洪水要素的频率特征, 选用10年一遇3 d洪量作为分析指标。
在前述64处代表水文站洪水资料的基础上, 统计各站点洪水特征。为与降水相对应, 研究基于ArcGIS软件采用克里金插值方法将洪水统计参数空间离散, 并与暴雨空间分析中的544个泰森多边形相关联。
分析结果表明:辽宁省最大洪峰模数在0～8 (m3/s) /km2之间, 由东、西部山地向中部平原区递减。其中, 最大值区位于丹东地区鸭绿江流域, 多在4 (m3/s) /km2以上, 最小值区位于辽河西部支流秀水河、柳河、绕阳河一带, 多在2 (m3/s) /km2以下。辽宁省最大3日洪量模数在2～33万m3/km之间, 由东南向西北递减。其中, 最大值区位于丹东、鞍山、本溪等地区, 多在20万m3/km2以上;最小值区出现于朝阳、阜新、锦州、沈阳、铁岭等地区, 多在10万m3/km2以下。10年一遇3 d洪量模数在1～22万m3/km之间, 空间分布特征与最大3 d洪量基本相同。
4 、暴雨洪水分区
暴雨洪水分区旨在综合识别区域暴雨及洪水特征, 为防汛规划、防洪减灾、洪水预警等工作提供依据[7,8]。现阶段, 常用的分区的方法包括聚类分析、空间叠加两种。考虑暴雨洪水程度、量级的模糊性特征, 以可变模糊集理论为基础, 以544个泰森多边形为聚类单元, 采用可变模糊聚类迭代模型进行聚类, 确定辽宁省暴雨洪水分区。将辽宁省划分为暴雨洪水极易发区、暴雨洪水易发区、暴雨洪水较易发区、暴雨洪水少发区4个区域。项目在前述分析的基础上, 从量级、频率两方面出发, 选取对防汛密切相关24 h最大降水量、暴雨发生频次 (暴雨日数) 、10年一遇洪量模数3个指标进行暴雨洪水分区。
其中, 暴雨洪水少发区为铁岭北部、沈阳北部、阜新、朝阳一带;暴雨洪水易发区为铁岭南部、沈阳南部、辽阳、鞍山北部、盘锦、营口、锦州、葫芦岛北部及大连南部地区;暴雨洪水较易发区为抚顺、本溪、鞍山南部、大连北部一带及葫芦岛南部地区;暴雨洪水极易发区为丹东地区。为便于防汛工作, 对各区域暴雨发生频次、24 h时最大降水量、10年一遇洪量模数进行统计, 如表1所示。
表1 各区域雨洪特征统计
5、 结论
以辽宁省基础水文数据库为依托, 选取544个雨量站、64个水文站为代表站, 系统分析辽宁省暴雨洪水空间特征。结果表明:辽宁省最大24 h雨量、暴雨日数、大暴雨日数均呈东南向西北递减趋势, 特大暴雨日数集中于辽宁东南部及辽河流域一带。洪峰模数由东、西部山地向中部平原区递减;洪量模数由东南向西北递减。暴雨洪水极值多发生于丹东地区。
在上述分析的基础上, 基于可变模糊聚类法, 选取最大24 h降水量、暴雨发生频次, 10年一遇洪量模数3项指标, 进行辽宁省暴雨洪水区域划分。将辽宁省划分为暴雨洪水极易发区、暴雨洪水易发区、暴雨洪水较易发区、暴雨洪水少发区, 并对各分区暴雨洪水特征进行统计, 为防洪减灾决策提供参考。
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