引言

随着对我国自然灾害研究的不断深入以及经济建设的日益发展、防灾减灾意识的逐渐普及和对灾害管理、减灾效果的日益重视，作为自然灾害风险管理中重要而基础的灾害风险区划工作显得愈加重要而迫切(章国材，2010)。早在2000年，德国莱茵河流域就制作出洪水风险地图集，其成功的流域防洪规划与水环境综合管理为全世界树立了典范(Karl-Heinz，2006；姜彤，2002；姜彤和许朋柱，1997)；欧洲中部的易北河流域是典型的湿润半湿润地区，有关易北河流域的暴雨洪涝风险和损失评价图为该流域洪涝风险管理提供重要技术支撑(Hattermann et al, 2009)；此外还有中南美洲多灾种系列风险图谱，欧洲用于公众服务的洪水风险图(Begum et al, 2007)，以及应用层次分析法(Yoshimatsu and Abe, 2006)、概率统计(Korkmaz，2009)、模糊数学(Karimi and Hullermeier, 2007)、灰色关联(Ye and Yao, 2012)、聚类分析(高燚等，2013)等方法进行灾害风险区划技术研究。近年来，随着GIS技术的广泛运用, 灾害风险区划技术得到进一步提高(Sang et al, 2013；苏布达等，2005；李兰等，2013)，特别是GIS与水动力模型结合的洪水淹没模拟研究十分活跃，Gemmer(2004)、Gemmer et al(2006)和叶丽梅等(2013)通过FloodArea模型编制的风险图得到广泛应用和推广。目前，气象灾害风险区划理论方面仍不完善，技术方法也多种多样，大多将致灾因子、孕灾环境、承灾体和防灾减灾能力4个因子加权综合构建出灾害风险区划模型(曾金全等，2011；李喜仓等，2012；俞布等，2011；李军玲等，2010；郭虎和熊亚军，2008)，该方法给出的是基于多年平均气候态的一种静态灾害风险区划图，对人们认识灾害的多年平均分布状况有一定的参考意义，但对于面向实时防灾减灾的动态灾害风险管理工作作用有限，且风险评估与区划的精度、实时性、实用性等方面都难以满足社会需求。灾害风险区划其出发点和归宿点是如何避免和减轻灾害对人民生命财产和社会经济的破坏和损害，只有从致灾机理出发，用风险的理念来认识和管理灾害, 才能最大程度地减轻灾害影响(章国材，2014)；我国中小河流众多，暴雨洪涝灾害频繁，从暴雨致灾机理出发，以面向实时气象防灾减灾为思路，开展中小河流域暴雨洪涝灾害风险区划技术方法研究意义重大。

1 资料与方法

东津河流域地处安徽省皖南山区，是水阳江上游三源之一，为中小河流洪水和山洪地质灾害易发地区，流域面积1014 km²，河道全长65 km，上口宽80 m，洪水深度7.5 m，枯水深度0.4 m左右，比降5.94‰，其水文控制站沙埠站(1958年建站，提供观测水位、流量等要素资料)位于宁国市梅林镇沙埠村。本文以东津河流域为研究区域，所用资料主要包括流域内的气象资料、水文资料、地理信息资料、社会经济统计资料以及历史灾情资料等，流域内气象及水文站点分布图(图 1)，气象资料为流域内及周边所有国家站及区域站建站至2014年逐日及逐小时降水资料，水文资料为沙埠站典型洪水过程的逐小时流量与水位观测值。DEM数据来自SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)，是2000年美国航空航天局(NASA)利用奋进号航天飞机上的雷达观测获得的地球表面(56°S~60°N)80%以上的三维雷达数据，有SRTM1和SRTM3两种，即分别是1和3角秒精度的数据，对应栅格精度分别为30和90 m，绝对高程和绝对水平精度分别为16和20 m，由于中小河流域河道宽度基本能达到或超过100 m，因而SRTM1能刻画出中小河流域河道信息，满足FloodArea模型淹没模拟分析需要；此外，由FloodArea模型使用指南(Geomer，2003)及不同精度的SRTM-DEM数据精度对比分析(安辛克等，2010)可知：DEM精度高、地形起伏明显，淹没模拟效果越好，因此本文选用的是DEM精度相对较高的SRTM1(栅格精度为30 m)；流域内河流堤坝信息直接影响FloodArea洪水淹没模拟效果，在进行淹没模拟前，需获取流域内河流堤坝高度、长度等信息，叠加到流域DEM中，得到叠加流域堤坝信息的DEM数据，通过精细化暴雨洪涝灾害风险普查，得到东津河流域堤坝信息并叠加到流域DEM中。土地利用数据来自国家基础地理信息中心研制的基于2010年全球30 m地表覆盖产品(GlobeLand30)，manning系数是根据不同土地利用类型的粗糙度计算而得，栅格精度均与DEM相匹配(均为30 m×30 m)，人口和GDP数据来自《安徽省统计年鉴》(安徽省统计局，2011)，均为2010年统计数据。

本文所用的水动力模型为FloodArea，水文模型为TOPMODEL。FloodArea模型为德国Geomer公司开发，以模块形式与ArcGIS无缝集成，原理为二维非恒定流水动力模型，计算基于水动力方法，同时考虑了一个栅格的周围八个单元，相邻单元的水流宽度被认为是相等的，位于对角线的单元，以不同的长度算法来计算；对邻近单元的泻入量由manning-stricker公式计算，淹没过程中的水流方向由地形坡向所决定，水流的淹没深度为淹没水位高程和地面高程之间的差值(Geomer，2003)，其计算原理见示意图(图 2)。TOPMODEL是以流域地形指数为基础的半分布式水文模型，基于DEM数据和D8算法计算流域内的地形指数，并确定不同等级地形指数所占的面积比例；除地形指数外，模型还需要雨量、蒸散量来进行驱动以得到出口断面的径流深，最终得到降水和径流的关系。

选用常用的TOPMODEL水文模型并结合统计法确定致洪临界面雨量，利用国家站历史长序列小时雨量资料，重建区域站历史小时雨量资料序列，结合致洪临界面雨量以及历史暴雨洪涝灾情，建立致洪面雨量序列；采用广义极值分布函数(王芝兰等，2013)确定不同重现期的致洪面雨量，根据致洪面雨量序列以及逐小时降水资料，计算逐小时降水概率，确定流域内小时降水雨型分布；将计算得到的不同重现期致洪面雨量、小时雨型分布、叠加堤坝信息的DEM、manning系数等数据代入FloodArea模型进行淹没模拟，得到不同重现期洪水淹没图；最终将不同重现期下暴雨洪涝淹没结果分别叠加流域内栅格化的人口、GDP以及土地利用信息，得到不同重现期下人口、GDP以及土地利用等风险区划图谱。

2 致洪临界面雨量确定

基于DEM数据和D8算法运用GIS空间分析技术得到东津河流域地形指数的空间分布，将沙埠站流量观测值转换为径流深，并根据数据序列把模型步长设为1 h，将雨量、蒸发量和地形指数计算结果代入到TOPMODEL中运算，进行流量模拟并与实测径流深比较，以率定模型参数和检验模型适用性。采用2007年(图 3a)、2009年(图 3b)汛期的洪水过程完成了模型参数率定，模型确定性系数均在0.7以上，模拟的洪峰量值与出现时间均与实际较为吻合。

采用TOPMODEL模型进行流量模拟，如果模拟流量和给定的临界流量(即警戒水位、保证水位、堤顶高度等水位所对应的流量)相差较大，那么重新给定面雨量进行模拟。通过多次模拟，直到模拟与临界流量一致，此时得到的面雨量就是临界面雨量(图 4)。

利用历史洪水过程(2007和2009年两次典型的洪水过程)，采用统计法以小时资料为步长，建立面雨量与流量和水位的关系。通过对2007、2009年东津河流域汛期的两次洪水过程分析，水位与前16 h面雨量的相关性均超过了0.9。最终利用TOPMODEL模型得到东津河流域不同基础水位的16 h致洪临界面雨量(表 1)。

3 不同重现期(T年一遇)致洪面雨量

东津河流域及周边共有国家站7个，流域内的区域站共有22个，区域站中建站时间较早(2006年建站)的共有6个。因此采用东津河流域及周边的7个国家站小时雨量资料，运用逐步回归法，对东津河流域内的6个区域站进行历史长序列小时雨量资料重建。根据泰森多边形的权重及各区域站重建的小时雨量资料，计算得到东津河流域长序列逐小时面雨量序列。

根据逐小时面雨量序列，计算滑动16 h累计面雨量，对照东津河流域16 h致洪临界面雨量计算结果，在沙埠站最常见的基础水位下，并考虑能选出足够的致洪面雨量历史个例，也即致洪临界面雨量选用60.8 mm(基础水位为57 m，预警水位为警戒水位)为门限值进行样本挑取，结合精细化暴雨洪涝灾害风险普查灾情数据以及1984—2010年气象灾害普查数据库的灾情数据，挑选出东津河流域共56个致洪面雨量历史样本个例，采用广义极值分布函数来进行拟合优度检验。

图 5为东津河流域致洪面雨量历史个例函数拟合图，参数估计结果为：形状参数-0.4913，尺度参数8.2028，位置参数68.0660。由形状参数值可知，东津河流域致洪面雨量服从极值Ⅱ型分布，也即Frechet分布，由此计算出东津河流域不同重现期(T年一遇)的致洪面雨量(表 2)。

4 暴雨洪涝灾害风险区划

根据东津河流域致洪面雨量序列(56个典型个例)以及逐小时降水资料，计算逐小时(1，2，3，…，16 h)降水概率，确定东津河流域内小时降水雨型分布(图 6)。

最终将计算得到的东津河流域不同重现期致洪面雨量、小时雨型分布、叠加堤坝信息的DEM、manning系数等数据代入FloodArea模型进行洪水淹没模拟，得到不同重现期下洪水淹没图(图 7)。由图可见，不同重现期下淹没较深的区域均位于河道两侧地势低洼地带，查阅相关历史洪涝灾情数据并实地调查走访可知，该流域河道两侧低洼地带为暴雨洪涝灾害易发区，表明洪水淹没模拟结果与实况较为吻合。

东津河流域不同重现期下(5、10、15、20、30、50、100年一遇)暴雨洪涝淹没结果分别叠加该流域内栅格化的人口、GDP以及土地利用信息(10：耕地；20：林地；30：草地；40：水体；50：居民用地)，得到不同重现期下人口、GDP以及土地利用等风险区划图谱(图 8)。

5 结论与讨论

(1) 本文采用典型洪水过程对TOPMODEL水文模型进行参数率定，模型确定性系数在0.7以上，表明TOPMODEL在东津河流域有较好的适用性，再结合统计法得到不同基础水位的致洪临界面雨量。

(2) 利用国家站历史长序列小时雨量资料及逐步回归法，重建区域站小时雨量资料序列；采用广义极值分布函数来进行拟合优度检验，由形状参数值可知，该流域致洪面雨量服从极值Ⅱ型分布(Frechet分布)，并由此计算出不同重现期的致洪面雨量。

(3) 根据东津河流域内小时降水雨型分布，将不同重现期致洪面雨量以及叠加堤坝信息的DEM、manning系数等数据代入FloodArea模型进行洪水淹没模拟，得到不同重现期下洪水淹没图，再叠加流域内栅格化人口、GDP以及土地利用信息，得到不同重现期下人口、GDP以及土地利用等风险区划图谱。

(4) 较以往的静态灾害风险区划相比，本文在区划的精度、实时性、实用性等方面都有较大提高，对于面向实时防灾减灾的动态灾害风险管理具有重要意义。

由于暴雨洪涝灾害的形成机理较为复杂，影响因素众多，要完全客观定量地分析其致灾危险性、暴露度和脆弱性等方面还具有一定困难。本文对这些复杂问题进行了一些初步探索, 许多方面还不尽完善，如水文模型的适用性、致洪面雨量历史个例、流域雨型空间分布、FloodArea模型精度等，这有待于进一步深入研究。

致谢：本文在写作过程中，得到国家气候中心专家特别是姜彤研究员的指导和帮助，特此致谢。