辽宁省暴雨洪水空间分别特征探究,水文学论文

辽宁省暴雨洪水空间分别特征探究,水文学论文摘要：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,系统辨别辽宁省暴雨洪水要素空间特征。在这里基础上,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式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。本文关键词语：辽宁;暴雨洪水;可变模糊聚类;1、大概情况辽宁省位于我们国家东北地区南部,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,枯燥多风;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祸之一,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19492021年辽宁省洪灾资料,能够发现辽宁省雨洪灾祸特征:(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、研究资料及方式方法2.1、资料来源为系统辨别辽宁省暴雨特征,在辽宁省基础水文数据库的基础上,选取资料系列完好、代表性较好的544个雨量站作为代表站,收集19502020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,辨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2000km2的64处水文站作为代表站。按最大值原则每站挑选出10～20场次洪水,合计924场洪水用以分析区域洪水特征。2.2、研究方式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,辨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绘叙述。可变模糊聚类模型[5,6]通过聚类中心矩阵S、相对从属度矩阵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,根据c类进行聚类,则有模糊聚类从属度矩阵U=(uhj)。华而不实,uhj为样本j对类别h的从属度,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:为优化准则参数、p为可变距离参数,且有/p=1。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,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)给定知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)若知足约束条件: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24h降水量(mm)、暴雨日数(降水量大于50mm的日数,d/10a)、大暴雨日数(降水量大于100mm的日数,d/10a)、特大暴雨日数(降水量大于250mm的日数,d/10a)4项指标,并采用泰森多边形进行空间离散,系统辨别辽宁省暴雨空间分布特征。分析表示清楚:辽宁省最大24h降水量在110～660mm之间,最大值区位于丹东-鞍山一带,多在300mm以上;最小值区在沈阳、铁岭、阜新、朝阳地区北部,多在200mm下面。辽宁省暴雨日数在4～48d/10a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20d/10a以上;最小值区位于朝阳、阜新地区北部,多在10d/10a下面。辽宁省大暴雨日数0～12d/10a之间,最大值区位于丹东地区,多在6d/10a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/10a下面。辽宁省最大24h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0～0.7d/10y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3d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式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。分析结果表示清楚: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。华而不实,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下面。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。华而不实,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下面。10年一遇3d洪量模数在1～22万m3/km之间,空间分布特征与最大3d洪量基本一样。4、暴雨洪水分区暴雨洪水分区旨在综合辨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根据[7,8]。现前阶段,常用的分区的方式方法包括聚类分析、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24h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。华而不实,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、24h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。结果表示清楚:辽宁省最大24h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24h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。以下为参考文献[1]金鑫,叶天舒,王凌河,等.辽宁省场次暴雨时空分布特征研究[J].水电能源科学,2022,37(3):1-4.[2]林长茂.辽宁省暴雨区域性特征分析[J].水土保持应用技术,2021(2):46-47.[3]张俊霞,张浩.南水北调穿滏阳河中游洼地洪水演进分析[J].水利规划与设计,2021(10):113-116.[4]刘启和.辽宁中小河流致洪暴雨时空分布特征分析[J].东北水利水电,2021(5):29-30.[5]刘艳红,靳志伟.二维水力学模型在红光大桥洪水影响评价中的应用[J].水利规划与设计,2021(11):157-161.[6]关铁生,姚惠明,许钦,等.辽河区极端暴雨特性及其天气成因分析[J].水利水运工程学报,2021(2):18-25.[7]陈守煜.可变模糊聚类及形式辨别统一理论与模型[J].大连理工大学学报,2018,49(2):307-312.[8]王君,袁永博.基于可变模糊聚类迭代模型的溃坝生命损失预测[J].水电能源科学,2