暴雨洪涝淹没灾情时空变化预测方法研究

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暴雨洪涝灾害一直是全球发生最频繁,影响范围 最广的自然灾害之一。据统计,我国平均每年遭受暴 雨洪涝灾害的农作物面积超过 78 014×104 ha,平均每 年约有 190 万间房屋因灾倒塌 [1]。科学而全面地对暴 雨洪涝灾害进行评价管理,具有十分重要的意义。王 雪臣等 [2] 基于蒙特卡罗方法建立了长江中游地区暴雨 雨量和洪涝之间关系的评价模型,该方法非常直观地表 达了降水量与暴雨洪涝之间的评价关系;司瑞洁等 [3] 对亚洲 1976 ~ 2005 年的暴雨洪涝灾害进行了研究,研 究发现亚洲多发的暴雨洪涝灾害不仅与全球的气候变 化密切相关,而且与亚洲自身的特殊经济、地理因素 有关;刘耀龙等 [4] 基于 GIS 理论结合 P-III 型概率模 型和 ArcGIS 的空间分析功能对温州市的暴雨洪涝灾害 进行评价,较好地揭示了温州市近百年来的暴雨洪涝 发展规律及损失分布等情况;很多学者 [5-6] 利用 GIS 与遥感技术,设计了基于时空特性的洪涝预警和损失 评估系统,提高了洪涝灾害损失评估效率 [7]。国外对 于暴雨洪涝灾害评价研究相对国内开展的较早,DiazGranados 等 [8] 从降雨强度和土壤含水量与滞水能力入 手,研究了其与暴雨洪涝风险之间的关系;Kia 等 [9] 利用神经网络模型模拟了马来西亚柔佛巴鲁地区暴雨 洪涝灾害风险区域;Fernández 和 Lutz 等 [10] 将基于多 重判断的层次分析法应用于耶尔巴布埃纳岛和阿根廷 图库曼省的洪涝灾害制图中;Tien Bui 和 Akgun 等 [11-12] 将神经网络模型和模糊理论相结合用于暴雨洪涝的评
项数。通过 p、d、q 即可以将 ARIMA 模型的特性简
单地描绘出来。ARIMA 模型是一个总的称谓,在现实
价与预测,取得了非常好的效果,但是大量的模型参 数和数据制约了其广泛应用。
本文在湖北省气象局提供的时间序列的暴雨洪涝 淹没数据的基础上,以襄阳市为例,基于 ARIMA 模 型(Autoregressive Integrated Moving Average Model, 差分自回归滑动平均模型)对长时间暴雨过程洪涝淹 没灾情进行预测,为暴雨洪涝淹没灾情风险评估、抗 灾与救灾工作提供决策支持。
利用 ARIMA 模型(差分自回归滑动平均模型)对襄阳市 2014-07-04 19:00 和 20:00 的暴雨洪涝淹没灾情进行预测。诊断结果
表明所建立的 ARIMA(1,1,1) 模型对襄阳市暴雨洪涝淹没数据可信度较好,对未来 1 h 和 2 h 暴雨洪涝淹没情况预测平均绝对
误差分别是 0.013 856 和 0.051 5,与实际监测值的相关性 R 的平方分别为 0.769 9、0.458 9。该 ARIMA(1,1,1) 预测模型可以满
赖关系的数据集来构建一个可以动态反应数据变化
的模型,该模型可以根据当前以及历史数据预测出
未来一定时间范围内的数据。模型一般可以表示为
ARIMA(p,d,q)。
式中,参数 p 代表自回归数;AR 代表自回归;d 是
为了使模型可靠而进行的一定次数的差分运算;MA 代
表移动平均可以使整个模型达到稳定;q 代表其平均的
1 数据来源与研究方法
1.1 研究区域与数据概况 襄阳市位于湖北省西北部,汉江流域中游,在
110°45′~ 113°43′E 和 31°14′~ 32°37′N 之间, 地势东部高西部低,大致从东南方向西北方逐渐抬 高。襄阳市地表水系发育,长江最大的支流——汉江 穿其而过,将其分成襄城和樊城,除此之外襄阳境内 还拥有沮漳河等 7 大水系,境内大大小小的河流超过 600 条,整体而言全年既有充足的降雨量,地表又有众 多的河流和水库鱼塘,地表径流量和地下水蕴藏量都 很可观。襄阳市历年来属于中小流域暴雨洪涝多发地 区,加强洪水灾害防治预警能力,在早期源头杜绝洪 水灾害带来的人身与财产损失,保护襄阳人民的权益 显得更为迫切 。 [13-14]
本文研究所采用的数据来自湖北省气象局,包括 2014-07-04、2013-08-06、2013-17-12、2013-06-20、
收稿日期:2018-05-10。 项目来源:中南工程咨询设计集团科研经费资助项目(201705003)。 (* 为通讯作者)
第 17 卷第 10 期
邱儒琼等:暴雨洪涝淹没灾情时空变化预测方法研究
·25·
2012-08-04 ~ 2012-08-06、2011-07-05 以及 2008-07-
21 ~ 2008-07-22 共 10 d,115 幅间隔时间都是 1 h 的暴
雨洪涝淹没水深数据。
1.2 研究方法
ARIMA 模型即差分自回归滑动平均模型,其构
建思路是依据一个在时间序列上具有连续性和互相依
足实际的预测需求。未来 1 h 的预测结果优于 2 h 预测,且未来 1 h 预测结果相关性较强,表明所建立的模型能够较好地应用于
襄阳市未来 1 h 内的暴雨洪涝淹没灾情预测。
关键词:暴雨洪涝;淹没灾情;ARIMA 模型;灾情预测1672-4623(2019)10-0024-05
2019 年 10 月 第 17 卷第 10 期
doi:10. 3969 / j. issn. 1672 - 4623. 2019. 10. 007
地理空间信息
GEOSPATIAL INFORMATION
Oct., 2019 Vol.17, No.10
暴雨洪涝淹没灾情时空变化预测方法研究
邱儒琼 1,2,付军明 2,彭少坤 2,向 宇 2,王晓醉 3*
(1. 中国地质大学(武汉),湖北 武汉 430074;2. 湖北省发展规划研究院有限公司,湖北 武汉 430074; 3. 武汉大学,湖北 武汉 430074)
摘 要:暴雨洪涝灾害一直是全球发生最频繁,影响范围最广的自然灾害之一,科学而全面地对暴雨洪涝灾害进行评价管理,
具有十分重要的意义。针对暴雨洪涝淹没灾情科学预测的需求,以湖北省气象局提供的时间序列的暴雨洪涝淹没数据为基础,