上海嘉定城區暴雨水位關系初探

楊 琪，李念斌

（1.上海市嘉定區水文站，上海市 201800；2.上海嘉定水務工程設計有限公司，上海市 201800）

上海嘉定城區暴雨水位關系初探

楊 琪1，李念斌2

（1.上海市嘉定區水文站，上海市 201800；2.上海嘉定水務工程設計有限公司，上海市 201800）

通過借鑒小流域推理公式、前期雨量指數模型、水量平衡等方法的原理，對上海市嘉定城區暴雨水位關系進行探索，建立了初步的計算方法，并進行了驗證，得到的計算水位與實際水位誤差較小。其成果為預報、防汛、規劃提供了參考依據。

前期雨量指數；水量平衡；水文預報

0 引言

上海市嘉定區位于上海西北地區，人口密集，經濟發達。而每年的5～9月汛期，常因臺風或強對流天氣出現暴雨情況，引發路面積水。特別是近年來，隨著城市化進程加快，熱島雨島效應加劇，強對流天氣趨于頻繁，暴雨出現的頻次與強度均大于歷史平均水平，加之房地產開發、市政建設，原有的下墊面被破壞，不透水面積增加，各種滯蓄效果弱化，大部分降雨轉化為河道水量，造成暴雨時河道水位急劇上漲，屢次出現“看海”情形，對社會發展帶來了較大的負面作用。因此，如何通過分析暴雨前氣象預報的降雨量來預估河道水位，從而可以提前采取相應的防汛措施，緩解暴雨內澇的損失成為一個現實且重要的問題。

本文通過借鑒推理公式的假設條件、前期雨量指數中Pa的參數、水量平衡等多種水文方法的原理，嘗試對嘉定區的暴雨水位關系進行探索，以期為水文預報、防汛抗災、水利規劃提供一點參考依據。

1 研究區情況

1.1 地理地貌

嘉定區位于上海西北部，中心位置在北緯31度23分，東經121度15分。總面積約464 km2。全境地勢平坦，東北略高，西南稍低。地面高程3.00～4.50 m，潛水含水層埋深1～3 mm，厚度4～12 m。土壤質地以中性土為主。

1.2 水文氣象

嘉定區地處平原感潮河網地區，南水系邊界吳淞江，北水系邊界瀏河，東于寶山區接壤，西鄰江蘇昆山。隨著吳淞江、瀏河沿線建設了大量水利控制工程，南北水體進出受控，河網感潮性減弱，無明顯的高低潮位變化。內河河道水位保持在2.50～2.80 m。

氣象上受海洋性氣候影響，季風盛行，四季分明，年均受臺風影響2～3次。常年平均氣溫15.2℃，雨量充沛，但降雨量年內、年際分布不均。多年平均降雨量為1 103.01 mm（嘉定黃渡水文站資料），其中6～9月份為汛期，多年平均汛期降雨量為577.43 mm，占全年降雨量的52.36%。

1.3 近年暴雨水位情況

分析建站于1959年的嘉定南門站歷史高水位排名，除最高水位是1977年特大暴雨引發的，排名前10的高水位中有5個是2005年后發生的，近10 a來的極端天氣頻發現象十分明顯。

如2005年“麥莎”臺風帶來的暴雨，過程降雨量209.0 mm，水位從2.58 m漲至3.63 m，水位漲幅1.05 m；2012年“海葵”，過程降雨量196.0 mm，水位從2.62 m漲至3.57 m，漲幅0.95 m；2013年“菲特”，過程降雨量225.5 mm，水位從2.65 m漲至3.82 m，漲幅1.17 m。

2 暴雨水位分析

2.1 暴雨水位特點

以2015年0823暴雨為例，可以明顯觀察出暴雨主階段前的降雨對河道水位基本沒有影響，但當暴雨主階段開始時，水位急劇上漲，降雨量大量匯流到河道中（見圖1）。因此，暴雨前期，下墊面能夠承接多少雨量成為需要的研究的重點之一。

圖1 201508263嘉定南門站降雨水量、水位曲線圖

2.2 研究區的特殊性

嘉定城區河道是典型的江南古鎮河道布局，環城河圍繞市中心，河道縱橫交叉，河網連接緊密（見圖2）。

當轉發模式為GSF時,雷區中心位置和比例因子均為空。當轉發模式為GSF時,需利用雷區轉發數據包,進而平衡網絡負載。因此,對凸包H進行相似變換,且從凸包H內隨機選擇中心位置,而比例因子ξ的定義如式(6)所示:

圖2 嘉定城區河網分布圖

分析嘉定城區南北的2個水位站（嘉定南門站、涇河站）水位在2015年0616暴雨期間水位高點基本相同、上漲趨勢基本一致（見圖3）。在0616暴雨期間，對環城河4個弧段上的流量測驗表明，暴雨期間水位流動不明顯（見表1），基本呈現同步上漲態勢。

圖3 20150616涇河、嘉定南門站水位過程曲線圖

表1 20150616期間環城河流量巡測一覽表

而幾種常用的預報方法如推理公式法、單位線法、新安江模型法等都是從產流-匯流過程對流量進行計算，推求。基于該地區的特殊性，幾種常用的預報方法在該研究區存在一定的不適用性。為此，主要是采用推理公式法的假設條件，以前期雨量指數模型的前期雨量指數Pa，配合水量平衡來進行嘉定城區的暴雨水位關系探索。

2.3 技術路線

在探索中，主要的假設條件參考了推理公式[1]的物理思路，主要包括：（1）暴雨強度、損失強度在暴雨過程中時空分布均勻；（2）以點雨量代表面雨量；（3）下墊面飽和蓄水量不變。

主要技術路線是：計算槽蓄容量→尋找下墊面飽和的降雨量→計算前期雨量指數→降雨量扣減前期雨量指數代表的下墊面欠飽和量→根據水量平衡計算降雨量和槽蓄增加量之間的轉換率→預測下次暴雨水位。

3 暴雨水位計算

在探索中，主要采用的水位雨量數據為嘉定南門站2005-2013年數據，摘取日降雨量大于50 mm的降雨水位數據，其中沒有錄入2005年“麥莎”、2012年“海葵”、2013年“菲特”三場臺風暴雨及2015年2場暴雨的數據，這些數據為驗證計算方法提取出來。

3.1 槽蓄容量

槽蓄容量計算方法采用上海市水文總站《上海市第二次水利普查槽蓄容量調查——專題報告》的方法進行。經計算，蘊藻浜以北地區的槽蓄容量公式為：

式中：y表示槽蓄容量，104m3；x表示水位，m。

3.2 飽和蓄水雨量

選取2006年11月16-17日數據，16日前推至10月1日，45 d累計降雨量2.0 mm,為2005年至2013年45 d最小降雨量，且16、17兩日連續降雨量為56.0 mm，水位從2.53 m上升至2.79 m。這就具備了一定的研究價值。

經分析，結合槽蓄容量公式，17日由于暴雨作用引起的水位上升增加了955×104m3河道庫容，折算雨量28 mm，反算得到使下墊面飽和的蓄水容量為28.0 mm。

3.3 前期雨量指數

降雨入滲土壤分為兩個階段，土壤飽和前入滲率等于降雨強度，全部降雨滲入土壤，歷時長短與土壤含水量正相關。表面飽和后，降雨強度大于土壤入滲時產生徑流。因此，前期土壤的干濕程度直接影響到河道水位的上漲幅度[2]。

現采用前期雨量指數模型中Pa的計算方法計算降雨日前的影響因素，Pa的計算式為：

式中：Pa[t],Pa[t+1]分別為第t d和第(t+1)d開始時刻的前期影響雨量，mm；P[t]為第t d的流域降雨量，mm；Ka為流域蓄水的日消退系數。

其計算時間步長設定為15 d，Ka=0.85。

3.4 暴雨水量轉換率

以2006年11月16日下墊面完全清空蓄水容量作為標準。基于假設（3），達到飽和蓄水容量的降雨量不變。反算各場暴雨需要補充下墊面蓄水容量的降雨量。

降雨量扣減需要補充蓄水容量的降雨量后，與計算面積相乘，得到降雨水量。根據水位上升的變幅計算河道槽蓄容量的變化。后者除以前者，得到降雨水量到槽蓄容量的轉換率。這樣，可得2005-2013年各場暴雨的平均轉換率為76.9%。

3.5 計算驗證

通過這個轉換率出發來嘗試建立研究區的暴雨水位關系，即將降雨水量扣減下墊面蓄滿量后轉換的槽蓄容量，通過計算增加的槽蓄容量來推求水位的上漲程度，以達到暴雨情況下推求水位漲幅的目的。

對2005年至2013年發生的三次臺風暴雨（麥莎、海葵、菲特）及2015年的兩場暴雨進行驗算，設雨量已知，推求計算最高水位，轉換率以76.9%計算。計算結果與實測最高水位相比較，誤差范圍較小（見表2）。

表2 臺風暴雨水位驗算過程一覽表

4 結語

（1）根據上述方法推算的暴雨水位方法，在2014年、2015年的實際使用過程中，在氣象預報降雨量正確的前提下，計算得到的水位與實際河道水位誤差在0.1 m內，對防汛工作提供了重要的參考依據。

（2）計算所采用的數據為2005年至2013年，時間跨度8 a。該時段內的暴雨數據分布呈一定的不均衡性，即暴雨集中在100 mm以下或臺風造成的近200 mm降雨量。100 mm至200 mm段降雨量較少，對計算結果有一定程度的影響。

（3）基于現有數據得到的轉化率是一個固定的數值，而根據現實情況，降雨量越大，轉換率也會變大，如500 mm的降雨量，轉化率必然大大超過76.9%。解決方法是需要建立一個連續的、動態的方法，這是下一步研究的方向。

[1]陳家琦,張恭肅.小流域暴雨洪水計算[M].北京：水利電力出版社,1985.

[2]包為民.水文預報[M].北京：中國水利水電出版社,2009.

P426.615

A

1009-7716（2016）05-0131-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.036

2016-03-08

楊琪（1983-），男，上海人，碩士，工程師，從事水文資料調查與研究工作。