威尼斯流域洪災成因及防洪對策

(重慶交通大學　重慶　南岸　400074)

一、流域概況

(一)地理位置

威尼斯流域位于北緯50.65°到50.7°之間,西經4.70°到4.60°之間，它地處英格蘭的西南半島,瀕臨大西洋，是一個無實測資料的小流域。

(二)水文地貌特征

英格蘭西南半島由康沃爾郡，德文郡和薩默賽特郡組成。其中威尼斯流域位于康沃爾行政區，該行政區的面積大約3600平方公里，擁有海岸線長度700公里，海岸線長。圖1西南半島的數字高程顯示了該地區復雜的地形特征。花崗巖地質的Bodmin荒原擁有整個康沃爾郡的最高高程(海拔420m)，其中威尼斯流域位于西北部Bodmin荒原的下游范圍。

本研究選擇威尼斯流域作為研究對象的主要原因是基于該流域的尺寸形狀和退水特性，還有發生在該區域的歷史上顯著的風暴洪災，該流域的洪水事件與英國其它洪水事件相比具有代表性和典型性。博斯卡斯爾地區的人口密度高(常住人口1224人/平方公里)，是一個熱門的旅游景區。特別是在每年夏季的旅游旺季期和假期期間，人口密度急劇上升，對洪水預警的迫切需要也是本研究的原因之一。該流域最顯著的水文學特征是匯流時間短，產流速度快。從氣象學的角度分析，對流風暴和復雜的地形之間的相互影響增加了風暴模擬的困難和降雨預報的不確定性，因此模擬該流域的產流過程較為困難。需要具有高分辨率和對流參數化的中尺度非靜力學數值天氣預報模型來解析出詳細的風暴結構特征和與風暴相關的降雨。對流和降雨和鋒面降雨引發的洪水過程涉及了復雜的地形地貌因素和相關的陸面水文要素的交互，例如徑流，截留，下滲，蒸散發，地下水和基流等。

(三)土壤和植被的空間分布

本研究利用全球土壤數據庫的資料，對威尼斯流域的土壤分布進行分析，分析表明該流域的土壤類型分布較均勻，與該流域的形狀基本一致。根據UK soil viewer 的數據庫資料顯示，威尼斯流域的主要土壤質地類型是Manod(透水性好覆蓋于巖石表層的壤土)。對應的土壤的水文類型是覆蓋于不透水基巖上的透水性良好且具有極大土壤含水量的黏土和壤土。在水平方向上，威尼斯流域的主要土壤帶是黃土，紅土和棕土等；在垂直方向上，威尼斯流域的土壤分層呈現出山地垂直地帶結構特征。表層土(0-25cm)是深棕色的輕微石質的粘性壤土，中間層(25-60cm)屬于深褐色的輕微石質的粘性壤土，中等粒度或次角塊狀結構。下層土(從60cm到巖石層)的土壤類型屬于原生質的石板色的泥巖或者強石質的粘性壤或者土砂質粉砂壤土，詳細的土壤剖面見圖1。另外該流域人口密度大，由于人類活動的影響，分布有大量的耕作土和農業用地，并且土壤自然肥力低。河岸兩邊的典型的植被主要是橡樹林，陡酸高地牧場干草和沼地，歐洲蕨等草本植物，具有有限的截流能力。

(四)流域地形特征和土壤的質地組線

威尼斯流域附近的典型的地形和土壤質地組線顯示了該流域附近主要的土壤母質是古生代石板，泥石，粉砂巖，和下滲能力低的硬砂巖。巖石裸露地表，經過千年風化和風蝕作用，坡面碎石和沙礫聚集，抗性減弱，暴雨來襲，易發生崩塌，泥石流，滑坡等災害，因此該區域的水系容易發生山洪及并發災害。

(五)水文地貌的變化

在2004年8月24日，沿海漁村博斯卡斯爾遭受了猛烈的暴雨事件，該石質基巖的小流域上的四小時降雨量超過200mm。相比于該區域的8月份的80-120mm的降雨量，該降雨事件降雨強度非常大。該事件發生在白天，有很多目擊者是英國歷史上記錄最完整的洪災事件之一。Wallingford(2005)沿著主要干流的方向進行了現場調查，記錄的河道的水力學特征的變化。威尼斯河受到的主要的影響是河岸的侵蝕，河床的切割，橫向運動和撕裂(Wallingford 2005)。在支流與干流匯合的地方，溯源沖刷和沖積扇的沉積的現象較為典型，在河源上游較少發生。參考威尼斯流域的河網，顯示了該事件后河道地形地貌的改變。在威尼斯流域，三條河：威尼斯河，Jordan河和Paradise河曲折交匯于主河道，最后匯集于博斯卡斯爾。這三條河均陡峭而狹長。沿著支流威尼斯河，垃圾堵塞導致了河槽切割和河道變寬是2004年博斯卡斯爾洪水的主要影響。從博斯卡斯爾停車場到Minster Stream,可以觀察到幾處河槽改道。改道的上游，當水流沖擊右右側的河漫灘的地方，一些地方發生了泥沙沉積。朔源侵蝕還發生在Minster Stream匯流處的上游河段，由于河道的侵蝕形成了幾處河床的改變。在從Minster Stream 到Treworld Stream的河段，由于泥沙沉積和侵蝕引發了垃圾堵塞。從Lesnewth上游200米處，觀察到了約200米長的河岸侵蝕。在Tresparrett Stream支流的上游還有一些垃圾堵塞的現象，主河道堵塞了。在Jordan河與威尼斯河匯合在博斯卡斯爾的地方，流量超過了地下涵洞的過水能力因此淹沒了周圍的設施。還觀察到了上坡兩岸坡面的飽和土壤引發的滑坡。另外，在B3263橋上游1500米處還觀察到了由于坡面流引發的侵蝕現象。在支流Tresparrett Stream上，人行橋由于泥沙沉積受到堵塞，洪水的沖裂作用形成了新的河道。在支流Minster Stream的下游，觀察到了更多的垃圾堵塞和侵蝕現象，兩個二級河道形成了。

二、水文氣象特征

(一)氣象

1.天氣特征

威尼斯流域全年平均氣溫為9.8-12度，年較差小。該流域和整個西南半島都暴露在從西南方向的大西洋吹來的盛行風的范圍內，是不列顛群島西南半島的康沃爾郡最為典型的溫帶海洋性氣候。全年溫和潮濕，特征明顯：冬無嚴寒，夏無酷暑，總體上一年四季降水分布均勻，下雪次數也不頻密，易發生洪水災害是英國氣候特點導致的現象。

2.降雨時空分布

在英國大約有4000個雨量站進行每小時，每日和每月的測雨工作，組成了世界上密度最大的雨量站網絡。從1981年到2010年英國的年平均雨量，其中多雨的地區主要集中在山區例如斯諾登尼亞，湖區和蘇格蘭高地，年均降雨量都大于4000毫米。其次是英格蘭西北部和西南部，北部和中部威爾士和北愛爾蘭部分地區。這些區域有著共同的特點：高海拔和位于北部或西部地區。另一個特色是英國的西北部明顯比東南部更潮濕，可以在地圖上看到它們之間有一條清晰的分界線。這主要是由于高海拔地勢使它們暴露在了熱帶氣旋帶來的大西洋的水汽中，盛行的暖濕西風誘發了鋒面雨的形成。與此同時，伴隨著天氣系統從西向東跨過整個英國的移動過程，降雨量也隨著減少。北部和西部的降雨主要是因為當潮濕的氣團前進時，云層跨過高地，遇到高山阻擋，氣流被迫緩慢上升，引起絕熱降溫，發生凝結，這樣形成的降雨，稱為地形雨，地形雨是英國典型的降雨類型之一。

在英格蘭西南半島，氣旋頻繁過境，同時因為近海，雨量也較充足，平均年降雨量1051-1290毫米,在地形有利地區多達2500mm以上。受到與半島形狀，日照和盛行風的方向有關的海風收斂線的影響，西南英格蘭容易受到極端氣象和洪災(Leon et al.2016)。從降雨的空間分布來看，該半島是整個國家中最為溫潤潮濕的區域，降雨的空間分布主要受到與海岸的距離和海拔高度的影響。康沃爾郡的降雨量的空間分布，可以發現靠近西部位置的地區要比東部的地區年降雨量更大，因此更濕潤，主要是由于相對的高海拔和低溫的影響。可以看到三個地勢高的荒原：Dartmoor,Exmoor 和 Bodmin Moor 均受到1231-2584mm的年均降雨量。對于一些地勢較低地區的降雨通常是高地勢區域的一半，例如Somerset,年均降雨量僅為644mm。對于博斯卡斯爾地區，年均降雨量達到980毫米。在盛行西風影響下，西岸常有暖流影響，增溫增濕，西風從暖洋面吹來，降水頗多

至于降雨的時間分布，冬季常有溫帶鋒面氣旋來襲，因而盡管全年有雨，秋冬降雨量通常略多于春夏，康沃爾郡的降雨主要集中在10月到1月份，相比之下，同緯度的內陸地區的降雨量在全年均勻分布。Hand et al(2004)選擇了從1900年到2004年間發生在英國的最極端的50例降雨事件，發現其中一半是由于短期的對流風暴引起的。圖1顯示了極端降雨事件的月分布情況，在2月，3月和4月，極端降雨事件少發。端降雨事件發生在溫季(6月到8月)，在6月份數量增長得很快，8月份后數量緩慢減少。而且對流降雨類型的事件比鋒面降雨類型的事件的數量減少的更快，沒有對流降雨事件發生在11月，12月和1月份，因為日照是一個影響對流的主要外因。不難發現寒季(12月-2月)極端降雨事件主要是由于鋒面降雨。相反溫季極端降雨事件主要是由于對流降雨事件(Balasubramanyam 2014)。對于發生在溫季的鋒面降雨事件，主要是由于包含在對流風暴中的鋒面系統。溫季的鋒面系統本身相對較弱，無法引發洪水，但是它們通常是一系列的對流降雨的誘發因素，它們對溫季洪水的產生有重要的作用。總體上這個氣象學的特點與Barthold et al.(2015)的觀點相似：寒季降雨事件與天氣條件(例如溫帶氣旋)有關，然而溫季降雨通常與小范圍的對流過程(例如雷暴)相關，數值天氣預報模型也難以準確模擬溫季降雨。

Wallingford(2005)解釋這種高度偏態分布為極端降雨事件的發生主要是因為英國周邊的高海面溫度產生了高海面濕度。把2004年8月24日的風暴事件放在歷史極端事件中并且繪制了它們的降雨量和降雨歷時，可以看出2004年8月24日博斯卡斯爾風暴的強度相對于其他更南緯地區的強降雨事件是相對適中的。

3.暴雨特性

威尼斯流域地處于山腳與入海口的交界地帶，地形變化快，缺乏沖積扇等緩沖地帶，河道上寬下窄，流域小，地勢變化快，一旦發生較大的暴雨事件，上游來水快，迅速向位于流域出口斷面的博斯卡斯爾村匯集，加之河道兩岸為山地，山洪夾帶枯木殘枝等形成泥石流迅向山腳河道來襲。表1部分總結了過去240年西南英格蘭半島的歷史雨量資料和洪水資料，通過歷史的雨量資料表明，該地區幾乎每年都發生暴雨洪水事件，暴雨歷史長。該地區的暴雨具有頻率高，強度大，日暴雨量大，暴雨歷時長，持續事件長的特點，有時持續數日或數周。暴雨種類有地形雨，鋒面雨和對流雨。暴雨多集中于夏冬兩季。根據歷史的雨量資料可知，通常在數小時時間內，點雨量達到200毫升以上，多可劃分為特大暴雨事件。威尼斯流域1957年6月8日2.5小時最大暴雨量達到138毫升，50所住宅被毀。1958年6月3日威尼斯流域20分鐘內水位上漲了4.5米。

(二)洪水特性

西南英格蘭半島水系發達，河網密度大。以康沃爾行政區為例，在該區域內河流總長約有4000公里，支流長度平均約500米。圖1顯示了以康沃爾行政區的河網分布情況，其中主要干流紅色標出。由于該地區內各支流流程短，匯流迅速，洪水在極短的時間內可流出流域出口斷面，其洪水過程線具有峰尖且陡峭的特點，對于該區域內的生命財產安全造成巨大隱患。

1.洪峰流量高

發生2008年山洪災害的博斯卡斯爾村莊位于威尼斯流域的出口斷面，該流域面積約20平方公里(Catchment Data Explorer 2017)，該流域高程為300m,主要干流威尼斯河長度約8.04公里。威尼斯流域雖然流域面積小，但是流域內暴雨頻繁而且強度大，導致該流域暴雨洪水時常發生，對居民的安全造成的威脅不容小覷。該流域地形地勢陡峭，流域形狀狹長。

2.匯流時間短

威尼斯流域屬于狹長型流域，兩岸支流不僅流程短，而且坡度大，支流洪水匯流迅速，導致洪峰陡峭。流域出口斷面即入海口，整個流域的坡面向入海口傾斜，加上博斯卡斯爾漁村的不透水下墊面的影響，流域水文水力特性發生變化，在天然的條件下產匯流規律改變，洪水的傳播速度極快。

(三)防洪措施

該洪水事件發生后，英國環境署和康沃爾郡市政部門采取施工了防洪設施以預防洪水再次發生。這些防洪措施包括加寬和挖深河道，修復毀壞的人行橋，使用現代人行橋代替老舊的石質拱橋，安裝防洪涵洞來提高支流Jordan 河的過水能力，在河道兩邊開挖地下隧道，安裝排水閥來提高下水道排水能力，改造博斯卡斯爾停車場，提高地基約1米左右，防止河水漫過兩岸護坡，邊坡防護。

三、結論與建議

本研究從水文地貌和氣象學的角度分析了2004年博斯卡斯爾村莊發生山洪的原因及相應的防洪對策。結論是一系列的水文氣象因素例如暴風雨，似穩定的輻合線，強對流雨，土壤缺水量的減小，下墊面因素，陡峭的山脊和小流域面積引發了該災難。分析其影響因子與西南英格蘭半島的其它區域基本類似。主要影響因素有：

1.降雨是山洪災害的主要外因。威尼斯流域夏季多發強對流降雨，降雨強度大，降雨歷時短，產匯流迅速。

2.下墊面條件復雜多變，流域河網密度大，流域面積小，河道比降大，地形陡峭，流域的土壤透水性差，且巖石裸露地表，流域的植被多為草本植物，植被的截留能力低等因素。

3.人為因素。該區域有多年的洪災歷史，歷次洪水量級都很強，洪災影響都較大，但是從未采取過較為完善合理的防洪對策和防洪工程措施，人為的疏忽導致了該場災難的發生。另外隨著自然經濟社會的發展，森林砍伐，水土流失等因素也會影響山洪的爆發。

為了避免災難再次發生，英國環境署不久后針對該事件承擔了一系列的防洪工程措施，本章節提出防洪措施有加寬加深河道，邊坡加固，增加防洪涵洞數量，安裝地下排水管道，增高路基等。