中小河流域三個叫應機制氣象服務標準分析
——以余慶河為例

夏兆林，蔡成良，譚 權(quán)，陳洪濱，徐志猛

(1.貴州省余慶縣氣象局，貴州 余慶 564499；2.余慶縣團結(jié)水庫管理所，貴州 余慶 564499)

0 引言

隨著極端天氣頻發(fā)和經(jīng)濟社會發(fā)展，中小河流暴雨洪澇災害呈多發(fā)頻發(fā)態(tài)勢，造成的社會影響及經(jīng)濟損失也越來越大。余慶河系烏江中游南岸一級支流，河長111 km，流域面積1 502 km2，發(fā)源于甕安縣永和鎮(zhèn)，經(jīng)黃平、余慶、石阡等縣匯入烏江，大的支流有5條。余慶河流經(jīng)余慶縣城，距縣城上游5.3 km處建有團結(jié)水庫。團結(jié)水庫于1975年動工，1980年建成，1998年、2000年2次進行加閘改造和除險加固。流域內(nèi)出現(xiàn)強降雨時，團結(jié)水庫將在確保水庫大壩安全的前提下，采取攔洪削峰調(diào)度，以減輕下游縣城河道行洪壓力。

提高暴雨洪澇災害監(jiān)測預警能力，提前發(fā)出預警，準確作出預報，能有效彌補山區(qū)中小河流域防御能力不足、降低暴雨洪澇災害損失。代瑞華[1]、楊平會[2]等就部分縣域強降雨“三個叫應”氣象服務標準作了分析研究。夏兆林等[3]提出建立完善針對中小河流域跨行政區(qū)域的上下游聯(lián)防工作機制，并將其作為“三個叫應”氣象服務的進一步延伸。姚正蘭等[4]研究表明，余慶縣處于暴雨多發(fā)區(qū)域。若強降雨形成的徑流、匯流，大大超過團結(jié)水庫及縣城防洪設(shè)施的防洪承受能力，則縣城極易發(fā)生暴雨洪澇災害。因此，分析余慶河流域暴雨洪澇致災雨量閾值，對防災減災救災及預警預報具有重要的意義，也可為中小河流域三個叫應機制氣象服務進行有益探索。

1 資料與方法

余慶河流域內(nèi)有余慶國家基本氣象站(57729)以及永和(R4904)、老墳嘴(R4908)、浪洞(R5903)、紙房(R5902)、平溪(R5913)等5個區(qū)域氣象站。選取流域內(nèi)余慶國家基本氣象站1981—2019年降水資料及5個區(qū)域氣象站2012—2019年降水資料，結(jié)合水庫水位及歷史暴雨洪澇災情資料，采用統(tǒng)計分析法分析團結(jié)水庫水位上漲與上游流域面雨量的關(guān)系，確定余慶河流域“三個叫應”氣象服務標準。計算面雨量常用的方法有算術(shù)平均法、泰森多邊形法等。余慶河流域內(nèi)氣象站點分布均勻，站網(wǎng)布局合理，資料完整性高，面雨量直接用各氣象站雨量求平均值即可。

(1)

式中AR為流域面雨量，Ri為站點i的雨量，n為氣象站個數(shù)。

(2)

式中R為臨界雨量(mm)，α為徑流系數(shù)，A為流域面積(km2)，ΔV為攔蓄水量(m3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域氣候背景

余慶河流域位于貴州中部，形狀呈扇形，海拔西南高東北低，地形以山地為主，處于中亞熱帶濕潤季風氣候帶。彭芳[5]等研究表明：4月，受滇黔靜止鋒影響，貴州強降水東部多于西部；5月，南支槽強降水對貴州南部地區(qū)影響增加；6月，副熱帶高壓逐步北跳，強降水南部多于北部，東部多于西部；7月，副熱帶高壓繼續(xù)北跳，強降水帶由南向北移動；8月，受副熱帶高壓控制，貴州大部進入伏旱少雨階段；9月，副熱帶高壓東退減弱，貴州大部降水減弱。

根據(jù)公式(1)統(tǒng)計得出，流域內(nèi)年平均降雨量900～1 300 mm，多年平均降雨量1 071 mm。分析流域內(nèi)各氣象站的降水資料發(fā)現(xiàn)，余慶河流域強降水事件多發(fā)生在深夜和凌晨。統(tǒng)計分析各氣象站的降水序列資料得出，流域內(nèi)汛期(4—9月)降雨量816.5 mm，占全年的76.2%，這主要是由于孟加拉灣和南海的暖濕氣流帶來了充足的水汽。暴雨最早出現(xiàn)在3月22日，最晚出現(xiàn)在9月18日，年暴雨日數(shù)2.8 d，大暴雨日數(shù)0.3 d。6月降雨量最大，為184.5 mm，占全年的17.2%；5月次之，為166.9 mm，占全年的15.8%；12月降雨量最小，為21.3 mm，占全年的2.0%。年降雨量最大為1 328.9 mm(1999年)，最小為708.3 mm(1981年)。日降雨量最大為161.3 mm，出現(xiàn)在1998年5月22日；其次是156.7 mm，出現(xiàn)在1986年7月4日。

2.2 暴雨洪澇災害

余慶河屬于典型的雨源型山區(qū)河流，河道坡降7.15‰，徑流系數(shù)為0.46，多年平均流量23.6 m3/s，年徑流量7.44×108m3，汛期最大流量(1975年6月5日)為1 300 m3/s。由表1可知，余慶河流域暴雨洪澇一般由于強降雨集中、持續(xù)時間長，造成河道水位上漲，破壞防洪工程，洪水淹沒農(nóng)田、基礎(chǔ)設(shè)施，造成人員傷亡。1998年8月2日，大暴雨導致團結(jié)水庫水位上漲至604.9 m，余慶縣城直接經(jīng)濟損失250萬元。1999年7月16日，大暴雨造成縣城防洪堤5 a一遇段全部翻堤，王家浪至原中醫(yī)院一帶被水淹沒44 h，團結(jié)水庫水位605.1 m。余慶縣城防洪標準為20 a一遇，城郊農(nóng)田防洪標準為5 a一遇，暴雨洪澇危險區(qū)12個，涉及縣城2個鎮(zhèn)(街道)6個村(社區(qū))，受威脅人口5萬余人。余慶河流域暴雨洪澇災害交替發(fā)生，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人民群眾生命財產(chǎn)受到損害的風險越來越大。

表1 余慶河流域歷史暴雨洪澇災害情況Tab.1 Historical Rainstorm and Flood Disasters in Yuqing River Basin

2.3 臨界雨量指標

2.3.1 不考慮泄洪條件 團結(jié)水庫系攔截余慶河及其支流而成，匯水面積410 km2。水庫汛限水位602 m，正常蓄水位605 m，設(shè)計洪水位606 m，校核洪水位608 m，總庫容1.78×107m3，最大壩高37.4 m，有效庫容1.21×107m3，是一座年調(diào)節(jié)水庫。團結(jié)水庫水位特征既表征了流域上游一定時效的匯水特征，又與下游余慶縣城的暴雨洪澇災害密切(見表2)。

表2 團結(jié)水庫的特征水位Tab.2 Characteristic water level of Unity Reservoir

不考慮泄洪的條件下，根據(jù)公式(2)，運用統(tǒng)計分析方法，結(jié)合水庫水位—庫容關(guān)系，推算相應臨界雨量，得到表3。

表3 團結(jié)水庫水位庫容關(guān)系及臨界雨量推算Tab.3 Water Level-Reservoir Capacity Relation and Critical Rainfall Estimation of Unity Reservoir

續(xù)表3

2.3.2 考慮泄洪條件 當上游降水量大，水庫來水量大時，團結(jié)水庫將啟動調(diào)蓄功能。假定當水位達到汛限水位時，水庫向下游泄洪(泄洪量為102 m3/s)。模擬計算過程中，以602 m的汛限水位作為基準水位，將24 h流域面雨量(設(shè)定降水均勻分布)按逐小時雨量輸入水文模型，進行24 h匯流模擬，計算24 h水庫的匯流量和泄洪量。根據(jù)表3中的水庫水位—庫容關(guān)系，考慮泄洪條件，分析從汛限水位到達正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位的所需來水量，分別得到水庫在泄洪的條件下達到各水位的臨界雨量(見表4)。

2.4 流域“三個叫應”標準

根據(jù)余慶縣防汛預案，團結(jié)水庫水位達到604.3 m時，水庫管理所將發(fā)布黃色預警信號；團結(jié)水庫水位達到605.5 m時，水庫管理所將發(fā)布紅色預警信號。通過分析致災臨界雨量閾值，參考流域內(nèi)歷史暴雨洪澇災情和水庫水位特征，充分考慮雨強、歷時、泄洪等影響因素，確定余慶河流域“三個叫應”氣象服務標準，并將其分為一級叫應、二級叫應、三級叫應。

一級叫應表示降雨強度達到致災臨界雨量閾值或水庫達到校核洪水位，且降雨持續(xù)，可能導致重大災害時，縣氣象局主要領(lǐng)導電話叫應縣政府主要領(lǐng)導，提醒其加強防范；二級叫應表示降雨強度達到致災臨界雨量閾值或水庫達到設(shè)計洪水位，且降雨持續(xù)，可能導致較大洪澇災害時，縣氣象局值班領(lǐng)導電話叫應縣應急、水務等部門和沿岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)主要負責人以及縣政府分管領(lǐng)導，提醒其注意防范；三級叫應表示降雨強度達到致災臨界雨量閾值或水庫達到正常蓄水位，且降雨持續(xù)可能導致洪澇災害時，縣氣象臺值班人員電話叫應縣應急、水務等部門及沿岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)值班室人員，提醒其注意防范。

表4 泄洪條件下，汛限水位及以上到達正常、設(shè)計、校核水位的臨界雨量Tab.4 Critical Rainfall for Flood Limited Water Level and Above to Normal, Designed and Checked Water Level under Flood Discharge Conditions

根據(jù)公式(1)，計算余慶國家基本氣象站以及平溪、浪洞、紙房、老墳嘴、永和等5個區(qū)域氣象站24 h區(qū)域平均雨量，以團結(jié)水庫汛限水位602 m為基準水位，計算余慶河流域“三個叫應”氣象服務標準。團結(jié)水庫24 h前的水位在602 m、603 m、604 m、605 m時，余慶河流域“三級叫應”臨界雨量閾值見表5。

表5 不同叫應等級24 h臨界雨量(單位：mm)Tab.5 Critical Rainfall for 24 h with Different Response Levels(Unit:mm)

2.5 成果檢驗應用

2019年6月12日，余慶河遭遇10 a一遇暴雨洪澇襲擊，流域內(nèi)過程累計雨量為：浪洞118.5 mm、永和73.0 mm、平溪71.1 mm、余慶59.0 mm、老墳嘴42.6 mm、紙房10.6 mm。6月12日05時，團結(jié)水庫水位達到602.66 m，24 h面雨量為53.9 mm。05時，流域內(nèi)24 h雨量達到50 mm，團結(jié)水庫水位達到602.66 m，余慶縣氣象局啟動三級叫應，值班人員叫應縣應急管理局、縣水務局及子營街道、白泥鎮(zhèn)值班人員。07時，流域內(nèi)24 h雨量達到55 mm，團結(jié)水庫水位達到604.11 m，余慶縣氣象局啟動二級叫應，值班領(lǐng)導叫應縣應急管理局、縣水務局及子營街道、白泥鎮(zhèn)值班領(lǐng)導以及縣政府分管領(lǐng)導。

09時，余慶縣應急管理局發(fā)布緊急避險黃色預警：6月12日凌晨團結(jié)水庫上游發(fā)生強降雨，目前團結(jié)水庫水位達604.8 m，超汛限水位2.8 m。根據(jù)應急搶險預案要求，現(xiàn)啟動IV級應急響應，請團結(jié)水庫下游子營、白泥轄區(qū)群眾遠離河道，作好防范準備；請水務、消防、公安、人武等有關(guān)部門作好備險搶險準備。縣政府分管領(lǐng)導接到叫應后，趕赴團結(jié)水庫現(xiàn)場指揮調(diào)度防災減災救災工作，對流域“三個叫應”氣象服務機制和上下游區(qū)域聯(lián)防工作給與了肯定和表揚。

圖1 2019年6月11—12日團結(jié)水庫水位與流域累計降雨量變化Fig.1 Change of Water Level and Accumulated Rainfall in Unity Reservoir from June 11 to 12, 2019

3 結(jié)論

①根據(jù)致災臨界雨量閾值，結(jié)合水庫特征值和歷史暴雨洪澇災情結(jié)果，進而確定的余慶河流域“三個叫應”氣象服務標準，符合余慶縣防汛實際情況，可以為防御中小河流域暴雨洪澇贏得寶貴時間。

②以24 h區(qū)域平均雨量為統(tǒng)計量，團結(jié)水庫24 h前的水位在602 m、603 m、604 m、605 m時，余慶河流域一級叫應臨界雨量閾值分別為85 mm、80 mm、75 mm、70 mm；二級叫應臨界雨量閾值分別為70 mm、65 mm、60 mm、55 mm；三級叫應臨界雨量閾值分別為65 mm、60 mm、55 mm、50 mm。

③由于資料搜集難度大，本文僅考慮了流域內(nèi)水庫水位因素，對于雨量分布形態(tài)、前期降雨量、土壤飽和度以及地質(zhì)地貌、森林覆蓋率等因素未做分析，下一步應綜合考慮各個因素的影響。同時，氣象、應急、水務等部門應加強致災閾值的會商研判，不斷修訂完善中小河流域“三個叫應”氣象服務標準。