奉賢區內河水位與暴雨徑流關系

夏玉蘭

（上海市奉賢區水文站，上海 奉賢 201499）

0 前言

在城市化進程不斷加快的背景下，城市基礎設施、工業園區、房地產業發展迅速，城市面積越來越大，對城市承載能力提出了更高的要求。在人民生活質量得到提高的同時，城市防汛排澇帶來了極大的壓力。目前上海在防汛排澇方面主要采取兩種方式，一是通過強排水系統，將積水經由泵站強排至河道。二是依靠河道支流自然排水。但由于奉賢區河道調蓄容量偏小，泵閘排水能力偏低，每年汛期都有一些地區會出現暴雨積水現象。這些地區一旦下暴雨就會發生道路積水、汽車進水等災害現象……，這些災害現象不僅會造成城市居民的財產損失，而且還會威脅到居民的生命安全，更會對城市經濟建設帶來阻礙。為此，對降雨徑流形成過程進行研究，已經成為防范城市洪澇災害的重要工作。本文將從研究降雨與徑流之間的關系入手，提出解決城市排澇問題的一些思路與方法。

1 奉賢區概況

上海市奉賢區位于上海南部，東接浦東新區，南臨杭州港，北臨黃浦江，西接金山區和松江區。奉賢區的江岸線與海岸線的長度分別為13.7 km、31.6 km，在境內，河道呈現出交叉縱橫的分布狀態。奉賢區內河水系發達，共有19 條市級、區級河道，244 條鎮、場級河道，4265 條村級河道，內河主要受浦東區水利工程中的水閘控制。根據1959 年～2011 年水文資料顯示，奉賢區平均降水量為1117.0 mm，內河最高水位為3.71 m，最低水位為1.74 m。

奉賢區西部易遭受洪澇災害，其地面高程約為3.5 m，明顯低于奉賢區內4.5 m 的平均地面高程。南鄰的杭州灣與北鄰的黃浦江，其最高潮位分別為6.24 m 和5.00 m，平均高潮位分別為4.21 m 和3.02 m。根據1969 年～2009 年的暴雨資料顯示，奉賢區的暴雨頻次呈現出增多趨勢，造成澇災次數也隨之增多。1969 年～1979 年、1980 年～1989 年、1990 年～1999 年、2000 年～2009 年的4 個10 年期間，發生大暴雨的次數分別為2 次、6 次、5 次、6 次。

2 暴雨徑流關系計算方法選擇

暴雨徑流計算方法主要包括單位線法、等流時線法、暴雨徑流模型模擬計算等方法，其中模型計算方法是暴雨徑流研究中應用較多的方法，其應用優勢在于可模擬出徑流的形成過程，且保證模擬計算的精確性。但是，暴雨徑流模型計算需有大量的水文數據作為計算依據，并選用一定數量的參數，大幅度增加了模型計算方法的實施難度。

為降低暴雨徑流計算的復雜程度，水利部門經常采用以下兩種更為簡便的計算方法：

一種是以起漲水位作為評估前期影響雨量的重要因子，反映前期河網蓄水量和地表含水量。在地勢較為平坦的地區，若該地區降雨量豐富、河床切割較淺、植被覆蓋良好，則該地區的土壤含水量與河道之間存在著一種持續的、穩定的互補關系。當內河水位較低時，較高的河網密度,能夠緩慢持續地補充河道。當內河水位較高時，河床里的水會適當的補充給土壤。

因此，根據平原河網地區的降雨徑流關系的特點,可通過獲取平均降雨量、起漲水位數據，計算出水位漲差，用以反映平原河網地區的降雨徑流關系。計算公式為：

式中：ΔH 為水位漲差，m；P 為平均降雨，mm；H0為起漲水位，m。

這種方法使用簡單，直觀。缺點是主要依靠經驗方法，預報精度不夠。

另一種方法是通過采用P-Pa-Rs 三變量經驗相關圖法來反應暴雨徑流關系。在三變量經驗相關圖中，橫坐標表示徑流深Rs，縱坐標表示降雨量P，在圖上繪制相應的P、Rs 值，并將前期影響雨量值Pa標注在圖形上，根據點群分布趨勢，連接形成Pa的等值線，完成圖形繪制。三變量經驗相關圖的規律如下：

①在P 相同的條件下，損失隨著Pa的增大而減小，Rs 隨著Pa 的增大而增大，使得Pa等值線的數值呈現出由左向右逐步增大的變化趨勢。

②在Pa相同的條件下，損失隨著P 的增大而減小，P-Rs 線的坡度隨之減緩，但始終大于45°。在Pa達到最大值的情況下，P-R 線的坡度為45°。

根據繪制的圖形，對降雨過程和降雨開始時的Pa進行測算，結合各時段的P 值，對應找出Rs 值。可根據內河水位與槽蓄容量的關系圖，將徑流深轉化為內河水位升幅，對各時段的內河水位值進行計算。

這種方法優點在于預報精度較高，但計算過程復雜，前期準備資料要比較齊全，對預報人員要求較高。

如何兼顧預報精度，又能簡單快速地做出預報。筆者在兩種方法的基礎上作了改進，生成方法三。將制作P-Pa-Rs三變量經驗相關圖的理論基礎與降雨- 起漲水位- 漲差圖相結合，通過查圖可方便快捷地獲得內河預報水位，簡化了預報過程。

制圖方法：首先篩選所有暴雨水位資料中不受水閘影響的資料，獲得降雨量、漲差，制作點圖；其次計算歷年暴雨的前期影響雨量，計算出Pa平均值，然后根據P-Pa-s 相關圖，查出降雨對應的徑流量；選取起漲水位在2.3 m～3.1 m，計算相應代表庫容，加上徑流量后反算出水位漲差，然后畫出各曲線；最后，對曲線部分進行微調，使曲線覆蓋范圍與點的分布范圍基本一致。

2.1 數據采集

根據奉賢區自1998 年～2015 年有記錄以來的所有日雨量超過50 mm 暴雨的數據進行統計。統計得到滿足條件的數據共46 組，制作水位- 雨量表，根據圖表，篩選出未受水閘開關閘影響的29 場作為計算的原始資料。

2.2 各場降雨的前期影響雨量計算

蓄滿產流是濕潤地區徑流產生的主要原因，土壤蓄水量直接影響著降雨徑流量，尤其是降雨前時期的土壤蓄水量是決定性因素。本研究選用衡量流域干濕程度指標，用前期影響雨量Pa進行表示，可判斷研究區域土壤蓄水量的多少。Pa的計算公式為：

式中：Pa.t表示第t 天的前期影響雨量；Pa.t+1表示第t+1 天的前期影響雨量；Ka表示研究流域土壤蓄水的日消退系數；Pt表示第t天的流域降雨量。

式中的Pa.t+1必須滿足≤流域最大蓄水量。

取Ka平均值，Ka=（1- 流域月平均日蒸散發能力/流域最大蓄水量），在大暴雨后，Pa達到流域最大蓄水量，以此作為推算依據，計算出降雨前的影響雨量。在計算過程中，需先確定兩個參數值，分別為Pa起始值與Ka值。Pa起始值可從大暴雨后的第一天計算，將第一天土壤含水量視為飽和狀態，確定為100 mm。也可以從大暴雨之前的30 天無雨日進行計算，確定為0 mm。

Ka值計算要根據統計資料中每月水面蒸發量進行計算，將數據帶入Ka的公式中，求出6 月、7 月～8 月、9 月Ka值分別為0.96、0.94、0.95。

表1 各場暴雨Pa 值計算表

2.3 暴雨與水位關系圖

通過對1998 年之后的自然降雨和相關的水位資料進行詳細分析后，確定具體的研究時段。同時，借助該內河水位與槽蓄容量之間存在的關聯性，對河道的徑流量進行確定。

表1 中各場暴雨的前期影響雨量均值為71.7 mm，接近70 mm。取70 mm 作為前期影響雨量值，繪制-ΔH-H0三變量降雨徑流關系圖。

圖2 P-ΔH-H0 三變量暴雨與水位關系圖

3 暴雨與水位分析圖預報檢驗

近年來，上海的經濟在政策扶持下得到飛速發展，在這一過程中，奉賢區的經濟也隨之進入高速發展階段。然而，由于內河洪澇災害造成的直接和間接經濟損失卻呈現出明顯的上升趨勢，防汛成為防澇的重點工作內容之一。根據當地氣象資料顯示，暴雨多數都與臺風相伴而來，為避免發生洪澇災害，防汛部門需要在暴雨來臨前，預先降低內河的水位線。然而，為滿足內河的航運需要，水位線很難降至理想的位置。為此，應當通過分析得出水位線降低的最佳高度。

3.1 實例分析

2002 年7 月4 日，奉賢地區發生暴雨。從7 月4 日18 時開始到5 日10 時降雨結束,全市平均雨量為47.9 mm,南橋站水位從2.58 m 起漲,到5 日10 時出現最高水位3.08 m,后4 小時水位又慢慢開始回落，主要是受到區域內水閘向外排水影響。對照降雨漲差關系圖，去除水閘影響的時段，在其它時段下，南橋站預報的最高水位為3.05 m，實際值為3.08 m，二者之間僅僅相差了0.03 m，具體數據見表2，達到良好的預報效果。南橋站2002 年7 月4 日～7 月5 日期間降雨和水位過程，見圖3。

表2 南橋站最高水位預報和實測表

圖3 南橋站2002 年7 月4 日～7 月5 日期間降雨- 水位過程圖

3.2 預報精度檢驗

4.2.1 預報精度等級

以現行的水文情報預報規范作為依據，以合格率作為基準，將預報項目劃分為三個等級，按照表3 對精度進行確定。

表3 預報項目精度等級表

以許可誤差作為基準時，如果一次預報的誤差超過許可誤差，則說明預報不合格，反之為合格。合格率可以用下式進行計算：

式中：QR 代表合格率；n 代表合格的預報次數；m 代表預報的總次數。

確定性系數是洪水預報與實測吻合程度的一項重要指標，可以用下式進行計算：

式中：DC 代表確定性系數（通常取小數點后兩位數）；y0（i）代表實測值；yc（i）代表預報值；y0代表實測值的均值；n 代表資料序列的長度。

4.2.2 預報個例檢驗

表4 預報與實測誤差計算表

續表4

對收集到的29 場暴雨數據進行預報精度計算。根據水文情報預報規范，其中以河道流量（水位）預報以預報期內實測變幅的20%作為許可誤差。通過計算得到合格預報為24 次，不合格數為5 次。根據公式（3）計算得到QR=82%，根據公式（4）計算得到DC=0.84，預報精度達到乙級。

其中不合格的預報值均高于實際值，主要是未將暴雨期間區域內水閘向外排水影響考慮進去。

5 結語

上海市奉賢區水文站網自建立至今歷經了數十年的發展，在站內工作人員的不懈努力下，形成了結構完整的水文資料收集體系。水文站將工作的重點放在資料的收集上，對這些資料的分析與應用處于起步階段，從而使得這部分具有珍貴利用價值的水文資料并未發揮出應有的作用。本文提出一種暴雨徑流的計算方法，可在防汛預報工作中應用。

該方法是依據奉賢區內河的特點，對該區域內自然降雨的時空分布情況進行分析，以內河水位作為影響降雨量的關鍵性指標，研究降雨徑流的關系。以手工擬合的起漲水位- 雨量-漲差關系圖為基礎，對洪水的預報方案進行編制，據此對洪水進行準確預報。該方法最為突出的特點是簡便、結果準確、可信度高，具有一定的推廣價值。