麻城“7.1”暴雨過程特征及對光伏電站影響分析

王必強 陳正洪 孫朋杰 嚴國剛 莊玲潔 黨超琪

（1 湖北省氣象服務中心，武漢 430070；2 武漢日新科技股份有限公司，武漢 430073；3 陜西省氣象服務中心，西安 710014）

0 引言

隨著全球氣候變暖，近年來世界上大多數地方強降水事件增多，近25年來中國暴雨日數總體上稍有增加，其中長江中下游夏季暴雨量增多、強度增大，湖北省也表現出降水強度增加的趨勢。

2016年6月30日—7月2日，麻城市出現暴雨級強降水，過程降水總量為433.1 mm，其中，7月1日日降水量為333.6 mm，為歷史最大值（此次暴雨過程簡稱為麻城“7.1”暴雨）。該暴雨過程引發洪澇災害，中館驛鎮受災尤為嚴重，位于該鎮的某大型光伏電站（110 MW，2015年12月投產并網）大面積內澇積水，導致設施大范圍受損（圖1）。

圖1 光伏電站在麻城“7.1”暴雨中受損Fig.1 Flood disaster of the PV power station

本文從災情調查著手，利用國家氣象站和區域站高分辨率資料，采用天氣學、氣候學方法對本次麻城強降水事件進行綜合評估，分析暴雨過程的氣候特征和災害影響，提出對策建議，為降低洪澇災害對光伏電站的影響以及選址運維等提供借鑒和參考。

1 資料與方法

1.1 資料

研究涉及的光伏電站位置及其周邊氣象站分布如圖2所示，所用資料包括以下五類：1）湖北省82個國家級氣象站2007—2016年逐日降水資料；2）麻城國家氣象站建站至2016年逐時降水資料；3）麻城28個區域自動站2016年6月30日—7月2日逐小時降水資料；4）麻城某光伏電站2016年6月30日—7月2日受澇災情報告；5）現場補充調查資料。自動站資料由湖北省氣象檔案館提供，災情報告由電站運營方提供，補充調查資料由項目組實地調研取得。

圖2 光伏電站位置（紅色星）及其周邊氣象站分布圖Fig.2 Location of the PV power station and distribution of the automatic weather stations

1.2 研究方法

針對本次強降水過程，采用空間時空分析方法，通過比較湖北省各國家氣象站降水量，區分麻城與其它氣象站降水量的差別，為便于分析，根據國家標準降水量等級對降水進行分級。對麻城歷年（1957—2016年）最大日降水量序列、最大1～4 h降水量序列進行歷史排序，并利用極值分布理論對重現期進行推算。

極值的理論分布函數常用于氣候學和水文學，多以Ⅰ型分布為主，即Gumbel分布，最初用于洪水極值計算。根據數理統計規律，逐年日最大降水量可視為隨機事件，其極大值可由Gumbel分布公式計算。本文采用極值I型分布函數推算麻城“7.1暴雨”過程降水極值的重現期，采用矩法對相關參數進行估算，用柯爾莫戈洛夫擬合適度檢驗來校核極值Ⅰ型分布的合理性。

2 麻城“7.1”暴雨災情及天氣特征分析

2.1 麻城“7.1”暴雨災情調查與分析

通過圖2可以看到，該光伏電站位于浮橋河東側、舉水河北側，成三角夾擊之勢。災情調查顯示，在短期強降水作用下，麻城市3747 km的范圍內降水短時間內向各河流匯集。7月1日19時，舉水河實測洪峰流量為4400 m/s，為麻城市有氣象記錄62年來最大洪峰數據，全市境內60多座中型水庫超汛限水位，110座小型水庫全部接近汛限水位。連續特大暴雨導致舉水河和浮橋河洪水倒灌，加之電站內部排水不暢導致內澇，造成特大損失。

2.2 暴雨發生天氣背景分析

從2016年6月30日20時500 hPa天氣圖可以看出，歐亞中高緯地區呈兩槽一脊環流形勢，高壓中心位于貝加爾湖以北地區，其東西兩側各有一低渦存在，東側低渦中心位于黑龍江以北，從低渦中心延伸出的低槽一直抵達山東半島北部；中低緯度上副高非常強大中心位于西太平洋，588線位于長江以南，呈東北—西南走向。湖北大部處于副熱帶高壓（以下簡稱”副高“）西北側的西南氣流中，其西側重慶至貴州有一低槽存在，高空低槽緩慢加深東移，攜帶槽后的弱冷空氣與副高西北側的西南氣流在湖北上空交匯，為本次暴雨過程提供了非常有利的大尺度環流條件。

在高空槽前正渦度平流的作用之下，中低層西南急流強烈發展（圖3），20時700和850 hPa急流強度分別達到了16和18 m/s，比濕也都在10和14 g/kg以上，強勁的低空急流為暴雨的產生提供了充沛的水汽來源。此外，在低空西南急流左側始終有一條呈東北—西南走向的切變線，橫貫在湖北省中東部地區上空，湖北東部地區一直位于低空急流左側、切變線以南的強烈輻合區中，強烈的系統系抬升運動為暴雨天氣的產生提供了非常有利的上升運動條件。

圖3 2016年7月1日08時700 hPa 天氣圖Fig.3 700 hPa weather map at 08 BT 1 July 2016

2.3 降水過程時空分布特征分析

麻城國家氣象站2016年6月30日00時—7月2日24 時的小時降水量分布如圖4所示，可以發現該暴雨過程始于6月30日08 時，結束于7月2日24 時，時長64 h，過程雨量為433.1 mm。其中，降水主要集中在6月30日08時—7月1日08 時，小時降水量最大值（50.9 mm）出現在6日22 時。

圖4 麻城國家氣象站2016年6月30日00時—7月2日24時逐時降水量Fig.4 Rainfall from 30 Jun to 2 Jul 2016 at Macheng weather station

根據相關研究結果，在鄂東北地區，當24 h降水量大于150 mm時，災害預報等級為R3級（表示發生山洪地質災害的可能很大）。2016年6月30日08時—7月1日08時，麻城全市29個氣象站中，除距離該光伏電站較遠的福田河站以外的28個站降水量均超過200 mm，達到R3等級。說明此次降水過程引發山洪地質災害的可能性較大。

2.4 最大日降水量及1～12 小時降水量歷史排位及重現期推算

采用極值Ⅰ型分布算法，用麻城國家氣象站1959—2017年59年的歷年最大日降水量序列，進行重現期的計算，結果見表1，其中100年一遇最大日降水量為281.3 mm。根據麻城國家氣象站1959—2017年逐年最大日降水量序列，麻城“7.1”暴雨日降水量333.6 mm，在歷史上排位第1位，重現期為367 a。

表1 用極值Ⅰ型分布計算出不同重現期的日最大降水量Table 1 Use extreme-I distribution to calculate the maximum daily precipitation of different recurrence interval

2016年6月30日19—22時降水量為155.2 mm，在歷年連續4 h最大降水排位第2位，重現期為51 a。

3 洪澇災害的成災機制

以往研究表明，湖北省山洪災害的地形分布，山區多于平原，南部多于北部，且東部的山洪災害、鄂西南的泥石流、滑坡與年降水量相關性普遍較好。從連綿陰雨作為滑坡泥石流等次生地質災害前期初始累加值方面分析，湖北省7月降水量全年最高，占全年降水量的17%。從近10年（2007—2016年）6月1日—7月20日（此時段作為氣象部門整個梅雨期降水預報時段）同期累積降水量可以看到，降水總體呈現東部、西南部多，西北部少的分布。就區域降水量而言，鄂東南和鄂西南最大，鄂東北次之，該光伏電站所處麻城市屬降水較多區域。

從區域自然災害系統論角度理解，區域自然災害是孕災環境、致災因子和承災體相互作用的結果。致災因子搭配合適的孕災環境，加之承災體對洪澇災害的敏感性，造就了不同的洪澇災害。同時，當地防災減災能力也是影響受災程度的重要因素。通過野外勘測及綜合分析，該光伏電站洪澇災害形成的主要因素包括：地理氣象條件、地形地貌組合、河道淤積、排水能力不夠等。

麻城市地勢北高南低，由北向南傾斜過渡，地貌形態多樣，同時具有北洪南澇的特點。北部地處大別山南坡，相對高差大，主要受山洪的影響；南部處于河流下游和長江北岸，主要受漬澇的危害。

近年來，麻城市經濟發展迅速，城鎮規模擴張及人類活動影響導致山體和河道周邊植被破壞，水土流失導致泥沙沿山地順河而下，在舉水河和浮橋河交匯位置地勢趨于平坦，水勢趨緩導致泥沙淤積，進而致使河床抬高、河道變淺變窄，加劇了“小流量、高水位”現象（圖5）。加之防洪和排澇工程不完善，在連續多日強降水及周邊水庫泄洪的綜合因素下，高度落差倒灌，外洪內澇交織。

圖5 光伏電站地形圖Fig.5 Topographic map at the PV power station

4 光伏電站洪澇災害影響的對策

近年來，隨著全球氣候變化，湖北東部的年雨量和強降水次數均呈增加趨勢。加之光伏電站固定設備投資大、資本回收期長，對洪澇災害敏感性強，因此應做好長期的災害預防，尤其應注重排水設施的建設維護。按照有關標準對光伏電站防洪設計的要求，不同容量對應不同的防洪等級和標準如表2所示。

表2 光伏發電站的防洪等級和防洪標準Table 2 Flood control grade and standard of PV power station

該光伏電站裝機容量110 MW，為II級防洪等級，但麻城“7.1”暴雨重現期為367 a，遠大于50年一遇的防洪標準，同時緊鄰河流，故造成重大損失。鑒于此從選址建設和防澇排澇兩方面對如何避免和減輕洪澇災害對光伏造成影響進行分析。

4.1 選址、施工和運維階段

光伏電站項目在開發初期，若項目緊鄰湖泊河流等洪澇災害易發位置，需進行洪澇災害影響評價，提前對光伏電站建設加以規劃。評價報告中應就可能發生的洪澇災害進行評估、并提出預防洪澇影響的措施方法等。良好的選址對于后期施工時的防澇排澇措施非常重要，光伏電站的建設應充分利用項目周邊地形優勢，充分考慮周邊河湖等大型水體，因地制宜的設計防澇排澇措施，良好的選址將會為防澇排澇提供巨大便利。

場站建設階段，各類電器設施按照隨坡就勢原則依次排布，充分利用地形，趨利避害，降低建設成本。同時，應加強對于氣象信息的搜集與監測，聯合氣象部門，綜合利用短臨預警、水文預報、水量調度、氣象監測等方面技術，對洪澇災害進行實時監測，防排結合降低潛在災害風險。

4.2 防澇排澇措施

應對洪澇災害，對于鄰江、鄰海地區通常會采用+0.5 m的安全超高，對于山區部分還要另外考慮山洪帶來的影響增設樁基高程。同時為了減少潛在的洪澇災害損失，多雨地區的電纜宜采用橋架或托索等方式安裝，對價格較高的電氣設備，如逆變器、匯流箱、箱變、平單軸和中控設備等，應采取更高標準的方案，如排水防洪溝的布置、盡量抬高電氣設備支架高度、加強防銹除銹等，防止積水導致電氣安全事故。