東溪水庫流域大洪水可能發(fā)生時間分析

武夷山市東溪水庫運行調度中心 朱鴻光

一、東溪水庫多年洪水的統(tǒng)計分析

（一）東溪水庫水文特征和防洪任務簡介

武夷山市東溪水庫屬閩江流域崇陽溪的源頭水庫，流域面積554km2，上游布設了9個自動雨量檢測站點，主河道長44.5km，洪水匯流時間在3至4個小時。東溪水庫汛期通過攔蓄消減洪峰將下游城區(qū)的防洪標準提升至26年一遇的標準，東溪水庫流域26年一遇的大洪水的洪峰是2190m3/s。東溪水庫在防汛中主要采用攔蓄和錯峰，在防洪庫容不足的情況下，大多采用錯峰，就是預先騰庫并在西溪洪峰到達時東溪水庫進行攔蓄消減部分洪峰，所以在城關洪峰來臨前東溪水庫能否盡早預泄騰庫，保證有足夠的防洪庫容至關重要。

東溪水庫建庫后自1988年以來開始有了詳細的水文記錄。通過對水庫數(shù)十場洪水分析發(fā)現(xiàn)，所有洪水都是連續(xù)強降雨才形成大的洪峰，如此大量水汽只能來自海洋，所以影響東溪水庫防汛安全的雨只能是鋒面雨或臺風雨，二者水汽均是來自海洋的暖濕氣流。當鋒面雨帶覆蓋了東溪水庫流域時，水庫流域就會發(fā)生較大的降水，據(jù)歷史統(tǒng)計，基本在每年7月16日以后鋒面雨帶北抬后就不會再退回到東溪水庫流域了。東溪水庫流域在7—9月可能受臺風雨影響，但是受臺風影響小概率會在水庫流域發(fā)生強降雨，而且此時段土壤含水量較低，水庫水位低，防洪庫容大，此時若發(fā)生大洪水，水庫能夠發(fā)揮出巨大的防洪減災作用，并且現(xiàn)代科技對臺風路徑追蹤極為準確，所以可控性高。

（二）東溪水庫洪水發(fā)生時間、雨強分析

1.東溪水庫建庫以來洪水分析

東溪水庫自1986年建庫以來入庫大于700m3/s的洪水共有22場，其中洪峰達到十年一遇標準1740m3/s以上的洪水有4場，通過對這22場洪水的最大1小時雨量、最大3小時雨量、最大24小時雨量以及單雨量站點降雨量達30mm/h的出現(xiàn)時間及個數(shù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)若干有趣現(xiàn)象：

（1）22場洪水不考慮年份依照月日時間排序，中位數(shù)是6月21日和6月23日，平均數(shù)是6月20日，這個時間基本與夏至（每年6月21日或6月22日）吻合。夏至的特點是北半球在北回歸線及以北區(qū)域獲得太陽照射角最接近直角，獲得太陽輻射的能量最大，顯然暖濕氣流的形成與傳輸與太陽能量關聯(lián)巨大。

（2）洪峰大于1000 m3/s的洪水自建庫以來全部都發(fā)生在6月8日之后，洪峰大于1740m3/s的洪水時間又往后了，6月份1場、7月份3場，其中“19920704”特大洪水重現(xiàn)期為50年。

（3）對所有洪水的最大3小時雨量進行排序，排名前4的洪水剛好也是洪峰統(tǒng)計排名最大的4場洪水。顯然最大3小時降雨量是東溪流域的造峰雨量，和洪峰高度相關。而對最大24小時降雨量洪水進行排名，發(fā)現(xiàn)第2名的“20100619”洪水和第3名的“20030624”洪水二者洪峰均未超過1100m3/s，洪峰排名靠后，特別是“20100619”洪水多個雨量站點24小時超過200mm，達到特大暴雨標準，這表明東溪水庫流域的洪峰與24小時最大降雨關聯(lián)并不特別大。而短時雨強突出的“19920704”洪水雖然最大24小時降雨并不顯著，但依然成為洪峰最大的洪水，該場洪水共出現(xiàn)15次單雨量站點超過30mm/h,單站最大1小時降雨量為67mm，單站最大3小時降雨量為108mm。對于東溪水庫這個源頭水庫而言，對洪峰影響最大的是過程雨量的最大3小時雨量強度。所以未來東溪水庫流域可能出現(xiàn)的大洪水的最大3小時雨強或單個雨量站點的一小時雨強一定是特別突出的。

（4）若我們以單個雨量站1小時降雨量達30mm以上作為極強降雨的一種標識，對水庫流域洪水降雨進行統(tǒng)計，單個雨量站點達到30mm/h以上總出現(xiàn)個數(shù)排名前4名的洪水與洪峰流量前4名的洪水正好是吻合的，這個看似簡單又直觀的方法若在實際工作中得以應用將產生巨大的防洪減災效益，因為工作人員可利用計算30mm/h以上雨量點出現(xiàn)個數(shù)迅速識別出東溪水庫流域洪水可能的等級。這種極強降雨的標識能把大洪水預警時間大大提前。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，水庫建庫以來最大4場洪水中最少的個數(shù)為9個，洪峰最大的“19920704”特大洪水也是對應個數(shù)最多的洪水。對東溪水庫而言，大的洪峰的產生就必然源于雨強極大的降雨。

（5）22場洪水中出現(xiàn)1個以上30mm/h降雨站點的洪水共有16場，對第一次發(fā)生大于30mm/h降雨的時間段進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)這16場洪水在凌晨1時至7時這6個小時之間首次發(fā)生的有11場，建庫以來最大的4場洪水首次發(fā)現(xiàn)均在該時段。當我們打開一天24個小時氣溫走勢圖，發(fā)現(xiàn)一天中溫度低于其他時段的恰恰就是1時至7時。

（6）對這22場洪水統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，其中21場為鋒面雨導致，只有“20080719”洪水為臺風“海鷗”影響所致，雖然水庫流域發(fā)生因臺風雨生成洪水的概率較小，但還是在現(xiàn)實中發(fā)生了，且這場臺風生成了自公元1887年以來影響水庫最大的臺風雨，但由于此時東溪水庫水位低，洪峰大部分被水庫消減，所以城區(qū)和下游三姑城區(qū)有驚無險。故鋒面雨產生的洪水為東溪水庫每年防汛工作中主要面對的洪水。

2.歷史雨量月報數(shù)據(jù)分析

從表1統(tǒng)計的月均報表看，6月份均降雨最大，是洪水高發(fā)期。從月均雨量來看，臺風對7月和8月的影響并未增加太多雨量，綜合表格數(shù)據(jù)可以認為，臺風會影響到東溪水庫流域,產生一定的降雨使得月均降雨量名次進入前6名，但是臺風在東溪水庫流域產生大暴雨是小概率事件。7月的多年月均雨量并不大，但不可否認建庫以來的特大洪水就發(fā)生7月，特別是2019年7月降雨量為665 mm，使得建庫以來月均降雨量7月超過了3月，東溪水庫流域通常在6月底鋒面雨就會結束，但影響氣候因素很多，氣候異常時當季風形成的鋒面雨帶7月上半月依然能夠覆蓋東溪水庫流域的時候，并且水汽來源地的海洋的水汽活動活躍時，發(fā)生暴雨的幾率就變得很大，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，東溪水庫流域的特大洪水更傾向于發(fā)生在7月，而不是發(fā)生在月均雨量排名更靠前的5月。

表1 建庫以來東溪水庫月均降雨量（mm）表

3.歷史考證

在1974年東溪水庫大壩的勘測設計的水文報告中明確記錄了4場洪水：重現(xiàn)期170年發(fā)生在公元1309年8月（至大二年7月）；重現(xiàn)期170年發(fā)生在公元1886年8月（光緒十二年7月）的臺風雨；重現(xiàn)期75年發(fā)生在公元1900年6月27日的鋒面雨洪水；1954年7月12日洪水（鋒面雨形成），城區(qū)洪峰2780m3/s（小于水庫建庫以來最大4場洪水的城區(qū)洪峰）。這個報告的價值在于告訴我們臺風雨對東溪水庫流域的影響雖然很小，但是歷史上8月生成的臺風還是有可能發(fā)生讓人不得不敬畏的大洪水，甚至是特大洪水，而這恰是我們水庫人認知的盲區(qū)。此外，1937至1974最大的洪水就是發(fā)生在7月12日的鋒面雨形成的洪水這一事實也驗證了大洪水最可能發(fā)生的時間段在炎炎夏天。

二、東溪水庫極端降雨形成因素與時間關系的分析

東溪水庫流域大洪水的形成必須是源自連續(xù)的雨強很大的強降雨，而產生暴雨的若干條件其中有兩條主要物理條件必須要滿足:一是充足的源源不斷的水汽；二是要有強盛而持久的氣流上升運動。既然東溪水庫流域的水汽來源是海洋，我們對于第一個條件加以分析，簡化成什么條件最利于作為水汽來源地的海洋蒸發(fā)？什么條件可以傳輸更大的水汽？東溪水庫的水汽來源有南海、東海以及孟加拉灣，就在北回歸線附近的廣大海域。我們知道，溫度越高越有利于蒸發(fā)，而4月至7月海洋的水溫是上升的，8月為海水全年最高溫。此外，蒸發(fā)需要大量能量，太陽的直射使得海洋可以最大限度地獲取太陽的能量，也就是水汽來源地最有利于海水蒸發(fā)，孟加拉灣、南海、東海的洋面將漸次受到太陽的往返二次直射，此時就是東溪水庫水汽來源最充沛的時候，夏至日剛好直射北回歸線，是這段時間的中軸，也是發(fā)生鋒面雨大洪水客觀條件最有利的時間段。至于第二條件關于強盛而持久的氣流上升運動，研究發(fā)現(xiàn)其實冷暖氣流交匯就是氣流上升運動的重要動力，而冷暖氣流的溫差越大，則越有利于暖濕氣流的快速上升，也越容易形成極端降雨，這實質是強降雨的動力來源。另外，溫度的升高對水汽的傳輸是非常有利的，溫度每升高一度，同等條件下大氣飽和含水量大約增加6%，在假定水汽充足的情況下，月均溫度差距是導致4月至7月鋒面雨3小時雨強差距的最重要的原因，可以說溫度差距直接導致洪水級別。將東溪水庫月均溫度的“對應空氣飽和水汽含量”與“當月最大3場洪水的最大3小時降雨平均數(shù)”的相關關系計算得到相關系數(shù)r=0.9927，表明二者之間的關系為高度相關，這表明東溪水庫流域大洪水產生的重要因素是暖濕氣流的飽和水汽含量大小，氣溫越高水汽含量越大，使得單位時間內暖濕氣流能夠輸送的水分子更多，致使單位時間內降雨更大，也就是雨強更大，而3小時雨強越大，則東溪水庫流域越可能發(fā)生大洪水，這也就決定了東溪水庫流域大洪水必定發(fā)生在氣溫更高的每年6月8日以后的夏天。

為何大于30mm/h強降雨開始的第一個時段大概率出現(xiàn)在凌晨1時至7時，因為此時是一天溫度最低的六個小時，冷空氣含水少，所以隨著天氣的降溫反應快，而暖濕氣流含水多，水的比熱容大故降溫慢，且水汽液化成水還會釋放熱量，減緩溫度下降，故而冷暖氣流之間的溫差在凌晨1時至7時會擴大，溫差擴大的結果就是暖濕氣流上升更快，更容易發(fā)生極端降雨。這種極端降雨開始后，至少告訴了我們幾個信息：一個是當下的水汽飽和度很高。其次，在暖濕氣流快速上行力的作用下，當下的大氣層結構是不穩(wěn)定的，是容易發(fā)生暴雨的。再次，水庫多場降雨數(shù)據(jù)表明這種極端降雨即便減弱，也會以較強的降雨持續(xù)一定的時長，當水汽供應不上時，這種強降雨才會消失。

本來應該受副熱帶高壓控制的7月在東南季風減弱的情況下被鋒面雨帶覆蓋的時候，原來小概率發(fā)生的洪水可能變成大概率發(fā)生雨強極強降雨，當水汽源源不斷支持時，洪災可能就會大概率出現(xiàn)。而8月是海洋溫度最高的季節(jié)，特別是在8月上旬，在太陽直射的大洋上區(qū)域生成的臺風，終將有一年會再次影響到武夷山，生成一場特大洪水。

三、統(tǒng)計分析的成果應用

歷史洪水的統(tǒng)計分析結果表明，每年6月8日之后，特別是在氣溫很高的6月底或7月上旬容易發(fā)生大的鋒面降雨類型的大洪水，這種作為東溪水庫流域重點防范的大洪水大概率在凌晨1時至7時以強降雨方式開始，此外，7月下旬至8月上旬的臺風雨也可能形成大洪水。正確理解鋒面雨形成的大洪水的發(fā)生時間和雨強特征可以讓我們提前預判并應對。比如，在6月底或7月初鋒面雨帶覆蓋了東溪水庫流域且雷達回波顯示有強降雨時，就應該以嚴謹?shù)膽B(tài)度來處理已出現(xiàn)的短時極端降雨。以“19920704”洪水為例，在凌晨4時至5時，水庫流域的領陽雨量點1小時降雨量56mm，東坑雨量點1小時降雨量42mm,如果正確理解7月初凌晨發(fā)生兩個雨量點的極端降雨的發(fā)生意味著當下產生強降雨的各種天氣條件已經得到事實上的支持，暖濕氣流在豎直方向能夠有快速上升的動力，這種極具危害性的天氣在鋒面雨帶的雷達回波運動中呈現(xiàn)類似直線傳輸時，意味著強降雨將得到水平方向上源源不斷的水汽支持，強降雨必將持續(xù)，在已發(fā)生的多場強降雨均觀察到此直線傳輸現(xiàn)象，此時若立即采取騰庫措施，就可以爭取到數(shù)個小時的時間，可以讓城區(qū)的損失減少很多，而不是等待造峰雨量形成發(fā)出洪水預報時才作出響應。將兩個以上雨量站點發(fā)生30mm/h強降雨的情形作為立即上報的強制制度，并充分理解高溫時間鋒面雨的危害性，就能及時采取對應措施。