大汶河流域“2020·8”連續(xù)性暴雨洪水特性分析

(1.泰安市水文中心，山東 泰安 271000；2.山東省水文中心，山東 濟(jì)南 250002)

隨著氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響，近年來大汶河流域極端降雨呈頻發(fā)趨勢(shì)，2018年、2019年連續(xù)2年受臺(tái)風(fēng)“溫比亞”“利奇馬”影響普降大暴雨，2020年8月上中旬接連發(fā)生4場大暴雨洪水。本文根據(jù)大汶河流域?qū)崪y(cè)水文數(shù)據(jù)，從多方面對(duì)連續(xù)性暴雨洪水過程進(jìn)行分析，得出暴雨洪水演變規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)大汶河流域防汛抗洪減災(zāi)、提高雨洪資源的利用具有重要意義。

1 流域概況

大汶河是黃河下游的重要支流，流域面積8944km2。大汶河中游以上有牟汶河、柴汶河，牟汶河設(shè)有萊蕪、北望水文站；柴汶河設(shè)有樓德水文站，干流設(shè)大汶口水文站，最后經(jīng)戴村壩水文站匯入東平湖。

2 暴雨分析

2020年8月大汶河流域氣候異常，全流域性強(qiáng)降雨頻繁發(fā)生，全月降雨天數(shù)達(dá)21天。8月流域平均降雨量為415.2mm，比歷年同期偏多172%。根據(jù)歷史系列資料統(tǒng)計(jì)分析，2020年8月大汶河流域平均降雨量排歷史同期第一位，重現(xiàn)期為80年一遇。降雨集中在柴汶河上游，局部地區(qū)降雨量超過600mm，月最大點(diǎn)雨量為新泰市南高村雨量站636.5mm，達(dá)到該站極大值。大汶河流域8月平均日雨量見圖1。

2.1 連續(xù)降雨天氣成因

a.8月影響我國雨帶位置的副熱帶高壓偏強(qiáng)、偏西，副熱帶高壓控制了我國南方的大部分地區(qū)，而山東省處于副熱帶高壓邊緣；副熱帶高壓與臺(tái)風(fēng)也相互影響，強(qiáng)大穩(wěn)定的西太平洋副熱帶高壓和臺(tái)風(fēng)配合，有利于強(qiáng)降雨區(qū)維持。2020年8月，副熱帶高壓在山東省與江蘇省交界處一帶擺動(dòng)，4號(hào)臺(tái)風(fēng)“黑格比”于4日凌晨在浙江省樂清市沿海登陸，向西北偏北方向移動(dòng)，6號(hào)臺(tái)風(fēng)“米克拉”于8月11日早上登陸，臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑也有利于副熱帶高壓偏北偏西，使副熱帶高壓外圍充沛的水汽源源不斷輸入山東。

圖1 大汶河流域8月平均日雨量

b.中緯度的西風(fēng)帶環(huán)流小波動(dòng)頻繁，多西風(fēng)槽活動(dòng)，攜帶弱冷空氣東移，與副高邊緣的西南暖濕氣流交匯，形成強(qiáng)降雨；強(qiáng)冷空氣活動(dòng)頻繁，高緯度不斷有冷渦生成，冷渦勢(shì)力比較強(qiáng)盛，不斷有冷空氣下來與副熱帶高壓邊緣的西南暖濕氣流相遇，形成對(duì)流性降水，并伴有短時(shí)強(qiáng)降水；強(qiáng)降雨期間，中低層切變線天氣系統(tǒng)穩(wěn)定少動(dòng)，并伴有西南渦生成，西南渦向東北方向移動(dòng)，雨區(qū)處于低渦的中心區(qū)和移向的右前方，山東省處于西南渦的第一象限內(nèi)，易產(chǎn)生強(qiáng)降雨，且低空西南急流持續(xù)加強(qiáng)，天氣系統(tǒng)共同發(fā)展加劇了降雨強(qiáng)度。

2.2 雨量分析

2020年8月上中旬大汶河流域發(fā)生4場明顯的強(qiáng)降雨過程，采用流域內(nèi)89個(gè)報(bào)汛雨量站的資料計(jì)算分析降雨情況。

a.第一場降雨發(fā)生在8月1—2日，大汶河流域自西向東普降大暴雨，平均降雨量為116.8mm，全流域雨量超過100.0mm的籠罩面積為5724km2，占全流域的64%；雨量超過200.0mm的降雨籠罩面積為269km2，占全流域的3%。

b.第二場降雨發(fā)生在8月6—7日，大汶河流域普降暴雨，局部地區(qū)大暴雨，平均降雨量為89.7mm，全流域雨量超過100.0mm的籠罩面積為2683km2，占流域面積的30%。

c.第三場降雨發(fā)生在8月13日，大汶河流域普降暴雨，局部地區(qū)大暴雨，平均降雨量為132.8mm，降雨量超過100.0mm的籠罩面積為5814km2，占全流域的65%；降雨量超過200.0mm的籠罩面積為1789km2，占全流域的20%。大汶河主要水文站累計(jì)雨量過程線見圖2。

圖2 大汶河主要水文站“8·14”洪水的累計(jì)雨量過程線

d.第四場降雨發(fā)生在8月20日，流域普降中到大雨，局部暴雨，平均降雨量為34.7mm，降雨量超過50.0mm的籠罩面積為2504km2，占全流域的28%。

2.3 2h雨強(qiáng)分析

大汶口水文站是大汶河干流的主控制站，流域面積5696km2，選取14處雨量站，按算術(shù)平均法計(jì)算各場次平均雨量，分析2h雨強(qiáng)，見表1。

表1 大汶口水文站以上流域降雨要素

由表1可知，四場降雨中第一場和第三場的降雨強(qiáng)度都比較大，變化范圍在34～38mm/2h，第二場和第四場的降雨強(qiáng)度較小，變化范圍在20～24mm/2h。

3 前期影響雨量

前期影響雨量是影響降雨形成徑流的一個(gè)重要因素。如果流域內(nèi)前后兩天無雨，前期影響雨量Pa[1]為

Pa,t+1=KPa,t

(1)

如果第t日內(nèi)有降雨P(guān)t，但未產(chǎn)流，則

Pa,t+1=K(Pa,t+Pt)

(2)

如果第t日內(nèi)有降雨P(guān)t，并產(chǎn)生徑流Rt，則

Pa,t+1=K(Pa,t+Pt-Rt)

(3)

式中：Pa,t、Pa,t+1為t日和t+1日前期影響雨量,mm；Pt為t日的流域平均降雨量,mm；Rt為Pt這一天形成的徑流量,mm。

大汶口站土壤含水率的消退系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值K=0.90，從汛前干旱少雨時(shí)期開始逐日推算，可得獨(dú)立4場洪水的前期影響雨量：第一場為30.8mm，第二場為73.3mm，第三場為56.2mm，第四場為64.5mm。

4 洪水分析

受持續(xù)強(qiáng)降雨影響，8月大汶河干支流全線發(fā)生洪水，多座大中型水庫達(dá)到汛限水位開閘泄洪，作為接納大汶河來水的東平湖，水位持續(xù)上漲，8月17日14時(shí)，東平湖水位42.34m，超過警戒水位0.62m，東平湖防汛形勢(shì)異常嚴(yán)峻。

4.1 洪水過程

大汶口水文站是大汶河干流的主控制站，本次河道洪水分析以大汶口水文站監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)流量過程進(jìn)行。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，將洪水劃分成首尾相接的4場洪水。大汶口水文站各場次洪水特征值統(tǒng)計(jì)見表2，洪水過程線和平均日雨量過程線見圖3。

圖3 大汶口水文站8月逐日流量過程線

表2 2020年8月大汶口水文站各場次洪水特征值統(tǒng)計(jì)情況

由表2、圖5可知，第一場洪水于8月2日8時(shí)開始起漲，洪峰流量為975m3/s，最大1h漲幅為170m3/s；第二場洪水于8月6日19時(shí)開始起漲，洪峰流量為915m3/s，最大1h漲幅為215m3/s；第三場洪水于8月13日17時(shí)開始起漲，洪峰流量為1560m3/s，最大1h漲幅為280m3/s，受上游攔河閘放水影響，15日8時(shí)出現(xiàn)復(fù)峰1170m3/s；第四場洪水于8月20日8時(shí)開始起漲，洪峰流量為782m3/s，最大1h漲幅為98m3/s。

4.2 徑流系數(shù)

通過計(jì)算流域平均面雨量和次洪徑流深，可得4場獨(dú)立洪水的徑流系數(shù)分別為0.18、0.41、0.50、0.71，4場洪水的徑流系數(shù)呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。第一場洪水由于前期降水偏少，土壤缺墑嚴(yán)重，河流基流小，降雨損失大，產(chǎn)流小，導(dǎo)致徑流系數(shù)小。隨后3場洪水，前期土壤逐漸飽和，河道蓄水充足，產(chǎn)流大，徑流系數(shù)隨之增大。

4.3 典型洪水對(duì)比分析

在4場獨(dú)立的洪水中，洪峰流量排前的是8月2日和8月14日的兩場洪水，其洪水過程線和平均雨量過程線分別見圖4和圖5。根據(jù)洪水特征值統(tǒng)計(jì)情況(見表2)對(duì)比分析兩場洪水可知，雖然“8·2”洪水的平均雨量大于“8·14”洪水，但“8·2”洪水的降雨強(qiáng)度、前期影響雨量、洪峰流量、次洪洪量和徑流系數(shù)均小于“8·14”洪水，原因是“8·2”洪水為汛期第一場洪水，前期影響雨量小，河道基流小，甚至部分河段斷流，雨量雖大，受下滲、截留、水利工程攔蓄等影響，暴雨產(chǎn)生洪峰并不大。通過對(duì)兩場洪水進(jìn)行對(duì)比分析可知，降雨強(qiáng)度和前期影響雨量是這兩場洪水的主要影響因素。

圖4 2020年大汶河“8·2”洪水和平均雨量過程線

4.4 與歷史典型洪水對(duì)比分析

為攔蓄雨洪資源，地方政府自2000年以后在大汶河干支流層層建設(shè)攔河閘壩，流域下墊面變化較大。為了便于比較，選取近20年的洪水過程進(jìn)行對(duì)比分析。從洪水過程次數(shù)、最大流量、最大洪量等方面對(duì)“2020·8”洪水過程進(jìn)行綜合分析，并與2000年、2004年兩個(gè)典型洪水進(jìn)行對(duì)比分析。

a.洪水過程次數(shù)對(duì)比。2020年8月2—20日短短18天內(nèi)，大汶河出現(xiàn)了4次洪水過程，高于2004年7月出現(xiàn)2次連續(xù)洪水過程和2000年的1次洪水過程。

b.洪水流量對(duì)比。2020年8月大汶口水文站最大洪峰流量1560m3/s，高于2000年的洪峰流量948m3/s，低于2004年的洪峰流量1660m3/s。

c.最大7d洪量對(duì)比。2020年最大洪量為3.14億m3，2000年洪量為1.44億m3，2004年洪量為3.00億m3，2020年洪量高于2000年、2004年洪量。

綜上所述，2020年8月洪水過程次數(shù)、洪量均大于2000年、2004年，洪峰流量大于2000年洪水。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料，對(duì)大汶河流域連續(xù)性降雨及洪水多要素進(jìn)行了細(xì)致分析，對(duì)比了4場洪水產(chǎn)流的差異，并與歷史洪水進(jìn)行了對(duì)比分析。通過計(jì)算分析，2020年8月大汶河流域降雨具有雨量大、降雨過程頻繁[2]、降雨持續(xù)時(shí)間長、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，4場洪水的徑流系數(shù)依次增大，前期影響雨量和降雨強(qiáng)度是影響兩場洪水的主要影響因素；明晰了暴雨洪水時(shí)空演變規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)防汛抗洪減災(zāi)、提高雨洪資源的利用均有重要意義。

在氣候變暖的背景下，局地降水特征發(fā)生顯著變化，大汶河流域自2018年至2020年連續(xù)3年出現(xiàn)極端降雨。此次連續(xù)性降雨雨區(qū)高度重疊，土壤、山體已接近飽和狀態(tài)，部分水庫塘壩已經(jīng)接近警戒水位，極易造成洪澇、山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害。因此，為做好大汶河流域的防汛減災(zāi)工作，確保群眾生命財(cái)產(chǎn)的安全，提出以下建議：氣象部門要密切監(jiān)視天氣，做好極端氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警工作；水文部門做好暴雨洪水監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)工作；各級(jí)應(yīng)急部門、自然資源部門和水利部門要充分運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)，建立健全防災(zāi)減災(zāi)體系，加強(qiáng)會(huì)商研判，及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)警。在搞好大中型水庫防汛減災(zāi)工作的同時(shí)，又要加強(qiáng)對(duì)河道、小型水庫及塘壩的管理，堅(jiān)決杜絕在河道內(nèi)亂挖沙、亂圍墾等違法活動(dòng)，確保河道行洪暢通；在做好防洪搶險(xiǎn)減災(zāi)的同時(shí)，科學(xué)調(diào)度，加大攔蓄，不斷提高洪水資源的利用率。