氣象條件對水利建設(shè)影響分析與對策思考

陳曉弟,鐘有萍,晏理華,楊幸福,呂昌濤,冉國輝

(貴州省銅仁地區(qū)氣象局,貴州 銅仁 554300)

氣象條件對水利建設(shè)影響分析與對策思考

陳曉弟,鐘有萍,晏理華,楊幸福,呂昌濤,冉國輝

(貴州省銅仁地區(qū)氣象局,貴州 銅仁 554300)

利用銅仁地區(qū) 10個常規(guī)氣象站近 40a歷史基本資料并結(jié)合梵凈山區(qū) 17個雨量觀測站 10a觀測資料,分析了銅仁地區(qū)氣候特點以及水利工程建設(shè)、安全運行、管理與氣象條件的相關(guān)關(guān)系,針對當(dāng)前氣象保障水利工程建設(shè)及運行安全存在的不足,提出水利建設(shè)氣象保障措施對策建議,為銅仁地區(qū)水利建設(shè)的規(guī)劃編制提供科學(xué)依據(jù)。

水利工程;氣象條件;氣象災(zāi)害;對策與思考

1 概況

銅仁地區(qū)處于全國 18個集中連片貧困地區(qū)之一的武陵腹地,境內(nèi)屬喀斯特地形地貌,山高谷深,水低田高,降雨量雖然較豐富,但降雨時空分布不均,干旱發(fā)生頻率高,水利設(shè)施脆弱,工程性缺水嚴(yán)重。由于銅仁地區(qū)多山區(qū)雨源性河流,徑流主要靠自然降水補(bǔ)給,水資源總量雖較為豐富,但時空分布不均;喀斯特地貌廣泛發(fā)育,易澇易旱,夏季多暴雨,極易造成洪澇災(zāi)害;局部地區(qū)石漠化嚴(yán)重,保水蓄水能力差,地表水缺乏,有水存不住,沒雨用不上,水土流失面廣,因此,銅仁骨干水源工程的建設(shè)、運行管理、效益發(fā)揮與氣象條件關(guān)系極為密切。為此,本文利用 10個常規(guī)氣象站 40a歷史資料、梵凈山地區(qū) 17個觀測站 10a氣象觀測資料,分析了銅仁地區(qū)水利建設(shè)、運行、管理與氣象條件的相關(guān)關(guān)系,為銅仁地區(qū)水利建設(shè)的規(guī)劃編制提供科學(xué)依據(jù)。同時,根據(jù)當(dāng)?shù)刂卮蠊こ桃?guī)劃建設(shè)的需要,找準(zhǔn)氣象服務(wù)切入點,切入地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)中,提升氣象服務(wù)能力。

2 基本情況

2.1 全區(qū)水利工程建設(shè)現(xiàn)狀

自水利部把銅仁地區(qū)作為全國首個地區(qū)新農(nóng)村水利扶貧試點三年多來,大規(guī)模實施農(nóng)村飲水安全工程、骨干水源工程建設(shè)、大型灌區(qū)改造、病險水庫除險加固,雨水集蓄利用等基本建設(shè)項目,初步形成了以蓄為主,蓄、引、提相結(jié)合,小型為主,中、小、微相結(jié)合,灌為主,灌溉、發(fā)電、供水相結(jié)合的區(qū)域性供水體系,解決了部分農(nóng)村人口的飲水安全問題,有效灌溉面積的提高,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施得到改善,對促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和解決民生問題的基礎(chǔ)保障作用日益凸顯。目前,銅仁地區(qū)已建有中型水庫 5座,小(一)型水庫 59座,小(二)型水庫 295座。在建的中型水庫 2座,小 (一)型水庫 6座,小 (二)型水庫 26座。

2.2 銅仁地區(qū)氣候概況

2.2.1 主要氣候特點 銅仁地區(qū)地處低緯山區(qū),屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū),主要氣候特征為:季風(fēng)氣候明顯,立體氣候典型,四季分明、春溫不穩(wěn),秋溫陡降,雨熱同季。由于各年季風(fēng)的強(qiáng)弱及進(jìn)退早晚不盡一致,因此,氣象要素在年際間的變化較大,災(zāi)害性天氣較多,主要有干旱、倒春寒、暴雨洪澇、冰雹、大風(fēng)、雷暴、秋風(fēng)、秋綿雨、凝凍、霜凍等,特別是夏旱 (伏旱),正如民間流傳的“年年都有七月旱,不是大旱就是小旱”就是銅仁地區(qū)夏旱的典型特征。

2.2.2 降水時空分布 全區(qū)各地年降水總量在1 100～1 800mm之間,江口梵凈山東南坡為多雨區(qū),平均為 1 600～1 800mm;松桃、江口、萬山一帶為次多雨區(qū),平均為 1 400～1 600mm;印江、石阡一帶為少雨區(qū),一般在 1 100～1 300mm之間。由此可見,梵凈山地形與降水的關(guān)系具有一致性。全區(qū)降水主要集中期在 4～6月,總量為 500～600mm,占年總降水量的 40%～45%;4～8月內(nèi)降水量為 800～1 300mm,占年總降水量的 63%～72%;雨季開始期一般在 3月底或 4月初,雨季平均終止期通常在11月上旬;7月中旬到 8月多伏旱天氣。按季節(jié)劃分,一年之中降水量主要集中于春、夏兩個季節(jié),春、夏兩季的總雨量占全年降水量的 64%～74%,各季降雨量以夏季最多,春季、秋季次之,冬季最少。由此可見,銅仁地區(qū)降水時空分布極不均勻,即使在雨水集中期的 4～8月也常出現(xiàn)干旱天氣,以梵凈山為界,將銅仁地區(qū)分為東西兩部,東部降水明顯多于西部。

2.2.3 暴雨時空分布 銅仁地區(qū)年平均暴雨日在1.8～4.0次之間,其中,萬山、松桃、江口、德江等地年平均暴雨日為 3.3～4.0次,是銅仁地區(qū)出現(xiàn)暴雨最多的地方,銅仁、思南、石阡、印江、沿河等地年平均暴雨日為 2.2～2.7次,玉屏年平均暴雨日僅有1.8次,是銅仁地區(qū)暴雨最少的地方。全區(qū)以 5～8月為暴雨集中期,其中 6月為暴雨的高峰月。全區(qū)歷年一日最大降水量為 130～281.6mm,其中以江口、銅仁、思南、萬山等地較大,均在 220mm以上,以江口 1995年7月1日降 281.6mm為最大。

2.2.4 銅仁地區(qū)夏旱時空分布特點 據(jù)銅仁地區(qū)近 40a氣象資料統(tǒng)計 (見表 1),各地?zé)o旱的年份僅有 2～9a,而有夏旱的年份達(dá) 31～38a,占總年數(shù)的77%～95%,幾乎年年都有夏旱,就平均而言,中、大旱的年份約為 2～3a一遇,特大干旱的年份約為 4～5a一遇。

表 1 銅仁地區(qū)各地 1960—2009年夏旱頻次統(tǒng)計表

地區(qū)分布特點:利用干旱指數(shù)計算公式[1](Ii= Gi-Ri)分別計算了各地干旱指數(shù)多年平均值。由圖 1可見,銅仁地區(qū)西部和南部為重旱區(qū),其中有 4個特重夏旱區(qū):一是印江縣城區(qū)至沿河縣譙家鋪一帶;二是沿河縣西北部邊山附近;三是思南縣西南部文家店至石阡縣西部聚鳳一帶;四是銅仁市西南部老羊坪至玉屏縣北部的田坪一帶。地區(qū)東部東北部為輕 -中旱區(qū),其中,位于梵凈山東南坡的松桃縣大路、孟溪、普覺和江口縣凱馬、太平、勻都等地為無旱區(qū)。

2.3 降水資源評價

①銅仁地區(qū)降水資源豐富。各地平均年雨量為 1 100～1 800mm,是亞熱帶雨水較多的地區(qū)之一。降水強(qiáng)度不算很大,水份的有效性較高。但降水時空分布極不均勻,一般為地區(qū)東部多于西部,各季降雨量以夏季最多,春季次之,秋季再次之,冬季最少。在作物主要生育期 (4～8月)內(nèi)降水量為800～1 300mm,占年總降水量的 63%～72%。

②春雨較多,初夏暴雨頻繁。4～6月為多雨時期,有利于春耕春播。但是,有些年份綿雨較重,容易引起小麥、油菜的濕害,是造成小麥低產(chǎn)的重要氣候原因之一,應(yīng)采取積極的預(yù)防措施。5～6月多暴雨天氣,對水庫蓄水、水力發(fā)電、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等較為有利,但是強(qiáng)降水易導(dǎo)致洪澇、山體滑坡、泥石流、坍塌等次生災(zāi)害,應(yīng)積極防范。

③夏旱較重。就多年平均而言,7～8月降雨量較多,但年際變化較大,時空分布極不均勻,旱澇交替,7月中旬到 8月常出現(xiàn)伏旱。此時正是秋收作物生長旺盛時期,耗水量大,一些年份水分供不應(yīng)求的矛盾突出,常常釀成旱災(zāi),對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大。

3 氣象條件對水利工程產(chǎn)生的影響分析

3.1 氣象災(zāi)害影響分析

在水利設(shè)施運行過程中,影響其安全運行的主要氣象災(zāi)害及其衍生災(zāi)害主要如下:

①局地突發(fā)性強(qiáng)降水。水庫壩址多選在峽谷、河谷等處,一旦出現(xiàn)局地突發(fā)性強(qiáng)降水,極易因泄洪不及時導(dǎo)致廠房淹沒、設(shè)備毀壞以及潰壩、沖毀溝渠等危害。

②大范圍洪澇災(zāi)害。在全球變暖大背景下,極端天氣氣候事件頻繁發(fā)生。出現(xiàn)極端大范圍洪澇災(zāi)害時,水庫庫容極易陡增漫過排洪口,發(fā)生管涌、泄漏、水庫決堤等危害,影響到水利設(shè)施的安全運行,威脅下游人民的生命財產(chǎn)安全。

③滑坡、泥石流等衍生災(zāi)害。銅仁地區(qū)山高坡陡、切割強(qiáng)烈、嶺谷高差明顯,強(qiáng)降水易引發(fā)山洪、滑坡、泥石流、山體崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,直接影響到水庫、溝渠等水利基礎(chǔ)設(shè)施的安全。

④強(qiáng)雷電、風(fēng)雹災(zāi)害。強(qiáng)雷電、風(fēng)雹等災(zāi)害極易破壞水利設(shè)施的運行管理系統(tǒng),如大壩監(jiān)測系統(tǒng)、雨情測報系統(tǒng)、水庫自動調(diào)度系統(tǒng)等,一旦遭受雷擊、大風(fēng),將導(dǎo)致運行管理系統(tǒng)不能正常運行,影響水利設(shè)施安全。

3.2 氣候變化對水利設(shè)施建設(shè)、運行帶來的挑戰(zhàn)

銅仁地區(qū)多為雨源性河流、客水少,水資源的豐富程度取決于大氣降水量的多少,但在全球變暖的背景下,降水的季節(jié)分布和極端天氣正在發(fā)生變化,這將導(dǎo)致水資源時空分布不均問題更加突出,暴雨洪澇災(zāi)害更加頻繁,持續(xù)干旱現(xiàn)象更加嚴(yán)重,較高的水溫和極端變化將加劇富營養(yǎng)化而影響水質(zhì),給銅仁地區(qū)解決工程性缺水問題提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

從銅仁地區(qū)平均溫度歷史演變情況看 (圖略),銅仁地區(qū)平均溫度與全球溫度變化趨勢一樣存在變暖的趨勢,自 20世紀(jì) 60年代開始到 2009年,全區(qū)平均溫度增加了 0.2(江口)～0.4(萬山)℃。在全球氣候變暖背景下,近 20a來銅仁極端天氣氣候事件頻發(fā),多災(zāi)并發(fā),點多面廣,多次出現(xiàn)了嚴(yán)重的局地暴雨洪澇、強(qiáng)雷電、強(qiáng)風(fēng)雹、嚴(yán)重干旱、嚴(yán)重冰凍等極端天氣氣候事件。隨著氣候變暖的趨勢,氣候變化對銅仁地區(qū)的重要影響主要表現(xiàn)為:

①氣候變化將導(dǎo)致銅仁的冰雹、暴雨洪澇、干旱、凝凍天氣等極端天氣氣候事件及次生災(zāi)害的增多增強(qiáng),而且,極端天氣氣候事件的間歇期預(yù)計將縮短。這就可能導(dǎo)致更頻繁的洪水、山體滑坡、干旱等,并伴隨人員傷亡、疾病傳播 (如流行病、傳染病、食物中毒)、財產(chǎn)損失、基礎(chǔ)設(shè)施和房屋的損失、土壤流失及農(nóng)業(yè)損失等。

②氣候變化將使銅仁地區(qū)水土流失加重導(dǎo)致石漠化問題日益凸顯,對生態(tài)及環(huán)境造成嚴(yán)重影響。由于氣候變暖,溫度增加,持續(xù)干旱現(xiàn)象更加嚴(yán)重,生態(tài)植被減少。

③氣候變化將帶來銅仁地區(qū)水資源時空分布不均問題更加突出。由于氣候變暖,導(dǎo)致降水時空分布的極不均勻和極端天氣正在發(fā)生變化,暴雨洪澇災(zāi)害更加頻繁,持續(xù)干旱現(xiàn)象更加嚴(yán)重,可能導(dǎo)致水資源時空分布不均問題更加突出。另外,溫度增高意味著下降到地表的水將更多地被蒸發(fā),特別是夏季高溫,導(dǎo)致徑流減少。

4 當(dāng)前氣象保障水利工程建設(shè)及運行安全存在的不足

①氣象監(jiān)測站點布設(shè)密度不足,降水動態(tài)監(jiān)測信息與水利設(shè)施安全建設(shè)和科學(xué)、高效運行所要求的高精度、高密度存在差距。

目前,銅仁地區(qū) 161個鄉(xiāng)鎮(zhèn)建立了自動氣象觀測站,已開工建設(shè)新一代天氣雷達(dá)。但是氣象降水監(jiān)測站點主要布設(shè)在城鎮(zhèn),而在江河流域存在著監(jiān)測盲區(qū),不能有效監(jiān)測水利設(shè)施所在區(qū)域的降水及雷暴、大風(fēng)等氣象要素;缺乏對空中水資源分布及其流量、流速、流向的有效動態(tài)監(jiān)測。

②氣象預(yù)報預(yù)警準(zhǔn)確率和針對性有待進(jìn)一步提高,預(yù)報預(yù)警信息與水利設(shè)施安全建設(shè)和科學(xué)、高效運行所要求的精細(xì)化存在差距。

銅仁地區(qū)降水存在集中性、局地性、突發(fā)性等特點,在實時水資源調(diào)度中,降水預(yù)報信息已成為決定水利設(shè)施蓄、泄的最有效科學(xué)依據(jù)。因此,準(zhǔn)確、精細(xì)地開展水利設(shè)施所在區(qū)域的降水趨勢預(yù)報,不僅可為科學(xué)地、最大效益地調(diào)控上下游水利設(shè)施的蓄水量、發(fā)電量,制定合理的蓄水、調(diào)水方案等提供科學(xué)依據(jù),也為洪水來臨時提前采取泄洪、下游人員安全轉(zhuǎn)移等應(yīng)急措施提供決策依據(jù)。目前,降水預(yù)報尚處在分區(qū)分片階段,未能真正實現(xiàn)“定點、定時、定量”的精細(xì)化預(yù)報,特別是針對特定流域斷面的面雨量預(yù)報、定點山洪災(zāi)害和滑坡、塌方、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的精細(xì)化預(yù)報預(yù)警還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

③氣候可行性論證尚未納入規(guī)范化軌道。

在水利設(shè)施規(guī)劃過程中,依托區(qū)域自動站的資料分析水利設(shè)施所在區(qū)域降水量季節(jié)變化及年際變化、暴雨日數(shù)、歷史暴雨極值和重現(xiàn)期等氣象條件,深入研究氣候變化趨勢對水利設(shè)施所在區(qū)域未來降水的影響并進(jìn)行預(yù)評估,這是水利工程合理布局、科學(xué)規(guī)劃的基礎(chǔ)性工作。目前,氣候可行性論證粗放,又加之流域間自動站布局不合理,不能為水利工程建設(shè)提供全面、科學(xué)、系統(tǒng)的氣候可行性論證,與水利工程建設(shè)規(guī)劃所要求的科學(xué)、精細(xì)的決策支撐存在差距。

④人工影響天氣裝備與技術(shù)有待進(jìn)一步完善和加強(qiáng)。

銅仁地區(qū)地處地緯,來自印度洋孟加拉灣洋面上空和南海上空西南、偏南水汽通道由南向北輸送的大通道上,常年空中水汽含量豐富,上空有待開發(fā)的水汽資源是非常豐富,其開發(fā)潛力是巨大的。目前,銅仁地區(qū)僅有人工增雨作業(yè)點 27個,火箭增雨作業(yè)裝備 8具,人工影響天氣裝備、人工影響天氣作業(yè)基地、人工影響天氣技術(shù)等不完善,且基地建設(shè)欠帳太多,不能滿足水利工程對空中水資源開發(fā)的需求。

5 提高氣象保障水利工程建設(shè)及運行安全的對策思考

①建立裝備先進(jìn)、功能完善的氣象監(jiān)測網(wǎng),提高監(jiān)測能力

在大中型水利設(shè)施區(qū)域和天氣上游、關(guān)鍵區(qū)、敏感區(qū),特別是在流域間、暴雨和地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域建立多要素自動氣象站,實現(xiàn)對降水、氣溫、風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素進(jìn)行連續(xù)、系統(tǒng)的觀測,并充分依托銅仁地區(qū)即將建成的新一代天氣雷達(dá)資料,為精細(xì)化預(yù)報預(yù)警氣象服務(wù)提供氣象科技的基礎(chǔ)性支撐,滿足水利設(shè)施安全建設(shè)和科學(xué)、高效運行對降水動態(tài)監(jiān)測信息的高精度、高密度要求,保障水庫安全運行。

②完善以數(shù)值預(yù)報為基礎(chǔ)的預(yù)測預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng),提高預(yù)報預(yù)警能力。

廣泛應(yīng)用衛(wèi)星、雷達(dá)、自動氣象站資料,建立精細(xì)化、定量化水平更高的氣象預(yù)測預(yù)報系統(tǒng),進(jìn)一步完善數(shù)值預(yù)報解釋應(yīng)用技術(shù)方法,對災(zāi)害性、關(guān)鍵性、轉(zhuǎn)折性重大天氣以及極端天氣氣候事件進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警,特別是加強(qiáng)對重要江河流域致洪暴雨的分析研究,為水利設(shè)施安全建設(shè)和運行提供針對性更強(qiáng)、時效性更快、科學(xué)性更高的預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品,為調(diào)洪蓄洪,洪水資源化贏得預(yù)警時間,提高水利設(shè)施建設(shè)效益。

③進(jìn)一步加強(qiáng)氣象臺站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),提高水庫安全運行氣象保障能力

切實抓好銅仁地區(qū)新一代天氣雷達(dá)及其配套設(shè)施建設(shè),建立氣象衛(wèi)星地面接收系統(tǒng),提高裝備水平,建立現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)體系,增強(qiáng)對災(zāi)害性天氣和極端天氣氣候事件監(jiān)測預(yù)警能力,為大中型水庫安全運行提供重要的氣象保障。

④建立人工增雨作業(yè)基地及指揮系統(tǒng),開發(fā)空中云水資源,解決工程性缺水問題

銅仁地區(qū)水資源主要來源于空中自然降水,但時空分布不均,工程性缺水問題突出。適時有效地開展人工增雨作業(yè),每年可給銅仁地區(qū)增加降水量2-3億m3。就目前開發(fā)空中云水資源是緩解工程性缺水的有效途徑。因此,在水利工程建設(shè)區(qū)域建立較完善的人工增雨作業(yè)基地及指揮系統(tǒng),能有效提高空中水資源開發(fā)能力,著力解決水資源短缺和工程性缺水問題。

⑤加強(qiáng)水利建設(shè)氣候可行性論證。

在水利建設(shè)規(guī)劃中,按照《氣候可行性論證管理辦法》的要求,強(qiáng)化氣候可行性論證,對涉及氣候、生態(tài)、環(huán)境等方面的影響進(jìn)行充分論證,遵循自然規(guī)律,科學(xué)規(guī)劃、合理布局,避免不利影響,充分發(fā)揮水利工程建設(shè)效益。開展氣候變化對銅仁水資源供需平衡的影響研究、暴雨洪水極端天氣氣候事件變化趨勢研究等重大專題研究工作,為水利工程建設(shè)應(yīng)對氣候變化提供有力的技術(shù)支撐。

6 結(jié)束語

①在水利設(shè)施運行過程中,突發(fā)氣象災(zāi)害及其衍生災(zāi)害是影響安全運行的主要因素。因此,針對影響水利設(shè)施安全運行的各類氣象災(zāi)害,規(guī)范水利設(shè)施所在區(qū)域的氣象預(yù)報預(yù)警聯(lián)防機(jī)制,研究影響水利設(shè)施安全運行的氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警模型,能有效避免或減輕水利設(shè)施安全運行的氣象災(zāi)害威脅,是確保水利設(shè)施安全運行的重要保障措施之一。

②在水利建設(shè)中,充分考慮氣象條件和氣象災(zāi)害的影響,將氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警納入水利工程建設(shè)規(guī)劃,通盤考慮,統(tǒng)籌規(guī)劃實施,提高流域水庫安全運行氣象保障能力,保障水利建設(shè)安全。

[1] 儲昭慶,等 .銅仁地區(qū)氣象志[M].貴陽:貴州人民出版社,1994.

P49

B

2010-09-10

陳曉弟 (1954-),男,高工,主要從事氣候分析應(yīng)用及綜合管理工作。

1003-6598(2010)增刊 -0107-04