威尼斯流域洪災(zāi)成因及防洪對(duì)策

(重慶交通大學(xué)　重慶　南岸　400074)

一、流域概況

(一)地理位置

威尼斯流域位于北緯50.65°到50.7°之間,西經(jīng)4.70°到4.60°之間，它地處英格蘭的西南半島,瀕臨大西洋，是一個(gè)無實(shí)測資料的小流域。

(二)水文地貌特征

英格蘭西南半島由康沃爾郡，德文郡和薩默賽特郡組成。其中威尼斯流域位于康沃爾行政區(qū)，該行政區(qū)的面積大約3600平方公里，擁有海岸線長度700公里，海岸線長。圖1西南半島的數(shù)字高程顯示了該地區(qū)復(fù)雜的地形特征。花崗巖地質(zhì)的Bodmin荒原擁有整個(gè)康沃爾郡的最高高程(海拔420m)，其中威尼斯流域位于西北部Bodmin荒原的下游范圍。

本研究選擇威尼斯流域作為研究對(duì)象的主要原因是基于該流域的尺寸形狀和退水特性，還有發(fā)生在該區(qū)域的歷史上顯著的風(fēng)暴洪災(zāi)，該流域的洪水事件與英國其它洪水事件相比具有代表性和典型性。博斯卡斯?fàn)柕貐^(qū)的人口密度高(常住人口1224人/平方公里)，是一個(gè)熱門的旅游景區(qū)。特別是在每年夏季的旅游旺季期和假期期間，人口密度急劇上升，對(duì)洪水預(yù)警的迫切需要也是本研究的原因之一。該流域最顯著的水文學(xué)特征是匯流時(shí)間短，產(chǎn)流速度快。從氣象學(xué)的角度分析，對(duì)流風(fēng)暴和復(fù)雜的地形之間的相互影響增加了風(fēng)暴模擬的困難和降雨預(yù)報(bào)的不確定性，因此模擬該流域的產(chǎn)流過程較為困難。需要具有高分辨率和對(duì)流參數(shù)化的中尺度非靜力學(xué)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型來解析出詳細(xì)的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征和與風(fēng)暴相關(guān)的降雨。對(duì)流和降雨和鋒面降雨引發(fā)的洪水過程涉及了復(fù)雜的地形地貌因素和相關(guān)的陸面水文要素的交互，例如徑流，截留，下滲，蒸散發(fā)，地下水和基流等。

(三)土壤和植被的空間分布

本研究利用全球土壤數(shù)據(jù)庫的資料，對(duì)威尼斯流域的土壤分布進(jìn)行分析，分析表明該流域的土壤類型分布較均勻，與該流域的形狀基本一致。根據(jù)UK soil viewer 的數(shù)據(jù)庫資料顯示，威尼斯流域的主要土壤質(zhì)地類型是Manod(透水性好覆蓋于巖石表層的壤土)。對(duì)應(yīng)的土壤的水文類型是覆蓋于不透水基巖上的透水性良好且具有極大土壤含水量的黏土和壤土。在水平方向上，威尼斯流域的主要土壤帶是黃土，紅土和棕土等；在垂直方向上，威尼斯流域的土壤分層呈現(xiàn)出山地垂直地帶結(jié)構(gòu)特征。表層土(0-25cm)是深棕色的輕微石質(zhì)的粘性壤土，中間層(25-60cm)屬于深褐色的輕微石質(zhì)的粘性壤土，中等粒度或次角塊狀結(jié)構(gòu)。下層土(從60cm到巖石層)的土壤類型屬于原生質(zhì)的石板色的泥巖或者強(qiáng)石質(zhì)的粘性壤或者土砂質(zhì)粉砂壤土，詳細(xì)的土壤剖面見圖1。另外該流域人口密度大，由于人類活動(dòng)的影響，分布有大量的耕作土和農(nóng)業(yè)用地，并且土壤自然肥力低。河岸兩邊的典型的植被主要是橡樹林，陡酸高地牧場干草和沼地，歐洲蕨等草本植物，具有有限的截流能力。

(四)流域地形特征和土壤的質(zhì)地組線

威尼斯流域附近的典型的地形和土壤質(zhì)地組線顯示了該流域附近主要的土壤母質(zhì)是古生代石板，泥石，粉砂巖，和下滲能力低的硬砂巖。巖石裸露地表，經(jīng)過千年風(fēng)化和風(fēng)蝕作用，坡面碎石和沙礫聚集，抗性減弱，暴雨來襲，易發(fā)生崩塌，泥石流，滑坡等災(zāi)害，因此該區(qū)域的水系容易發(fā)生山洪及并發(fā)災(zāi)害。

(五)水文地貌的變化

在2004年8月24日，沿海漁村博斯卡斯?fàn)栐馐芰嗣土业谋┯晔录?，該石質(zhì)基巖的小流域上的四小時(shí)降雨量超過200mm。相比于該區(qū)域的8月份的80-120mm的降雨量，該降雨事件降雨強(qiáng)度非常大。該事件發(fā)生在白天，有很多目擊者是英國歷史上記錄最完整的洪災(zāi)事件之一。Wallingford(2005)沿著主要干流的方向進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查，記錄的河道的水力學(xué)特征的變化。威尼斯河受到的主要的影響是河岸的侵蝕，河床的切割，橫向運(yùn)動(dòng)和撕裂(Wallingford 2005)。在支流與干流匯合的地方，溯源沖刷和沖積扇的沉積的現(xiàn)象較為典型，在河源上游較少發(fā)生。參考威尼斯流域的河網(wǎng)，顯示了該事件后河道地形地貌的改變。在威尼斯流域，三條河：威尼斯河，Jordan河和Paradise河曲折交匯于主河道，最后匯集于博斯卡斯?fàn)?。這三條河均陡峭而狹長。沿著支流威尼斯河，垃圾堵塞導(dǎo)致了河槽切割和河道變寬是2004年博斯卡斯?fàn)柡樗闹饕绊?。從博斯卡斯?fàn)柾＼噲龅組inster Stream,可以觀察到幾處河槽改道。改道的上游，當(dāng)水流沖擊右右側(cè)的河漫灘的地方，一些地方發(fā)生了泥沙沉積。朔源侵蝕還發(fā)生在Minster Stream匯流處的上游河段，由于河道的侵蝕形成了幾處河床的改變。在從Minster Stream 到Treworld Stream的河段，由于泥沙沉積和侵蝕引發(fā)了垃圾堵塞。從Lesnewth上游200米處，觀察到了約200米長的河岸侵蝕。在Tresparrett Stream支流的上游還有一些垃圾堵塞的現(xiàn)象，主河道堵塞了。在Jordan河與威尼斯河匯合在博斯卡斯?fàn)柕牡胤?，流量超過了地下涵洞的過水能力因此淹沒了周圍的設(shè)施。還觀察到了上坡兩岸坡面的飽和土壤引發(fā)的滑坡。另外，在B3263橋上游1500米處還觀察到了由于坡面流引發(fā)的侵蝕現(xiàn)象。在支流Tresparrett Stream上，人行橋由于泥沙沉積受到堵塞，洪水的沖裂作用形成了新的河道。在支流Minster Stream的下游，觀察到了更多的垃圾堵塞和侵蝕現(xiàn)象，兩個(gè)二級(jí)河道形成了。

二、水文氣象特征

(一)氣象

1.天氣特征

威尼斯流域全年平均氣溫為9.8-12度，年較差小。該流域和整個(gè)西南半島都暴露在從西南方向的大西洋吹來的盛行風(fēng)的范圍內(nèi)，是不列顛群島西南半島的康沃爾郡最為典型的溫帶海洋性氣候。全年溫和潮濕，特征明顯：冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，總體上一年四季降水分布均勻，下雪次數(shù)也不頻密，易發(fā)生洪水災(zāi)害是英國氣候特點(diǎn)導(dǎo)致的現(xiàn)象。

2.降雨時(shí)空分布

在英國大約有4000個(gè)雨量站進(jìn)行每小時(shí)，每日和每月的測雨工作，組成了世界上密度最大的雨量站網(wǎng)絡(luò)。從1981年到2010年英國的年平均雨量，其中多雨的地區(qū)主要集中在山區(qū)例如斯諾登尼亞，湖區(qū)和蘇格蘭高地，年均降雨量都大于4000毫米。其次是英格蘭西北部和西南部，北部和中部威爾士和北愛爾蘭部分地區(qū)。這些區(qū)域有著共同的特點(diǎn)：高海拔和位于北部或西部地區(qū)。另一個(gè)特色是英國的西北部明顯比東南部更潮濕，可以在地圖上看到它們之間有一條清晰的分界線。這主要是由于高海拔地勢(shì)使它們暴露在了熱帶氣旋帶來的大西洋的水汽中，盛行的暖濕西風(fēng)誘發(fā)了鋒面雨的形成。與此同時(shí)，伴隨著天氣系統(tǒng)從西向東跨過整個(gè)英國的移動(dòng)過程，降雨量也隨著減少。北部和西部的降雨主要是因?yàn)楫?dāng)潮濕的氣團(tuán)前進(jìn)時(shí)，云層跨過高地，遇到高山阻擋，氣流被迫緩慢上升，引起絕熱降溫，發(fā)生凝結(jié)，這樣形成的降雨，稱為地形雨，地形雨是英國典型的降雨類型之一。

在英格蘭西南半島，氣旋頻繁過境，同時(shí)因?yàn)榻?，雨量也較充足，平均年降雨量1051-1290毫米,在地形有利地區(qū)多達(dá)2500mm以上。受到與半島形狀，日照和盛行風(fēng)的方向有關(guān)的海風(fēng)收斂線的影響，西南英格蘭容易受到極端氣象和洪災(zāi)(Leon et al.2016)。從降雨的空間分布來看，該半島是整個(gè)國家中最為溫潤潮濕的區(qū)域，降雨的空間分布主要受到與海岸的距離和海拔高度的影響。康沃爾郡的降雨量的空間分布，可以發(fā)現(xiàn)靠近西部位置的地區(qū)要比東部的地區(qū)年降雨量更大，因此更濕潤，主要是由于相對(duì)的高海拔和低溫的影響?？梢钥吹饺齻€(gè)地勢(shì)高的荒原：Dartmoor,Exmoor 和 Bodmin Moor 均受到1231-2584mm的年均降雨量。對(duì)于一些地勢(shì)較低地區(qū)的降雨通常是高地勢(shì)區(qū)域的一半，例如Somerset,年均降雨量僅為644mm。對(duì)于博斯卡斯?fàn)柕貐^(qū)，年均降雨量達(dá)到980毫米。在盛行西風(fēng)影響下，西岸常有暖流影響，增溫增濕，西風(fēng)從暖洋面吹來，降水頗多

至于降雨的時(shí)間分布，冬季常有溫帶鋒面氣旋來襲，因而盡管全年有雨，秋冬降雨量通常略多于春夏，康沃爾郡的降雨主要集中在10月到1月份，相比之下，同緯度的內(nèi)陸地區(qū)的降雨量在全年均勻分布。Hand et al(2004)選擇了從1900年到2004年間發(fā)生在英國的最極端的50例降雨事件，發(fā)現(xiàn)其中一半是由于短期的對(duì)流風(fēng)暴引起的。圖1顯示了極端降雨事件的月分布情況，在2月，3月和4月，極端降雨事件少發(fā)。端降雨事件發(fā)生在溫季(6月到8月)，在6月份數(shù)量增長得很快，8月份后數(shù)量緩慢減少。而且對(duì)流降雨類型的事件比鋒面降雨類型的事件的數(shù)量減少的更快，沒有對(duì)流降雨事件發(fā)生在11月，12月和1月份，因?yàn)槿照帐且粋€(gè)影響對(duì)流的主要外因。不難發(fā)現(xiàn)寒季(12月-2月)極端降雨事件主要是由于鋒面降雨。相反溫季極端降雨事件主要是由于對(duì)流降雨事件(Balasubramanyam 2014)。對(duì)于發(fā)生在溫季的鋒面降雨事件，主要是由于包含在對(duì)流風(fēng)暴中的鋒面系統(tǒng)。溫季的鋒面系統(tǒng)本身相對(duì)較弱，無法引發(fā)洪水，但是它們通常是一系列的對(duì)流降雨的誘發(fā)因素，它們對(duì)溫季洪水的產(chǎn)生有重要的作用?？傮w上這個(gè)氣象學(xué)的特點(diǎn)與Barthold et al.(2015)的觀點(diǎn)相似：寒季降雨事件與天氣條件(例如溫帶氣旋)有關(guān)，然而溫季降雨通常與小范圍的對(duì)流過程(例如雷暴)相關(guān)，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型也難以準(zhǔn)確模擬溫季降雨。

Wallingford(2005)解釋這種高度偏態(tài)分布為極端降雨事件的發(fā)生主要是因?yàn)橛苓叺母吆Ｃ鏈囟犬a(chǎn)生了高海面濕度。把2004年8月24日的風(fēng)暴事件放在歷史極端事件中并且繪制了它們的降雨量和降雨歷時(shí)，可以看出2004年8月24日博斯卡斯?fàn)栵L(fēng)暴的強(qiáng)度相對(duì)于其他更南緯地區(qū)的強(qiáng)降雨事件是相對(duì)適中的。

3.暴雨特性

威尼斯流域地處于山腳與入?？诘慕唤绲貛?，地形變化快，缺乏沖積扇等緩沖地帶，河道上寬下窄，流域小，地勢(shì)變化快，一旦發(fā)生較大的暴雨事件，上游來水快，迅速向位于流域出口斷面的博斯卡斯?fàn)柎鍏R集，加之河道兩岸為山地，山洪夾帶枯木殘枝等形成泥石流迅向山腳河道來襲。表1部分總結(jié)了過去240年西南英格蘭半島的歷史雨量資料和洪水資料，通過歷史的雨量資料表明，該地區(qū)幾乎每年都發(fā)生暴雨洪水事件，暴雨歷史長。該地區(qū)的暴雨具有頻率高，強(qiáng)度大，日暴雨量大，暴雨歷時(shí)長，持續(xù)事件長的特點(diǎn)，有時(shí)持續(xù)數(shù)日或數(shù)周。暴雨種類有地形雨，鋒面雨和對(duì)流雨。暴雨多集中于夏冬兩季。根據(jù)歷史的雨量資料可知，通常在數(shù)小時(shí)時(shí)間內(nèi)，點(diǎn)雨量達(dá)到200毫升以上，多可劃分為特大暴雨事件。威尼斯流域1957年6月8日2.5小時(shí)最大暴雨量達(dá)到138毫升，50所住宅被毀。1958年6月3日威尼斯流域20分鐘內(nèi)水位上漲了4.5米。

(二)洪水特性

西南英格蘭半島水系發(fā)達(dá)，河網(wǎng)密度大。以康沃爾行政區(qū)為例，在該區(qū)域內(nèi)河流總長約有4000公里，支流長度平均約500米。圖1顯示了以康沃爾行政區(qū)的河網(wǎng)分布情況，其中主要干流紅色標(biāo)出。由于該地區(qū)內(nèi)各支流流程短，匯流迅速，洪水在極短的時(shí)間內(nèi)可流出流域出口斷面，其洪水過程線具有峰尖且陡峭的特點(diǎn)，對(duì)于該區(qū)域內(nèi)的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大隱患。

1.洪峰流量高

發(fā)生2008年山洪災(zāi)害的博斯卡斯?fàn)柎迩f位于威尼斯流域的出口斷面，該流域面積約20平方公里(Catchment Data Explorer 2017)，該流域高程為300m,主要干流威尼斯河長度約8.04公里。威尼斯流域雖然流域面積小，但是流域內(nèi)暴雨頻繁而且強(qiáng)度大，導(dǎo)致該流域暴雨洪水時(shí)常發(fā)生，對(duì)居民的安全造成的威脅不容小覷。該流域地形地勢(shì)陡峭，流域形狀狹長。

2.匯流時(shí)間短

威尼斯流域?qū)儆讵M長型流域，兩岸支流不僅流程短，而且坡度大，支流洪水匯流迅速，導(dǎo)致洪峰陡峭。流域出口斷面即入?？?，整個(gè)流域的坡面向入?？趦A斜，加上博斯卡斯?fàn)枬O村的不透水下墊面的影響，流域水文水力特性發(fā)生變化，在天然的條件下產(chǎn)匯流規(guī)律改變，洪水的傳播速度極快。

(三)防洪措施

該洪水事件發(fā)生后，英國環(huán)境署和康沃爾郡市政部門采取施工了防洪設(shè)施以預(yù)防洪水再次發(fā)生。這些防洪措施包括加寬和挖深河道，修復(fù)毀壞的人行橋，使用現(xiàn)代人行橋代替老舊的石質(zhì)拱橋，安裝防洪涵洞來提高支流Jordan 河的過水能力，在河道兩邊開挖地下隧道，安裝排水閥來提高下水道排水能力，改造博斯卡斯?fàn)柾＼噲觯岣叩鼗s1米左右，防止河水漫過兩岸護(hù)坡，邊坡防護(hù)。

三、結(jié)論與建議

本研究從水文地貌和氣象學(xué)的角度分析了2004年博斯卡斯?fàn)柎迩f發(fā)生山洪的原因及相應(yīng)的防洪對(duì)策。結(jié)論是一系列的水文氣象因素例如暴風(fēng)雨，似穩(wěn)定的輻合線，強(qiáng)對(duì)流雨，土壤缺水量的減小，下墊面因素，陡峭的山脊和小流域面積引發(fā)了該災(zāi)難。分析其影響因子與西南英格蘭半島的其它區(qū)域基本類似。主要影響因素有：

1.降雨是山洪災(zāi)害的主要外因。威尼斯流域夏季多發(fā)強(qiáng)對(duì)流降雨，降雨強(qiáng)度大，降雨歷時(shí)短，產(chǎn)匯流迅速。

2.下墊面條件復(fù)雜多變，流域河網(wǎng)密度大，流域面積小，河道比降大，地形陡峭，流域的土壤透水性差，且?guī)r石裸露地表，流域的植被多為草本植物，植被的截留能力低等因素。

3.人為因素。該區(qū)域有多年的洪災(zāi)歷史，歷次洪水量級(jí)都很強(qiáng)，洪災(zāi)影響都較大，但是從未采取過較為完善合理的防洪對(duì)策和防洪工程措施，人為的疏忽導(dǎo)致了該場災(zāi)難的發(fā)生。另外隨著自然經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，森林砍伐，水土流失等因素也會(huì)影響山洪的爆發(fā)。

為了避免災(zāi)難再次發(fā)生，英國環(huán)境署不久后針對(duì)該事件承擔(dān)了一系列的防洪工程措施，本章節(jié)提出防洪措施有加寬加深河道，邊坡加固，增加防洪涵洞數(shù)量，安裝地下排水管道，增高路基等。