分期雨型在浦陽(yáng)江防洪規(guī)劃中的運(yùn)用

張建平，張真奇，陳志剛，李少卿， 張楊波

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江杭州310002)

0 引 言

對(duì)汛期洪水進(jìn)行劃分，分析汛期分期設(shè)計(jì)洪水，為水庫(kù)汛期汛限水位動(dòng)態(tài)控制、優(yōu)化防洪調(diào)度提供技術(shù)支撐是當(dāng)前很多大型水利水電樞紐面臨的重要課題和任務(wù)。太湖流域就解決防洪排澇問(wèn)題及挖掘水資源利用潛力，提出了分期制定太湖流域調(diào)度規(guī)則[1]。王善序[2]針對(duì)現(xiàn)行分期設(shè)計(jì)洪水方法指出：現(xiàn)時(shí)的分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算技術(shù)仍存在嚴(yán)重錯(cuò)誤，通過(guò)它來(lái)提高水庫(kù)興利效益，是在冒降低水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)。

浦陽(yáng)江洪災(zāi)的外因歸結(jié)起來(lái)有：下游邊界、流域內(nèi)前期降雨量和本場(chǎng)暴雨3項(xiàng)。浦陽(yáng)江下游邊界既受錢塘江洪水的影響，又受錢塘江潮汐的頂托[3]；前期降雨量與潮汐也有一定關(guān)系。特別是梅雨增潮的現(xiàn)象比較明顯。從降雨成因看，浦陽(yáng)江受梅雨、臺(tái)風(fēng)交替影響，具有不同的影響范圍和洪災(zāi)特征。充分認(rèn)識(shí)浦陽(yáng)江分期洪水不同特征，按梅雨雨型、臺(tái)風(fēng)雨型分別進(jìn)行流域洪水設(shè)計(jì)，以使防洪規(guī)劃布局更有針對(duì)性和合理性。分期設(shè)計(jì)洪水應(yīng)滿足兩個(gè)條件[4]：一要符合防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；二能反映洪水的季節(jié)性變化規(guī)律。分期雨型選擇同樣不能降低防洪標(biāo)準(zhǔn)。

1 流域情況

浦陽(yáng)江是浙江省防汛重點(diǎn)河流之一。流域面積3 452 km2，干流河長(zhǎng)約150 km，主要流經(jīng)浦江縣、諸暨市、蕭山區(qū)三個(gè)縣(市、區(qū))，于義橋一帶注入錢塘江。浦陽(yáng)江流域的地形主要為低山丘陵及河谷平原，地勢(shì)東、西、南三面高，中、北部低；流域形態(tài)頗似扇形，山區(qū)比重約占70%。浦陽(yáng)江安華以上以及各支流穿行于山區(qū)丘陵地帶，坡陡流急，洪水暴漲暴落；而干流安華以下河道平均坡降僅0.1‰，河道狹窄曲折；至諸暨城關(guān)附近則地勢(shì)平坦低洼，水流變緩，容易積澇成災(zāi)。浦陽(yáng)江諸暨—湄池一帶為該流域防洪的薄弱環(huán)節(jié)。

諸暨站為浦陽(yáng)江流域中游的主要控制站，收集發(fā)現(xiàn)，其60來(lái)年實(shí)測(cè)洪水及歷史洪水調(diào)查成果中的流量觀測(cè)資料受人為活動(dòng)等因素干擾、一致性較差且難以還原；因此，浦陽(yáng)江流域洪水由降雨間接推求。

2 汛期分期方法

汛期分期的劃分應(yīng)有較明顯的洪水成因變化規(guī)律，各個(gè)分期洪水量級(jí)應(yīng)有明顯差別，以劃分2～3個(gè)分期為宜[5]。汛期的劃分研究經(jīng)歷了從定性到定量、由單指標(biāo)到多指標(biāo)逐步深入的過(guò)程[6]。本文從浦陽(yáng)江的降雨成因入手，對(duì)其汛期進(jìn)行合理的劃分。

浦陽(yáng)江流域降水量的時(shí)空分布不均，年際、年內(nèi)變化顯著。臺(tái)風(fēng)暴雨及梅雨為該流域大洪水的主要因素。通常每年3月至9月連續(xù)7個(gè)月的降水量占全年降水量的70%～80%。4月中旬至7月中旬，春夏季風(fēng)的暖氣流與南下的冷空氣相遇，造成本地持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)鋒面雨，陰雨連綿，降水集中，俗稱梅雨。夏秋季本地常受副高壓脊控制，降水主要為臺(tái)風(fēng)暴雨和局部雷陣雨。臺(tái)風(fēng)暴雨不僅降水量大，而且比較集中，強(qiáng)度較大。受臺(tái)風(fēng)和熱帶風(fēng)暴影響的時(shí)間大多集中在7月下旬至10月中旬，稱為臺(tái)風(fēng)期。

從成因分析看，浦陽(yáng)江受梅雨、臺(tái)風(fēng)交替影響。根據(jù)諸暨水文站觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)，自1950年以來(lái)的歷年最高水位中約有70%發(fā)生在梅汛期、22%發(fā)生在臺(tái)汛期。浦陽(yáng)江梅雨、臺(tái)風(fēng)雨高值區(qū)的分布范圍圖略。

表1 流域設(shè)計(jì)暴雨成果

注： 24 h設(shè)計(jì)暴雨，按照1.2倍1 d暴雨適線成果計(jì)入。

梅雨型暴雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(3～18 d)、籠罩面廣，暴雨高值區(qū)主要分布在流域的中上游區(qū)；容易形成干支流洪峰疊加效應(yīng)，再加上容易與下游高水位相遭遇，易造成流域性災(zāi)害。

臺(tái)風(fēng)型暴雨降雨時(shí)間跨度一般為1～3 d，24 h暴雨量較大，集中程度高；暴雨高值區(qū)主要分布在流域的中游兩翼山區(qū)或下游區(qū)。

3 分期設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

浦陽(yáng)江流域面雨量計(jì)算采用面積加權(quán)平均法，選用雨量站為通濟(jì)橋、安華、下宅溪、黃宅、禮張、楊佳山、諸暨、陳蔡等24站，取樣時(shí)段為年最大1 d、3 d、7 d暴雨，暴雨系列為1956年～2014年共59 a(見圖1)。

圖1 浦陽(yáng)江流域年最大1 d、3 d、7 d暴雨折線

浦陽(yáng)江流域既有1 d、3 d暴雨均較大的臺(tái)風(fēng)型雨型如1962- 605型、1990-901型；也有1 d暴雨不突出、3 d、7 d暴雨較大的梅雨型雨型如1994- 616型、1997-709型、2011- 616型。在年最大1 d暴雨取樣中，臺(tái)汛期、梅汛期的占比相近；隨著統(tǒng)計(jì)時(shí)段的增長(zhǎng)，發(fā)生在臺(tái)汛期的占比逐漸下降、梅汛期及非汛期的占比逐漸增加。

將浦陽(yáng)江暴雨按年最大、梅汛期、臺(tái)汛期最大分別取樣，特征時(shí)段為1 d、3 d。流域暴雨頻率分析采用P-Ⅲ型理論曲線擬合適線，求得流域分期設(shè)計(jì)暴雨成果見表1。年最大取樣設(shè)計(jì)暴雨的均值最大，臺(tái)汛期暴雨適線與年最大取樣有著同樣的特征：隨著統(tǒng)計(jì)時(shí)段的增長(zhǎng)，累積降雨量離散度減小，Cv值越來(lái)越小。梅雨的最大特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，短歷時(shí)雨強(qiáng)并不是很大，反映在頻率適線中：隨著統(tǒng)計(jì)時(shí)段的增長(zhǎng)，累積降雨量離散度越來(lái)越大，Cv值越來(lái)越大。相較而言，臺(tái)汛期的離散程度更大于年最大，其Cv值在三種取樣中是最大的。

因流域年最大取樣的設(shè)計(jì)暴雨外包了臺(tái)風(fēng)、梅雨等所有的特征，其24 h設(shè)計(jì)暴雨占3 d設(shè)計(jì)暴雨的比例為77%～87%，尤其跟梅雨的特征很不符。因此，有必要將浦陽(yáng)江洪水按成因分梅汛期、臺(tái)風(fēng)雨分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表2 各場(chǎng)典型雨型分區(qū)暴雨統(tǒng)計(jì)成果

注：表中重現(xiàn)期按照年最大取樣適線成果擬定。

4 分期設(shè)計(jì)暴雨修正

因?yàn)榉制诤樗O(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)通常低于年最大設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)。為此，還需對(duì)分期洪水進(jìn)行適當(dāng)修正，使其既能反映洪水的季節(jié)性變化規(guī)律，又能達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)暴雨分布特性及防洪工程布置，浦陽(yáng)江流域暴雨分6個(gè)區(qū)，Ⅰ區(qū)～Ⅵ區(qū)面積分別為：882、536、296、770、316 km2和652 km2。諸暨城關(guān)以上集雨面積1 719 km2，主要包括了Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)；湄池以上集水面積為2 800 km2，包括了Ⅰ區(qū)～Ⅴ區(qū)的所有范圍。浦陽(yáng)江流域水庫(kù)較多，Ⅰ區(qū)建有安華水庫(kù)，Ⅲ區(qū)建有石壁、陳蔡水庫(kù)，Ⅳ區(qū)建有青山、五泄水庫(kù)，Ⅴ區(qū)建有永寧水庫(kù)。本次分析了成災(zāi)的4場(chǎng)梅雨、4場(chǎng)臺(tái)風(fēng)，統(tǒng)計(jì)時(shí)段為6 h、24 h、3 d 暴雨，各場(chǎng)洪水分區(qū)后暴雨統(tǒng)計(jì)見表2。

梅雨型暴雨主要關(guān)注3 d暴雨。綜合4場(chǎng)梅雨，3 d暴雨高值區(qū)主要分布在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)，Ⅵ區(qū)最小，24 h雨量約占3 d雨量的66%。但是，1977- 616型24 h暴雨約占3 d暴雨的79%，短歷時(shí)降雨強(qiáng)度較大，24 h暴雨地區(qū)分布具有臺(tái)風(fēng)雨的特征。

臺(tái)風(fēng)型暴雨主要關(guān)注24 h暴雨。綜合4場(chǎng)臺(tái)風(fēng)雨，24 h雨量約占3 d雨量的82%，24 h暴雨低值區(qū)為Ⅰ區(qū)，高值區(qū)主要分布在Ⅲ區(qū)、Ⅵ區(qū)或者Ⅴ區(qū)、Ⅵ區(qū)或者Ⅲ區(qū)、Ⅴ區(qū)，比較離散，隨暴雨中心變化而變化。

無(wú)論梅雨、臺(tái)風(fēng)暴雨，3 d雨量均可能發(fā)生20年一遇以上的大暴雨。梅雨雨型中，24 h暴雨的重現(xiàn)期一般小于等于3 d暴雨的重現(xiàn)期；實(shí)測(cè)資料中，24 h的梅雨暴雨的重現(xiàn)期不超過(guò)10年一遇。臺(tái)風(fēng)雨型中，10年一遇以下的暴雨，有可能出現(xiàn)24 h暴雨重現(xiàn)期大于等于3 d暴雨重現(xiàn)期的現(xiàn)象。因此，在分期設(shè)計(jì)暴雨修正中(見表3)，3 d設(shè)計(jì)暴雨按年最大控制；梅雨型24 h一般按3 d設(shè)計(jì)暴雨的66%控制，臺(tái)風(fēng)雨型24 h設(shè)計(jì)暴雨考慮到自身適線Cv值已經(jīng)留有一定余地按臺(tái)風(fēng)期適線成果控制、10年一遇以下適當(dāng)修正。

對(duì)照表3與表1的相應(yīng)分期設(shè)計(jì)暴雨成果，修正后的24 h設(shè)計(jì)暴雨均能外包相應(yīng)分期的成果，而10年一遇以下的設(shè)計(jì)暴雨更符合各分期的實(shí)際情況。

5 分期設(shè)計(jì)雨型

浦陽(yáng)江洪災(zāi)主要位于諸暨—湄池一帶，考慮到上游水庫(kù)的攔洪效果，諸暨斷面的洪水主要由Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)形成。浦陽(yáng)江設(shè)計(jì)雨型分梅雨型、臺(tái)風(fēng)型分別設(shè)計(jì)。雨型的選擇同樣需體現(xiàn)“平均偏不利”的概念。

圖2為各場(chǎng)梅雨的空間分布(3 d)：4場(chǎng)雨中，Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)的雨量都在均值以上，Ⅵ區(qū)的雨量都在均值以下，Ⅰ區(qū)、Ⅴ區(qū)的雨量在均值以上、以下的概率相當(dāng)，Ⅲ區(qū)雨量在均值以下的概率較大。

圖2 四場(chǎng)梅雨空間分布柱狀(分區(qū)雨量/面雨量，3 d)

顯然，1997-709型、2011- 616型的空間分布對(duì)浦陽(yáng)江諸暨～湄池一帶均較為不利。但是1997-709型存在雨峰不夠突出的不足、2011- 616型存在下游雨峰先出現(xiàn)24～36 h不與上游洪峰遭遇的有利組合。因此，浦陽(yáng)江的設(shè)計(jì)雨型難以在水文層面解決，還需借助水利計(jì)算驗(yàn)算至控制斷面來(lái)綜合決定。

根據(jù)表3中分期設(shè)計(jì)面暴雨，梅雨雨型選取1997-709型、2011- 616型兩個(gè)典型，按照典型的空間分布特征和時(shí)程分布，采用24 h、3 d同頻率控制放大或縮小為流域設(shè)計(jì)雨型。

類似地，臺(tái)風(fēng)雨型也存在難以在水文層面選出典型雨型的問(wèn)題。

6 結(jié) 論

將分期洪水理論應(yīng)用于流域防洪規(guī)劃的難點(diǎn)在于對(duì)分期洪水的修正，反映在浦陽(yáng)江流域中即為分期設(shè)計(jì)暴雨的修正，需要充分把握流域的洪災(zāi)特征，更離不開對(duì)年最大取樣成果的分析。浦陽(yáng)江梅雨型洪水、臺(tái)風(fēng)型洪水具有不同的降雨特征、不同的洪災(zāi)特征、不同的防御重點(diǎn)，應(yīng)用分期雨型來(lái)分別設(shè)防更有針對(duì)性和科學(xué)性。雨型選取需考慮流域防洪的重點(diǎn)和難點(diǎn)，選擇相應(yīng)控制斷面，分析不同典型雨型的洪峰、洪量成果，浦陽(yáng)江流域的防洪控制斷面可選擇諸暨、湄池?cái)嗝?。?dāng)難以選取一場(chǎng)典型降雨來(lái)代表全流域時(shí)，應(yīng)多選幾場(chǎng)雨型并借助水利計(jì)算來(lái)綜合選定。

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