基于降雨的昆明水庫蓄水模式分析及風(fēng)險研究

段燕楠，王占良，王順金

(昆明市氣象局，云南 昆明 650500)

0 引言

近年來，由于全球氣候變化及人類活動的加劇，用水需求不斷增大，水資源污染日益加重，區(qū)域水資源呈現(xiàn)出易遭受影響和破壞并缺乏恢復(fù)能力的性質(zhì)，水資源問題已威脅到社會、經(jīng)濟(jì)、資源的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。昆明由于其特殊的社會、地理環(huán)境和氣候條件，同樣面臨水資源緊缺問題：首先昆明地處長江、珠江、紅河三大流域的分水嶺地帶，無大的河流入境，缺少過境水資源，楊璉等指出昆明市水資源主要依靠天然降水，人均占有水資源量較低，為嚴(yán)重貧水區(qū)[4]；其次昆明是云南的經(jīng)濟(jì)、政治、文化中心，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、人口密集，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，水資源需求不足等矛盾更加突出[5]；此外受全球氣候變暖的影響，昆明天氣氣候環(huán)境向高溫、干旱的常態(tài)化趨勢發(fā)展，干旱時間增長，幾率增大，已經(jīng)嚴(yán)重影響昆明社會、環(huán)境和生態(tài)安全，因此如何建立應(yīng)對機(jī)制，科學(xué)合理的利用水資源對昆明經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[6]。

對沒有大江大河過境的昆明市，除加快水利設(shè)施建設(shè)和實施調(diào)水引水工程外，科學(xué)利用降雨資源，提高水庫蓄水能力將是一項長期的基礎(chǔ)性、科學(xué)性和防御性的重要增水措施。國內(nèi)專家學(xué)者在降雨和水庫蓄水方面也做了大量的研究，值得我們借鑒：謝曉生等[7]分析了文山州降雨與蓄水的相關(guān)性，提出了提高人為控制力的措施，谷曉平等[8]分析了貴州春夏季降雨對水庫蓄水量的影響，楊東貞[9]等指出水庫水源主要來自上游河流徑流水，另一方面來自大氣的直接降水、地表水和地下水滲入，因此研究降雨與水庫蓄水的關(guān)系對水資源的持續(xù)利用具有參考價值。

本文以昆明松華壩水庫為例，利用昆明市1988～2017年近30 a降雨資料和2009～2017年的松華壩水庫蓄水資料，分析了基于降雨的昆明水庫蓄水模式和蓄水風(fēng)險，并提出了增強(qiáng)昆明蓄水能力和防汛能力的對策和建議，為昆明市水資源的有效利用提供參考。

1 昆明蓄水環(huán)境特征分析

本文蓄水環(huán)境特征分析主要從昆明降雨時間、空間分布特征和昆明蓄水地理自然環(huán)境特征等方面進(jìn)行分析。

1.1 昆明降雨時間分布特征分析

研究昆明降雨時間分布特征時，采用昆明國家基準(zhǔn)氣候站1988～2017年近30 a氣象降雨資料進(jìn)行分析。

統(tǒng)計上述資料得出昆明市年平均降雨量為975.5 mm，降雨相對豐富，但年際間平均降雨量變化較大，如昆明市年降雨量距平圖(圖1)所示，昆明降雨最多年份為1999年1 449.9 mm，距常年平均偏多49%，最少年份為2009年565.8 mm，距常年平均偏少42%，最多年份與最少年份差值較大；且出現(xiàn)年際間連續(xù)多雨或少雨的周期變化。

圖1 昆明市年降雨量距平圖Fig.1 The annual rainfall anomaly in Kunming

從全年降水量的時間分布上看(圖2)，昆明市降水主要集中在5至10月(即雨季)，降水量占全年總降水量的88%，其中雨季降水主要集中在6至8月(即主汛期)，占全年總降水量的58%，11月至次年4月(干季)，降水量僅占全年總降水量的12%，因此昆明全年降雨量呈現(xiàn)干濕季分明，降雨主要集中在雨季的特點。

圖2 昆明市各月平均降雨量占比圖Fig.2 The ratio monthly average rainfall in Kunming

將昆明日降雨量(用R表示)按小雨(0.1 mm≤R<10 mm)、中雨(10 mm≤R<25 mm)、大雨(25 mm≤R<50 mm)和暴雨(R≥50 mm)分別統(tǒng)計次數(shù)累計，然后計算平均值得表1。如表1所示：昆明年平均降雨日數(shù)占全年的59%，其中日降雨量為小雨量級的占47%，中雨量級的占8%，大雨量級的占3%，暴雨量級的占1%；昆明近30 a日降雨大于100 mm的共有5次，均出現(xiàn)在雨季(5至10月)，其中日最大雨量為121 mm。因此昆明全年都有小雨和中雨量級降雨，大雨及以上量級降雨主要集中在雨季，暴雨以上量級降水所占比重小，出現(xiàn)次數(shù)較少，此外范圍大、時間長的連陰雨降雨過程較少。

表1 昆明1988～2017年年平均降雨日數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 The Statistics of annual average rainfall days in Kunming from 1988 to 2017 d

1.2 昆明降雨空間分布特征分析

分析昆明降雨量空間分布特征時，采用昆明12個縣市區(qū)國家基準(zhǔn)氣候站1988～2017年降雨資料。昆明各縣市區(qū)年平均降雨量如表2所示，從表中可看出，昆明年平均降雨量存在明顯的空間分布不均特點，全市最大為太華山1 097.8 mm，全市最小為東川731 mm，昆明主城為975.5 mm，地區(qū)間的年降雨量差達(dá)366 mm之多。李寶芬等[10]研究也指出，昆明地區(qū)降水量空間分布具有明顯的地帶性，表現(xiàn)為山區(qū)多于壩區(qū)，壩區(qū)多于河谷和湖濱地帶。

近30 a昆明各縣市區(qū)大雨和暴雨總?cè)諗?shù)也出現(xiàn)分布不均的特點(圖3)，大值區(qū)出現(xiàn)在尋甸、太華山、昆明等地，呈貢、東川等地則出現(xiàn)日數(shù)較少。統(tǒng)計1988～2017年日降雨量最大的十次降雨過程(表3)也可看出，昆明地區(qū)降雨多出現(xiàn)時空分布不均的特點，出現(xiàn)的大暴雨多為單點性。

表2 昆明地區(qū)各縣(市、區(qū))1988～2017年年平均降雨量Tab.2 The average annual rainfall in Kunming from 1988 to 2017 mm

表3 1988～2017年昆明日降雨最大的十次降雨過程雨量表Tab.3 The ten rainfall process rainfall scales with the largest rainfall in Kunming from 1988 to 2017 mm

圖3 昆明市各縣(市、區(qū))大雨、暴雨日數(shù)分布圖

Fig.3 The distribution of heavy rain and rainstorm days in Kunming

1.3 昆明蓄水地形環(huán)境分析

昆明全市國土面積21 011 km2，丘陵山地占總面積的87%，平壩地占11.4%，湖泊面積占1.6%。區(qū)域內(nèi)河流分屬長江上游金沙江、珠江上游南盤江、紅河上游元江三大水系，昆明水系以樹枝狀、放射狀、羽狀水系為主，山區(qū)河流深切，河床縱坡降大，壩區(qū)河流寬緩，縱坡降小，處于三大河流分水嶺地區(qū)，沒有大江河過境，降雨仍是蓄水的主要手段，但昆明山區(qū)半山區(qū)和壩區(qū)之間地勢垂直高差大，大部分降雨集中順地勢快速向谷底江河成過境水流走；昆明多數(shù)產(chǎn)水流域小，缺少有利的天然大中小蓄水環(huán)境。昆明水利工程蓄水能力26×108m3，蓄水地形分散、水庫容量小。全市817座水庫中，只有大型水庫4座，中型18座，小(一)型130多座，其它為小(二)型，正常年景最多蓄到14×108m3左右，干旱年景如2011年才蓄到6.96×108m3，水文干旱態(tài)勢非常顯著，蓄集雨水能力不高。

2 昆明蓄水模式分析

結(jié)合昆明降雨時空分布不均的特點和蓄水地理環(huán)境特點，可將昆明蓄水模式分為雨季降雨最佳蓄水模式、干旱背景蓄水模式、局地強(qiáng)降雨蓄水模式、秋季連陰雨降雨蓄水模式和冬季降雨降雪蓄水模式5種。在對蓄水模式進(jìn)行分析時，本文以昆明松華壩水庫為例對五類蓄水模式進(jìn)行分析。松華壩水庫是昆明用于防洪、蓄水的大型水庫，是昆明主城供水飲水的重要水源之一，其地理坐標(biāo)東經(jīng)102°43′30″～102°54′10″，北緯25°07′40″～25°17′50″之間。

2.1 雨季降雨最佳蓄水模式

雨季降雨最佳蓄水模式是指由于昆明降雨主要集中在雨季(即5～10月)，雨季開始后降水增多，降雨范圍廣，前期的降雨過程產(chǎn)生的降水使庫區(qū)流域土壤水逐漸飽和，整個產(chǎn)水流域都有水源補(bǔ)充，當(dāng)出現(xiàn)大范圍、持續(xù)性的中到大雨以上天氣過程時，就為地表蓄水和地下水補(bǔ)充提供大量水量，對水庫蓄水和提升地下水位十分有利，特別適用于大中型水庫。分析2014～2017年昆明松華壩水庫雨季月平均蓄水量(圖4)可看出，昆明蓄水從6月開始呈明顯增加的趨勢，至10月整個雨季結(jié)束，平均蓄水量達(dá)到最大。這種蓄水模式是昆明正?；蚨嘤昴昃俺霈F(xiàn)最多的降雨蓄水模式，降雨蓄水效率最高。

圖4 昆明松華壩水庫2014～2017年雨季月平均蓄水量Fig.4 The monthly average water storage of Songhuaba Reservoir in Kunming during the rainy season from 2014 to 2017

2.2 干旱背景蓄水模式

干旱背景蓄水模式是指在干旱氣候背景下，全年氣溫偏高，蒸發(fā)量大，用水量多，總體降雨偏少，降雨出現(xiàn)單點性，范圍小，空間分布不均勻等特點，從而出現(xiàn)庫區(qū)流域降雨不多，降雨形成的產(chǎn)流、匯流和蓄水效率低，不利于水庫蓄水的模式。2010～2013年昆明地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重干旱，松華壩水庫流域昆明、嵩明、富民4年年降雨量距平百分率如表4所示，對應(yīng)的昆明松華壩水庫2010～2013年雨季各月水庫蓄水量距平百分率如圖5所示，從圖上可看出，隨著干旱時間的延長，即使在雨季，各月蓄水量都明顯少于正常年份。這種蓄水模式多出現(xiàn)在干旱年景中，蓄水效率最低。

表4 松華壩流域2009～2013年年降雨量距平百分率Tab.4 The annual rainfall anomaly percentage in Songhuaba basin from 2009 to 2013 %

圖5 2010～2013年松華壩水庫雨季各月蓄水距平值

Fig.5 The Monthly storage anomaly of Songhuaba Reservoir in rainy season from 2010 to 2013

2.3 局地強(qiáng)降雨蓄水模式

從昆明降雨時空分布特征可看出，昆明出現(xiàn)單點性、局地性和小范圍強(qiáng)降雨天氣過程較多，局地強(qiáng)降雨蓄水模式是指當(dāng)強(qiáng)降雨中心落區(qū)在水庫流域內(nèi)，則蓄水效率最高，效果最好，特別是對中小型水庫蓄水極為有利；當(dāng)強(qiáng)降雨中心部份落區(qū)在水庫流域內(nèi)，蓄水效率次之，效果較好；當(dāng)降雨落區(qū)中心不在水庫流域內(nèi)，則蓄水效率最低，效果一般。以2013年7月19至21日昆明降雨過程為例，昆明市2013年7月19日雨量分布色斑圖(圖6)所示，昆明主城區(qū)、富民、嵩明等地出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣過程，降雨最強(qiáng)區(qū)域位于昆明主城北部，部份強(qiáng)降雨區(qū)域位于松華壩水庫流域內(nèi)，2013年 7月19日，松華壩水庫新增水量63.3×104m3，7月20日，新增水量208.2×104m3，7月21日，新增水量174.1×104m3，蓄水效果好。局地強(qiáng)降雨蓄水模式是昆明水庫蓄水的最易出現(xiàn)的蓄水模式，但受降雨落區(qū)影響較大。

圖6 昆明市2013年7月19日雨量分布色斑圖Fig.6 The Colour pattern of rainfall distribution in Kunming on July 19，2013

2.4 秋季連陰雨降雨蓄水模式

云南秋季連陰雨的標(biāo)準(zhǔn)為9～11月連續(xù)降雨日數(shù)≥7 d，連續(xù)降雨日的平均日降雨量≥4 mm，所對應(yīng)的天數(shù)的平均每日日照時數(shù)≤3 h。秋季連陰雨降雨蓄水模式是指出現(xiàn)秋季連陰雨，雨量平均、降雨范圍廣、可覆蓋整個庫區(qū)、且降雨時間長，從而使地下水位得到提升，土壤水含量得到有效增加，但昆明出現(xiàn)秋季連陰雨的幾率相對少，據(jù)統(tǒng)計2009～2017年松華壩流域昆明、富民、嵩明均未出現(xiàn)秋季連陰雨天氣過程。但以2013年9月3～5日的降雨過程為例，松華壩流域出現(xiàn)了連續(xù)3 d的降雨，降雨量及水庫新增蓄水量如表所示，出現(xiàn)連續(xù)降雨后水庫蓄水效果明顯。秋季連陰雨蓄水模式對增強(qiáng)地表水和水庫蓄水極為有利，其蓄水效率高，蓄水時間長，蓄水安全，水庫蓄水效果好。

表5 2013年9月3～5日松華壩流域降雨量及水庫新增蓄水量Tab.5 The rainfall and Reservoir Water Storage in Songhuaba Basin from September 3 to 5，2013

2.5 冬季降雨降雪蓄水模式

冬季降雨降雪蓄水模式是指昆明冬季一般會出現(xiàn)大于5 mm的降雨或降雪，降雨過程穩(wěn)定，降雪融化慢，除少量蒸發(fā)外，一小部份形成地表水，直接對水庫蓄水進(jìn)行補(bǔ)充，但量級相對?。灰恍〔糠菪纬蓽\層地下水，流入水庫，使蓄水量得到部分增加；其余大量降雨降雪滲入地下，增加深層地下水，或滲入“山體水庫”(如松華壩水庫)增加存水，保持山體中土壤水份含水量，起到涵養(yǎng)水源的作用，有利于來年雨季的水庫蓄水。冬季的降雨降雪過程，對地下、生態(tài)、地表蓄水極為有利，這種蓄水模式一般年景都會出現(xiàn)。

3 昆明降雨蓄水風(fēng)險評估分析

降雨蓄水風(fēng)險評估，是對降雨形成的水量超過蓄水汛限水位而可能出現(xiàn)的洪澇風(fēng)險和影響進(jìn)行分析評估，為增強(qiáng)蓄水能力和防御洪澇災(zāi)害提供重要理論支撐和實踐應(yīng)用指導(dǎo)。本文通過對比的方法，主要從降雨強(qiáng)度、降雨歷時、降雨范圍等方面對水庫蓄水風(fēng)險進(jìn)行分析。

3.1 昆明降雨強(qiáng)度對蓄水影響風(fēng)險評估

昆明各縣市區(qū)近30 a日最大降雨量如表6所示，除晉寧為91.7 mm外，其余均達(dá)到大暴雨量級，最大為嵩明縣179.2 mm；對近10 a的自動站雨量資料進(jìn)行統(tǒng)計，自動站觀測到的最大日雨量值為2013年7月19日金殿水庫(位于昆明主城區(qū)北部)215.6 mm，其余均在200 mm以下。因此，昆明地區(qū)可能出現(xiàn)的最大日降雨一般在200 mm左右，每年都有出現(xiàn)的幾率，但出現(xiàn)幾率較小。根據(jù)統(tǒng)計，昆明國家基準(zhǔn)氣候站近30a年平均最大雨強(qiáng)為36.4 mm/h，年最大雨強(qiáng)為 75.8 mm/h，小時雨強(qiáng)超過50 mm的共出現(xiàn)了7次，出現(xiàn)的幾率相對小。因此昆明地區(qū)雖有存在洪澇蓄水安全風(fēng)險，但出現(xiàn)幾率較小，降雨強(qiáng)度對蓄水影響風(fēng)險也相對較小。

表6 昆明各縣(市、區(qū))1988～2017年日最大降雨量Tab.6 The maximum daily rainfall in Kunming counties(cities and districts)from 1988 to 2017 mm

3.2 降雨歷時對蓄水影響風(fēng)險評估

統(tǒng)計昆明各縣市區(qū)1988～2017年的暴雨天數(shù)可看出，昆明除太華山氣象站(高山站)出現(xiàn)一次連續(xù)暴雨(≥50 mm)日數(shù)為3 d的降雨天氣過程外，其余縣市區(qū)出現(xiàn)連續(xù)暴雨日數(shù)最多為2 d，昆明11個縣市區(qū)近30 a出現(xiàn)連續(xù)2 d暴雨次數(shù)共為16次，出現(xiàn)幾率較低；出現(xiàn)連續(xù)大暴雨(≥100 mm)日數(shù)最多為1 d。楊芳園等[11]研究指出昆明24 h降雨量主要集中在6 h，而6 h暴雨又多集中在1 h內(nèi)，以短時強(qiáng)降雨為主。昆明暴雨過程歷時短，對防汛安全有利，因此，從降雨歷時上看，昆明蓄水風(fēng)險較小，蓄水較為安全。

3.3 降雨范圍對蓄水影響風(fēng)險評估

從昆明地區(qū)空間降雨時空分布特征可看出，昆明地區(qū)降雨多出現(xiàn)時空分布不均的特點，出現(xiàn)的大暴雨多為單點性，昆明強(qiáng)降雨范圍為1～50 km2，降雨落區(qū)空間小。強(qiáng)降雨空間分布小對防汛有利，從而因大范圍強(qiáng)降雨而引發(fā)的蓄水風(fēng)險也相對較小。

將昆明近30 a最強(qiáng)降雨過程(2013年7月19日降雨天氣過程)與北京、四川最強(qiáng)降雨過程從降雨強(qiáng)度、降雨歷時、降雨范圍3個方面進(jìn)行比較，從而進(jìn)行昆明降雨蓄水風(fēng)險評估分析(表7)：與其他地區(qū)相比，昆明強(qiáng)降雨強(qiáng)度、歷時及范圍均相對小，所造成的損失相對較少，由降雨引發(fā)的蓄水風(fēng)險相對小，蓄水相對安全。

表7 昆明最強(qiáng)降雨過程與外地最強(qiáng)降雨比較分析風(fēng)險表Tab.7 The riskTable for comparative analysis of the strongest rainfall process in Kunming and the strongest rainfall in the field

4 人工増雨應(yīng)用分析

人工増雨是提高蓄水能力建設(shè)的一項重要方法和有效措施。中國的專家學(xué)者通過對蓄水型人工増雨效果進(jìn)行檢驗評估，得出通過人工增雨，可增加水庫流域10%～20%的降雨量[12-14]，從而有效增加入庫流量，提高蓄水效率。分析昆明降雨時間分布特征時得出，昆明全年都有小雨和中雨量級降雨天氣過程(如表1所示)，有利于全年開展人工增雨，同時，昆明水庫具有由于降水引發(fā)的蓄水風(fēng)險相對小，蓄水相對安全的特點，因此抓住有利天氣條件，在昆明地區(qū)水庫、主要蓄水流域以及生態(tài)區(qū)域開展常態(tài)化人工增雨，是提高水庫蓄水效率的有效方法。

針對昆明降雨存在空間分布不均，多單點性分散性降雨過程的特征，以及蓄水環(huán)境分散，水庫容量小等特點，昆明可增加常態(tài)化人工増雨基礎(chǔ)建設(shè)，在重點應(yīng)用水庫或用水區(qū)域內(nèi)建立人工增雨基地，在保障水利設(shè)施安全的基礎(chǔ)上，開展常態(tài)化人工增雨，從而從空間上增加水庫蓄水量，實現(xiàn)均衡化蓄水。

5 結(jié)論與討論

本文基于昆明降雨的時空分布特征，對昆明的蓄水模式和降雨蓄水風(fēng)險進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論和建議。

結(jié)合昆明降雨時空分布特征和蓄水地理環(huán)境特征，可將昆明水庫的蓄水模式分為雨季降雨最佳蓄水模式、干旱背景蓄水模式、局地強(qiáng)降雨蓄水模式、秋季連陰雨降雨蓄水模式和冬季降雨降雪蓄水模式五種。

通過對比，從降雨強(qiáng)度、降雨歷時、降雨范圍等方面對昆明對水庫蓄水風(fēng)險進(jìn)行分析可得出昆明由于降雨過程引發(fā)的蓄水風(fēng)險相對小，蓄水較為安全。

結(jié)合昆明降雨特征及蓄水模式的特點，昆明可加強(qiáng)常態(tài)化人工増雨體系建設(shè)，在水庫、主要蓄水流域、生態(tài)區(qū)域等開展常態(tài)化人工增雨，是增加庫塘蓄水、提高水資源的利用率的有效途徑。

加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，保持水土，增強(qiáng)自然環(huán)境蓄水能力。好的生態(tài)環(huán)境有利于涵養(yǎng)水源，提高地下水位，為蓄水提供水源保障，因此昆明地區(qū)要繼續(xù)堅持庫區(qū)環(huán)境保護(hù)政策，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與治理，從而有效預(yù)防強(qiáng)降水引發(fā)的水庫流域水土流失，保護(hù)蓄水環(huán)境。

增強(qiáng)“蓄防并舉”水庫蓄水能力建設(shè)，以蓄水為目的，以防汛為保障，在增強(qiáng)蓄水能力的同時，有效的防御洪澇災(zāi)害。