中小河流域三個(gè)叫應(yīng)機(jī)制氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)分析
——以余慶河為例

夏兆林，蔡成良，譚 權(quán)，陳洪濱，徐志猛

(1.貴州省余慶縣氣象局，貴州 余慶 564499；2.余慶縣團(tuán)結(jié)水庫(kù)管理所，貴州 余慶 564499)

0 引言

隨著極端天氣頻發(fā)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，中小河流暴雨洪澇災(zāi)害呈多發(fā)頻發(fā)態(tài)勢(shì)，造成的社會(huì)影響及經(jīng)濟(jì)損失也越來(lái)越大。余慶河系烏江中游南岸一級(jí)支流，河長(zhǎng)111 km，流域面積1 502 km2，發(fā)源于甕安縣永和鎮(zhèn)，經(jīng)黃平、余慶、石阡等縣匯入烏江，大的支流有5條。余慶河流經(jīng)余慶縣城，距縣城上游5.3 km處建有團(tuán)結(jié)水庫(kù)。團(tuán)結(jié)水庫(kù)于1975年動(dòng)工，1980年建成，1998年、2000年2次進(jìn)行加閘改造和除險(xiǎn)加固。流域內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)降雨時(shí)，團(tuán)結(jié)水庫(kù)將在確保水庫(kù)大壩安全的前提下，采取攔洪削峰調(diào)度，以減輕下游縣城河道行洪壓力。

提高暴雨洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，提前發(fā)出預(yù)警，準(zhǔn)確作出預(yù)報(bào)，能有效彌補(bǔ)山區(qū)中小河流域防御能力不足、降低暴雨洪澇災(zāi)害損失。代瑞華[1]、楊平會(huì)[2]等就部分縣域強(qiáng)降雨“三個(gè)叫應(yīng)”氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)作了分析研究。夏兆林等[3]提出建立完善針對(duì)中小河流域跨行政區(qū)域的上下游聯(lián)防工作機(jī)制，并將其作為“三個(gè)叫應(yīng)”氣象服務(wù)的進(jìn)一步延伸。姚正蘭等[4]研究表明，余慶縣處于暴雨多發(fā)區(qū)域。若強(qiáng)降雨形成的徑流、匯流，大大超過(guò)團(tuán)結(jié)水庫(kù)及縣城防洪設(shè)施的防洪承受能力，則縣城極易發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害。因此，分析余慶河流域暴雨洪澇致災(zāi)雨量閾值，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)及預(yù)警預(yù)報(bào)具有重要的意義，也可為中小河流域三個(gè)叫應(yīng)機(jī)制氣象服務(wù)進(jìn)行有益探索。

1 資料與方法

余慶河流域內(nèi)有余慶國(guó)家基本氣象站(57729)以及永和(R4904)、老墳嘴(R4908)、浪洞(R5903)、紙房(R5902)、平溪(R5913)等5個(gè)區(qū)域氣象站。選取流域內(nèi)余慶國(guó)家基本氣象站1981—2019年降水資料及5個(gè)區(qū)域氣象站2012—2019年降水資料，結(jié)合水庫(kù)水位及歷史暴雨洪澇災(zāi)情資料，采用統(tǒng)計(jì)分析法分析團(tuán)結(jié)水庫(kù)水位上漲與上游流域面雨量的關(guān)系，確定余慶河流域“三個(gè)叫應(yīng)”氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算面雨量常用的方法有算術(shù)平均法、泰森多邊形法等。余慶河流域內(nèi)氣象站點(diǎn)分布均勻，站網(wǎng)布局合理，資料完整性高，面雨量直接用各氣象站雨量求平均值即可。

(1)

式中AR為流域面雨量，Ri為站點(diǎn)i的雨量，n為氣象站個(gè)數(shù)。

(2)

式中R為臨界雨量(mm)，α為徑流系數(shù)，A為流域面積(km2)，ΔV為攔蓄水量(m3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域氣候背景

余慶河流域位于貴州中部，形狀呈扇形，海拔西南高東北低，地形以山地為主，處于中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候帶。彭芳[5]等研究表明：4月，受滇黔靜止鋒影響，貴州強(qiáng)降水東部多于西部；5月，南支槽強(qiáng)降水對(duì)貴州南部地區(qū)影響增加；6月，副熱帶高壓逐步北跳，強(qiáng)降水南部多于北部，東部多于西部；7月，副熱帶高壓繼續(xù)北跳，強(qiáng)降水帶由南向北移動(dòng)；8月，受副熱帶高壓控制，貴州大部進(jìn)入伏旱少雨階段；9月，副熱帶高壓東退減弱，貴州大部降水減弱。

根據(jù)公式(1)統(tǒng)計(jì)得出，流域內(nèi)年平均降雨量900～1 300 mm，多年平均降雨量1 071 mm。分析流域內(nèi)各氣象站的降水資料發(fā)現(xiàn)，余慶河流域強(qiáng)降水事件多發(fā)生在深夜和凌晨。統(tǒng)計(jì)分析各氣象站的降水序列資料得出，流域內(nèi)汛期(4—9月)降雨量816.5 mm，占全年的76.2%，這主要是由于孟加拉灣和南海的暖濕氣流帶來(lái)了充足的水汽。暴雨最早出現(xiàn)在3月22日，最晚出現(xiàn)在9月18日，年暴雨日數(shù)2.8 d，大暴雨日數(shù)0.3 d。6月降雨量最大，為184.5 mm，占全年的17.2%；5月次之，為166.9 mm，占全年的15.8%；12月降雨量最小，為21.3 mm，占全年的2.0%。年降雨量最大為1 328.9 mm(1999年)，最小為708.3 mm(1981年)。日降雨量最大為161.3 mm，出現(xiàn)在1998年5月22日；其次是156.7 mm，出現(xiàn)在1986年7月4日。

2.2 暴雨洪澇災(zāi)害

余慶河屬于典型的雨源型山區(qū)河流，河道坡降7.15‰，徑流系數(shù)為0.46，多年平均流量23.6 m3/s，年徑流量7.44×108m3，汛期最大流量(1975年6月5日)為1 300 m3/s。由表1可知，余慶河流域暴雨洪澇一般由于強(qiáng)降雨集中、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成河道水位上漲，破壞防洪工程，洪水淹沒(méi)農(nóng)田、基礎(chǔ)設(shè)施，造成人員傷亡。1998年8月2日，大暴雨導(dǎo)致團(tuán)結(jié)水庫(kù)水位上漲至604.9 m，余慶縣城直接經(jīng)濟(jì)損失250萬(wàn)元。1999年7月16日，大暴雨造成縣城防洪堤5 a一遇段全部翻堤，王家浪至原中醫(yī)院一帶被水淹沒(méi)44 h，團(tuán)結(jié)水庫(kù)水位605.1 m。余慶縣城防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，城郊農(nóng)田防洪標(biāo)準(zhǔn)為5 a一遇，暴雨洪澇危險(xiǎn)區(qū)12個(gè)，涉及縣城2個(gè)鎮(zhèn)(街道)6個(gè)村(社區(qū))，受威脅人口5萬(wàn)余人。余慶河流域暴雨洪澇災(zāi)害交替發(fā)生，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人民群眾生命財(cái)產(chǎn)受到損害的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大。

表1 余慶河流域歷史暴雨洪澇災(zāi)害情況Tab.1 Historical Rainstorm and Flood Disasters in Yuqing River Basin

2.3 臨界雨量指標(biāo)

2.3.1 不考慮泄洪條件 團(tuán)結(jié)水庫(kù)系攔截余慶河及其支流而成，匯水面積410 km2。水庫(kù)汛限水位602 m，正常蓄水位605 m，設(shè)計(jì)洪水位606 m，校核洪水位608 m，總庫(kù)容1.78×107m3，最大壩高37.4 m，有效庫(kù)容1.21×107m3，是一座年調(diào)節(jié)水庫(kù)。團(tuán)結(jié)水庫(kù)水位特征既表征了流域上游一定時(shí)效的匯水特征，又與下游余慶縣城的暴雨洪澇災(zāi)害密切(見(jiàn)表2)。

表2 團(tuán)結(jié)水庫(kù)的特征水位Tab.2 Characteristic water level of Unity Reservoir

不考慮泄洪的條件下，根據(jù)公式(2)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法，結(jié)合水庫(kù)水位—庫(kù)容關(guān)系，推算相應(yīng)臨界雨量，得到表3。

表3 團(tuán)結(jié)水庫(kù)水位庫(kù)容關(guān)系及臨界雨量推算Tab.3 Water Level-Reservoir Capacity Relation and Critical Rainfall Estimation of Unity Reservoir

續(xù)表3

2.3.2 考慮泄洪條件 當(dāng)上游降水量大，水庫(kù)來(lái)水量大時(shí)，團(tuán)結(jié)水庫(kù)將啟動(dòng)調(diào)蓄功能。假定當(dāng)水位達(dá)到汛限水位時(shí)，水庫(kù)向下游泄洪(泄洪量為102 m3/s)。模擬計(jì)算過(guò)程中，以602 m的汛限水位作為基準(zhǔn)水位，將24 h流域面雨量(設(shè)定降水均勻分布)按逐小時(shí)雨量輸入水文模型，進(jìn)行24 h匯流模擬，計(jì)算24 h水庫(kù)的匯流量和泄洪量。根據(jù)表3中的水庫(kù)水位—庫(kù)容關(guān)系，考慮泄洪條件，分析從汛限水位到達(dá)正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位的所需來(lái)水量，分別得到水庫(kù)在泄洪的條件下達(dá)到各水位的臨界雨量(見(jiàn)表4)。

2.4 流域“三個(gè)叫應(yīng)”標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)余慶縣防汛預(yù)案，團(tuán)結(jié)水庫(kù)水位達(dá)到604.3 m時(shí)，水庫(kù)管理所將發(fā)布黃色預(yù)警信號(hào)；團(tuán)結(jié)水庫(kù)水位達(dá)到605.5 m時(shí)，水庫(kù)管理所將發(fā)布紅色預(yù)警信號(hào)。通過(guò)分析致災(zāi)臨界雨量閾值，參考流域內(nèi)歷史暴雨洪澇災(zāi)情和水庫(kù)水位特征，充分考慮雨強(qiáng)、歷時(shí)、泄洪等影響因素，確定余慶河流域“三個(gè)叫應(yīng)”氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，并將其分為一級(jí)叫應(yīng)、二級(jí)叫應(yīng)、三級(jí)叫應(yīng)。

一級(jí)叫應(yīng)表示降雨強(qiáng)度達(dá)到致災(zāi)臨界雨量閾值或水庫(kù)達(dá)到校核洪水位，且降雨持續(xù)，可能導(dǎo)致重大災(zāi)害時(shí)，縣氣象局主要領(lǐng)導(dǎo)電話叫應(yīng)縣政府主要領(lǐng)導(dǎo)，提醒其加強(qiáng)防范；二級(jí)叫應(yīng)表示降雨強(qiáng)度達(dá)到致災(zāi)臨界雨量閾值或水庫(kù)達(dá)到設(shè)計(jì)洪水位，且降雨持續(xù)，可能導(dǎo)致較大洪澇災(zāi)害時(shí)，縣氣象局值班領(lǐng)導(dǎo)電話叫應(yīng)縣應(yīng)急、水務(wù)等部門和沿岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)主要負(fù)責(zé)人以及縣政府分管領(lǐng)導(dǎo)，提醒其注意防范；三級(jí)叫應(yīng)表示降雨強(qiáng)度達(dá)到致災(zāi)臨界雨量閾值或水庫(kù)達(dá)到正常蓄水位，且降雨持續(xù)可能導(dǎo)致洪澇災(zāi)害時(shí)，縣氣象臺(tái)值班人員電話叫應(yīng)縣應(yīng)急、水務(wù)等部門及沿岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)值班室人員，提醒其注意防范。

表4 泄洪條件下，汛限水位及以上到達(dá)正常、設(shè)計(jì)、校核水位的臨界雨量Tab.4 Critical Rainfall for Flood Limited Water Level and Above to Normal, Designed and Checked Water Level under Flood Discharge Conditions

根據(jù)公式(1)，計(jì)算余慶國(guó)家基本氣象站以及平溪、浪洞、紙房、老墳嘴、永和等5個(gè)區(qū)域氣象站24 h區(qū)域平均雨量，以團(tuán)結(jié)水庫(kù)汛限水位602 m為基準(zhǔn)水位，計(jì)算余慶河流域“三個(gè)叫應(yīng)”氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。團(tuán)結(jié)水庫(kù)24 h前的水位在602 m、603 m、604 m、605 m時(shí)，余慶河流域“三級(jí)叫應(yīng)”臨界雨量閾值見(jiàn)表5。

表5 不同叫應(yīng)等級(jí)24 h臨界雨量(單位：mm)Tab.5 Critical Rainfall for 24 h with Different Response Levels(Unit:mm)

2.5 成果檢驗(yàn)應(yīng)用

2019年6月12日，余慶河遭遇10 a一遇暴雨洪澇襲擊，流域內(nèi)過(guò)程累計(jì)雨量為：浪洞118.5 mm、永和73.0 mm、平溪71.1 mm、余慶59.0 mm、老墳嘴42.6 mm、紙房10.6 mm。6月12日05時(shí)，團(tuán)結(jié)水庫(kù)水位達(dá)到602.66 m，24 h面雨量為53.9 mm。05時(shí)，流域內(nèi)24 h雨量達(dá)到50 mm，團(tuán)結(jié)水庫(kù)水位達(dá)到602.66 m，余慶縣氣象局啟動(dòng)三級(jí)叫應(yīng)，值班人員叫應(yīng)縣應(yīng)急管理局、縣水務(wù)局及子營(yíng)街道、白泥鎮(zhèn)值班人員。07時(shí)，流域內(nèi)24 h雨量達(dá)到55 mm，團(tuán)結(jié)水庫(kù)水位達(dá)到604.11 m，余慶縣氣象局啟動(dòng)二級(jí)叫應(yīng)，值班領(lǐng)導(dǎo)叫應(yīng)縣應(yīng)急管理局、縣水務(wù)局及子營(yíng)街道、白泥鎮(zhèn)值班領(lǐng)導(dǎo)以及縣政府分管領(lǐng)導(dǎo)。

09時(shí)，余慶縣應(yīng)急管理局發(fā)布緊急避險(xiǎn)黃色預(yù)警：6月12日凌晨團(tuán)結(jié)水庫(kù)上游發(fā)生強(qiáng)降雨，目前團(tuán)結(jié)水庫(kù)水位達(dá)604.8 m，超汛限水位2.8 m。根據(jù)應(yīng)急搶險(xiǎn)預(yù)案要求，現(xiàn)啟動(dòng)IV級(jí)應(yīng)急響應(yīng)，請(qǐng)團(tuán)結(jié)水庫(kù)下游子營(yíng)、白泥轄區(qū)群眾遠(yuǎn)離河道，作好防范準(zhǔn)備；請(qǐng)水務(wù)、消防、公安、人武等有關(guān)部門作好備險(xiǎn)搶險(xiǎn)準(zhǔn)備。縣政府分管領(lǐng)導(dǎo)接到叫應(yīng)后，趕赴團(tuán)結(jié)水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)指揮調(diào)度防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作，對(duì)流域“三個(gè)叫應(yīng)”氣象服務(wù)機(jī)制和上下游區(qū)域聯(lián)防工作給與了肯定和表?yè)P(yáng)。

圖1 2019年6月11—12日?qǐng)F(tuán)結(jié)水庫(kù)水位與流域累計(jì)降雨量變化Fig.1 Change of Water Level and Accumulated Rainfall in Unity Reservoir from June 11 to 12, 2019

3 結(jié)論

①根據(jù)致災(zāi)臨界雨量閾值，結(jié)合水庫(kù)特征值和歷史暴雨洪澇災(zāi)情結(jié)果，進(jìn)而確定的余慶河流域“三個(gè)叫應(yīng)”氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，符合余慶縣防汛實(shí)際情況，可以為防御中小河流域暴雨洪澇贏得寶貴時(shí)間。

②以24 h區(qū)域平均雨量為統(tǒng)計(jì)量，團(tuán)結(jié)水庫(kù)24 h前的水位在602 m、603 m、604 m、605 m時(shí)，余慶河流域一級(jí)叫應(yīng)臨界雨量閾值分別為85 mm、80 mm、75 mm、70 mm；二級(jí)叫應(yīng)臨界雨量閾值分別為70 mm、65 mm、60 mm、55 mm；三級(jí)叫應(yīng)臨界雨量閾值分別為65 mm、60 mm、55 mm、50 mm。

③由于資料搜集難度大，本文僅考慮了流域內(nèi)水庫(kù)水位因素，對(duì)于雨量分布形態(tài)、前期降雨量、土壤飽和度以及地質(zhì)地貌、森林覆蓋率等因素未做分析，下一步應(yīng)綜合考慮各個(gè)因素的影響。同時(shí)，氣象、應(yīng)急、水務(wù)等部門應(yīng)加強(qiáng)致災(zāi)閾值的會(huì)商研判，不斷修訂完善中小河流域“三個(gè)叫應(yīng)”氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。