奉賢區(qū)內(nèi)河水位與暴雨徑流關(guān)系

夏玉蘭

（上海市奉賢區(qū)水文站，上海 奉賢 201499）

0 前言

在城市化進程不斷加快的背景下，城市基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)園區(qū)、房地產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，城市面積越來越大，對城市承載能力提出了更高的要求。在人民生活質(zhì)量得到提高的同時，城市防汛排澇帶來了極大的壓力。目前上海在防汛排澇方面主要采取兩種方式，一是通過強排水系統(tǒng)，將積水經(jīng)由泵站強排至河道。二是依靠河道支流自然排水。但由于奉賢區(qū)河道調(diào)蓄容量偏小，泵閘排水能力偏低，每年汛期都有一些地區(qū)會出現(xiàn)暴雨積水現(xiàn)象。這些地區(qū)一旦下暴雨就會發(fā)生道路積水、汽車進水等災(zāi)害現(xiàn)象……，這些災(zāi)害現(xiàn)象不僅會造成城市居民的財產(chǎn)損失，而且還會威脅到居民的生命安全，更會對城市經(jīng)濟建設(shè)帶來阻礙。為此，對降雨徑流形成過程進行研究，已經(jīng)成為防范城市洪澇災(zāi)害的重要工作。本文將從研究降雨與徑流之間的關(guān)系入手，提出解決城市排澇問題的一些思路與方法。

1 奉賢區(qū)概況

上海市奉賢區(qū)位于上海南部，東接浦東新區(qū)，南臨杭州港，北臨黃浦江，西接金山區(qū)和松江區(qū)。奉賢區(qū)的江岸線與海岸線的長度分別為13.7 km、31.6 km，在境內(nèi)，河道呈現(xiàn)出交叉縱橫的分布狀態(tài)。奉賢區(qū)內(nèi)河水系發(fā)達，共有19 條市級、區(qū)級河道，244 條鎮(zhèn)、場級河道，4265 條村級河道，內(nèi)河主要受浦東區(qū)水利工程中的水閘控制。根據(jù)1959 年～2011 年水文資料顯示，奉賢區(qū)平均降水量為1117.0 mm，內(nèi)河最高水位為3.71 m，最低水位為1.74 m。

奉賢區(qū)西部易遭受洪澇災(zāi)害，其地面高程約為3.5 m，明顯低于奉賢區(qū)內(nèi)4.5 m 的平均地面高程。南鄰的杭州灣與北鄰的黃浦江，其最高潮位分別為6.24 m 和5.00 m，平均高潮位分別為4.21 m 和3.02 m。根據(jù)1969 年～2009 年的暴雨資料顯示，奉賢區(qū)的暴雨頻次呈現(xiàn)出增多趨勢，造成澇災(zāi)次數(shù)也隨之增多。1969 年～1979 年、1980 年～1989 年、1990 年～1999 年、2000 年～2009 年的4 個10 年期間，發(fā)生大暴雨的次數(shù)分別為2 次、6 次、5 次、6 次。

2 暴雨徑流關(guān)系計算方法選擇

暴雨徑流計算方法主要包括單位線法、等流時線法、暴雨徑流模型模擬計算等方法，其中模型計算方法是暴雨徑流研究中應(yīng)用較多的方法，其應(yīng)用優(yōu)勢在于可模擬出徑流的形成過程，且保證模擬計算的精確性。但是，暴雨徑流模型計算需有大量的水文數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)，并選用一定數(shù)量的參數(shù)，大幅度增加了模型計算方法的實施難度。

為降低暴雨徑流計算的復(fù)雜程度，水利部門經(jīng)常采用以下兩種更為簡便的計算方法：

一種是以起漲水位作為評估前期影響雨量的重要因子，反映前期河網(wǎng)蓄水量和地表含水量。在地勢較為平坦的地區(qū)，若該地區(qū)降雨量豐富、河床切割較淺、植被覆蓋良好，則該地區(qū)的土壤含水量與河道之間存在著一種持續(xù)的、穩(wěn)定的互補關(guān)系。當內(nèi)河水位較低時，較高的河網(wǎng)密度,能夠緩慢持續(xù)地補充河道。當內(nèi)河水位較高時，河床里的水會適當?shù)难a充給土壤。

因此，根據(jù)平原河網(wǎng)地區(qū)的降雨徑流關(guān)系的特點,可通過獲取平均降雨量、起漲水位數(shù)據(jù)，計算出水位漲差，用以反映平原河網(wǎng)地區(qū)的降雨徑流關(guān)系。計算公式為：

式中：ΔH 為水位漲差，m；P 為平均降雨，mm；H0為起漲水位，m。

這種方法使用簡單，直觀。缺點是主要依靠經(jīng)驗方法，預(yù)報精度不夠。

另一種方法是通過采用P-Pa-Rs 三變量經(jīng)驗相關(guān)圖法來反應(yīng)暴雨徑流關(guān)系。在三變量經(jīng)驗相關(guān)圖中，橫坐標表示徑流深Rs，縱坐標表示降雨量P，在圖上繪制相應(yīng)的P、Rs 值，并將前期影響雨量值Pa標注在圖形上，根據(jù)點群分布趨勢，連接形成Pa的等值線，完成圖形繪制。三變量經(jīng)驗相關(guān)圖的規(guī)律如下：

①在P 相同的條件下，損失隨著Pa的增大而減小，Rs 隨著Pa 的增大而增大，使得Pa等值線的數(shù)值呈現(xiàn)出由左向右逐步增大的變化趨勢。

②在Pa相同的條件下，損失隨著P 的增大而減小，P-Rs 線的坡度隨之減緩，但始終大于45°。在Pa達到最大值的情況下，P-R 線的坡度為45°。

根據(jù)繪制的圖形，對降雨過程和降雨開始時的Pa進行測算，結(jié)合各時段的P 值，對應(yīng)找出Rs 值。可根據(jù)內(nèi)河水位與槽蓄容量的關(guān)系圖，將徑流深轉(zhuǎn)化為內(nèi)河水位升幅，對各時段的內(nèi)河水位值進行計算。

這種方法優(yōu)點在于預(yù)報精度較高，但計算過程復(fù)雜，前期準備資料要比較齊全，對預(yù)報人員要求較高。

如何兼顧預(yù)報精度，又能簡單快速地做出預(yù)報。筆者在兩種方法的基礎(chǔ)上作了改進，生成方法三。將制作P-Pa-Rs三變量經(jīng)驗相關(guān)圖的理論基礎(chǔ)與降雨- 起漲水位- 漲差圖相結(jié)合，通過查圖可方便快捷地獲得內(nèi)河預(yù)報水位，簡化了預(yù)報過程。

制圖方法：首先篩選所有暴雨水位資料中不受水閘影響的資料，獲得降雨量、漲差，制作點圖；其次計算歷年暴雨的前期影響雨量，計算出Pa平均值，然后根據(jù)P-Pa-s 相關(guān)圖，查出降雨對應(yīng)的徑流量；選取起漲水位在2.3 m～3.1 m，計算相應(yīng)代表庫容，加上徑流量后反算出水位漲差，然后畫出各曲線；最后，對曲線部分進行微調(diào)，使曲線覆蓋范圍與點的分布范圍基本一致。

2.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)奉賢區(qū)自1998 年～2015 年有記錄以來的所有日雨量超過50 mm 暴雨的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。統(tǒng)計得到滿足條件的數(shù)據(jù)共46 組，制作水位- 雨量表，根據(jù)圖表，篩選出未受水閘開關(guān)閘影響的29 場作為計算的原始資料。

2.2 各場降雨的前期影響雨量計算

蓄滿產(chǎn)流是濕潤地區(qū)徑流產(chǎn)生的主要原因，土壤蓄水量直接影響著降雨徑流量，尤其是降雨前時期的土壤蓄水量是決定性因素。本研究選用衡量流域干濕程度指標，用前期影響雨量Pa進行表示，可判斷研究區(qū)域土壤蓄水量的多少。Pa的計算公式為：

式中：Pa.t表示第t 天的前期影響雨量；Pa.t+1表示第t+1 天的前期影響雨量；Ka表示研究流域土壤蓄水的日消退系數(shù)；Pt表示第t天的流域降雨量。

式中的Pa.t+1必須滿足≤流域最大蓄水量。

取Ka平均值，Ka=（1- 流域月平均日蒸散發(fā)能力/流域最大蓄水量），在大暴雨后，Pa達到流域最大蓄水量，以此作為推算依據(jù)，計算出降雨前的影響雨量。在計算過程中，需先確定兩個參數(shù)值，分別為Pa起始值與Ka值。Pa起始值可從大暴雨后的第一天計算，將第一天土壤含水量視為飽和狀態(tài)，確定為100 mm。也可以從大暴雨之前的30 天無雨日進行計算，確定為0 mm。

Ka值計算要根據(jù)統(tǒng)計資料中每月水面蒸發(fā)量進行計算，將數(shù)據(jù)帶入Ka的公式中，求出6 月、7 月～8 月、9 月Ka值分別為0.96、0.94、0.95。

表1 各場暴雨P(guān)a 值計算表

2.3 暴雨與水位關(guān)系圖

通過對1998 年之后的自然降雨和相關(guān)的水位資料進行詳細分析后，確定具體的研究時段。同時，借助該內(nèi)河水位與槽蓄容量之間存在的關(guān)聯(lián)性，對河道的徑流量進行確定。

表1 中各場暴雨的前期影響雨量均值為71.7 mm，接近70 mm。取70 mm 作為前期影響雨量值，繪制-ΔH-H0三變量降雨徑流關(guān)系圖。

圖2 P-ΔH-H0 三變量暴雨與水位關(guān)系圖

3 暴雨與水位分析圖預(yù)報檢驗

近年來，上海的經(jīng)濟在政策扶持下得到飛速發(fā)展，在這一過程中，奉賢區(qū)的經(jīng)濟也隨之進入高速發(fā)展階段。然而，由于內(nèi)河洪澇災(zāi)害造成的直接和間接經(jīng)濟損失卻呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，防汛成為防澇的重點工作內(nèi)容之一。根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料顯示，暴雨多數(shù)都與臺風相伴而來，為避免發(fā)生洪澇災(zāi)害，防汛部門需要在暴雨來臨前，預(yù)先降低內(nèi)河的水位線。然而，為滿足內(nèi)河的航運需要，水位線很難降至理想的位置。為此，應(yīng)當通過分析得出水位線降低的最佳高度。

3.1 實例分析

2002 年7 月4 日，奉賢地區(qū)發(fā)生暴雨。從7 月4 日18 時開始到5 日10 時降雨結(jié)束,全市平均雨量為47.9 mm,南橋站水位從2.58 m 起漲,到5 日10 時出現(xiàn)最高水位3.08 m,后4 小時水位又慢慢開始回落，主要是受到區(qū)域內(nèi)水閘向外排水影響。對照降雨漲差關(guān)系圖，去除水閘影響的時段，在其它時段下，南橋站預(yù)報的最高水位為3.05 m，實際值為3.08 m，二者之間僅僅相差了0.03 m，具體數(shù)據(jù)見表2，達到良好的預(yù)報效果。南橋站2002 年7 月4 日～7 月5 日期間降雨和水位過程，見圖3。

表2 南橋站最高水位預(yù)報和實測表

圖3 南橋站2002 年7 月4 日～7 月5 日期間降雨- 水位過程圖

3.2 預(yù)報精度檢驗

4.2.1 預(yù)報精度等級

以現(xiàn)行的水文情報預(yù)報規(guī)范作為依據(jù)，以合格率作為基準，將預(yù)報項目劃分為三個等級，按照表3 對精度進行確定。

表3 預(yù)報項目精度等級表

以許可誤差作為基準時，如果一次預(yù)報的誤差超過許可誤差，則說明預(yù)報不合格，反之為合格。合格率可以用下式進行計算：

式中：QR 代表合格率；n 代表合格的預(yù)報次數(shù)；m 代表預(yù)報的總次數(shù)。

確定性系數(shù)是洪水預(yù)報與實測吻合程度的一項重要指標，可以用下式進行計算：

式中：DC 代表確定性系數(shù)（通常取小數(shù)點后兩位數(shù)）；y0（i）代表實測值；yc（i）代表預(yù)報值；y0代表實測值的均值；n 代表資料序列的長度。

4.2.2 預(yù)報個例檢驗

表4 預(yù)報與實測誤差計算表

續(xù)表4

對收集到的29 場暴雨數(shù)據(jù)進行預(yù)報精度計算。根據(jù)水文情報預(yù)報規(guī)范，其中以河道流量（水位）預(yù)報以預(yù)報期內(nèi)實測變幅的20%作為許可誤差。通過計算得到合格預(yù)報為24 次，不合格數(shù)為5 次。根據(jù)公式（3）計算得到QR=82%，根據(jù)公式（4）計算得到DC=0.84，預(yù)報精度達到乙級。

其中不合格的預(yù)報值均高于實際值，主要是未將暴雨期間區(qū)域內(nèi)水閘向外排水影響考慮進去。

5 結(jié)語

上海市奉賢區(qū)水文站網(wǎng)自建立至今歷經(jīng)了數(shù)十年的發(fā)展，在站內(nèi)工作人員的不懈努力下，形成了結(jié)構(gòu)完整的水文資料收集體系。水文站將工作的重點放在資料的收集上，對這些資料的分析與應(yīng)用處于起步階段，從而使得這部分具有珍貴利用價值的水文資料并未發(fā)揮出應(yīng)有的作用。本文提出一種暴雨徑流的計算方法，可在防汛預(yù)報工作中應(yīng)用。

該方法是依據(jù)奉賢區(qū)內(nèi)河的特點，對該區(qū)域內(nèi)自然降雨的時空分布情況進行分析，以內(nèi)河水位作為影響降雨量的關(guān)鍵性指標，研究降雨徑流的關(guān)系。以手工擬合的起漲水位- 雨量-漲差關(guān)系圖為基礎(chǔ)，對洪水的預(yù)報方案進行編制，據(jù)此對洪水進行準確預(yù)報。該方法最為突出的特點是簡便、結(jié)果準確、可信度高，具有一定的推廣價值。