麻城“7.1”暴雨過程特征及對光伏電站影響分析

王必強 陳正洪 孫朋杰 嚴(yán)國剛 莊玲潔 黨超琪

（1 湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430070；2 武漢日新科技股份有限公司，武漢 430073；3 陜西省氣象服務(wù)中心，西安 710014）

0 引言

隨著全球氣候變暖，近年來世界上大多數(shù)地方強降水事件增多，近25年來中國暴雨日數(shù)總體上稍有增加，其中長江中下游夏季暴雨量增多、強度增大，湖北省也表現(xiàn)出降水強度增加的趨勢。

2016年6月30日—7月2日，麻城市出現(xiàn)暴雨級強降水，過程降水總量為433.1 mm，其中，7月1日日降水量為333.6 mm，為歷史最大值（此次暴雨過程簡稱為麻城“7.1”暴雨）。該暴雨過程引發(fā)洪澇災(zāi)害，中館驛鎮(zhèn)受災(zāi)尤為嚴(yán)重，位于該鎮(zhèn)的某大型光伏電站（110 MW，2015年12月投產(chǎn)并網(wǎng)）大面積內(nèi)澇積水，導(dǎo)致設(shè)施大范圍受損（圖1）。

圖1 光伏電站在麻城“7.1”暴雨中受損Fig.1 Flood disaster of the PV power station

本文從災(zāi)情調(diào)查著手，利用國家氣象站和區(qū)域站高分辨率資料，采用天氣學(xué)、氣候?qū)W方法對本次麻城強降水事件進(jìn)行綜合評估，分析暴雨過程的氣候特征和災(zāi)害影響，提出對策建議，為降低洪澇災(zāi)害對光伏電站的影響以及選址運維等提供借鑒和參考。

1 資料與方法

1.1 資料

研究涉及的光伏電站位置及其周邊氣象站分布如圖2所示，所用資料包括以下五類：1）湖北省82個國家級氣象站2007—2016年逐日降水資料；2）麻城國家氣象站建站至2016年逐時降水資料；3）麻城28個區(qū)域自動站2016年6月30日—7月2日逐小時降水資料；4）麻城某光伏電站2016年6月30日—7月2日受澇災(zāi)情報告；5）現(xiàn)場補充調(diào)查資料。自動站資料由湖北省氣象檔案館提供，災(zāi)情報告由電站運營方提供，補充調(diào)查資料由項目組實地調(diào)研取得。

圖2 光伏電站位置（紅色星）及其周邊氣象站分布圖Fig.2 Location of the PV power station and distribution of the automatic weather stations

1.2 研究方法

針對本次強降水過程，采用空間時空分析方法，通過比較湖北省各國家氣象站降水量，區(qū)分麻城與其它氣象站降水量的差別，為便于分析，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)降水量等級對降水進(jìn)行分級。對麻城歷年（1957—2016年）最大日降水量序列、最大1～4 h降水量序列進(jìn)行歷史排序，并利用極值分布理論對重現(xiàn)期進(jìn)行推算。

極值的理論分布函數(shù)常用于氣候?qū)W和水文學(xué)，多以Ⅰ型分布為主，即Gumbel分布，最初用于洪水極值計算。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計規(guī)律，逐年日最大降水量可視為隨機事件，其極大值可由Gumbel分布公式計算。本文采用極值I型分布函數(shù)推算麻城“7.1暴雨”過程降水極值的重現(xiàn)期，采用矩法對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行估算，用柯爾莫戈洛夫擬合適度檢驗來校核極值Ⅰ型分布的合理性。

2 麻城“7.1”暴雨災(zāi)情及天氣特征分析

2.1 麻城“7.1”暴雨災(zāi)情調(diào)查與分析

通過圖2可以看到，該光伏電站位于浮橋河?xùn)|側(cè)、舉水河北側(cè)，成三角夾擊之勢。災(zāi)情調(diào)查顯示，在短期強降水作用下，麻城市3747 km的范圍內(nèi)降水短時間內(nèi)向各河流匯集。7月1日19時，舉水河實測洪峰流量為4400 m/s，為麻城市有氣象記錄62年來最大洪峰數(shù)據(jù)，全市境內(nèi)60多座中型水庫超汛限水位，110座小型水庫全部接近汛限水位。連續(xù)特大暴雨導(dǎo)致舉水河和浮橋河洪水倒灌，加之電站內(nèi)部排水不暢導(dǎo)致內(nèi)澇，造成特大損失。

2.2 暴雨發(fā)生天氣背景分析

從2016年6月30日20時500 hPa天氣圖可以看出，歐亞中高緯地區(qū)呈兩槽一脊環(huán)流形勢，高壓中心位于貝加爾湖以北地區(qū)，其東西兩側(cè)各有一低渦存在，東側(cè)低渦中心位于黑龍江以北，從低渦中心延伸出的低槽一直抵達(dá)山東半島北部；中低緯度上副高非常強大中心位于西太平洋，588線位于長江以南，呈東北—西南走向。湖北大部處于副熱帶高壓（以下簡稱”副高“）西北側(cè)的西南氣流中，其西側(cè)重慶至貴州有一低槽存在，高空低槽緩慢加深東移，攜帶槽后的弱冷空氣與副高西北側(cè)的西南氣流在湖北上空交匯，為本次暴雨過程提供了非常有利的大尺度環(huán)流條件。

在高空槽前正渦度平流的作用之下，中低層西南急流強烈發(fā)展（圖3），20時700和850 hPa急流強度分別達(dá)到了16和18 m/s，比濕也都在10和14 g/kg以上，強勁的低空急流為暴雨的產(chǎn)生提供了充沛的水汽來源。此外，在低空西南急流左側(cè)始終有一條呈東北—西南走向的切變線，橫貫在湖北省中東部地區(qū)上空，湖北東部地區(qū)一直位于低空急流左側(cè)、切變線以南的強烈輻合區(qū)中，強烈的系統(tǒng)系抬升運動為暴雨天氣的產(chǎn)生提供了非常有利的上升運動條件。

圖3 2016年7月1日08時700 hPa 天氣圖Fig.3 700 hPa weather map at 08 BT 1 July 2016

2.3 降水過程時空分布特征分析

麻城國家氣象站2016年6月30日00時—7月2日24 時的小時降水量分布如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)該暴雨過程始于6月30日08 時，結(jié)束于7月2日24 時，時長64 h，過程雨量為433.1 mm。其中，降水主要集中在6月30日08時—7月1日08 時，小時降水量最大值（50.9 mm）出現(xiàn)在6日22 時。

圖4 麻城國家氣象站2016年6月30日00時—7月2日24時逐時降水量Fig.4 Rainfall from 30 Jun to 2 Jul 2016 at Macheng weather station

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，在鄂東北地區(qū)，當(dāng)24 h降水量大于150 mm時，災(zāi)害預(yù)報等級為R3級（表示發(fā)生山洪地質(zhì)災(zāi)害的可能很大）。2016年6月30日08時—7月1日08時，麻城全市29個氣象站中，除距離該光伏電站較遠(yuǎn)的福田河站以外的28個站降水量均超過200 mm，達(dá)到R3等級。說明此次降水過程引發(fā)山洪地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大。

2.4 最大日降水量及1～12 小時降水量歷史排位及重現(xiàn)期推算

采用極值Ⅰ型分布算法，用麻城國家氣象站1959—2017年59年的歷年最大日降水量序列，進(jìn)行重現(xiàn)期的計算，結(jié)果見表1，其中100年一遇最大日降水量為281.3 mm。根據(jù)麻城國家氣象站1959—2017年逐年最大日降水量序列，麻城“7.1”暴雨日降水量333.6 mm，在歷史上排位第1位，重現(xiàn)期為367 a。

表1 用極值Ⅰ型分布計算出不同重現(xiàn)期的日最大降水量Table 1 Use extreme-I distribution to calculate the maximum daily precipitation of different recurrence interval

2016年6月30日19—22時降水量為155.2 mm，在歷年連續(xù)4 h最大降水排位第2位，重現(xiàn)期為51 a。

3 洪澇災(zāi)害的成災(zāi)機制

以往研究表明，湖北省山洪災(zāi)害的地形分布，山區(qū)多于平原，南部多于北部，且東部的山洪災(zāi)害、鄂西南的泥石流、滑坡與年降水量相關(guān)性普遍較好。從連綿陰雨作為滑坡泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害前期初始累加值方面分析，湖北省7月降水量全年最高，占全年降水量的17%。從近10年（2007—2016年）6月1日—7月20日（此時段作為氣象部門整個梅雨期降水預(yù)報時段）同期累積降水量可以看到，降水總體呈現(xiàn)東部、西南部多，西北部少的分布。就區(qū)域降水量而言，鄂東南和鄂西南最大，鄂東北次之，該光伏電站所處麻城市屬降水較多區(qū)域。

從區(qū)域自然災(zāi)害系統(tǒng)論角度理解，區(qū)域自然災(zāi)害是孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子和承災(zāi)體相互作用的結(jié)果。致災(zāi)因子搭配合適的孕災(zāi)環(huán)境，加之承災(zāi)體對洪澇災(zāi)害的敏感性，造就了不同的洪澇災(zāi)害。同時，當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)能力也是影響受災(zāi)程度的重要因素。通過野外勘測及綜合分析，該光伏電站洪澇災(zāi)害形成的主要因素包括：地理氣象條件、地形地貌組合、河道淤積、排水能力不夠等。

麻城市地勢北高南低，由北向南傾斜過渡，地貌形態(tài)多樣，同時具有北洪南澇的特點。北部地處大別山南坡，相對高差大，主要受山洪的影響；南部處于河流下游和長江北岸，主要受漬澇的危害。

近年來，麻城市經(jīng)濟發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)規(guī)模擴張及人類活動影響導(dǎo)致山體和河道周邊植被破壞，水土流失導(dǎo)致泥沙沿山地順河而下，在舉水河和浮橋河交匯位置地勢趨于平坦，水勢趨緩導(dǎo)致泥沙淤積，進(jìn)而致使河床抬高、河道變淺變窄，加劇了“小流量、高水位”現(xiàn)象（圖5）。加之防洪和排澇工程不完善，在連續(xù)多日強降水及周邊水庫泄洪的綜合因素下，高度落差倒灌，外洪內(nèi)澇交織。

圖5 光伏電站地形圖Fig.5 Topographic map at the PV power station

4 光伏電站洪澇災(zāi)害影響的對策

近年來，隨著全球氣候變化，湖北東部的年雨量和強降水次數(shù)均呈增加趨勢。加之光伏電站固定設(shè)備投資大、資本回收期長，對洪澇災(zāi)害敏感性強，因此應(yīng)做好長期的災(zāi)害預(yù)防，尤其應(yīng)注重排水設(shè)施的建設(shè)維護。按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對光伏電站防洪設(shè)計的要求，不同容量對應(yīng)不同的防洪等級和標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 光伏發(fā)電站的防洪等級和防洪標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Flood control grade and standard of PV power station

該光伏電站裝機容量110 MW，為II級防洪等級，但麻城“7.1”暴雨重現(xiàn)期為367 a，遠(yuǎn)大于50年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，同時緊鄰河流，故造成重大損失。鑒于此從選址建設(shè)和防澇排澇兩方面對如何避免和減輕洪澇災(zāi)害對光伏造成影響進(jìn)行分析。

4.1 選址、施工和運維階段

光伏電站項目在開發(fā)初期，若項目緊鄰湖泊河流等洪澇災(zāi)害易發(fā)位置，需進(jìn)行洪澇災(zāi)害影響評價，提前對光伏電站建設(shè)加以規(guī)劃。評價報告中應(yīng)就可能發(fā)生的洪澇災(zāi)害進(jìn)行評估、并提出預(yù)防洪澇影響的措施方法等。良好的選址對于后期施工時的防澇排澇措施非常重要，光伏電站的建設(shè)應(yīng)充分利用項目周邊地形優(yōu)勢，充分考慮周邊河湖等大型水體，因地制宜的設(shè)計防澇排澇措施，良好的選址將會為防澇排澇提供巨大便利。

場站建設(shè)階段，各類電器設(shè)施按照隨坡就勢原則依次排布，充分利用地形，趨利避害，降低建設(shè)成本。同時，應(yīng)加強對于氣象信息的搜集與監(jiān)測，聯(lián)合氣象部門，綜合利用短臨預(yù)警、水文預(yù)報、水量調(diào)度、氣象監(jiān)測等方面技術(shù)，對洪澇災(zāi)害進(jìn)行實時監(jiān)測，防排結(jié)合降低潛在災(zāi)害風(fēng)險。

4.2 防澇排澇措施

應(yīng)對洪澇災(zāi)害，對于鄰江、鄰海地區(qū)通常會采用+0.5 m的安全超高，對于山區(qū)部分還要另外考慮山洪帶來的影響增設(shè)樁基高程。同時為了減少潛在的洪澇災(zāi)害損失，多雨地區(qū)的電纜宜采用橋架或托索等方式安裝，對價格較高的電氣設(shè)備，如逆變器、匯流箱、箱變、平單軸和中控設(shè)備等，應(yīng)采取更高標(biāo)準(zhǔn)的方案，如排水防洪溝的布置、盡量抬高電氣設(shè)備支架高度、加強防銹除銹等，防止積水導(dǎo)致電氣安全事故。