東溪水庫流域大洪水可能發(fā)生時(shí)間分析

武夷山市東溪水庫運(yùn)行調(diào)度中心 朱鴻光

一、東溪水庫多年洪水的統(tǒng)計(jì)分析

（一）東溪水庫水文特征和防洪任務(wù)簡介

武夷山市東溪水庫屬閩江流域崇陽溪的源頭水庫，流域面積554km2，上游布設(shè)了9個(gè)自動雨量檢測站點(diǎn)，主河道長44.5km，洪水匯流時(shí)間在3至4個(gè)小時(shí)。東溪水庫汛期通過攔蓄消減洪峰將下游城區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)提升至26年一遇的標(biāo)準(zhǔn)，東溪水庫流域26年一遇的大洪水的洪峰是2190m3/s。東溪水庫在防汛中主要采用攔蓄和錯峰，在防洪庫容不足的情況下，大多采用錯峰，就是預(yù)先騰庫并在西溪洪峰到達(dá)時(shí)東溪水庫進(jìn)行攔蓄消減部分洪峰，所以在城關(guān)洪峰來臨前東溪水庫能否盡早預(yù)泄騰庫，保證有足夠的防洪庫容至關(guān)重要。

東溪水庫建庫后自1988年以來開始有了詳細(xì)的水文記錄。通過對水庫數(shù)十場洪水分析發(fā)現(xiàn)，所有洪水都是連續(xù)強(qiáng)降雨才形成大的洪峰，如此大量水汽只能來自海洋，所以影響東溪水庫防汛安全的雨只能是鋒面雨或臺風(fēng)雨，二者水汽均是來自海洋的暖濕氣流。當(dāng)鋒面雨帶覆蓋了東溪水庫流域時(shí)，水庫流域就會發(fā)生較大的降水，據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)，基本在每年7月16日以后鋒面雨帶北抬后就不會再退回到東溪水庫流域了。東溪水庫流域在7—9月可能受臺風(fēng)雨影響，但是受臺風(fēng)影響小概率會在水庫流域發(fā)生強(qiáng)降雨，而且此時(shí)段土壤含水量較低，水庫水位低，防洪庫容大，此時(shí)若發(fā)生大洪水，水庫能夠發(fā)揮出巨大的防洪減災(zāi)作用，并且現(xiàn)代科技對臺風(fēng)路徑追蹤極為準(zhǔn)確，所以可控性高。

（二）東溪水庫洪水發(fā)生時(shí)間、雨強(qiáng)分析

1.東溪水庫建庫以來洪水分析

東溪水庫自1986年建庫以來入庫大于700m3/s的洪水共有22場，其中洪峰達(dá)到十年一遇標(biāo)準(zhǔn)1740m3/s以上的洪水有4場，通過對這22場洪水的最大1小時(shí)雨量、最大3小時(shí)雨量、最大24小時(shí)雨量以及單雨量站點(diǎn)降雨量達(dá)30mm/h的出現(xiàn)時(shí)間及個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)若干有趣現(xiàn)象：

（1）22場洪水不考慮年份依照月日時(shí)間排序，中位數(shù)是6月21日和6月23日，平均數(shù)是6月20日，這個(gè)時(shí)間基本與夏至（每年6月21日或6月22日）吻合。夏至的特點(diǎn)是北半球在北回歸線及以北區(qū)域獲得太陽照射角最接近直角，獲得太陽輻射的能量最大，顯然暖濕氣流的形成與傳輸與太陽能量關(guān)聯(lián)巨大。

（2）洪峰大于1000 m3/s的洪水自建庫以來全部都發(fā)生在6月8日之后，洪峰大于1740m3/s的洪水時(shí)間又往后了，6月份1場、7月份3場，其中“19920704”特大洪水重現(xiàn)期為50年。

（3）對所有洪水的最大3小時(shí)雨量進(jìn)行排序，排名前4的洪水剛好也是洪峰統(tǒng)計(jì)排名最大的4場洪水。顯然最大3小時(shí)降雨量是東溪流域的造峰雨量，和洪峰高度相關(guān)。而對最大24小時(shí)降雨量洪水進(jìn)行排名，發(fā)現(xiàn)第2名的“20100619”洪水和第3名的“20030624”洪水二者洪峰均未超過1100m3/s，洪峰排名靠后，特別是“20100619”洪水多個(gè)雨量站點(diǎn)24小時(shí)超過200mm，達(dá)到特大暴雨標(biāo)準(zhǔn)，這表明東溪水庫流域的洪峰與24小時(shí)最大降雨關(guān)聯(lián)并不特別大。而短時(shí)雨強(qiáng)突出的“19920704”洪水雖然最大24小時(shí)降雨并不顯著，但依然成為洪峰最大的洪水，該場洪水共出現(xiàn)15次單雨量站點(diǎn)超過30mm/h,單站最大1小時(shí)降雨量為67mm，單站最大3小時(shí)降雨量為108mm。對于東溪水庫這個(gè)源頭水庫而言，對洪峰影響最大的是過程雨量的最大3小時(shí)雨量強(qiáng)度。所以未來東溪水庫流域可能出現(xiàn)的大洪水的最大3小時(shí)雨強(qiáng)或單個(gè)雨量站點(diǎn)的一小時(shí)雨強(qiáng)一定是特別突出的。

（4）若我們以單個(gè)雨量站1小時(shí)降雨量達(dá)30mm以上作為極強(qiáng)降雨的一種標(biāo)識，對水庫流域洪水降雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，單個(gè)雨量站點(diǎn)達(dá)到30mm/h以上總出現(xiàn)個(gè)數(shù)排名前4名的洪水與洪峰流量前4名的洪水正好是吻合的，這個(gè)看似簡單又直觀的方法若在實(shí)際工作中得以應(yīng)用將產(chǎn)生巨大的防洪減災(zāi)效益，因?yàn)楣ぷ魅藛T可利用計(jì)算30mm/h以上雨量點(diǎn)出現(xiàn)個(gè)數(shù)迅速識別出東溪水庫流域洪水可能的等級。這種極強(qiáng)降雨的標(biāo)識能把大洪水預(yù)警時(shí)間大大提前。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，水庫建庫以來最大4場洪水中最少的個(gè)數(shù)為9個(gè)，洪峰最大的“19920704”特大洪水也是對應(yīng)個(gè)數(shù)最多的洪水。對東溪水庫而言，大的洪峰的產(chǎn)生就必然源于雨強(qiáng)極大的降雨。

（5）22場洪水中出現(xiàn)1個(gè)以上30mm/h降雨站點(diǎn)的洪水共有16場，對第一次發(fā)生大于30mm/h降雨的時(shí)間段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)這16場洪水在凌晨1時(shí)至7時(shí)這6個(gè)小時(shí)之間首次發(fā)生的有11場，建庫以來最大的4場洪水首次發(fā)現(xiàn)均在該時(shí)段。當(dāng)我們打開一天24個(gè)小時(shí)氣溫走勢圖，發(fā)現(xiàn)一天中溫度低于其他時(shí)段的恰恰就是1時(shí)至7時(shí)。

（6）對這22場洪水統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其中21場為鋒面雨導(dǎo)致，只有“20080719”洪水為臺風(fēng)“海鷗”影響所致，雖然水庫流域發(fā)生因臺風(fēng)雨生成洪水的概率較小，但還是在現(xiàn)實(shí)中發(fā)生了，且這場臺風(fēng)生成了自公元1887年以來影響水庫最大的臺風(fēng)雨，但由于此時(shí)東溪水庫水位低，洪峰大部分被水庫消減，所以城區(qū)和下游三姑城區(qū)有驚無險(xiǎn)。故鋒面雨產(chǎn)生的洪水為東溪水庫每年防汛工作中主要面對的洪水。

2.歷史雨量月報(bào)數(shù)據(jù)分析

從表1統(tǒng)計(jì)的月均報(bào)表看，6月份均降雨最大，是洪水高發(fā)期。從月均雨量來看，臺風(fēng)對7月和8月的影響并未增加太多雨量，綜合表格數(shù)據(jù)可以認(rèn)為，臺風(fēng)會影響到東溪水庫流域,產(chǎn)生一定的降雨使得月均降雨量名次進(jìn)入前6名，但是臺風(fēng)在東溪水庫流域產(chǎn)生大暴雨是小概率事件。7月的多年月均雨量并不大，但不可否認(rèn)建庫以來的特大洪水就發(fā)生7月，特別是2019年7月降雨量為665 mm，使得建庫以來月均降雨量7月超過了3月，東溪水庫流域通常在6月底鋒面雨就會結(jié)束，但影響氣候因素很多，氣候異常時(shí)當(dāng)季風(fēng)形成的鋒面雨帶7月上半月依然能夠覆蓋東溪水庫流域的時(shí)候，并且水汽來源地的海洋的水汽活動活躍時(shí)，發(fā)生暴雨的幾率就變得很大，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，東溪水庫流域的特大洪水更傾向于發(fā)生在7月，而不是發(fā)生在月均雨量排名更靠前的5月。

表1 建庫以來東溪水庫月均降雨量（mm）表

3.歷史考證

在1974年東溪水庫大壩的勘測設(shè)計(jì)的水文報(bào)告中明確記錄了4場洪水：重現(xiàn)期170年發(fā)生在公元1309年8月（至大二年7月）；重現(xiàn)期170年發(fā)生在公元1886年8月（光緒十二年7月）的臺風(fēng)雨；重現(xiàn)期75年發(fā)生在公元1900年6月27日的鋒面雨洪水；1954年7月12日洪水（鋒面雨形成），城區(qū)洪峰2780m3/s（小于水庫建庫以來最大4場洪水的城區(qū)洪峰）。這個(gè)報(bào)告的價(jià)值在于告訴我們臺風(fēng)雨對東溪水庫流域的影響雖然很小，但是歷史上8月生成的臺風(fēng)還是有可能發(fā)生讓人不得不敬畏的大洪水，甚至是特大洪水，而這恰是我們水庫人認(rèn)知的盲區(qū)。此外，1937至1974最大的洪水就是發(fā)生在7月12日的鋒面雨形成的洪水這一事實(shí)也驗(yàn)證了大洪水最可能發(fā)生的時(shí)間段在炎炎夏天。

二、東溪水庫極端降雨形成因素與時(shí)間關(guān)系的分析

東溪水庫流域大洪水的形成必須是源自連續(xù)的雨強(qiáng)很大的強(qiáng)降雨，而產(chǎn)生暴雨的若干條件其中有兩條主要物理?xiàng)l件必須要滿足:一是充足的源源不斷的水汽；二是要有強(qiáng)盛而持久的氣流上升運(yùn)動。既然東溪水庫流域的水汽來源是海洋，我們對于第一個(gè)條件加以分析，簡化成什么條件最利于作為水汽來源地的海洋蒸發(fā)？什么條件可以傳輸更大的水汽？東溪水庫的水汽來源有南海、東海以及孟加拉灣，就在北回歸線附近的廣大海域。我們知道，溫度越高越有利于蒸發(fā)，而4月至7月海洋的水溫是上升的，8月為海水全年最高溫。此外，蒸發(fā)需要大量能量，太陽的直射使得海洋可以最大限度地獲取太陽的能量，也就是水汽來源地最有利于海水蒸發(fā)，孟加拉灣、南海、東海的洋面將漸次受到太陽的往返二次直射，此時(shí)就是東溪水庫水汽來源最充沛的時(shí)候，夏至日剛好直射北回歸線，是這段時(shí)間的中軸，也是發(fā)生鋒面雨大洪水客觀條件最有利的時(shí)間段。至于第二條件關(guān)于強(qiáng)盛而持久的氣流上升運(yùn)動，研究發(fā)現(xiàn)其實(shí)冷暖氣流交匯就是氣流上升運(yùn)動的重要動力，而冷暖氣流的溫差越大，則越有利于暖濕氣流的快速上升，也越容易形成極端降雨，這實(shí)質(zhì)是強(qiáng)降雨的動力來源。另外，溫度的升高對水汽的傳輸是非常有利的，溫度每升高一度，同等條件下大氣飽和含水量大約增加6%，在假定水汽充足的情況下，月均溫度差距是導(dǎo)致4月至7月鋒面雨3小時(shí)雨強(qiáng)差距的最重要的原因，可以說溫度差距直接導(dǎo)致洪水級別。將東溪水庫月均溫度的“對應(yīng)空氣飽和水汽含量”與“當(dāng)月最大3場洪水的最大3小時(shí)降雨平均數(shù)”的相關(guān)關(guān)系計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)r=0.9927，表明二者之間的關(guān)系為高度相關(guān)，這表明東溪水庫流域大洪水產(chǎn)生的重要因素是暖濕氣流的飽和水汽含量大小，氣溫越高水汽含量越大，使得單位時(shí)間內(nèi)暖濕氣流能夠輸送的水分子更多，致使單位時(shí)間內(nèi)降雨更大，也就是雨強(qiáng)更大，而3小時(shí)雨強(qiáng)越大，則東溪水庫流域越可能發(fā)生大洪水，這也就決定了東溪水庫流域大洪水必定發(fā)生在氣溫更高的每年6月8日以后的夏天。

為何大于30mm/h強(qiáng)降雨開始的第一個(gè)時(shí)段大概率出現(xiàn)在凌晨1時(shí)至7時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí)是一天溫度最低的六個(gè)小時(shí)，冷空氣含水少，所以隨著天氣的降溫反應(yīng)快，而暖濕氣流含水多，水的比熱容大故降溫慢，且水汽液化成水還會釋放熱量，減緩溫度下降，故而冷暖氣流之間的溫差在凌晨1時(shí)至7時(shí)會擴(kuò)大，溫差擴(kuò)大的結(jié)果就是暖濕氣流上升更快，更容易發(fā)生極端降雨。這種極端降雨開始后，至少告訴了我們幾個(gè)信息：一個(gè)是當(dāng)下的水汽飽和度很高。其次，在暖濕氣流快速上行力的作用下，當(dāng)下的大氣層結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，是容易發(fā)生暴雨的。再次，水庫多場降雨數(shù)據(jù)表明這種極端降雨即便減弱，也會以較強(qiáng)的降雨持續(xù)一定的時(shí)長，當(dāng)水汽供應(yīng)不上時(shí)，這種強(qiáng)降雨才會消失。

本來應(yīng)該受副熱帶高壓控制的7月在東南季風(fēng)減弱的情況下被鋒面雨帶覆蓋的時(shí)候，原來小概率發(fā)生的洪水可能變成大概率發(fā)生雨強(qiáng)極強(qiáng)降雨，當(dāng)水汽源源不斷支持時(shí)，洪災(zāi)可能就會大概率出現(xiàn)。而8月是海洋溫度最高的季節(jié)，特別是在8月上旬，在太陽直射的大洋上區(qū)域生成的臺風(fēng)，終將有一年會再次影響到武夷山，生成一場特大洪水。

三、統(tǒng)計(jì)分析的成果應(yīng)用

歷史洪水的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，每年6月8日之后，特別是在氣溫很高的6月底或7月上旬容易發(fā)生大的鋒面降雨類型的大洪水，這種作為東溪水庫流域重點(diǎn)防范的大洪水大概率在凌晨1時(shí)至7時(shí)以強(qiáng)降雨方式開始，此外，7月下旬至8月上旬的臺風(fēng)雨也可能形成大洪水。正確理解鋒面雨形成的大洪水的發(fā)生時(shí)間和雨強(qiáng)特征可以讓我們提前預(yù)判并應(yīng)對。比如，在6月底或7月初鋒面雨帶覆蓋了東溪水庫流域且雷達(dá)回波顯示有強(qiáng)降雨時(shí)，就應(yīng)該以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度來處理已出現(xiàn)的短時(shí)極端降雨。以“19920704”洪水為例，在凌晨4時(shí)至5時(shí)，水庫流域的領(lǐng)陽雨量點(diǎn)1小時(shí)降雨量56mm，東坑雨量點(diǎn)1小時(shí)降雨量42mm,如果正確理解7月初凌晨發(fā)生兩個(gè)雨量點(diǎn)的極端降雨的發(fā)生意味著當(dāng)下產(chǎn)生強(qiáng)降雨的各種天氣條件已經(jīng)得到事實(shí)上的支持，暖濕氣流在豎直方向能夠有快速上升的動力，這種極具危害性的天氣在鋒面雨帶的雷達(dá)回波運(yùn)動中呈現(xiàn)類似直線傳輸時(shí)，意味著強(qiáng)降雨將得到水平方向上源源不斷的水汽支持，強(qiáng)降雨必將持續(xù)，在已發(fā)生的多場強(qiáng)降雨均觀察到此直線傳輸現(xiàn)象，此時(shí)若立即采取騰庫措施，就可以爭取到數(shù)個(gè)小時(shí)的時(shí)間，可以讓城區(qū)的損失減少很多，而不是等待造峰雨量形成發(fā)出洪水預(yù)報(bào)時(shí)才作出響應(yīng)。將兩個(gè)以上雨量站點(diǎn)發(fā)生30mm/h強(qiáng)降雨的情形作為立即上報(bào)的強(qiáng)制制度，并充分理解高溫時(shí)間鋒面雨的危害性，就能及時(shí)采取對應(yīng)措施。