大汶河流域“2020·8”連續(xù)性暴雨洪水特性分析

(1.泰安市水文中心，山東 泰安 271000；2.山東省水文中心，山東 濟南 250002)

隨著氣候變化和人類活動的雙重影響，近年來大汶河流域極端降雨呈頻發(fā)趨勢，2018年、2019年連續(xù)2年受臺風“溫比亞”“利奇馬”影響普降大暴雨，2020年8月上中旬接連發(fā)生4場大暴雨洪水。本文根據(jù)大汶河流域實測水文數(shù)據(jù)，從多方面對連續(xù)性暴雨洪水過程進行分析，得出暴雨洪水演變規(guī)律，對指導大汶河流域防汛抗洪減災、提高雨洪資源的利用具有重要意義。

1 流域概況

大汶河是黃河下游的重要支流，流域面積8944km2。大汶河中游以上有牟汶河、柴汶河，牟汶河設有萊蕪、北望水文站；柴汶河設有樓德水文站，干流設大汶口水文站，最后經(jīng)戴村壩水文站匯入東平湖。

2 暴雨分析

2020年8月大汶河流域氣候異常，全流域性強降雨頻繁發(fā)生，全月降雨天數(shù)達21天。8月流域平均降雨量為415.2mm，比歷年同期偏多172%。根據(jù)歷史系列資料統(tǒng)計分析，2020年8月大汶河流域平均降雨量排歷史同期第一位，重現(xiàn)期為80年一遇。降雨集中在柴汶河上游，局部地區(qū)降雨量超過600mm，月最大點雨量為新泰市南高村雨量站636.5mm，達到該站極大值。大汶河流域8月平均日雨量見圖1。

2.1 連續(xù)降雨天氣成因

a.8月影響我國雨帶位置的副熱帶高壓偏強、偏西，副熱帶高壓控制了我國南方的大部分地區(qū)，而山東省處于副熱帶高壓邊緣；副熱帶高壓與臺風也相互影響，強大穩(wěn)定的西太平洋副熱帶高壓和臺風配合，有利于強降雨區(qū)維持。2020年8月，副熱帶高壓在山東省與江蘇省交界處一帶擺動，4號臺風“黑格比”于4日凌晨在浙江省樂清市沿海登陸，向西北偏北方向移動，6號臺風“米克拉”于8月11日早上登陸，臺風的移動路徑也有利于副熱帶高壓偏北偏西，使副熱帶高壓外圍充沛的水汽源源不斷輸入山東。

圖1 大汶河流域8月平均日雨量

b.中緯度的西風帶環(huán)流小波動頻繁，多西風槽活動，攜帶弱冷空氣東移，與副高邊緣的西南暖濕氣流交匯，形成強降雨；強冷空氣活動頻繁，高緯度不斷有冷渦生成，冷渦勢力比較強盛，不斷有冷空氣下來與副熱帶高壓邊緣的西南暖濕氣流相遇，形成對流性降水，并伴有短時強降水；強降雨期間，中低層切變線天氣系統(tǒng)穩(wěn)定少動，并伴有西南渦生成，西南渦向東北方向移動，雨區(qū)處于低渦的中心區(qū)和移向的右前方，山東省處于西南渦的第一象限內(nèi)，易產(chǎn)生強降雨，且低空西南急流持續(xù)加強，天氣系統(tǒng)共同發(fā)展加劇了降雨強度。

2.2 雨量分析

2020年8月上中旬大汶河流域發(fā)生4場明顯的強降雨過程，采用流域內(nèi)89個報汛雨量站的資料計算分析降雨情況。

a.第一場降雨發(fā)生在8月1—2日，大汶河流域自西向東普降大暴雨，平均降雨量為116.8mm，全流域雨量超過100.0mm的籠罩面積為5724km2，占全流域的64%；雨量超過200.0mm的降雨籠罩面積為269km2，占全流域的3%。

b.第二場降雨發(fā)生在8月6—7日，大汶河流域普降暴雨，局部地區(qū)大暴雨，平均降雨量為89.7mm，全流域雨量超過100.0mm的籠罩面積為2683km2，占流域面積的30%。

c.第三場降雨發(fā)生在8月13日，大汶河流域普降暴雨，局部地區(qū)大暴雨，平均降雨量為132.8mm，降雨量超過100.0mm的籠罩面積為5814km2，占全流域的65%；降雨量超過200.0mm的籠罩面積為1789km2，占全流域的20%。大汶河主要水文站累計雨量過程線見圖2。

圖2 大汶河主要水文站“8·14”洪水的累計雨量過程線

d.第四場降雨發(fā)生在8月20日，流域普降中到大雨，局部暴雨，平均降雨量為34.7mm，降雨量超過50.0mm的籠罩面積為2504km2，占全流域的28%。

2.3 2h雨強分析

大汶口水文站是大汶河干流的主控制站，流域面積5696km2，選取14處雨量站，按算術平均法計算各場次平均雨量，分析2h雨強，見表1。

表1 大汶口水文站以上流域降雨要素

由表1可知，四場降雨中第一場和第三場的降雨強度都比較大，變化范圍在34～38mm/2h，第二場和第四場的降雨強度較小，變化范圍在20～24mm/2h。

3 前期影響雨量

前期影響雨量是影響降雨形成徑流的一個重要因素。如果流域內(nèi)前后兩天無雨，前期影響雨量Pa[1]為

Pa,t+1=KPa,t

(1)

如果第t日內(nèi)有降雨Pt，但未產(chǎn)流，則

Pa,t+1=K(Pa,t+Pt)

(2)

如果第t日內(nèi)有降雨Pt，并產(chǎn)生徑流Rt，則

Pa,t+1=K(Pa,t+Pt-Rt)

(3)

式中：Pa,t、Pa,t+1為t日和t+1日前期影響雨量,mm；Pt為t日的流域平均降雨量,mm；Rt為Pt這一天形成的徑流量,mm。

大汶口站土壤含水率的消退系數(shù)取經(jīng)驗值K=0.90，從汛前干旱少雨時期開始逐日推算，可得獨立4場洪水的前期影響雨量：第一場為30.8mm，第二場為73.3mm，第三場為56.2mm，第四場為64.5mm。

4 洪水分析

受持續(xù)強降雨影響，8月大汶河干支流全線發(fā)生洪水，多座大中型水庫達到汛限水位開閘泄洪，作為接納大汶河來水的東平湖，水位持續(xù)上漲，8月17日14時，東平湖水位42.34m，超過警戒水位0.62m，東平湖防汛形勢異常嚴峻。

4.1 洪水過程

大汶口水文站是大汶河干流的主控制站，本次河道洪水分析以大汶口水文站監(jiān)測斷面實測流量過程進行。根據(jù)監(jiān)測資料，將洪水劃分成首尾相接的4場洪水。大汶口水文站各場次洪水特征值統(tǒng)計見表2，洪水過程線和平均日雨量過程線見圖3。

圖3 大汶口水文站8月逐日流量過程線

表2 2020年8月大汶口水文站各場次洪水特征值統(tǒng)計情況

由表2、圖5可知，第一場洪水于8月2日8時開始起漲，洪峰流量為975m3/s，最大1h漲幅為170m3/s；第二場洪水于8月6日19時開始起漲，洪峰流量為915m3/s，最大1h漲幅為215m3/s；第三場洪水于8月13日17時開始起漲，洪峰流量為1560m3/s，最大1h漲幅為280m3/s，受上游攔河閘放水影響，15日8時出現(xiàn)復峰1170m3/s；第四場洪水于8月20日8時開始起漲，洪峰流量為782m3/s，最大1h漲幅為98m3/s。

4.2 徑流系數(shù)

通過計算流域平均面雨量和次洪徑流深，可得4場獨立洪水的徑流系數(shù)分別為0.18、0.41、0.50、0.71，4場洪水的徑流系數(shù)呈現(xiàn)遞增的趨勢。第一場洪水由于前期降水偏少，土壤缺墑嚴重，河流基流小，降雨損失大，產(chǎn)流小，導致徑流系數(shù)小。隨后3場洪水，前期土壤逐漸飽和，河道蓄水充足，產(chǎn)流大，徑流系數(shù)隨之增大。

4.3 典型洪水對比分析

在4場獨立的洪水中，洪峰流量排前的是8月2日和8月14日的兩場洪水，其洪水過程線和平均雨量過程線分別見圖4和圖5。根據(jù)洪水特征值統(tǒng)計情況(見表2)對比分析兩場洪水可知，雖然“8·2”洪水的平均雨量大于“8·14”洪水，但“8·2”洪水的降雨強度、前期影響雨量、洪峰流量、次洪洪量和徑流系數(shù)均小于“8·14”洪水，原因是“8·2”洪水為汛期第一場洪水，前期影響雨量小，河道基流小，甚至部分河段斷流，雨量雖大，受下滲、截留、水利工程攔蓄等影響，暴雨產(chǎn)生洪峰并不大。通過對兩場洪水進行對比分析可知，降雨強度和前期影響雨量是這兩場洪水的主要影響因素。

圖4 2020年大汶河“8·2”洪水和平均雨量過程線

4.4 與歷史典型洪水對比分析

為攔蓄雨洪資源，地方政府自2000年以后在大汶河干支流層層建設攔河閘壩，流域下墊面變化較大。為了便于比較，選取近20年的洪水過程進行對比分析。從洪水過程次數(shù)、最大流量、最大洪量等方面對“2020·8”洪水過程進行綜合分析，并與2000年、2004年兩個典型洪水進行對比分析。

a.洪水過程次數(shù)對比。2020年8月2—20日短短18天內(nèi)，大汶河出現(xiàn)了4次洪水過程，高于2004年7月出現(xiàn)2次連續(xù)洪水過程和2000年的1次洪水過程。

b.洪水流量對比。2020年8月大汶口水文站最大洪峰流量1560m3/s，高于2000年的洪峰流量948m3/s，低于2004年的洪峰流量1660m3/s。

c.最大7d洪量對比。2020年最大洪量為3.14億m3，2000年洪量為1.44億m3，2004年洪量為3.00億m3，2020年洪量高于2000年、2004年洪量。

綜上所述，2020年8月洪水過程次數(shù)、洪量均大于2000年、2004年，洪峰流量大于2000年洪水。

5 結 語

本文根據(jù)實測水文資料，對大汶河流域連續(xù)性降雨及洪水多要素進行了細致分析，對比了4場洪水產(chǎn)流的差異，并與歷史洪水進行了對比分析。通過計算分析，2020年8月大汶河流域降雨具有雨量大、降雨過程頻繁[2]、降雨持續(xù)時間長、覆蓋范圍廣的特點，4場洪水的徑流系數(shù)依次增大，前期影響雨量和降雨強度是影響兩場洪水的主要影響因素；明晰了暴雨洪水時空演變規(guī)律，對指導防汛抗洪減災、提高雨洪資源的利用均有重要意義。

在氣候變暖的背景下，局地降水特征發(fā)生顯著變化，大汶河流域自2018年至2020年連續(xù)3年出現(xiàn)極端降雨。此次連續(xù)性降雨雨區(qū)高度重疊，土壤、山體已接近飽和狀態(tài)，部分水庫塘壩已經(jīng)接近警戒水位，極易造成洪澇、山體滑坡、泥石流等次生災害。因此，為做好大汶河流域的防汛減災工作，確保群眾生命財產(chǎn)的安全，提出以下建議：氣象部門要密切監(jiān)視天氣，做好極端氣象災害預報預警工作；水文部門做好暴雨洪水監(jiān)測預警預報工作；各級應急部門、自然資源部門和水利部門要充分運用現(xiàn)代高新技術，建立健全防災減災體系，加強會商研判，及時準確預報預警。在搞好大中型水庫防汛減災工作的同時，又要加強對河道、小型水庫及塘壩的管理，堅決杜絕在河道內(nèi)亂挖沙、亂圍墾等違法活動，確保河道行洪暢通；在做好防洪搶險減災的同時，科學調度，加大攔蓄，不斷提高洪水資源的利用率。