三岔河上游一次暴雨洪水過(guò)程分析

醋院科 周皞 王加敏 何東坡

摘?要：本文利用流域自建雨量站與氣象局國(guó)家站、區(qū)域站雨量資料，結(jié)合平寨水庫(kù)壩上水位、流量數(shù)據(jù)，分析了2020年7月7日至7月9日三岔河上游洪水過(guò)程的雨情、水情特點(diǎn)，以及氣象成因，研究結(jié)果表明：本次降雨過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣、強(qiáng)度大，降雨形成徑流時(shí)間短，入庫(kù)流量陡升陡降，并呈現(xiàn)雙峰型分布，本次洪水過(guò)程主要由上游流域地表徑流產(chǎn)生，高空槽、低空低渦切變線與地面輻合的配合，以及副高外圍云系帶來(lái)充沛的水汽條件、低層系統(tǒng)移動(dòng)緩慢在流域內(nèi)維持時(shí)間較長(zhǎng)是形成本次暴雨洪水過(guò)程的重要原因。

關(guān)鍵詞：暴雨洪水;地表徑流;高空槽;低渦切變;配料法

Analysis?of?a?rainstorm?flood?process?in?the?upper?reaches?of?Sancha?River

Cu?Yuanke1?Zhou?Hao2?Wang?Jiamin2?He?Dongpo3

1.Guizhou?Qianyuan?Power?Co.，Ltd.?GuizhouGuiyang?550002;

2.Guizhou?new?Meteorological?Technology?Co.，Ltd.?GuizhouGuiyang?550002;

3.Guizhou?meteorological?station?GuizhouGuiyang?550002

Abstract：Based?on?the?data?of?Selfbuilt?precipitation?station，National?Meteorology?precipitation?station?and?Regional?Meteorology?precipitation?station，Combine?data?of?water?level?and?rate?of?flow?in?Pingzhai?Reservoir，Analysis?the?characteristics?of?rain?condition，water?regimen?and?meteorological?causes?of?the?flood?in?the?upper?reaches?of?Sancha?River?from?July?7?to?July?9，2020.The?results?show?that?the?rainfall?process?lasts?for?a?long?time，has?a?wide?range?and?high?intensity.The?runoff?time?caused?by?rainfall?is?short，and?the?inflow?discharge?rises?and?falls?sharply，and?presents?a?bimodal?distribution.The?flood?process?is?mainly?generated?by?the?surface?runoff?of?the?upstream?basin.The?main?reasons?for?this?rainstorm?and?flood?process?are?the?coordination?of?the?highaltitude?trough，lowaltitude?vortex?shear?line?and?ground?convergence，the?abundant?water?vapor?condition?brought?by?periphery?of?Subtropical?high，the?slow?movement?of?the?lower?layer?system?in?the?basin?area?and?lasts?for?a?long?time.

Keywords：rainstorm?flood;surface?runoff;highaltitude?trough;vortex?shear;batching?method

1?概述

2020年7月，長(zhǎng)江流域發(fā)生多輪強(qiáng)降雨過(guò)程，造成的多地發(fā)生較重洪澇災(zāi)害。三岔河是烏江的重要支流，其位于貴州省西北側(cè)，自西向東流經(jīng)畢節(jié)市、六盤水市、安順市、貴陽(yáng)市。由于三岔河上游流域海拔高落差大，降雨形成徑流快，且上游除平寨水庫(kù)外無(wú)大型電站的截流，因此，依據(jù)貴州省氣象局區(qū)域站常規(guī)觀測(cè)資料，研究三岔河上游流域洪水特征以及發(fā)生發(fā)展的機(jī)理，對(duì)于整個(gè)三岔河流域的防洪調(diào)峰，生產(chǎn)安排都有非常重要的意義。

在以往的暴雨洪水過(guò)程分析中，由于受掌握資料的局限，氣象部門更側(cè)重于雨情與天氣過(guò)程氣象成因的分析[13]，而水利部門則更側(cè)重于水情與洪水影響的分析[45]，且沒(méi)有充分考慮前期土壤濕度和降雨對(duì)洪水過(guò)程的影響，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展[6]，氣象與水文的緊密合作已成為行業(yè)趨勢(shì)，通過(guò)數(shù)據(jù)共享使得洪水過(guò)程的分析精度得到了更精確全面的進(jìn)步。

本文利用貴州省氣象局66個(gè)區(qū)域站、2個(gè)國(guó)家站氣象站，以及流域19個(gè)自建雨量站以及平寨水庫(kù)壩上水位、入庫(kù)流量，結(jié)合納雍站逐小時(shí)土壤相對(duì)濕度資料，分析了2020年7月7日至9日三岔河上游流域暴雨的時(shí)空分布特征及洪水過(guò)程的流量、水位變化特征，并利用常規(guī)地面、高空氣象資料，采用“配料”法從穩(wěn)定度條件、水汽條件、垂直速度、散度等基本物理量場(chǎng)分析了此次暴雨洪水過(guò)程的氣象成因。

2?流域概況

三岔河上游流域位于22°～23°N，104°～105°E之間，流域面積3400平方千米，約占三岔河流域總面積的三分之一，其地處云貴高原東側(cè)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，地形西高東低，主要河道呈西北東南向分布，大小支流繁多，落差大，常年年降雨量為930mm，且主要集中在7～10月份。流域內(nèi)唯一的中大型水庫(kù)為平寨水庫(kù)，其庫(kù)容為10.89億m3，電站總裝機(jī)140.2兆瓦，最大發(fā)電流量112m3/s，年平均入庫(kù)流量在64.3m3/s左右。

3?雨情分析

2020年7月7日08時(shí)至9日08時(shí)，三岔河上游流域連續(xù)兩日傍晚到夜間自西向東出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣過(guò)程，雨量普遍大雨到暴雨，其中48小時(shí)累積降水暴雨53站，大暴雨8站，流域累計(jì)面雨量81.3mm，單站累計(jì)最大降雨量為231mm（巖腳站）。

本次強(qiáng)降雨過(guò)程可分為兩個(gè)階段：第一階段為7日08時(shí)至8日08時(shí)，大暴雨中心主要位于流域下游地區(qū)，流域24小時(shí)累計(jì)面雨量為44.2mm，最大小時(shí)面雨量達(dá)8.8mm（8日00時(shí)），單站最大小時(shí)雨強(qiáng)為52.0mm（巖腳）。

第二階段為8日08時(shí)至9日08時(shí)，大暴雨中心仍然出現(xiàn)在平寨流域下游地區(qū)，流域累計(jì)面雨量37.1mm，最大小時(shí)面雨量達(dá)10.5mm（8日20時(shí)），本階段降水主要為成峰暴雨階段。9日05時(shí)后，隨著天氣系統(tǒng)的南壓，流域內(nèi)以分散陣雨為主。

4?洪水過(guò)程分析

由于前期降水較少，平寨水庫(kù)水位維持在1324米左右，入庫(kù)流量維持在110m3/s左右，2020年7月7日23時(shí)，受上游降雨影響，平寨水庫(kù)入庫(kù)流量開(kāi)始上漲，起漲水位132466米，相應(yīng)流量108.47m3/s，至8日05時(shí)達(dá)到峰值765.68m3/s，然后逐漸回落，至8日18時(shí)降至348.66m3/s，此時(shí)，第二階段降水所產(chǎn)生的洪峰緊隨而來(lái)，入庫(kù)流量再次急劇上漲，并于8日23時(shí)達(dá)到新峰值1060.34m3/s。

隨著降雨云團(tuán)移出流域，降雨逐漸減弱，入庫(kù)流量也相應(yīng)減小。由于平寨水庫(kù)最大發(fā)電流量為112m3/s，此時(shí)入庫(kù)流量仍然大于出庫(kù)流量，庫(kù)水位繼續(xù)上漲，至7月11日10時(shí)，庫(kù)水位上漲至1330.67米，接近警戒水位，開(kāi)始泄洪，水位逐漸下降。自7月7日23時(shí)開(kāi)始到11日10時(shí)，入庫(kù)水量達(dá)1.45億立方，水位上漲6.01米。

由于兩次降雨過(guò)程時(shí)間間隔短，雨量大，且強(qiáng)降水區(qū)域重疊，結(jié)合流量與土壤相對(duì)濕度變化曲線可以看出，第一段降水主要起填洼、飽和土壤作用，并在流域中下游地區(qū)出現(xiàn)明顯超滲效應(yīng)。第二階段降水過(guò)程，受前一階段降水影響，流域內(nèi)土壤含水量接近飽和，徑流系數(shù)大，入庫(kù)流量現(xiàn)峰后又復(fù)漲，呈現(xiàn)雙峰型分布。

5?氣象成因分析

5.1?形勢(shì)與中尺度環(huán)境場(chǎng)

圖中可見(jiàn)：在500hPa，7日20時(shí)至8日20時(shí)，亞歐中高緯度維持兩槽一脊的形勢(shì)。河套地區(qū)及其后部的冷舌持續(xù)加深，帶動(dòng)冷空氣南下，副高北界588線位于27°N附近，并隨系統(tǒng)南壓，7日20時(shí)（圖5a）高空槽位于四川東南部，呈東北—西南向分布，隨后逐漸東移南壓影響流域上空，槽前正渦度有利于流域上空的垂直上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。8日20時(shí)（圖5b）高空槽南壓至貴州省南部邊緣一線，副高588線從7日20時(shí)在流域上空逐漸緩慢南退至23°N附近，使得高空槽在流域區(qū)域停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致了7—9日的兩次暴雨過(guò)程，副高外圍氣流為流域帶來(lái)了充沛的水汽條件，有利于暴雨的產(chǎn)生。

700hPa上，7日20時(shí)低渦切變位于重慶中部到8日20時(shí)南壓至重慶南部與貴州北部交界處，流域上空受西南氣流影響，風(fēng)速在10～12m/s，且相對(duì)濕度較大。隨著冷空氣快速南下，低渦切變西段不斷南壓接近流域上空，至8日20時(shí)到達(dá)貴州省北部邊緣，流域上空仍然為西南氣流控制，流域區(qū)域相對(duì)濕度較大，水汽條件較好。

在850hPa，7日20時(shí)，湖南北部有低渦切變存在，低渦西段切變位于流域上空，并緩慢南壓東移，至8日20時(shí)流域由西南氣流轉(zhuǎn)為偏北氣流控制，低渦切變從流域北部南壓至流域南部，且影響持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致7—9日流域降水偏強(qiáng)。

從地面可見(jiàn)，7日20時(shí)（圖5c）—8日20時(shí)（圖5d）流域區(qū)域一直有地面輻合線長(zhǎng)時(shí)間維持影響，為流域的降水提供了觸發(fā)條件和一定時(shí)間的持續(xù)降水。

7—9日流域兩次暴雨過(guò)程從形勢(shì)場(chǎng)分析中可知，流域區(qū)域從地面到高空，兩天的相對(duì)濕度均很大，高空槽配合低渦切變緩慢南壓，副高的阻擋和外圍水汽輸送，地面輻合線抬升觸發(fā)了這兩次流域降水過(guò)程。

5.2?基于“配料法”的基本物理量場(chǎng)分析

配料法是Doswell?et?al在1996年結(jié)合Chappel和Johns?and?Doswell的工作提出的一種新的用于產(chǎn)生暴洪的暴雨預(yù)報(bào)方法，它強(qiáng)調(diào)抓住暴雨發(fā)生發(fā)展過(guò)程中影響水汽垂直輸送的主要?jiǎng)恿?、熱力條件和環(huán)境場(chǎng)配置[78]。

水汽是暴雨產(chǎn)生不可缺少的條件之一，比濕是記錄大氣水汽狀況的指標(biāo)[2]，本次暴雨過(guò)程從比濕條件看，7日20時(shí)、8日20時(shí)流域上空500hPa比濕達(dá)5～7g/kg，700hPa比濕達(dá)13g/kg，850hPa比濕達(dá)15～17g/kg，均達(dá)到了貴州省暴雨閾值，流域上空水汽條件很好，能夠?yàn)楸敬伪┯赀^(guò)程提供充沛的水汽條件。

假相當(dāng)位溫是包括溫度、氣壓、濕度的綜合物理量，其不僅反映了氣壓對(duì)溫度的影響，也反映了水汽的凝結(jié)和蒸發(fā)對(duì)溫度的影響，其分布反映了大氣中能量的分布，7日20時(shí)和8日20時(shí)流域低層假相當(dāng)位溫值達(dá)80℃～84℃，處于高能高濕的環(huán)境中，并且假相當(dāng)位溫隨高度減小，有明顯的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)存在，此外流域區(qū)域7日20時(shí)K指數(shù)達(dá)44、SI指數(shù)為-1.41、cape值達(dá)1420，各個(gè)指數(shù)都為此次暴雨過(guò)程提供了較好的能量和較好的不穩(wěn)定條件，使暴雨區(qū)對(duì)流活動(dòng)旺盛。

7日20時(shí)到8日20時(shí)流域區(qū)域500hPa（-8hPa/s）和850hPa（-2hPa/s）垂直速度均為負(fù)數(shù)，即從底層到高層均為上升運(yùn)動(dòng)，高層150hPa以輻散為主，尤其是7日20時(shí)，流域區(qū)域有10*10-5輻散中心，大值區(qū)8日20時(shí)移動(dòng)到貴州省西南部。500hPa流域?yàn)檩椛^(qū)，數(shù)值較小為1～5*10-5，850hPa均為輻合區(qū)。低層輻合高層輻散的形式有利于上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，因此從垂直速度和散度的變化能夠得出7—9日流域暴雨具有很好的抬升條件。

通過(guò)對(duì)各個(gè)物理量的分析可知，7—9日的兩次流域降水具有很好的水汽條件、穩(wěn)定度條件、抬升條件，結(jié)合上述形勢(shì)場(chǎng)分析中的高空槽、低渦切變、地面輻合線、副高和系統(tǒng)的持續(xù)影響條件，使得流域內(nèi)產(chǎn)生暴雨過(guò)程。

總結(jié)

通過(guò)對(duì)7月7—9日三岔河流域洪水過(guò)程進(jìn)行分析得到以下結(jié)論：

（1）三岔河流域強(qiáng)降水過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，覆蓋面廣，面雨量達(dá)到大到暴雨，特別是中下游流域，為大暴雨區(qū)域重疊區(qū)，是本次洪水過(guò)程的主要產(chǎn)流區(qū)。

（2）本次暴雨洪水過(guò)程，主要為陽(yáng)長(zhǎng)以下流域地表徑流，匯流時(shí)間短，入庫(kù)流量呈雙峰型分布，且具有明顯陡升陡降特征，兩個(gè)降雨階段間隔時(shí)間短，特別是后一階段，由于受7日降水影響，流域土壤含水量接近飽和，降雨徑流系數(shù)大，而導(dǎo)致洪峰流量巨大，可預(yù)見(jiàn)期短，為水文預(yù)報(bào)帶來(lái)很大的困難。

（3）此次暴雨過(guò)程發(fā)生在“兩槽一脊”的環(huán)流形勢(shì)下，同時(shí)高空槽低渦切變系統(tǒng)活動(dòng)活躍，帶動(dòng)北方冷空氣南下與副高外圍的西南暖濕氣流在流域上空交匯，且地面輻合線長(zhǎng)時(shí)間維持在流域內(nèi)，也是降雨區(qū)沿流域分布，累計(jì)降雨大的重要原因。

（4）副高外圍充足的水汽條件、高能高濕的不穩(wěn)定條件和低層輻合高層輻散的抬升條件都達(dá)到了貴州暴雨閾值，為本次強(qiáng)降水提供可靠依據(jù)，為后續(xù)氣象水文預(yù)報(bào)提供了有力參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅靜，葉金印，邱旭敏，等.淮河上游一次暴雨洪水過(guò)程的氣象成因分析[J].人民長(zhǎng)江，2013，44（2）：3942.

[2]張艷梅，楊宏宇，彭芳，等.貴州中西部?jī)纱螀^(qū)域性暴雨成因?qū)Ρ确治鯷J].貴州氣象，2016，40（1）：711.

[3]李華宏，陳小華，許迎杰，等.云南白水江流域一次暴雨洪水過(guò)程成因分析[J].云南地理環(huán)境研究，2018，30（2）：7277.

[4]廖春華，郭海峰，張永鋒，等.東江水庫(kù)入庫(kù)流量與流域面雨量變化分析[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2017，23（8）：3238.

[5]程曌，章彩霞.安徽歙縣“2020.7.7”暴雨洪水過(guò)程分析[J].中國(guó)防汛抗旱，2021，31（2）：1721.

[6]翟曉燕，郭良，劉榮華，等.前期土壤濕度和降雨對(duì)小流域山洪預(yù)警指標(biāo)的影響評(píng)估[J].地理研究，2019，38（12）：29572965.

[7]吳蓁，俞小鼎，席世平，等.基于配料法的“08.6.3”河南強(qiáng)對(duì)流天氣分析和短時(shí)預(yù)報(bào)[J].氣象，2011，37（1）：4858.

[8]張小玲，陶詩(shī)言，孫建華.基于“配料”的暴雨預(yù)報(bào)[J].大氣科學(xué)，2010，34（4）：754766.

基金項(xiàng)目：華電集團(tuán)2019科技項(xiàng)目（CHDKJ1902105）

作者簡(jiǎn)介：醋院科（1986—?），男，本科，工程師，主要從事水庫(kù)調(diào)度工作。