徐天奕
(太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心,上海 200434)
太湖是我國五大淡水湖之一,位于太湖流域中上部區(qū)域,水面面積2338 km2,是太湖流域主要的水源地,也是流域洪水最大的調(diào)蓄水體,在太湖流域防洪治澇體系中具有不可替代的重要作用,治理和保護(hù)太湖是流域防洪治澇重要任務(wù)[1-3].如何合理確定太湖設(shè)計(jì)洪水位對于太湖大堤安全及太湖流域防洪十分關(guān)鍵.由于太湖流域人類活動影響顯著[4-5],太湖水位資料不能滿足一致性,無法采用水位頻率計(jì)算方法推求太湖設(shè)計(jì)洪水位,只能采用由流域設(shè)計(jì)暴雨推求太湖洪水位的間接途徑.因此,科學(xué)合理地推求太湖流域設(shè)計(jì)暴雨,對于太湖設(shè)計(jì)洪水位確定非常重要.
太湖流域設(shè)計(jì)暴雨是否等價(jià)于太湖設(shè)計(jì)暴雨是一個值得討論的議題.在《太湖流域防洪規(guī)劃》中,100年一遇設(shè)計(jì)暴雨是針對整個太湖流域,考慮到包括太湖在內(nèi)的七大水利分區(qū)的流域整體洪水水情[6],由此推求的太湖水位的設(shè)計(jì)頻率不夠明確.近年來,隨著頻頻出現(xiàn)的太湖高水位,一些專家學(xué)者對太湖大堤是否能抵御太湖100年一遇洪水位提出疑問,這對太湖流域防汛工作帶來較大壓力,也為流域防洪規(guī)劃、建設(shè)與管理工作造成不少困惑.
太湖流域是我國水情特別復(fù)雜的平原河網(wǎng)地區(qū),由于流域七大分區(qū)水系互通,水流順逆不定,又受水利工程布局和調(diào)度影響,太湖入湖和出湖徑流路徑很復(fù)雜,太湖上游浙西山區(qū)洪水可從東苕溪分流進(jìn)入下游杭嘉湖平原,上游湖西區(qū)則有部分區(qū)域徑流直接流入下游武澄錫虞區(qū),當(dāng)武澄錫虞區(qū)和陽澄淀泖區(qū)水位較高時(shí),區(qū)內(nèi)洪水也可以排入太湖.因此,太湖上下游區(qū)域暴雨對太湖水位影響程度不像一般流域那樣明確,必須根據(jù)暴雨時(shí)空分布狀況模擬分析.目前太湖流域各類規(guī)劃中主要以《太湖流域防洪規(guī)劃》中提出的南部區(qū)域雨量與流域同頻率的1999年型設(shè)計(jì)暴雨,以及北部區(qū)域雨量與流域同頻率的1991年型設(shè)計(jì)暴雨為主[7-8].新的下墊面條件下所采用的設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分布對于太湖洪水位計(jì)算是否合理需要深入研究.
自太湖流域第一輪治理工程實(shí)施后,隨著太湖流域經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展,流域的土地利用、水利工程建設(shè)和水利調(diào)度模式有了很大的變化[9-11],對太湖流域產(chǎn)匯流特性產(chǎn)生顯著影響,流域暴雨洪水位響應(yīng)時(shí)間縮短,水位上漲速率加快[12-15].近期有專家認(rèn)為造成太湖流域高水位的暴雨響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)低于30天.因此,上一輪流域防洪規(guī)劃中設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算中采用的30、60、90日設(shè)計(jì)暴雨控制時(shí)段是否合適需要加以論證.
根據(jù)太湖流域歷史暴雨資料分析,自1949-2010年,造成太湖流域特大洪澇的歷史暴雨有1954、1991、1999年暴雨,這些年份的暴雨時(shí)空分布有著明顯差異,但均造成太湖持續(xù)高水位[16-17].近年來,隨著全球氣候變化和太湖流域快速城市化的影響,太湖暴雨洪水特性產(chǎn)生一定的變異[18-20],尤其是近期2016、2020年的暴雨,其時(shí)程分配與1954、1991、1999年暴雨存在明顯差異,同樣造成太湖高水位,受到了廣泛的關(guān)注[21-22].但在2015年前,特大暴雨雨型樣本較少,有關(guān)太湖流域設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)間分布研究受到制約,采用實(shí)測暴雨洪水資料的研究更少,且研究針對的對象多為河網(wǎng)區(qū)域,設(shè)計(jì)暴雨時(shí)間分布對太湖水體洪水位影響研究鮮有報(bào)道,與降雨空間分布相比影響程度是否更為顯著,尚未做過系統(tǒng)分析.太湖流域與傳統(tǒng)的山區(qū)閉合流域雨洪特點(diǎn)有很大差別,在其他地區(qū)研究規(guī)律未必適合太湖流域,因此,應(yīng)該深入研究太湖流域暴雨的時(shí)程分配和空間分布對太湖洪水位的影響.
本研究針對設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算中存在的問題,綜合考慮太湖流域暴雨特性,選擇合適的典型暴雨過程,系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)暴雨控制時(shí)段、中心位置、時(shí)程分配特點(diǎn),擬定設(shè)計(jì)暴雨各種時(shí)空分布場景,在太湖流域現(xiàn)狀土地利用、水系分布、水利工程布局及調(diào)度模式基礎(chǔ)上,通過水文水動力模型模擬各種設(shè)計(jì)暴雨場景下的太湖洪水位,分析設(shè)計(jì)暴雨的控制時(shí)段、時(shí)程分配和中心分布對太湖洪水位影響,以期為太湖流域治理和規(guī)劃工作中推求設(shè)計(jì)暴雨提供合理依據(jù).
1.1.1 不同控制時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨推求 對太湖流域長時(shí)期的暴雨洪澇災(zāi)情分析,太湖流域特大洪澇災(zāi)情大部分出現(xiàn)在每年5-7月的梅雨期,其特點(diǎn)是降雨范圍廣、降水量大、雨期持續(xù)時(shí)間長,極易造成太湖持久的高水位[23-25].長期研究表明,造成太湖較高洪水位的梅雨型暴雨,其主雨峰時(shí)間一般在30日左右,很少超過60日,30~60日的雨量對太湖洪水位的影響尤為顯著.因此,《太湖流域防洪規(guī)劃》設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算中采用的控制時(shí)段為30、60、90日.
針對近年來太湖流域暴雨洪水響應(yīng)時(shí)間縮短的趨勢,為了分析設(shè)計(jì)暴雨最合適的控制時(shí)段,科學(xué)合理地制定太湖流域設(shè)計(jì)暴雨,更為準(zhǔn)確地推求太湖設(shè)計(jì)洪水位,明確太湖大堤防洪安全標(biāo)準(zhǔn),針對流域暴雨時(shí)程分配特點(diǎn)和太湖的調(diào)蓄能力,選取7、15、30、60、90日作為備選的控制時(shí)段,組成各類不同組合控制時(shí)段的設(shè)計(jì)暴雨場景,以論證在現(xiàn)狀條件下不同控制時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨對太湖洪水位的影響.
根據(jù)太湖流域防洪規(guī)劃需求,設(shè)計(jì)暴雨頻率統(tǒng)一取100年一遇.7、15、30、60、90日控制時(shí)段對應(yīng)的設(shè)計(jì)雨量分別為313.4、424.8、560.6、786.3、975.1 mm(采用太湖流域防洪規(guī)劃報(bào)告中的數(shù)據(jù)).
根據(jù)流域設(shè)計(jì)暴雨和典型暴雨的時(shí)段統(tǒng)計(jì)值,可由公式(1)推求對應(yīng)于各場景的設(shè)計(jì)暴雨過程.
(1)
式中,Pp,j為流域第j日設(shè)計(jì)雨量(mm),PD,j為流域第j日典型雨量(mm),kti-ti-1為降雨控制時(shí)段ti-1至ti之間各日雨量縮放系數(shù),XD,t為流域t時(shí)段典型雨量(mm),Xp,t為流域t時(shí)段設(shè)計(jì)雨量(mm).
1.1.2 不同暴雨中心設(shè)計(jì)暴雨推求 根據(jù)太湖流域下墊面特點(diǎn),水利工程布局,水系的相對閉合性,產(chǎn)匯流特性及暴雨空間分布規(guī)律和尺度,地區(qū)傳統(tǒng)分區(qū)習(xí)慣等因素,太湖流域被分為浙西區(qū)、湖西區(qū)、太湖區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)、杭嘉湖區(qū)、浦東浦西區(qū)七大水利分區(qū)[26],見圖1.其中浙西區(qū)、湖西區(qū)、太湖區(qū)汛期暴雨徑流基本匯入太湖,稱之為太湖上游區(qū)域;太湖洪水經(jīng)武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)、杭嘉湖區(qū)、浦東浦西區(qū)排入長江及杭州灣,這4個區(qū)合稱之為下游區(qū)域.全流域面積為36895 km2,其中上游區(qū)面積為16672 km2,下游區(qū)面積為20223 km2.
圖1 太湖流域水利分區(qū)示意圖
根據(jù)太湖流域防洪規(guī)劃設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算成果,流域上游和下游區(qū)域100年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)段雨量見表1.
表1 太湖上游和下游區(qū)域100年一遇設(shè)計(jì)雨量
由于地形地貌和地理位置的降水效應(yīng),各水利分區(qū)的降雨特性存在差別,在流域(或區(qū)域)設(shè)計(jì)雨量已經(jīng)確定的前提下,各分區(qū)逐日相應(yīng)設(shè)計(jì)雨量可以按各時(shí)段多年平均雨量為權(quán)重加以分配,按公式(2)將流域(或區(qū)域)設(shè)計(jì)雨量分配到各水利分區(qū).
(2)
與流域暴雨同頻率區(qū)域控制時(shí)段設(shè)計(jì)雨量采用太湖流域防洪規(guī)劃設(shè)計(jì)成果,流域其它區(qū)域相應(yīng)雨量采用公式(3)計(jì)算.
(3)
式中,Xp,t為流域時(shí)段t設(shè)計(jì)雨量(mm),XA,t為與流域暴雨同頻率區(qū)域時(shí)段t設(shè)計(jì)雨量(mm),XB,t為流域其它區(qū)域時(shí)段t相應(yīng)雨量(mm),F為流域面積(km2),FA為同頻率區(qū)域面積(km2),FB為相應(yīng)區(qū)域面積(km2).
已知各時(shí)段設(shè)計(jì)雨量,與流域設(shè)計(jì)暴雨同頻率區(qū)域或非同頻率相應(yīng)區(qū)域逐日雨量均可采用公式(4)計(jì)算.
(4)
式中,Pj為與流域暴雨同頻率區(qū)域(或相應(yīng)區(qū)域)第j日設(shè)計(jì)雨量(mm),PD,j為與流域暴雨同頻率區(qū)域(或相應(yīng)區(qū)域)第j日典型雨量(mm),kti-ti-1為同頻率區(qū)域(或相應(yīng)區(qū)域)控制時(shí)段ti-1至ti之間日雨量縮放系數(shù),Xt為同頻率區(qū)域(或相應(yīng)區(qū)域)t時(shí)段設(shè)計(jì)雨量(mm),XD,t為同頻率區(qū)域(或相應(yīng)區(qū)域)t時(shí)段典型雨量(mm).
據(jù)此,可以擬定暴雨中心所在的區(qū)域與流域設(shè)計(jì)雨量同頻率,其它區(qū)域雨量相應(yīng),組成相應(yīng)的設(shè)計(jì)暴雨空間分布場景進(jìn)行相關(guān)分析.
1.1.3 不同時(shí)程分配設(shè)計(jì)暴雨推求 根據(jù)太湖流域水文氣象資料,造成太湖特高水位的暴雨均由梅雨所形成.自1950年以來,太湖最高水位的前5名按時(shí)間順序分別為1954、1991、1999、2016、2020年,各年份最大30、60、90日雨量及太湖最高水位統(tǒng)計(jì)見表2.這些年份暴雨的時(shí)段雨量與時(shí)程分配不盡相同,可以作為分析不同時(shí)程分配的暴雨典型,據(jù)此推求出不同時(shí)程分配的設(shè)計(jì)暴雨場景,作為分析設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配對太湖洪水位影響的基礎(chǔ).由典型暴雨推求設(shè)計(jì)暴雨按公式(1)采用同頻率放大法.
表2 典型年時(shí)段雨量及太湖最高水位
流域產(chǎn)流及河網(wǎng)匯流計(jì)算采用太湖流域水文水動力數(shù)學(xué)模型,該模型由河海大學(xué)和太湖流域管理局共同研制,1990年代迄今一直應(yīng)用于太湖流域水利規(guī)劃、設(shè)計(jì)與管理工作[27-29].近年來經(jīng)過改進(jìn)和完善,根據(jù)最新的下墊面、河道湖泊、水利工程資料進(jìn)行細(xì)化,采用了流域歷史及近期的多年降雨和相應(yīng)水位資料進(jìn)行率定,能夠可靠地模擬流域產(chǎn)匯流和河網(wǎng)匯流規(guī)律,根據(jù)流域降水準(zhǔn)確地推求太湖洪水位過程.
根據(jù)太湖流域現(xiàn)狀土地利用、水系分布、水利工程布局及調(diào)度方式,采用太湖流域數(shù)學(xué)模型,由設(shè)計(jì)暴雨場景可推求得太湖洪水位過程.
水動力模塊主要通過求解描述河道水流運(yùn)動的圣維南方程組,得到全流域平原區(qū)河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水位、河道斷面流量等結(jié)果.水動力模塊的計(jì)算步長為300 s.
1.2.2 參數(shù)分析與率定 模型選取了2016年和2020年梅雨期作為典型洪水時(shí)段進(jìn)行模型參數(shù)率定.結(jié)果表明,太湖水位過程與實(shí)測值擬合較好,太湖計(jì)算最高水位與實(shí)測水位誤差在1 cm.太湖水位率定結(jié)果見圖2.
圖2 太湖水位率定結(jié)果
1999年汛期暴雨是太湖流域有雨量記錄以來最大雨量,出現(xiàn)在梅雨期,造成太湖歷史最高水位4.97 m,引發(fā)特大洪澇災(zāi)害.1999年暴雨中心主要位于流域南部區(qū)域,太湖區(qū)、杭嘉湖區(qū)、浙西區(qū)和浦東浦西區(qū)最大90日降水量均超過1000 mm,而流域北部湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)降水量相對較小.經(jīng)考證,1999年流域最大30日和最大90日雨量重現(xiàn)期在200年左右,是太湖流域規(guī)劃、建設(shè)和管理工作特別重視的暴雨洪水[30-32],也是太湖流域防洪規(guī)劃設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算中采用的主要暴雨典型.因此,采用1999年最大90日雨量作為典型暴雨過程,根據(jù)控制時(shí)段100年一遇雨量設(shè)計(jì)值推求流域設(shè)計(jì)暴雨.
場景1-1:按照太湖流域防洪規(guī)劃,設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算的控制時(shí)段為30、60、90日,采用同頻率縮放方法由典型暴雨推求設(shè)計(jì)暴雨.
場景1-2:考慮暴雨洪水響應(yīng)時(shí)間的縮短,設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算的控制時(shí)段為15、30、60日,采用同頻率縮放方法由典型暴雨推求設(shè)計(jì)暴雨.
場景1-3:考慮更短歷時(shí)暴雨對太湖洪水位的可能影響,設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算的控制時(shí)段為7、15、30、60日,采用同頻率縮放方法由典型暴雨推求設(shè)計(jì)暴雨.
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各場景計(jì)算的太湖最高水位及相應(yīng)出現(xiàn)時(shí)間見表3.
表3 設(shè)計(jì)暴雨控制時(shí)段對太湖洪水位的影響
根據(jù)3個場景不同控制時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨場景對太湖洪水位模擬結(jié)果可以看出,太湖最高洪水位差別小于0.5 cm,峰現(xiàn)時(shí)間基本一致,說明太湖調(diào)蓄能力較強(qiáng),30日以內(nèi)短歷時(shí)雨量分配對太湖最高洪水位及峰現(xiàn)時(shí)間影響并不明顯.因此,在現(xiàn)階段推求太湖本體的設(shè)計(jì)洪水位,采用30、60、90日作為設(shè)計(jì)暴雨的控制時(shí)段仍然是合適的.
按1999典型暴雨過程,以30、60、90日作為控制時(shí)段得出的流域設(shè)計(jì)暴雨過程及模擬的相應(yīng)太湖水位過程見圖3和圖4.
圖3 以30、60、90日為控制時(shí)段的太湖流域設(shè)計(jì)暴雨過程
圖4 對應(yīng)于30、60、90日為控制時(shí)段的設(shè)計(jì)暴雨的太湖水位過程
對于太湖流域河網(wǎng)或水利分區(qū)河道,由于調(diào)蓄能力遠(yuǎn)低于太湖,河道洪水位的敏感暴雨時(shí)段可能會更短,但如果兼顧到流域河網(wǎng)或分區(qū),增加30日以下的控制時(shí)段推求設(shè)計(jì)暴雨也是合理的,且對太湖最高水位推求結(jié)果沒有影響,這需要另外列題作進(jìn)一步研究.
基于圖3以30、60、90日為控制時(shí)段的太湖流域設(shè)計(jì)暴雨過程,擬定了3種不同暴雨中心分布的設(shè)計(jì)暴雨場景,用以分析中心位于不同區(qū)域設(shè)計(jì)暴雨的空間分布對太湖洪水位的影響:
場景2-1:各水利分區(qū)設(shè)計(jì)雨量按多年平均雨量為權(quán)重分配.
場景2-2:太湖上游區(qū)域雨量與流域設(shè)計(jì)雨量同頻率,下游區(qū)域取相應(yīng)雨量,上游區(qū)域或下游區(qū)域內(nèi)各水利分區(qū)按多年平均雨量為權(quán)重分配雨量.
場景2-3:太湖下游區(qū)域雨量與流域設(shè)計(jì)雨量同頻率,上游區(qū)域取相應(yīng)雨量,上游區(qū)域或下游區(qū)域內(nèi)各水利分區(qū)按多年平均雨量為權(quán)重分配雨量.
表4列出了對應(yīng)于以上3個考慮空間分布設(shè)計(jì)暴雨場景的流域水利分區(qū)最大90日設(shè)計(jì)雨量.
表4 設(shè)計(jì)條件下水利分區(qū)90日雨量統(tǒng)計(jì)
從表4可以看出,場景2-1考慮了流域各分區(qū)多年降雨均值,使得流域上游區(qū)域雨量相對于下游區(qū)域比重增加.上游區(qū)域雨量與流域設(shè)計(jì)雨量同頻率的場景2-2在上游3個區(qū)的設(shè)計(jì)雨量均高于其它場景.下游區(qū)域雨量與流域設(shè)計(jì)雨量同頻率的場景2-3在下游3個區(qū)的設(shè)計(jì)雨量均高于其它場景.
針對3個暴雨空間分布場景的設(shè)計(jì)暴雨過程,采用太湖流域水文水動力模型推求太湖洪水位過程,太湖最高水位結(jié)果見表5.
表5 不同設(shè)計(jì)暴雨空間分布對太湖洪水位影響
根據(jù)表5所列3個場景對太湖最高洪水位模擬結(jié)果,設(shè)計(jì)暴雨中心位于流域上游區(qū)域的場景2-2模擬出的太湖洪水位最高,與暴雨中心位于下游的場景2-3相比,高出4.1 cm,說明太湖上游區(qū)域降水對太湖洪水位影響更為明顯.按各水利分區(qū)以多年平均雨量為權(quán)重分配的場景2-1模擬的太湖最高洪水位較場景2-2低2.5 cm,但較場景2-3高1.6 cm.
太湖洪水位對上游區(qū)域暴雨更為敏感主要是上游山丘區(qū)坡陡流急,匯水速度快,調(diào)蓄能力較小,加之太湖湖面的直接降雨徑流,造成太湖水位迅速上漲.下游平原河網(wǎng)洪水對太湖水位頂托作用較上游區(qū)域直接匯入的作用相對較小,也使得下游區(qū)域暴雨徑流對太湖洪水位影響程度降低.
從太湖設(shè)計(jì)洪水位安全角度考慮,采用暴雨中心位于流域上游區(qū)域的場景2-2比較可靠,如果需兼顧流域其它區(qū)域河網(wǎng)設(shè)計(jì)洪水位,可以采用各水利分區(qū)按多年平均雨量為權(quán)重分配的場景2-1.如果關(guān)心太湖下游平原河網(wǎng)區(qū)洪水位,可以采用設(shè)計(jì)暴雨中心位于流域下游區(qū)域的場景2-3.
太湖最高洪水位模擬值出現(xiàn)在7月4日,即設(shè)計(jì)暴雨過程的第27日,基本在最大30日雨量核心暴雨結(jié)束后1日就達(dá)到峰值,說明流域現(xiàn)狀產(chǎn)匯流反應(yīng)速度很快.每一場景的對應(yīng)的太湖洪水位峰現(xiàn)時(shí)間相同,說明對于同一時(shí)空分布的暴雨典型,設(shè)計(jì)暴雨的空間分布對太湖最高洪水位的發(fā)生時(shí)間沒有明顯影響.
1950年迄今造成太湖最高水位的典型暴雨中,1954年最大90日雨量較大,降雨時(shí)程分配比較均勻,但30日雨量重現(xiàn)期僅5~6年,不太符合現(xiàn)狀條件流域防洪雨型;1991年汛期主雨區(qū)在湖西區(qū)和武澄錫虞區(qū),30日最大雨量由兩段梅雨的降雨組成,兩段主雨期之間約有10日未降雨,雨型不常見,使得以此為典型設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算出的太湖設(shè)計(jì)洪水位偏低.1954年和1991年作為流域暴雨典型年均不太合適.
1999年是太湖流域有記錄以來最大的梅雨,暴雨中心位于流域南部區(qū)域,造成的太湖洪水位處于歷史最高,一直是太湖流域防洪規(guī)劃和一些區(qū)域防洪規(guī)劃中最核心的雨型.
2016年梅雨期的暴雨中心位于太湖上游的湖西區(qū),上游區(qū)降水整體大于下游區(qū).流域最大30日雨量頻率接近20年一遇,60、90日雨量頻率約為30年一遇.最大30日主雨峰雨量集中且位于最大90日雨量過程后部,屬于對太湖流域防洪安全很不利的暴雨時(shí)程分配,見圖5,本次暴雨造成太湖4.87 m的最高洪水位,僅次于1999年太湖最高水位.
圖5 2016年最大90日暴雨過程
2020年梅雨期的降雨中心位于武澄錫虞區(qū)和太湖上游的浙西區(qū),降水在流域上分布相對均衡,最大30、60日雨量均超過2016年.最大30日主雨峰位于最大90日雨量過程中后部,也屬于對太湖流域防洪安全不利的暴雨時(shí)程分配,7月21日太湖最高水位4.79m,屬于太湖流域第三最高水位,與1991年太湖最高水位齊平(圖6).
圖6 2020年最大90日暴雨過程
根據(jù)以上分析,選擇1999、2016和2020年梅雨期最大90日暴雨過程作為典型暴雨,分析降雨時(shí)程分配對太湖洪水位的影響.
場景3-1:采用1999年最大90日典型暴雨過程,設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算的控制時(shí)段為30、60、90日,采用同頻率縮放法由典型暴雨推求流域設(shè)計(jì)暴雨過程,各水利分區(qū)按多年平均雨量為權(quán)重分配雨量.
場景3-2:采用2016年最大90日典型暴雨過程,設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算的控制時(shí)段為30、60、90日,其它推求方法同場景3-1.
場景3-3:采用2020年最大90日典型暴雨過程,設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算的控制時(shí)段為30、60、90日,其它推求方法同場景3-1.
為了更為直觀認(rèn)識不同典型暴雨過程得出的設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配特征,繪制了30、60、90日設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配概化圖,明顯可見場景3-1暴雨雨峰位于設(shè)計(jì)暴雨過程最前期,場景3-2暴雨雨峰位于后期,場景3-3暴雨雨峰位于中后期(圖7).
圖7 設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配概化
針對3個場景的設(shè)計(jì)暴雨過程,采用太湖流域河網(wǎng)水文水動力模型推求太湖洪水位過程見圖8,相應(yīng)的太湖最高水位及出現(xiàn)時(shí)間與時(shí)序見表6.
圖8 不同設(shè)計(jì)暴雨場景太湖洪水位過程對比
表6 設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配對太湖洪水位影響
圖8和表6所列3個場景對太湖最高洪水位模擬結(jié)果表明,設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)程分配對太湖最高洪水位影響明顯.在同等條件下,30日核心暴雨出現(xiàn)時(shí)間越是偏后的設(shè)計(jì)暴雨場景,模擬出的太湖洪水位最高.在3個場景中,雨峰位于設(shè)計(jì)暴雨后期的場景3-2對應(yīng)的太湖最高水位較雨峰位于設(shè)計(jì)暴雨前期場景3-1高出16 cm,也較雨峰位于設(shè)計(jì)暴雨中后期場景3-3高6.5 cm.同樣,場景3-3對應(yīng)的太湖最高水位也比場景3-1高出9.5 cm.與之對比,1999年實(shí)測太湖最高水位為4.97 m,相當(dāng)于本次研究中場景3-2的100年一遇暴雨推求得太湖最高水位,但因?yàn)?999年實(shí)況很多區(qū)域積水成澇,根據(jù)太湖流域管理局有關(guān)部門分析計(jì)算,按流域現(xiàn)狀土地利用和工程條件計(jì)算,太湖最高洪水位遠(yuǎn)高于1999年實(shí)測值.
對應(yīng)于場景3-2太湖最高洪水位出現(xiàn)在7月7日,即設(shè)計(jì)暴雨過程的第83日,場景3-3太湖最高洪水位出現(xiàn)在7月21日,即設(shè)計(jì)暴雨過程的的第69日,基本在設(shè)計(jì)暴雨核心降雨結(jié)束后一天內(nèi)就達(dá)到水位峰值.這說明,由于流域匯流能力的增強(qiáng),無論什么類型的暴雨時(shí)程分配,太湖洪水位響應(yīng)都是比較迅速的.
根據(jù)太湖流域暴雨洪水關(guān)系的有關(guān)研究,時(shí)段為30日左右的雨量對太湖洪水位影響較為明顯[33-34],但主雨峰前期雨量影響初始水位.依據(jù)太湖流域防洪規(guī)劃采用的1999年典型暴雨,最大30日暴雨時(shí)間位于設(shè)計(jì)暴雨過程初始階段(圖7),從對應(yīng)的太湖水位過程(圖8)可見,30日主雨峰后的60日降雨對太湖最高水位沒有貢獻(xiàn),只是影響太湖的退水過程,使得推求出的太湖最高水位相對雨峰偏后的場景偏低.根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(SL44-2006),以及有關(guān)水文專業(yè)文獻(xiàn)對流域設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算的論述[35-36],以1999年作為典型暴雨不太符合設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算關(guān)于雨峰偏后的安全原則.
根據(jù)以上分析,在太湖流域規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理及研究工作中,增加2016年和2020年的暴雨典型,并結(jié)合流域綜合需求作進(jìn)一步研究,對于更為合理推求太湖流域設(shè)計(jì)暴雨,進(jìn)而通過模擬計(jì)算推求太湖設(shè)計(jì)洪水位,保障全流域的防洪安全是非常必要的.
1)根據(jù)不同控制時(shí)段的組合采用同頻率縮放方法推求設(shè)計(jì)暴雨場景,通過太湖流域水文水動力數(shù)學(xué)模型模擬了對太湖洪水位過程的影響,結(jié)果表明7日、15日控制時(shí)段暴雨對太湖最高洪水位及出現(xiàn)時(shí)間基本沒有影響,太湖設(shè)計(jì)暴雨采用30、60、90日作為控制時(shí)段是合適的.如果要綜合考慮區(qū)域河網(wǎng)設(shè)計(jì)水位,增加7、15日控制時(shí)段也是可行的,但需要專題深入研究.
2)對設(shè)計(jì)暴雨中心位于流域不同區(qū)域?qū)μ罡咚坏挠绊懩M結(jié)果表明,在相同暴雨頻率條件下,降水中心位于上游的暴雨過程造成的太湖洪水位明顯高于其它空間分布的設(shè)計(jì)暴雨,在100年一遇設(shè)計(jì)暴雨條件下,最大差值為4.1 cm,說明太湖洪水位對上游區(qū)域的暴雨響應(yīng)較為敏捷.
3)對1999、2016、2020年典型推求的設(shè)計(jì)暴雨分析表明,設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配對太湖洪水位影響非常顯著.在同等條件下,核心雨量位于設(shè)計(jì)暴雨后期則會造成更高的太湖洪水位,在100年一遇設(shè)計(jì)暴雨條件下,不同時(shí)程分配的設(shè)計(jì)暴雨推求出的太湖最高洪水位相差16 cm.因此,建議考慮2016、2020年梅雨期降雨作為太湖設(shè)計(jì)暴雨分析計(jì)算的備選典型,并作進(jìn)一步綜合分析論證.
4)太湖流域防洪規(guī)劃中太湖設(shè)計(jì)洪水位的重現(xiàn)期不明,影響太湖大堤安全,根據(jù)本文設(shè)計(jì)暴雨方法,通過進(jìn)一步分析論證,可以更為合理推求出指定頻率太湖設(shè)計(jì)水位,為相關(guān)防洪工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理提供合理依據(jù).