大伙房水庫流域2020年與1985年暴雨洪水過程對比分析

翟興 遼寧省遼河防洪工程有限責(zé)任公司

受地理條件和氣候因素影響，大伙房水庫流域主汛期暴雨過程集中。近年來，全球氣候變暖，極端性強降雨事件呈上升趨勢。極端性暴雨事件極易在中小河流域引發(fā)山洪等災(zāi)害，已有許多學(xué)者針對致災(zāi)暴雨的極端性、機理成因等方面進行了研究。高珩洲等通過對黔東南局地突發(fā)性暴雨的中尺度天氣分析，得出山地、丘陵的高度變化對突發(fā)性暴雨強度和落區(qū)有重要作用。汪玲瑤等對江南地區(qū)夏季暖區(qū)暴雨的統(tǒng)計分析表明夏季長江以南地區(qū)暖區(qū)暴雨有極端性強、降雨強度大、局地性強等特點。張紅華等發(fā)現(xiàn)高原槽前和西太平洋副熱帶高壓邊緣暖濕不穩(wěn)定氣流是江淮地區(qū)持續(xù)性暴雨主要水汽輸送通道。金愛浩等通過分析南亞高壓與西太平洋副熱帶高壓經(jīng)緯向位置配置對中國東部夏季降水的影響，表明副高異常偏南時江南一帶降雨會顯著偏多。盧小丹等對比分析了兩個不同季節(jié)臺風(fēng)引發(fā)廣西特大暴雨的水汽和螺旋度，結(jié)果顯示強盛的西南季風(fēng)形成了夏季南方暴雨區(qū)的寬廣水汽輸送通道。此外，對同一流域不同時期的暴雨洪水過程進行分析能夠更好的掌握流域的暴雨洪水特征，為流域防汛減災(zāi)提供參考。楊文發(fā)等對長江上游“20·8”與“81·7”暴雨洪水進行了對比分析表明發(fā)生在長江上游大洪水主要由岷沱江、嘉陵江來水與干流底水遭遇形成。劉紅武等通過對2019 年主汛期湖南兩次致災(zāi)暴雨過程對比，分析了兩次暴雨的環(huán)流形勢場和水汽來源等特點?？涤駛b對鐵嶺“1995.07”“2005.08”暴雨洪水對比，分析了暴雨成因和降雨空間分布等特征。唐洪恩等對四川瀘縣九曲河流域“2014.9.12”和“2014.9.18”；兩場暴雨洪水進行對比，對暴雨的空間分布及洪水重現(xiàn)期等特征進行了分析。

1985年汛期，由于副熱帶高壓明顯偏北、偏強，引導(dǎo)臺風(fēng)北上，東北地區(qū)遭遇了歷史罕見的臺風(fēng)“三連擊”。無獨有偶，時隔35年，2020年8月下旬至9月上旬，在短短半個月時間內(nèi)，東北地區(qū)又遭遇了臺風(fēng)“三連擊”，其頻率之高、影響范圍之大為歷史僅有，據(jù)中國氣象臺統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，尚屬首次，受臺風(fēng)影響，東北地區(qū)暴雨連連，洪水頻發(fā)。本文以大伙房水庫流域為研究區(qū)，利用大伙房水庫2020年和1985年整編的降雨、徑流數(shù)據(jù)，通過對2020年汛期和1985年汛期暴雨洪水進行對比，分析這兩年暴雨洪水異常的成因和特征，提高對大伙房水庫流域異常暴雨洪水規(guī)律的認(rèn)識，以更好掌握臺風(fēng)對大伙房流域暴雨洪水的影響，旨在為今后流域暴雨洪水的科學(xué)調(diào)度和防洪減災(zāi)工作，提供一定的參考借鑒。

1.研究區(qū)概況

大伙房水庫流域位于大遼河的支流渾河中上游，坐落在遼寧省撫順市境內(nèi)，流域面積5437k m。大伙房水庫流域?qū)儆跍貛О霛駶櫚敫珊档募撅L(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，降水稀少，夏季炎熱多雨，多年平均降水量794mm，降雨主要集中在7、8月份，此間降雨約占全年降水的48.2%，洪水成因主要是此間的大暴雨。流域內(nèi)山嶺高度400-800m，山地占比80-95%，森林覆蓋率52.7%流域內(nèi)水系發(fā)育，主要有渾河、蘇子河、社河三大支流，年平均徑流量14.9億m3。

大伙房水庫是渾河上的主要控制性水利工程，它是一座以防洪及供水為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大（I）型水庫，按1000年一遇洪水設(shè)計，可能最大洪水校核，庫容22.68億m3，控制流域面積5437平方公里。大伙房水庫上游在各個支流上布置有入庫站，分別是渾河北口前站、蘇子河占貝站和社河南章黨站。大伙房水庫采用汛期分期的調(diào)度方式，汛期為每年的6月1日至9月20日，其中主汛期為7月11日至8月10日，這里將6月1日至7月10日統(tǒng)稱為汛期前期，8月11日至9月20日統(tǒng)稱為后汛期。大伙房水庫流域如圖1所示。

圖1 大伙房流域圖

2.暴雨特征分析

2.1 暴雨成因分析

2020年與1985年汛期的暴雨成因相似，主要由西太平洋副熱帶高壓和北上臺風(fēng)配合為暴雨的形成創(chuàng)造了條件。2020年與1985年汛期西太平洋副熱帶高壓和常年同期相比明顯偏北、偏西，主要位于日本和日本海域附近，大伙房水庫流域正處于副高邊緣。同時副熱帶高壓強度也較常年同期偏強，臺風(fēng)形成后在西太平洋副熱帶高壓的引導(dǎo)下一路向北，一直到達我國東北地區(qū)，北上臺風(fēng)增多，此外東北地區(qū)還存在南下的東北冷渦，充沛的水汽源源不斷輸入東北地區(qū)，在西太平洋副熱帶高壓、臺風(fēng)和東北冷渦等天氣系統(tǒng)的共同作用下導(dǎo)致了暴雨的發(fā)生。

2.2 暴雨發(fā)展過程

2020年致洪暴雨過程發(fā)生在8月26日至9月8日，期間伴隨著“巴威”“美莎克”和“海神”三個臺風(fēng)接連北上和高空槽的形成，形成了四次暴雨過程。8月27日第8號臺風(fēng)“巴威”在中國和朝鮮交界靠近朝鮮的平安北道沿海登陸，隨后臺風(fēng)巴威由朝鮮進入中國遼寧省境內(nèi)繼而影響中國東北地區(qū)，受此影響，8月26日23時至28日23時流域普降暴雨，暴雨中心在蘇子河上游，暴雨帶呈東南-西北向，流域平均面降雨量53.9mm，最大點雨量發(fā)生在蘇子河邊外堡子站（92mm），最大雨強發(fā)生在社河傲牛站（32mm/3h）。隨后受高空槽和副熱帶高壓影響，8月31日17時至9月1日8時流域發(fā)生2020年最大一場暴雨過程，流域平均降雨量94.3mm，暴雨中心位于渾河上游，最大點雨量發(fā)生在渾河大蘇河站（142mm），最大雨強發(fā)生在渾河大蘇河站（61mm/3h），流域19處遙測雨量站中有8處降雨量達到大暴雨，11處降雨量達到暴雨，暴雨帶呈東南-西北向。9月3日第9號臺風(fēng)“美莎克”在韓國南部慶尚南道釜山沿海登陸，隨后臺風(fēng)“美莎克”穿過韓國南部進入日本海之后于9月3日在朝鮮東部二次登陸隨后由朝鮮進入中國吉林省境內(nèi)繼而影響中國東北地區(qū)。受9號臺風(fēng)“美莎克”和冷渦共同影響，9月3日2時至3日20時流域普降暴雨，暴雨中心在社河上游，整個流域空間分布相對均勻，流域平均面降雨量54.5，最大點雨量發(fā)生在社河傲牛站（77mm），最大雨強發(fā)生在社河傲牛站（30mm/3h）。受10號臺風(fēng)“海神”和冷渦共同影響，9月7日13時至8日20時流域發(fā)生一次大的降雨過程，暴雨中心位于社河上游，流域平均降雨量66.5mm，最大點雨量發(fā)生在社河傲牛站（139mm），最大雨強發(fā)生在傲牛站（29mm/3h），暴雨帶自西南至東北方向減弱，渾河上游降雨量相對較少。

1985年致洪暴雨過程發(fā)生在7月30日至8月19日，東北地區(qū)同樣遭遇了臺風(fēng)“三連擊”，期間伴隨著臺風(fēng)接連北上，大伙房水庫流域發(fā)生了四次暴雨過程。1985年8月2日6號臺風(fēng)“杰夫”于黃海岸一帶登陸，受其影響，7月30日11時至8月3日5時，8月3日8時至8月5日14時流域連續(xù)發(fā)生2場暴雨，暴雨中心位于渾河，兩次降雨疊加雨量190mm。8月14日8號臺風(fēng)“李伊”在黃海岸一帶登陸，受此影響，大伙房水庫流域在8月13日20時至8月15日8時再次普降暴雨，流域平均降雨量103.5mm。8月19日9號臺風(fēng)“瑪美都”于遼東灣登陸，流域在8月18日11時至8月19日17時發(fā)生強降雨，暴雨中心位于蘇子河，平均降雨量74mm。

2.3 暴雨特征對比分析

對比2020年和1985年暴雨成因可知，2020年和1985年暴雨均是由于西太平洋副熱帶高壓偏北、偏強，穩(wěn)定在日本及日本海區(qū)域，加之發(fā)源于西太平洋的臺風(fēng)北上以及東北冷渦在東北盤旋，三者共同作用形成暴雨。由暴雨形成過程可知，2020年和1985年暴雨具有場次降雨空間分布不均，暴雨中心多位于渾河上游的特征，但從汛期總的暴雨面降雨量看，降雨量空間分布相差不大。

通過對1985年和2020年歷次暴雨特征值統(tǒng)計（表1）可知，2020年在13天內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)4場暴雨，總降雨歷時112h，總降雨量269.2mm，1985年在20天內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)4場暴雨，總降雨歷時210h，總降雨量367.5mm，表明1985年和2020年暴雨均具有頻次高，降雨量大，歷時短，雨強大等特點。從降雨時間看，1985年暴雨主要發(fā)生在八月上、中旬，屬于流域主汛期末，2020年暴雨偏晚，發(fā)生在八月末值九月中旬，屬于流域后汛期。由此可知，大伙房水庫流域具有發(fā)生短期連續(xù)性暴雨的可能，且主汛期和后汛期均有可能發(fā)生，當(dāng)?shù)匾⒁庥煞€(wěn)定西太平洋副熱帶高壓、北上臺風(fēng)和東北冷渦共同作用形成的暴雨并制定相應(yīng)暴雨應(yīng)急方案。

表1 1985年與2020年歷次降雨特征值表

3.洪水分析

3.1 洪水發(fā)展過程

由于2020年與1985年暴雨均具有頻次高，降雨量大，歷時短，雨強大等特點，受此影響，2020年與1985年各發(fā)生了4場洪水，大伙房水庫站洪水過程見圖2。

圖2 2020年和1985年大伙房水庫站洪水過程圖

2020年4場入庫洪水總量為10.6億m，整個后汛期入庫水量13.7億m，創(chuàng)下大伙房出現(xiàn)建庫以來后汛期最大入庫水量。連續(xù)發(fā)生洪峰超過1000m/s的洪水3次，“20831”洪水為最大的一次洪水過程，造成此次洪水的暴雨歷時短，強度大，土壤含水量接近飽和，因此產(chǎn)流速度較快，匯流時間較短。洪水從31日17時起漲，水位125.46m，9月1日16時出現(xiàn)洪峰流量3610m/s，1日水位日最大上漲2.38m，次洪量達3.83億m。

1985 年4 次洪水洪峰超過1000 m/s 的洪水有，入庫洪水總量達15.8 億m。最大一場洪水為“85803”洪水，由于上場降雨與此次降雨時間間隔很短，前期強降雨導(dǎo)致土壤含水量基本飽和，徑流系數(shù)高達0.96，洪水從8月3日降雨開始便開始起漲，水位126.69m，8月5日9時出現(xiàn)洪峰2790m/s，1日水位日最大上漲1.12m，次洪量達5.7億m。

3.2 洪峰特征

將2020年4場洪水要素特征值加入到水庫壩址歷史洪水系列中，進行頻率分析計算：“20831”洪水頻率等級為近10 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，洪水等級劃分為中洪水，排在建庫以來的第8位?！?0826”洪水、“20903”洪水、“20907”洪水頻率等級為小于5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，洪水等級劃分為小洪水。

將1985年4場洪水要素特征值加入到水庫壩址歷史洪水系列中，進行頻率分析計算：“85803” 洪水、“85813”洪水頻率等級為5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，洪水等級為中洪水，分別排在建庫以來的第12位和第13位。“85818” 洪水、“85730” 洪水位小于5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，洪水等級劃分為小洪水。2020年與1985年大伙房水庫站洪水特征值見表2。

表2 1985年和2020年大伙房水庫站歷次洪水特征值表

根據(jù)大伙房水庫三個入庫站（北口前站、南章黨站和占貝站）的洪峰監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計大伙房水庫入庫洪峰大于2000m3/s的洪峰組成，各個入庫站及庫周入庫占水庫洪峰的比重見圖3，根據(jù)經(jīng)驗北口前站洪水到達入庫口的時間為6h，南章黨站和占貝站洪水到達入庫口的時間為3h，本文以水庫出現(xiàn)洪峰時刻（t）前6h北口前站的洪水流量計算t時刻水庫洪峰的組成，同樣，以水庫出現(xiàn)洪峰時刻（t）前3h南章黨站和占貝站站的洪水流量計算t時刻水庫洪峰的組成。由圖3可知，1985年暴雨洪水洪峰的組成庫周、占貝站和北口前站占比較大，即蘇子河和渾河來水較大，同時庫周圍來水較多，這也是造成洪水過程線陡漲的原因。2020年暴雨洪水洪峰的組成占貝站和北口前站占比較大，即蘇子河和渾河來水較大，同1985年一致。由此可知，流域發(fā)生暴雨洪水時渾河和蘇子河來水量較大，因此汛期要重點關(guān)注相應(yīng)河流水位漲落及沿岸群眾轉(zhuǎn)移等工作。

圖3 1985年和2020年大伙房水庫站歷次洪水洪峰組成圖

3.3 洪水比較分析

2020年由于暴雨發(fā)生在后汛期，且具有雨量大，歷時短，雨強大，范圍廣等特點，加之前期土壤含水量接近飽和，因此產(chǎn)流速度較快，匯流時間較短，使得洪峰流量大，峰型是尖瘦型，尤其是“20831”洪水比較典型，但“20907”洪水例外，由于降雨歷史相對較長，同時洪水發(fā)生在汛末，上游水利工程進行大量攔蓄，使得本次洪水洪峰偏小，洪水入庫滯后，退水歷時延長。1985年洪水由于暴雨降雨量更大，土壤含水量也較高，產(chǎn)流速度也較快，但由于降雨歷時較2020年長，使得在匯流時間上相比于2020年較長，退水也相對較慢，峰型相對來說肥胖一些，最大洪峰雖然沒有2020年大，但洪水總量比2020年大。通過以上分析可知，大伙房水庫流域主汛期及后汛期均有可能發(fā)生暴雨洪水，水庫運行要做好中長期水文預(yù)報，在主汛期調(diào)度運用基礎(chǔ)上編制后汛期調(diào)度運用計劃，同時要掌握上、下游水利工程攔蓄情況，合理利用防洪庫容，在保證水庫安全的基礎(chǔ)上達到下游不沖，上游不淹，水庫蓄滿的目標(biāo)。

4.結(jié)論

本文通過對大伙房水庫流域2020年和1985年受臺風(fēng)“三連擊”影響造成的暴雨洪水進行分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）2020年和1985年汛期，較為穩(wěn)定的西太平洋副熱帶高壓偏北、偏強，臺風(fēng)北上以及東北冷渦南下是造成2020年和1985年短期連續(xù)暴雨的主要原因。

（2）大伙房水庫流域主汛期和后汛期均有發(fā)生短期連續(xù)性暴雨的可能，1985 年和2020 年暴雨均具有范圍廣，頻次高，降雨量大，歷時短，雨強大，次降雨空間分布不均的特點。

（3）2020年和1985年洪水受暴雨集中，范圍廣，前期土壤含水量接近飽和的影響，具有產(chǎn)流速度快，徑流系數(shù)高，洪水過程疊加，洪水總量大，蘇子河和渾河洪水占比較大的特點。

受上游水利工程等人為因素影響，大伙房水庫入庫洪水過程會發(fā)生明顯改變，如“20907”洪水因上游水利工程進行大量攔蓄，造成了洪峰偏小，洪水入庫滯后，退水歷時長。因此在對洪水進行預(yù)報分析時，應(yīng)綜合考慮人為因素的影響，進行科學(xué)調(diào)度。此外，近年來極端天氣頻發(fā)，臺風(fēng)對東北地區(qū)的影響不可忽視，應(yīng)加強對臺風(fēng)造成暴雨洪水的研究分析，同時，積極探索后汛期暴雨洪水調(diào)度運用，為將來水庫科學(xué)調(diào)度提供可靠的依據(jù)，達到防洪減災(zāi)、充分利用雨洪資源的目標(biāo)。