沿江城市降雨特性及雨洪關(guān)系分析
——以四川瀘州市為例

劉媛媛 劉業(yè)森 劉方華 李夢(mèng)陽

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心（水旱災(zāi)害防御中心），北京 100038；3.水利部數(shù)字孿生流域重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；4.四川省瀘州市住建局，瀘州 646099）

1 研究背景

沿江城市是指有河流穿過或者瀕臨江河的城市[1]，同時(shí)受外洪、內(nèi)澇的威脅，相互影響、相互制約，暴雨洪水關(guān)系復(fù)雜。外江洪水水位高，城區(qū)澇水難以排出；城市排澇能力強(qiáng)，加大了河道行洪壓力和洪水泛濫的可能性。沿江城市還是我國(guó)人口集中、產(chǎn)業(yè)規(guī)模大、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的地區(qū)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市范圍急劇擴(kuò)張，外河成為內(nèi)河，雨洪調(diào)蓄空間減少，不透水面積增大，洪澇災(zāi)害引起的損失也逐漸放大[2-4]。如何在抵御外江洪水的同時(shí)，及時(shí)有效地外排澇水，提高城市的防洪排澇能力，是目前亟待解決的主要問題。

暴雨時(shí)空分布的均勻性、暴雨中心的移動(dòng)方向等特征，決定了流域洪水特性[5]。城市內(nèi)澇積水與暴雨雨強(qiáng)和時(shí)空變化特征有直接關(guān)系，在匯流歷時(shí)內(nèi)平均雨強(qiáng)相同的條件下，雨峰在中部或后部的雨型比均勻雨型的洪峰大30%以上[6-7]。因此需要充分認(rèn)識(shí)和掌握暴雨的時(shí)空變化規(guī)律及對(duì)應(yīng)的洪水特征，這對(duì)于城市防洪排澇體系規(guī)劃建設(shè)，城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)管理水平提高，具有積極重要的意義[8-9]。傳統(tǒng)的暴雨雨型分析，主要是以單站或者代表站為研究對(duì)象，然而真實(shí)的降雨過程中，雨帶通常移動(dòng)迅速，過程總雨量的空間分布或單點(diǎn)的雨強(qiáng)時(shí)程分布，都不足以準(zhǔn)確刻畫一場(chǎng)降雨的動(dòng)態(tài)時(shí)空分布特征[10]。因此，需要對(duì)研究區(qū)域內(nèi)所有雨量站的資料進(jìn)行分析[11]，對(duì)暴雨的時(shí)空特征進(jìn)行客觀分析，提升短歷時(shí)暴雨的應(yīng)急管理能力。本文以四川瀘州中心城區(qū)為例，區(qū)別傳統(tǒng)的以單雨量站資料為對(duì)象的分析方法，以影響瀘州地區(qū)降雨特征的各雨量站1998—2021年降雨洪水資料為對(duì)象，對(duì)地區(qū)降雨動(dòng)態(tài)時(shí)空規(guī)律及相應(yīng)的洪水特征進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，提取特征，總結(jié)規(guī)律，以期為新形勢(shì)下沿江城市防洪減災(zāi)體系建設(shè)提供參考。

2 研究區(qū)概況

瀘州市位于四川省東南部，雨量充沛，地勢(shì)北低南高，長(zhǎng)江和沱江在此交匯，兩江穿城而過，如圖1 所示。瀘州市的地理環(huán)境決定了其在汛期易受洪澇災(zāi)害侵襲[12]。由于長(zhǎng)江、沱江上游為大暴雨區(qū)，集雨面積大，洪水峰高量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。在長(zhǎng)江高水位時(shí)，瀘州市區(qū)各河段受長(zhǎng)江高水位頂托影響，水位普遍偏高，洪水對(duì)城市洪澇有直接影響。

圖1 研究范圍

3 降雨時(shí)空特征及對(duì)應(yīng)洪水特征分析

本文以長(zhǎng)江上游李莊站、沱江上游富順站作為研究區(qū)域上邊界，以長(zhǎng)江瀘州站為下邊界，對(duì)范圍內(nèi)各測(cè)站1998—2021年逐小時(shí)降雨資料進(jìn)行分析。首先對(duì)研究范圍降雨場(chǎng)次進(jìn)行劃分。認(rèn)為連續(xù)超過2 h且降雨量小于0.1 mm為無效降雨，按照這個(gè)規(guī)則劃分降雨場(chǎng)次。再?gòu)闹刑暨x出1 h降雨量達(dá)20 mm 以上或6 h 降雨量達(dá)30 mm 以上的降雨場(chǎng)次，1998—2021年篩選出強(qiáng)降雨過程134場(chǎng)，對(duì)這134場(chǎng)暴雨過程時(shí)空分布特征進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。經(jīng)分析，瀘州市強(qiáng)降雨時(shí)空分布特征可以分為3種類型，每種類型的降雨時(shí)空分布特征各不相同，形成的長(zhǎng)江、沱江洪水過程也各不相同。

（1）第1種類型，降雨自沱江上游開始，向下游移動(dòng)。此類降雨主要發(fā)生在沱江流域，對(duì)沱江水位有影響，長(zhǎng)江水位受其影響較小，對(duì)瀘州市區(qū)危害較小，該類型降雨發(fā)生次數(shù)較少，在1998—2021 年共發(fā)生22 場(chǎng)，占總樣本數(shù)的16.4%。歷史上2006 年5 月9 日、2007 年6 月29 日、2008 年5 月1 日、2014 年6 月2 日降雨時(shí)空特征屬于該類型。圖2、圖3分別為2014年6月2日實(shí)測(cè)降雨和洪水過程。

圖2 2014年6月2日實(shí)測(cè)降雨過程

圖3 2014年6月2日實(shí)測(cè)洪水過程

由圖2、圖3 可知，該類型降雨的暴雨中心在沱江流域，主要影響沱江洪水位，沱江水位平均變幅1～2 m，對(duì)長(zhǎng)江洪水位影響不大。此類型降雨，長(zhǎng)江對(duì)沱江頂托作用不明顯，瀘州市附近的降雨對(duì)長(zhǎng)江洪水位的影響較小，長(zhǎng)江洪水位穩(wěn)定，水位變幅較小。

（2）第2種類型，降雨發(fā)生在長(zhǎng)江流域，此類降雨相對(duì)比較集中，暴雨中心集中在李莊、瀘州等站。此類型降雨在汛期出現(xiàn)的次數(shù)較多，1998—2021 年共發(fā)生55 場(chǎng)，占總樣本數(shù)的41.0%。歷史上2006 年9 月4 日、2012 年7 月16 日、2012 年7 月21 日、2013 年8 月1 日降雨時(shí)空特征屬于該類型。圖4、圖5分別為2012年7月21日實(shí)測(cè)降雨和洪水過程。

圖4 2012年7月21日實(shí)測(cè)降雨過程

圖5 2012年7月21日實(shí)測(cè)洪水過程

由圖4、圖5 可知，該類型降雨的暴雨中心發(fā)生在長(zhǎng)江流域，長(zhǎng)江洪水位較高，高水位持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)瀘州市區(qū)排澇頂托明顯。沱江洪水位受長(zhǎng)江水位頂托明顯，水位變化趨勢(shì)和長(zhǎng)江水位基本一致。長(zhǎng)江洪水位影響沱江洪水位，沱江洪水位變化幅度較大，平均變化幅度在4～8 m。

（3）第3 種類型，此類型降雨有兩個(gè)暴雨中心，分別在沱江上游和長(zhǎng)江上游。降雨自沱江上游開始，過程中疊加了長(zhǎng)江上游的降雨，一起向?yàn)o州市移動(dòng)。暴雨中心移動(dòng)方向和長(zhǎng)江、沱江洪水演進(jìn)方向一致，屬于最不利的降雨。此類型降雨主要出現(xiàn)在長(zhǎng)江流域主汛期（6—8 月），1998—2021 年共發(fā)生48 場(chǎng)，占總樣本數(shù)的35.8%。歷史上2007 年8月23日、2012年9月10日、2014年9月16日、2018年5月21 日降雨時(shí)空特征屬于該類型。圖6、圖7 分別為2014 年9 月16日實(shí)測(cè)降雨和洪水過程。

圖6 2014年9月16日實(shí)測(cè)降雨過程

圖7 2014年9月16日實(shí)測(cè)洪水過程

由圖6、圖7 可知，該類型降雨過程中，沱江上游降雨過程中疊加了長(zhǎng)江上游的降雨，一起向?yàn)o州市移動(dòng)。暴雨中心移動(dòng)方向和長(zhǎng)江、沱江洪水演進(jìn)方向一致，長(zhǎng)江、沱江洪水漲峰歷時(shí)較長(zhǎng)，一般持續(xù)48 h 左右。沱江洪水位受長(zhǎng)江洪水頂托影響較大，且疊加本流域暴雨，沱江洪水位持續(xù)在高水位。該類型暴雨洪水過程，長(zhǎng)江、沱江持續(xù)高水位，屬于最不利的洪水過程，洪澇風(fēng)險(xiǎn)極大。

4 結(jié) 論

沿江城市洪澇關(guān)系復(fù)雜，外江洪水特征直接影響城市防洪排澇。本文以四川瀘州市為例，對(duì)沿江城市雨洪遭遇問題進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論。

（1）影響瀘州地區(qū)降雨的時(shí)空分布特征可以分為3 種類型。發(fā)生第1 類降雨時(shí)，降雨自沱江上游開始，向下游移動(dòng)。此類型降雨主要發(fā)生在沱江流域，對(duì)沱江水位有影響，長(zhǎng)江水位受其影響較小，對(duì)瀘州市區(qū)危害較??；發(fā)生第2類降雨時(shí)，暴雨中心發(fā)生在長(zhǎng)江流域，長(zhǎng)江洪水位較高，對(duì)瀘州市區(qū)排澇頂托明顯，沱江洪水位變化幅度較大，平均變化幅度在4～8 m；發(fā)生第3 類降雨時(shí)，暴雨中心在長(zhǎng)江、沱江上游，暴雨中心移動(dòng)方向和長(zhǎng)江、沱江洪水演進(jìn)方向一致，長(zhǎng)江、沱江都持續(xù)高水位，沱江受長(zhǎng)江頂托作用明顯。長(zhǎng)江、沱江洪水漲峰歷時(shí)較長(zhǎng)，洪澇風(fēng)險(xiǎn)極大，屬于最不利降雨洪水過程，需要重點(diǎn)防范。

（2）降雨中心分別在不同的位置，對(duì)河道洪水影響各不相同。城市洪澇統(tǒng)籌管理時(shí)，不能僅考慮城市局部的雨洪條件，還需要結(jié)合城市上游情況，從流域、區(qū)域?qū)用婧侠斫y(tǒng)籌。

（3）長(zhǎng)江上游各水電站投入運(yùn)行后，對(duì)下游地區(qū)的洪水位影響較大。本文僅以瀘州地區(qū)為例，日后可將研究范圍擴(kuò)展，進(jìn)一步分析上游水電站的調(diào)度運(yùn)行對(duì)下游地區(qū)洪水位的影響，以得到更為客觀的結(jié)果。