上海嘉定城區(qū)暴雨水位關(guān)系初探

楊 琪，李念斌

（1.上海市嘉定區(qū)水文站，上海市 201800；2.上海嘉定水務(wù)工程設(shè)計(jì)有限公司，上海市 201800）

上海嘉定城區(qū)暴雨水位關(guān)系初探

楊 琪1，李念斌2

（1.上海市嘉定區(qū)水文站，上海市 201800；2.上海嘉定水務(wù)工程設(shè)計(jì)有限公司，上海市 201800）

通過(guò)借鑒小流域推理公式、前期雨量指數(shù)模型、水量平衡等方法的原理，對(duì)上海市嘉定城區(qū)暴雨水位關(guān)系進(jìn)行探索，建立了初步的計(jì)算方法，并進(jìn)行了驗(yàn)證，得到的計(jì)算水位與實(shí)際水位誤差較小。其成果為預(yù)報(bào)、防汛、規(guī)劃提供了參考依據(jù)。

前期雨量指數(shù)；水量平衡；水文預(yù)報(bào)

0 引言

上海市嘉定區(qū)位于上海西北地區(qū)，人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。而每年的5～9月汛期，常因臺(tái)風(fēng)或強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)暴雨情況，引發(fā)路面積水。特別是近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程加快，熱島雨島效應(yīng)加劇，強(qiáng)對(duì)流天氣趨于頻繁，暴雨出現(xiàn)的頻次與強(qiáng)度均大于歷史平均水平，加之房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)、市政建設(shè)，原有的下墊面被破壞，不透水面積增加，各種滯蓄效果弱化，大部分降雨轉(zhuǎn)化為河道水量，造成暴雨時(shí)河道水位急劇上漲，屢次出現(xiàn)“看?！鼻樾?，對(duì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)了較大的負(fù)面作用。因此，如何通過(guò)分析暴雨前氣象預(yù)報(bào)的降雨量來(lái)預(yù)估河道水位，從而可以提前采取相應(yīng)的防汛措施，緩解暴雨內(nèi)澇的損失成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)且重要的問(wèn)題。

本文通過(guò)借鑒推理公式的假設(shè)條件、前期雨量指數(shù)中Pa的參數(shù)、水量平衡等多種水文方法的原理，嘗試對(duì)嘉定區(qū)的暴雨水位關(guān)系進(jìn)行探索，以期為水文預(yù)報(bào)、防汛抗災(zāi)、水利規(guī)劃提供一點(diǎn)參考依據(jù)。

1 研究區(qū)情況

1.1 地理地貌

嘉定區(qū)位于上海西北部，中心位置在北緯31度23分，東經(jīng)121度15分?？偯娣e約464 km2。全境地勢(shì)平坦，東北略高，西南稍低。地面高程3.00～4.50 m，潛水含水層埋深1～3 mm，厚度4～12 m。土壤質(zhì)地以中性土為主。

1.2 水文氣象

嘉定區(qū)地處平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，南水系邊界吳淞江，北水系邊界瀏河，東于寶山區(qū)接壤，西鄰江蘇昆山。隨著吳淞江、瀏河沿線建設(shè)了大量水利控制工程，南北水體進(jìn)出受控，河網(wǎng)感潮性減弱，無(wú)明顯的高低潮位變化。內(nèi)河河道水位保持在2.50～2.80 m。

氣象上受海洋性氣候影響，季風(fēng)盛行，四季分明，年均受臺(tái)風(fēng)影響2～3次。常年平均氣溫15.2℃，雨量充沛，但降雨量年內(nèi)、年際分布不均。多年平均降雨量為1 103.01 mm（嘉定黃渡水文站資料），其中6～9月份為汛期，多年平均汛期降雨量為577.43 mm，占全年降雨量的52.36%。

1.3 近年暴雨水位情況

分析建站于1959年的嘉定南門站歷史高水位排名，除最高水位是1977年特大暴雨引發(fā)的，排名前10的高水位中有5個(gè)是2005年后發(fā)生的，近10 a來(lái)的極端天氣頻發(fā)現(xiàn)象十分明顯。

如2005年“麥莎”臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的暴雨，過(guò)程降雨量209.0 mm，水位從2.58 m漲至3.63 m，水位漲幅1.05 m；2012年“海葵”，過(guò)程降雨量196.0 mm，水位從2.62 m漲至3.57 m，漲幅0.95 m；2013年“菲特”，過(guò)程降雨量225.5 mm，水位從2.65 m漲至3.82 m，漲幅1.17 m。

2 暴雨水位分析

2.1 暴雨水位特點(diǎn)

以2015年0823暴雨為例，可以明顯觀察出暴雨主階段前的降雨對(duì)河道水位基本沒(méi)有影響，但當(dāng)暴雨主階段開(kāi)始時(shí)，水位急劇上漲，降雨量大量匯流到河道中（見(jiàn)圖1）。因此，暴雨前期，下墊面能夠承接多少雨量成為需要的研究的重點(diǎn)之一。

圖1 201508263嘉定南門站降雨水量、水位曲線圖

2.2 研究區(qū)的特殊性

嘉定城區(qū)河道是典型的江南古鎮(zhèn)河道布局，環(huán)城河圍繞市中心，河道縱橫交叉，河網(wǎng)連接緊密（見(jiàn)圖2）。

當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)模式為GSF時(shí),雷區(qū)中心位置和比例因子均為空。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)模式為GSF時(shí),需利用雷區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,進(jìn)而平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。因此,對(duì)凸包H進(jìn)行相似變換,且從凸包H內(nèi)隨機(jī)選擇中心位置,而比例因子ξ的定義如式(6)所示:

圖2 嘉定城區(qū)河網(wǎng)分布圖

分析嘉定城區(qū)南北的2個(gè)水位站（嘉定南門站、涇河站）水位在2015年0616暴雨期間水位高點(diǎn)基本相同、上漲趨勢(shì)基本一致（見(jiàn)圖3）。在0616暴雨期間，對(duì)環(huán)城河4個(gè)弧段上的流量測(cè)驗(yàn)表明，暴雨期間水位流動(dòng)不明顯（見(jiàn)表1），基本呈現(xiàn)同步上漲態(tài)勢(shì)。

圖3 20150616涇河、嘉定南門站水位過(guò)程曲線圖

表1 20150616期間環(huán)城河流量巡測(cè)一覽表

而幾種常用的預(yù)報(bào)方法如推理公式法、單位線法、新安江模型法等都是從產(chǎn)流-匯流過(guò)程對(duì)流量進(jìn)行計(jì)算，推求。基于該地區(qū)的特殊性，幾種常用的預(yù)報(bào)方法在該研究區(qū)存在一定的不適用性。為此，主要是采用推理公式法的假設(shè)條件，以前期雨量指數(shù)模型的前期雨量指數(shù)Pa，配合水量平衡來(lái)進(jìn)行嘉定城區(qū)的暴雨水位關(guān)系探索。

2.3 技術(shù)路線

在探索中，主要的假設(shè)條件參考了推理公式[1]的物理思路，主要包括：（1）暴雨強(qiáng)度、損失強(qiáng)度在暴雨過(guò)程中時(shí)空分布均勻；（2）以點(diǎn)雨量代表面雨量；（3）下墊面飽和蓄水量不變。

主要技術(shù)路線是：計(jì)算槽蓄容量→尋找下墊面飽和的降雨量→計(jì)算前期雨量指數(shù)→降雨量扣減前期雨量指數(shù)代表的下墊面欠飽和量→根據(jù)水量平衡計(jì)算降雨量和槽蓄增加量之間的轉(zhuǎn)換率→預(yù)測(cè)下次暴雨水位。

3 暴雨水位計(jì)算

在探索中，主要采用的水位雨量數(shù)據(jù)為嘉定南門站2005-2013年數(shù)據(jù)，摘取日降雨量大于50 mm的降雨水位數(shù)據(jù)，其中沒(méi)有錄入2005年“麥莎”、2012年“?？?、2013年“菲特”三場(chǎng)臺(tái)風(fēng)暴雨及2015年2場(chǎng)暴雨的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為驗(yàn)證計(jì)算方法提取出來(lái)。

3.1 槽蓄容量

槽蓄容量計(jì)算方法采用上海市水文總站《上海市第二次水利普查槽蓄容量調(diào)查——專題報(bào)告》的方法進(jìn)行。經(jīng)計(jì)算，蘊(yùn)藻浜以北地區(qū)的槽蓄容量公式為：

式中：y表示槽蓄容量，104m3；x表示水位，m。

3.2 飽和蓄水雨量

選取2006年11月16-17日數(shù)據(jù)，16日前推至10月1日，45 d累計(jì)降雨量2.0 mm,為2005年至2013年45 d最小降雨量，且16、17兩日連續(xù)降雨量為56.0 mm，水位從2.53 m上升至2.79 m。這就具備了一定的研究?jī)r(jià)值。

經(jīng)分析，結(jié)合槽蓄容量公式，17日由于暴雨作用引起的水位上升增加了955×104m3河道庫(kù)容，折算雨量28 mm，反算得到使下墊面飽和的蓄水容量為28.0 mm。

3.3 前期雨量指數(shù)

降雨入滲土壤分為兩個(gè)階段，土壤飽和前入滲率等于降雨強(qiáng)度，全部降雨滲入土壤，歷時(shí)長(zhǎng)短與土壤含水量正相關(guān)。表面飽和后，降雨強(qiáng)度大于土壤入滲時(shí)產(chǎn)生徑流。因此，前期土壤的干濕程度直接影響到河道水位的上漲幅度[2]。

現(xiàn)采用前期雨量指數(shù)模型中Pa的計(jì)算方法計(jì)算降雨日前的影響因素，Pa的計(jì)算式為：

式中：Pa[t],Pa[t+1]分別為第t d和第(t+1)d開(kāi)始時(shí)刻的前期影響雨量，mm；P[t]為第t d的流域降雨量，mm；Ka為流域蓄水的日消退系數(shù)。

其計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為15 d，Ka=0.85。

3.4 暴雨水量轉(zhuǎn)換率

以2006年11月16日下墊面完全清空蓄水容量作為標(biāo)準(zhǔn)?；诩僭O(shè)（3），達(dá)到飽和蓄水容量的降雨量不變。反算各場(chǎng)暴雨需要補(bǔ)充下墊面蓄水容量的降雨量。

降雨量扣減需要補(bǔ)充蓄水容量的降雨量后，與計(jì)算面積相乘，得到降雨水量。根據(jù)水位上升的變幅計(jì)算河道槽蓄容量的變化。后者除以前者，得到降雨水量到槽蓄容量的轉(zhuǎn)換率。這樣，可得2005-2013年各場(chǎng)暴雨的平均轉(zhuǎn)換率為76.9%。

3.5 計(jì)算驗(yàn)證

通過(guò)這個(gè)轉(zhuǎn)換率出發(fā)來(lái)嘗試建立研究區(qū)的暴雨水位關(guān)系，即將降雨水量扣減下墊面蓄滿量后轉(zhuǎn)換的槽蓄容量，通過(guò)計(jì)算增加的槽蓄容量來(lái)推求水位的上漲程度，以達(dá)到暴雨情況下推求水位漲幅的目的。

對(duì)2005年至2013年發(fā)生的三次臺(tái)風(fēng)暴雨（麥莎、?？?、菲特）及2015年的兩場(chǎng)暴雨進(jìn)行驗(yàn)算，設(shè)雨量已知，推求計(jì)算最高水位，轉(zhuǎn)換率以76.9%計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)最高水位相比較，誤差范圍較小（見(jiàn)表2）。

表2 臺(tái)風(fēng)暴雨水位驗(yàn)算過(guò)程一覽表

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)上述方法推算的暴雨水位方法，在2014年、2015年的實(shí)際使用過(guò)程中，在氣象預(yù)報(bào)降雨量正確的前提下，計(jì)算得到的水位與實(shí)際河道水位誤差在0.1 m內(nèi)，對(duì)防汛工作提供了重要的參考依據(jù)。

（2）計(jì)算所采用的數(shù)據(jù)為2005年至2013年，時(shí)間跨度8 a。該時(shí)段內(nèi)的暴雨數(shù)據(jù)分布呈一定的不均衡性，即暴雨集中在100 mm以下或臺(tái)風(fēng)造成的近200 mm降雨量。100 mm至200 mm段降雨量較少，對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定程度的影響。

（3）基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)得到的轉(zhuǎn)化率是一個(gè)固定的數(shù)值，而根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，降雨量越大，轉(zhuǎn)換率也會(huì)變大，如500 mm的降雨量，轉(zhuǎn)化率必然大大超過(guò)76.9%。解決方法是需要建立一個(gè)連續(xù)的、動(dòng)態(tài)的方法，這是下一步研究的方向。

[1]陳家琦,張恭肅.小流域暴雨洪水計(jì)算[M].北京：水利電力出版社,1985.

[2]包為民.水文預(yù)報(bào)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2009.

P426.615

A

1009-7716（2016）05-0131-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.036

2016-03-08

楊琪（1983-），男，上海人，碩士，工程師，從事水文資料調(diào)查與研究工作。