滇池流域暴雨洪水特征分析与研究

2019-04-20，，，，

人民珠江 2019年4期

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(1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明650021；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051；3.昆明市水利水电勘测设计研究院，云南昆明650021)

昆明市近些年的《滇池第三通道规划》《牛栏江补水滇池实施方案滇池运行调度方案专题》《昆明市盘龙江“7·19”暴雨洪水分析复核》《昆明主城区洪水联合调度方案研究》等报告，揭示了滇池流域暴雨洪水特征，为昆明经济建设发展提供了应对暴雨洪水威胁的基础资料。本文主要从主城区暴雨特征、入湖洪水等方面的分析，以期对滇池流域暴雨洪水特征进行总结。

滇池流域为长江水系的金沙江支流普渡河上游区(图1)，流域面积2 920 km2。河流水系主要集中于滇池的北、东、南三面，尤以北面为主；西面为陡峭西山。滇池为中国三大高原湖泊之一，湖面面积310 km2，20年一遇正常高水位1 887.50 m对应容积15.6亿m3，汛期限制水位1 887.20 m对应容积15.0亿m3，汛期防洪湖容0.9亿m3。昆明市主城区分布于滇池北岸，受西南暖湿气流、西山屏障等因素影响[1]，主城区易发生暴雨形成洪水。滇池水位保持在汛期限制水位至正常高水位之间是关系主城区防洪安全的重要措施。

1 昆明市主城区暴雨分布与发生概率

滇池流域暴雨以昆明市主城区较突出，暴雨量的年际变化较大，Cv值0.40～0.45，最大1 d降水量可达到150 mm。本次以主城区主要河流盘龙江为主线，选择从上游至下游的中和、松华坝、大观楼、海埂4个站40多年的最大1 d降水量(暴雨)观测资料，分析其发生时间和概率[2](图2)。暴雨全年发生于6—11月，主要发生于5—9月，10、11月偶有发生。中和站暴雨主要发生于6、7、9月份(各占1/3)，5、7月发生较少(不到1/10)。松华坝站暴雨主要发生于6—9月份，各月差异不大，8月稍弱，其他各占1/5。大观楼站暴雨主要发生于5—8月，6月、8月较明显(各占1/3)，5月稍弱。海埂站暴雨主要发生于6—9月，7月较明显(占1/3)，其他各约占1/5。

依次从上游至下游看(图2)，唯松华坝站各月暴雨发生概率差异较小，其他站点各月出现暴雨的概率差异都很大。5月份，盘龙江中游发生暴雨的概率较高，以松华坝站突出，海埂站就不易发生。6、7月份，盘龙江主线各站均属于暴雨高发期，发生概率在22%～34%之间。8月份，盘龙江主线中、下游暴雨发生的概率较高，以大观楼站突出，中和站则很不明显。9月份，唯有大观楼站不易发生暴雨，其他站发生的概率约20%左右。

2 昆明市主城区暴雨强度时程变化规律[3]

根据滇池流域各站实测降水资料条件，大观楼站实测暴雨资料完整、系列年较长(大于50 a)，以10、20、30、45、60、90、120、180 min共8个时段的暴雨资料进行研究，采用目前国内通用的P-Ⅲ型分布模型进行暴雨公式拟定研究。

由城市暴雨公式推导待定参数表达式，不同重现期对应的待定参数是各不相同的；同理，雨量衰减指数也随重现期的变化而变化，但基于暴雨历时曲线呈单调递减函数，又经过数理统计选用P-Ⅲ型线型拟合求得的各历时数据点基本为双曲线类函数关系的特点，可按公式进行试算分析。

设计暴雨强度总公式的数学表达式为：

(1)

式中i——暴雨强度，mm/min；t——降雨历时，min；P——重现期，a；n——暴雨衰减指数；k、A、B——模式参数。

依据大观楼站历年暴雨资料系列，将各时段的样本系列采用数理统计方法初估统计参数，然后以P-Ⅲ型为概率模型拟合并经分析后确定出统计参数，再求得不同标准的暴雨强度，并制成重现期(P)～暴雨强度(i)～历时(t)关系(图3)，进而分析计算得暴雨强度分公式(表1)。

重现期/anAB10.821 10.74 17.14 20.827 20.74 17.84 50.780 21.59 15.26 100.771 24.11 15.17 200.769 26.75 15.02 500.775 31.12 15.10 1000.761 31.90 14.68

由表1中的数据，按相关公式联解即可求得总公式的数学表达式：

(2)

式中符号意义同前。根据昆明市城市发展的实际需要，式(2)可作为重现期1～100 a的暴雨强度总公式使用，并对成果进行必要合理性分析。

3 滇池流域局部大暴雨洪水案例特性分析

3.1 基本情况

2013年7月19日(简称“7·19”)，单点大暴雨突袭[4]昆明市主城区，强降雨造成城区受淹影响面积77.3 km2，形成了102个淹积水片(点)，城区主要交通出现严重拥堵、短时中断，受淹房屋6 696户、地下设施3.8万m2。昆明市主城区各部门共投入5.23万人进行一周多时间的防洪抢险及灾后恢复工作。

“7·19”暴雨中心位于主城区的油管桥附近，见图4，是滇池流域有资料记录以来近90 a间的最大日降水量，暴雨历时17 h。松华坝水库坝址至盘龙江出口区间(简称松-出区间)平均面雨量133.8 mm，其中：降水量大于250 mm的笼罩面积为3.78 km2，占松-出区间面积的2.25%；降水量大于200 mm的笼罩面积为33.31 km2，占松-出区间面积的19.8%。

“7·19”暴雨洪水期间，最大6 h面暴雨量和场次面雨量分别为88.5 mm和133.8 mm，这期间松华坝水库还未下泄水量，昆明站实测洪峰87.5 m3/s是松华坝水库坝址至昆明站区间(简称松-昆区间)的洪峰。根据”7·19”暴雨面雨量可推算的松-昆区间最大24 h洪量应为604万m3，而实测最大24 h洪量为451万m3，说明城市化之后低洼区排水不畅，形成多个淹水区，对洪水有一定的滞蓄作用[5]。

3.2 “7·19”暴雨洪水重现期确定

根据实测资料分析比较，松-昆区间6、24 h面暴雨量分别比30年一遇暴雨量大3.9%、7.2%，基本为30年一遇。考虑到暴雨形成洪水的产汇流过程中受城区内涝、滞洪等因素影响，洪峰会偏小。综合分析后认为，“7·19”暴雨洪水的洪峰稍低于30年一遇，洪量基本为30年一遇。

3.3 “7·19”洪水归槽订正分析

由于受地表建筑物、地下管网、花坛等设施的滞蓄影响，洪水的洪峰偏小；若滞蓄量归入河槽，洪水的实际洪峰有多大，以下是对洪水归槽的分析。

a) 峰量关系法。松～昆区间30年一遇的24 h洪量为691.3万m3，“7·19”洪水总量(58 h，691.4万m3)与之基本一致。基于“7·19”的6、24 h面暴雨量基本为30年一遇的结论，“7·19”洪水总量应为24 h洪量，根据松-昆区间早期洪峰与24 h洪量关系(Qm=0.1311W24+2.703)分析，“7·19”现状洪峰(93.3 m3/s)大于实测洪峰(87.5 m3/s)6.6%、也大于天然30年一遇洪峰(81.7 m3/s)14.2%。考虑到峰量关系属于天然情况使用，借用到现状情况下，现状洪峰会明显偏小。

b) 漫滩量归槽法。根据分析，“7·19”洪水属松-昆区间自1953年以来仅次于1966年的第二大洪水，洪水总历时58 h，洪量为691.4万m3、24 h洪量为440.4万m3。经过调查及综合分析，58 h总洪量应在1 d内排出，由于城市地下管网、地面凹地滞蓄量(总洪量与24 h洪量之差)251.0万m3平摊于24 h实测洪水过程，即为松-昆区间考虑地面硬化、漫滩归槽订正后的洪水过程，得到现状洪峰为117 m3/s，较实测洪峰87.5 m3/s增大了33.7%。但漫滩归槽没有考虑洪峰滞后情况，现状洪峰有可能会偏大一些。

综合分析，“7·19”洪水的昆明站现状洪峰为114 m3/s，比实测洪峰大30%。

4 滇池最大入湖洪水分析

4.1 洪水特性

滇池流域洪水由暴雨形成，多发生于7、8月份，最大洪峰、洪量与最大暴雨量的出现时间极为对应，洪水峰型与暴雨雨型基本一致。历年的最大暴雨、洪水系列的序位亦基本吻合。洪水的季节性明显，洪水发生于5—11月，以7、8月份出现次数最多，年最大洪水出现在6—8月的概率占81%。滇池洪水主要由其北、东、南岸边陆地洪水及湖面暴雨量组成，尤以湖面显著，北面的盘龙江次之，局部暴雨形成的地区性洪水有时所占比重大，洪水与暴雨的地区分布基本一致[6]。洪水过程的涨水历时与全历时的比值约为1∶8，呈洪水过程起涨快、消退慢的特点。洪水过程一般尖瘦，24 h洪量一般占3 d洪量的53%，洪量集中程度较高，峰腰宽度在34 h左右。

4.2 滇池流域人类活动基本情况

滇池周边的人类活动频繁，特别是北、东、南面显得极为突出，主要反映在20世纪五六十年代大批量修建的水库工程方面；其次是近二三十年来昆明市主城区面积(相当于流域产流的不透水下垫面)的逐年扩大、工业生活用水量增加、农业用水量减少等因素，这些因素都对滇池入湖洪水产生不同程度的影响。

滇池入湖洪水是基于滇池流域现状条件(水库工程和城市化)下的降水径流的形成。流域内水库工程建设也具有阶段性，大多在20世纪五六十年代已建成，以松华坝、宝象河、果林等8座大中型水库工程最为明显，近30多年来建设的水库工程规模小、零星分布。水库对洪水的调节作用是其功能之一，对滇池入湖洪水有减小的影响。昆明城市化造成工业、生活耗水比例小而回归水量变大，农业灌溉等用水量逐渐减少，基本不影响入湖洪水；其次，昆明城市化进程的加快，主城区面积逐步扩大，暴雨洪水径流系数值也将随之增大，对滇池入湖洪水有增大的影响。滇池入湖洪水由流域内水库泄洪、水库至滇池周边以上区间洪水及湖面降水3部分组成。湖面降水直接为入湖洪水，提前于前两部分洪水。因此，滇池入湖洪水过程主要呈复峰型，且主峰在前历时短、次峰滞后历时较长。

4.3 历年入湖洪水

滇池入湖洪水来源于暴雨，可划分为湖面入湖洪水和周边陆地入湖洪水。湖面入湖洪水为暴雨直接降于湖面而形成；湖边入湖洪水由暴雨经过流域内陆地的坡面产流、河网汇流、蓄水工程调节等过程而形成，从湖泊的周边流入。暴雨由观测站测量和区域降水特征分析而得，以分析湖面入湖洪水。湖周入湖洪水区别于通常的河道断面洪水，难以直接进行实测。因此，滇池入湖洪水是不可能全部由实测而得的。

根据滇池单位时段内的暴雨、洪水、水位等水文气象特征的相互变化依存关系，单位时段内应满足下列水量平衡关系式[7]。

Wt=(Wt末-Wt初)+Wt出-Wt供

(3)

式中Wt——滇池时段入湖洪量，万m3；Wt末——滇池时段末湖容，万m3；Wt初——滇池时段初湖容，万m3；Wt出——时段内从出口流出和引到外域的水量，万m3；Wt入——时段内外流域引入的水量，万m3；t——时段长(采用1、3、7、15、30 d)。

根据实测的滇池水位、湖容曲线等资料，完整还原逐日入湖水量。统计洪水洪量系列为50余年，系列最大1 d洪量为1965年，其他时段洪量分别排在第2、4、16、22位；系列最大7 d洪量为1971年，其他时段洪量分别排在第9、5、2、3位；系列最大30 d洪量为1979年，其他时段洪量分别排在第25、18、11、5位，详细情况见表2，这反映了洪水洪量不集中、历时长的基本特点。

入湖洪水发生在汛期5—11月，与流域暴雨发生时间同步，其中主要是在7、8月份(占61%)，两个月出现的概率差异不大；5、11月份发生的概率最低(分别仅占3.0%、0.7%)；6月份发生的概率达到了20%，10月份发生的概率也很小(5.9%)。

表2 滇池入湖洪水最大洪量发生特征统计

4.4 人类活动对滇池入湖洪水的影响分析

4.4.1蓄水工程对入湖洪水的影响[8]

滇池流域内已建成了大型水库1座、中型水库7座、小型水库157座、坝塘400余座，这些蓄水工程主要是20世纪五六十年代所建。其中，大中型水库总控制流域面积969 km2，占滇池流域面积的33.2%，防洪库容1.37亿m3，这些水库的调蓄作用削减了进入滇池的洪峰及短时段洪量。从常遇洪水看，8座大中型水库拦蓄的7 d洪量相当于滇池入湖7 d洪量的15%～36%，与它们所控制的流域面积基本相当，反映出水库运行对滇池入湖洪水的影响程度。总的来说，列年滇池入湖洪水受流域内已建水库的蓄水影响基本保持在一定程度，但随年代的推进，水库对洪峰及短时段洪量会有一定增加(水库削减度增量)。

4.4.2昆明市主城区面积增大对入湖洪水的影响

1992年昆明市主城区面积70 km2，到2005年昆明市主城区面积扩大到了250 km2，基本上以每年近14 km2的速度增加，至2012年昆明市主城区面积基本达到313 km2，约占滇池流域面积的10.7%。根据洪水产汇流特性，昆明市主城区面积的逐年扩大，暴雨洪水的径流系数值也将随之增大，从而使滇池入湖洪水增大(面积增加度)；同时还存在城市绿地区集水滞排、地下排水管网滞流、因内涝造成滞流、入滇河道平缓等影响，又会使增大入湖洪水的作用被削减，增大幅度也随着洪量时段的增长而减小。

4.4.3人类活动对滇池入湖洪水的影响综合评价

绘制滇池最大30 d洪量与对应同期降水量的模数过程进行对照分析，发现其过程的峰、谷基本对应，说明洪量的变化趋势主要取决于降水，而从历年最大1、7、30 d洪量的模数过程变化趋势看并无增大的迹象[9]。滇池入湖洪水最直接原因是暴雨，绘制1、7、30 d洪量与对应同期降水关系(图5—7)可以看出，数据点大致分布在平均线两测，且1992年前、后数据点在平均线两侧的分布规律无明显差异。分析1992年前、后各时段洪量短系列均值和相应时段降水量长系列均值的比值(表3)，1993年后30 d洪量短系列均值较长系列均值大了15.8%，同期的30 d降水量短系列均值也较长系列均值增大了11.2%；而1 d洪量短系列均值较长系列均值小3.2%，同期的1 d降水量短系列均值仅较长系列均值大0.4%。实际历年洪量数据说明，昆明城市化进程和后期零星小规模水库工程建成，对滇池入湖洪水总量无明显影响。

时段年最大洪量1 d7 d30 d相应降水量1 d7 d30 d1992年前1.0220.7970.8930.9971.0190.9241993年后0.9681.0301.1581.0040.9711.112

总之，滇池流域内的“水库削减度增量”与“面积增加度”可基本相互抵消[10]，结合还原的滇池入湖时段洪量与同次时段暴雨量的系列趋势分析，发现其不足以支撑滇池入湖洪水有增加或减少的趋势变化。因此，根据滇池水位、暴雨、湖容曲线等资料，由水量平衡原理还原的入湖洪水系列已反映了滇池较长时期的入湖洪水特性，1957年以来滇池入湖设计洪水是基本一致的。

4.5 滇池入湖洪水的组成[11]

滇池湖面对入湖洪水作用显著。滇池流域面积2 920 km2，流域内水库控制面积969 km2。考虑发生中小洪水时水库拦蓄了洪水，滇池流域形成洪水的流域面积为1 951 km2左右，其中滇池湖面面积占16%。由于滇池湖面暴雨形成洪水基本无损失，滇池湖面对滇池入湖洪水的作用应远大于16%。经过分析，1、3、7、15、30 d不同时段湖面上的暴雨量(即洪水洪量)约占入湖洪水洪量的56%、46%、42%、42%、42%。盘龙江对滇池入湖洪水的作用在9%左右。盘龙江为滇池流域最大支流，流域面积761 km2。由于盘龙江上游的松华坝大型水库防洪标准高，发生百年一遇以下的洪水时，近30多年来松华坝水库基本未开闸泄洪。经过分析，盘龙江洪水约占入湖洪水的8%～11%。

4.6 入湖洪量统计参数变化规律

根据还原的滇池各时段洪量系列频率分析确定统计参数[12-13]，分析各时段洪量均值、Cv值与时段长的关系，在双对数纸上呈现出均值与历时关系呈直线关系，规律明显；1、3、7 d洪量Cv值随时段增长呈递减趋势，7 d洪量Cv值达最小值，以后的15、30 d洪量Cv值又呈递增趋势，形成Cv值与历时关系呈下凹曲线的独特规律，见图8。

4.7 滇池洪水的特殊性

滇池入湖洪水由周边入湖洪水和湖面暴雨形成。湖面暴雨直接转换为入湖洪水。在由大面积暴雨产生的滇池入湖洪水过程中，湖面暴雨成了洪水的前峰，随后陆面暴雨经过坡面、蓄水工程、城区、河道等的调节才进入滇池。故暴雨开始即洪水开始，暴雨结束而洪水仍在继续形成，致使入湖洪水过程峰前段陡急、峰段峰型尖瘦、峰后段长而平缓，最大1 d洪量占3 d洪量的50%左右，而3、7、15 d洪量仅占到30 d洪量的61%～65%左右。洪水过程在拉长至15 d后有相当年份的第二次洪水已到来，所以在30 d洪水过程中已包含了2次洪水过程。由于这一特性，各时段洪量Cv值随历时的关系呈现了时段增长而减小至15 d后又增大的特殊规律。由于洪水过程线有单峰过程和复峰过程的存在，必然地单峰过程总量较小，而复峰过程总量较大，极大、极小值直接影响Cv值的大小，极差大Cv值就大。