东溪水库流域大洪水可能发生时间分析

武夷山市东溪水库运行调度中心 朱鸿光

一、东溪水库多年洪水的统计分析

（一）东溪水库水文特征和防洪任务简介

武夷山市东溪水库属闽江流域崇阳溪的源头水库，流域面积554km2，上游布设了9个自动雨量检测站点，主河道长44.5km，洪水汇流时间在3至4个小时。东溪水库汛期通过拦蓄消减洪峰将下游城区的防洪标准提升至26年一遇的标准，东溪水库流域26年一遇的大洪水的洪峰是2190m3/s。东溪水库在防汛中主要采用拦蓄和错峰，在防洪库容不足的情况下，大多采用错峰，就是预先腾库并在西溪洪峰到达时东溪水库进行拦蓄消减部分洪峰，所以在城关洪峰来临前东溪水库能否尽早预泄腾库，保证有足够的防洪库容至关重要。

东溪水库建库后自1988年以来开始有了详细的水文记录。通过对水库数十场洪水分析发现，所有洪水都是连续强降雨才形成大的洪峰，如此大量水汽只能来自海洋，所以影响东溪水库防汛安全的雨只能是锋面雨或台风雨，二者水汽均是来自海洋的暖湿气流。当锋面雨带覆盖了东溪水库流域时，水库流域就会发生较大的降水，据历史统计，基本在每年7月16日以后锋面雨带北抬后就不会再退回到东溪水库流域了。东溪水库流域在7—9月可能受台风雨影响，但是受台风影响小概率会在水库流域发生强降雨，而且此时段土壤含水量较低，水库水位低，防洪库容大，此时若发生大洪水，水库能够发挥出巨大的防洪减灾作用，并且现代科技对台风路径追踪极为准确，所以可控性高。

（二）东溪水库洪水发生时间、雨强分析

1.东溪水库建库以来洪水分析

东溪水库自1986年建库以来入库大于700m3/s的洪水共有22场，其中洪峰达到十年一遇标准1740m3/s以上的洪水有4场，通过对这22场洪水的最大1小时雨量、最大3小时雨量、最大24小时雨量以及单雨量站点降雨量达30mm/h的出现时间及个数统计分析发现若干有趣现象：

（1）22场洪水不考虑年份依照月日时间排序，中位数是6月21日和6月23日，平均数是6月20日，这个时间基本与夏至（每年6月21日或6月22日）吻合。夏至的特点是北半球在北回归线及以北区域获得太阳照射角最接近直角，获得太阳辐射的能量最大，显然暖湿气流的形成与传输与太阳能量关联巨大。

（2）洪峰大于1000 m3/s的洪水自建库以来全部都发生在6月8日之后，洪峰大于1740m3/s的洪水时间又往后了，6月份1场、7月份3场，其中“19920704”特大洪水重现期为50年。

（3）对所有洪水的最大3小时雨量进行排序，排名前4的洪水刚好也是洪峰统计排名最大的4场洪水。显然最大3小时降雨量是东溪流域的造峰雨量，和洪峰高度相关。而对最大24小时降雨量洪水进行排名，发现第2名的“20100619”洪水和第3名的“20030624”洪水二者洪峰均未超过1100m3/s，洪峰排名靠后，特别是“20100619”洪水多个雨量站点24小时超过200mm，达到特大暴雨标准，这表明东溪水库流域的洪峰与24小时最大降雨关联并不特别大。而短时雨强突出的“19920704”洪水虽然最大24小时降雨并不显著，但依然成为洪峰最大的洪水，该场洪水共出现15次单雨量站点超过30mm/h,单站最大1小时降雨量为67mm，单站最大3小时降雨量为108mm。对于东溪水库这个源头水库而言，对洪峰影响最大的是过程雨量的最大3小时雨量强度。所以未来东溪水库流域可能出现的大洪水的最大3小时雨强或单个雨量站点的一小时雨强一定是特别突出的。

（4）若我们以单个雨量站1小时降雨量达30mm以上作为极强降雨的一种标识，对水库流域洪水降雨进行统计，单个雨量站点达到30mm/h以上总出现个数排名前4名的洪水与洪峰流量前4名的洪水正好是吻合的，这个看似简单又直观的方法若在实际工作中得以应用将产生巨大的防洪减灾效益，因为工作人员可利用计算30mm/h以上雨量点出现个数迅速识别出东溪水库流域洪水可能的等级。这种极强降雨的标识能把大洪水预警时间大大提前。统计数据显示，水库建库以来最大4场洪水中最少的个数为9个，洪峰最大的“19920704”特大洪水也是对应个数最多的洪水。对东溪水库而言，大的洪峰的产生就必然源于雨强极大的降雨。

（5）22场洪水中出现1个以上30mm/h降雨站点的洪水共有16场，对第一次发生大于30mm/h降雨的时间段进行统计，发现这16场洪水在凌晨1时至7时这6个小时之间首次发生的有11场，建库以来最大的4场洪水首次发现均在该时段。当我们打开一天24个小时气温走势图，发现一天中温度低于其他时段的恰恰就是1时至7时。

（6）对这22场洪水统计发现，其中21场为锋面雨导致，只有“20080719”洪水为台风“海鸥”影响所致，虽然水库流域发生因台风雨生成洪水的概率较小，但还是在现实中发生了，且这场台风生成了自公元1887年以来影响水库最大的台风雨，但由于此时东溪水库水位低，洪峰大部分被水库消减，所以城区和下游三姑城区有惊无险。故锋面雨产生的洪水为东溪水库每年防汛工作中主要面对的洪水。

2.历史雨量月报数据分析

从表1统计的月均报表看，6月份均降雨最大，是洪水高发期。从月均雨量来看，台风对7月和8月的影响并未增加太多雨量，综合表格数据可以认为，台风会影响到东溪水库流域,产生一定的降雨使得月均降雨量名次进入前6名，但是台风在东溪水库流域产生大暴雨是小概率事件。7月的多年月均雨量并不大，但不可否认建库以来的特大洪水就发生7月，特别是2019年7月降雨量为665 mm，使得建库以来月均降雨量7月超过了3月，东溪水库流域通常在6月底锋面雨就会结束，但影响气候因素很多，气候异常时当季风形成的锋面雨带7月上半月依然能够覆盖东溪水库流域的时候，并且水汽来源地的海洋的水汽活动活跃时，发生暴雨的几率就变得很大，统计数据显示，东溪水库流域的特大洪水更倾向于发生在7月，而不是发生在月均雨量排名更靠前的5月。

表1 建库以来东溪水库月均降雨量（mm）表

3.历史考证

在1974年东溪水库大坝的勘测设计的水文报告中明确记录了4场洪水：重现期170年发生在公元1309年8月（至大二年7月）；重现期170年发生在公元1886年8月（光绪十二年7月）的台风雨；重现期75年发生在公元1900年6月27日的锋面雨洪水；1954年7月12日洪水（锋面雨形成），城区洪峰2780m3/s（小于水库建库以来最大4场洪水的城区洪峰）。这个报告的价值在于告诉我们台风雨对东溪水库流域的影响虽然很小，但是历史上8月生成的台风还是有可能发生让人不得不敬畏的大洪水，甚至是特大洪水，而这恰是我们水库人认知的盲区。此外，1937至1974最大的洪水就是发生在7月12日的锋面雨形成的洪水这一事实也验证了大洪水最可能发生的时间段在炎炎夏天。

二、东溪水库极端降雨形成因素与时间关系的分析

东溪水库流域大洪水的形成必须是源自连续的雨强很大的强降雨，而产生暴雨的若干条件其中有两条主要物理条件必须要满足:一是充足的源源不断的水汽；二是要有强盛而持久的气流上升运动。既然东溪水库流域的水汽来源是海洋，我们对于第一个条件加以分析，简化成什么条件最利于作为水汽来源地的海洋蒸发？什么条件可以传输更大的水汽？东溪水库的水汽来源有南海、东海以及孟加拉湾，就在北回归线附近的广大海域。我们知道，温度越高越有利于蒸发，而4月至7月海洋的水温是上升的，8月为海水全年最高温。此外，蒸发需要大量能量，太阳的直射使得海洋可以最大限度地获取太阳的能量，也就是水汽来源地最有利于海水蒸发，孟加拉湾、南海、东海的洋面将渐次受到太阳的往返二次直射，此时就是东溪水库水汽来源最充沛的时候，夏至日刚好直射北回归线，是这段时间的中轴，也是发生锋面雨大洪水客观条件最有利的时间段。至于第二条件关于强盛而持久的气流上升运动，研究发现其实冷暖气流交汇就是气流上升运动的重要动力，而冷暖气流的温差越大，则越有利于暖湿气流的快速上升，也越容易形成极端降雨，这实质是强降雨的动力来源。另外，温度的升高对水汽的传输是非常有利的，温度每升高一度，同等条件下大气饱和含水量大约增加6%，在假定水汽充足的情况下，月均温度差距是导致4月至7月锋面雨3小时雨强差距的最重要的原因，可以说温度差距直接导致洪水级别。将东溪水库月均温度的“对应空气饱和水汽含量”与“当月最大3场洪水的最大3小时降雨平均数”的相关关系计算得到相关系数r=0.9927，表明二者之间的关系为高度相关，这表明东溪水库流域大洪水产生的重要因素是暖湿气流的饱和水汽含量大小，气温越高水汽含量越大，使得单位时间内暖湿气流能够输送的水分子更多，致使单位时间内降雨更大，也就是雨强更大，而3小时雨强越大，则东溪水库流域越可能发生大洪水，这也就决定了东溪水库流域大洪水必定发生在气温更高的每年6月8日以后的夏天。

为何大于30mm/h强降雨开始的第一个时段大概率出现在凌晨1时至7时，因为此时是一天温度最低的六个小时，冷空气含水少，所以随着天气的降温反应快，而暖湿气流含水多，水的比热容大故降温慢，且水汽液化成水还会释放热量，减缓温度下降，故而冷暖气流之间的温差在凌晨1时至7时会扩大，温差扩大的结果就是暖湿气流上升更快，更容易发生极端降雨。这种极端降雨开始后，至少告诉了我们几个信息：一个是当下的水汽饱和度很高。其次，在暖湿气流快速上行力的作用下，当下的大气层结构是不稳定的，是容易发生暴雨的。再次，水库多场降雨数据表明这种极端降雨即便减弱，也会以较强的降雨持续一定的时长，当水汽供应不上时，这种强降雨才会消失。

本来应该受副热带高压控制的7月在东南季风减弱的情况下被锋面雨带覆盖的时候，原来小概率发生的洪水可能变成大概率发生雨强极强降雨，当水汽源源不断支持时，洪灾可能就会大概率出现。而8月是海洋温度最高的季节，特别是在8月上旬，在太阳直射的大洋上区域生成的台风，终将有一年会再次影响到武夷山，生成一场特大洪水。

三、统计分析的成果应用

历史洪水的统计分析结果表明，每年6月8日之后，特别是在气温很高的6月底或7月上旬容易发生大的锋面降雨类型的大洪水，这种作为东溪水库流域重点防范的大洪水大概率在凌晨1时至7时以强降雨方式开始，此外，7月下旬至8月上旬的台风雨也可能形成大洪水。正确理解锋面雨形成的大洪水的发生时间和雨强特征可以让我们提前预判并应对。比如，在6月底或7月初锋面雨带覆盖了东溪水库流域且雷达回波显示有强降雨时，就应该以严谨的态度来处理已出现的短时极端降雨。以“19920704”洪水为例，在凌晨4时至5时，水库流域的领阳雨量点1小时降雨量56mm，东坑雨量点1小时降雨量42mm,如果正确理解7月初凌晨发生两个雨量点的极端降雨的发生意味着当下产生强降雨的各种天气条件已经得到事实上的支持，暖湿气流在竖直方向能够有快速上升的动力，这种极具危害性的天气在锋面雨带的雷达回波运动中呈现类似直线传输时，意味着强降雨将得到水平方向上源源不断的水汽支持，强降雨必将持续，在已发生的多场强降雨均观察到此直线传输现象，此时若立即采取腾库措施，就可以争取到数个小时的时间，可以让城区的损失减少很多，而不是等待造峰雨量形成发出洪水预报时才作出响应。将两个以上雨量站点发生30mm/h强降雨的情形作为立即上报的强制制度，并充分理解高温时间锋面雨的危害性，就能及时采取对应措施。