大汶河流域“2020·8”连续性暴雨洪水特性分析

(1.泰安市水文中心，山东 泰安 271000；2.山东省水文中心，山东 济南 250002)

随着气候变化和人类活动的双重影响，近年来大汶河流域极端降雨呈频发趋势，2018年、2019年连续2年受台风“温比亚”“利奇马”影响普降大暴雨，2020年8月上中旬接连发生4场大暴雨洪水。本文根据大汶河流域实测水文数据，从多方面对连续性暴雨洪水过程进行分析，得出暴雨洪水演变规律，对指导大汶河流域防汛抗洪减灾、提高雨洪资源的利用具有重要意义。

1 流域概况

大汶河是黄河下游的重要支流，流域面积8944km2。大汶河中游以上有牟汶河、柴汶河，牟汶河设有莱芜、北望水文站；柴汶河设有楼德水文站，干流设大汶口水文站，最后经戴村坝水文站汇入东平湖。

2 暴雨分析

2020年8月大汶河流域气候异常，全流域性强降雨频繁发生，全月降雨天数达21天。8月流域平均降雨量为415.2mm，比历年同期偏多172%。根据历史系列资料统计分析，2020年8月大汶河流域平均降雨量排历史同期第一位，重现期为80年一遇。降雨集中在柴汶河上游，局部地区降雨量超过600mm，月最大点雨量为新泰市南高村雨量站636.5mm，达到该站极大值。大汶河流域8月平均日雨量见图1。

2.1 连续降雨天气成因

a.8月影响我国雨带位置的副热带高压偏强、偏西，副热带高压控制了我国南方的大部分地区，而山东省处于副热带高压边缘；副热带高压与台风也相互影响，强大稳定的西太平洋副热带高压和台风配合，有利于强降雨区维持。2020年8月，副热带高压在山东省与江苏省交界处一带摆动，4号台风“黑格比”于4日凌晨在浙江省乐清市沿海登陆，向西北偏北方向移动，6号台风“米克拉”于8月11日早上登陆，台风的移动路径也有利于副热带高压偏北偏西，使副热带高压外围充沛的水汽源源不断输入山东。

图1 大汶河流域8月平均日雨量

b.中纬度的西风带环流小波动频繁，多西风槽活动，携带弱冷空气东移，与副高边缘的西南暖湿气流交汇，形成强降雨；强冷空气活动频繁，高纬度不断有冷涡生成，冷涡势力比较强盛，不断有冷空气下来与副热带高压边缘的西南暖湿气流相遇，形成对流性降水，并伴有短时强降水；强降雨期间，中低层切变线天气系统稳定少动，并伴有西南涡生成，西南涡向东北方向移动，雨区处于低涡的中心区和移向的右前方，山东省处于西南涡的第一象限内，易产生强降雨，且低空西南急流持续加强，天气系统共同发展加剧了降雨强度。

2.2 雨量分析

2020年8月上中旬大汶河流域发生4场明显的强降雨过程，采用流域内89个报汛雨量站的资料计算分析降雨情况。

a.第一场降雨发生在8月1—2日，大汶河流域自西向东普降大暴雨，平均降雨量为116.8mm，全流域雨量超过100.0mm的笼罩面积为5724km2，占全流域的64%；雨量超过200.0mm的降雨笼罩面积为269km2，占全流域的3%。

b.第二场降雨发生在8月6—7日，大汶河流域普降暴雨，局部地区大暴雨，平均降雨量为89.7mm，全流域雨量超过100.0mm的笼罩面积为2683km2，占流域面积的30%。

c.第三场降雨发生在8月13日，大汶河流域普降暴雨，局部地区大暴雨，平均降雨量为132.8mm，降雨量超过100.0mm的笼罩面积为5814km2，占全流域的65%；降雨量超过200.0mm的笼罩面积为1789km2，占全流域的20%。大汶河主要水文站累计雨量过程线见图2。

图2 大汶河主要水文站“8·14”洪水的累计雨量过程线

d.第四场降雨发生在8月20日，流域普降中到大雨，局部暴雨，平均降雨量为34.7mm，降雨量超过50.0mm的笼罩面积为2504km2，占全流域的28%。

2.3 2h雨强分析

大汶口水文站是大汶河干流的主控制站，流域面积5696km2，选取14处雨量站，按算术平均法计算各场次平均雨量，分析2h雨强，见表1。

表1 大汶口水文站以上流域降雨要素

由表1可知，四场降雨中第一场和第三场的降雨强度都比较大，变化范围在34～38mm/2h，第二场和第四场的降雨强度较小，变化范围在20～24mm/2h。

3 前期影响雨量

前期影响雨量是影响降雨形成径流的一个重要因素。如果流域内前后两天无雨，前期影响雨量Pa[1]为

Pa,t+1=KPa,t

(1)

如果第t日内有降雨Pt，但未产流，则

Pa,t+1=K(Pa,t+Pt)

(2)

如果第t日内有降雨Pt，并产生径流Rt，则

Pa,t+1=K(Pa,t+Pt-Rt)

(3)

式中：Pa,t、Pa,t+1为t日和t+1日前期影响雨量,mm；Pt为t日的流域平均降雨量,mm；Rt为Pt这一天形成的径流量,mm。

大汶口站土壤含水率的消退系数取经验值K=0.90，从汛前干旱少雨时期开始逐日推算，可得独立4场洪水的前期影响雨量：第一场为30.8mm，第二场为73.3mm，第三场为56.2mm，第四场为64.5mm。

4 洪水分析

受持续强降雨影响，8月大汶河干支流全线发生洪水，多座大中型水库达到汛限水位开闸泄洪，作为接纳大汶河来水的东平湖，水位持续上涨，8月17日14时，东平湖水位42.34m，超过警戒水位0.62m，东平湖防汛形势异常严峻。

4.1 洪水过程

大汶口水文站是大汶河干流的主控制站，本次河道洪水分析以大汶口水文站监测断面实测流量过程进行。根据监测资料，将洪水划分成首尾相接的4场洪水。大汶口水文站各场次洪水特征值统计见表2，洪水过程线和平均日雨量过程线见图3。

图3 大汶口水文站8月逐日流量过程线

表2 2020年8月大汶口水文站各场次洪水特征值统计情况

由表2、图5可知，第一场洪水于8月2日8时开始起涨，洪峰流量为975m3/s，最大1h涨幅为170m3/s；第二场洪水于8月6日19时开始起涨，洪峰流量为915m3/s，最大1h涨幅为215m3/s；第三场洪水于8月13日17时开始起涨，洪峰流量为1560m3/s，最大1h涨幅为280m3/s，受上游拦河闸放水影响，15日8时出现复峰1170m3/s；第四场洪水于8月20日8时开始起涨，洪峰流量为782m3/s，最大1h涨幅为98m3/s。

4.2 径流系数

通过计算流域平均面雨量和次洪径流深，可得4场独立洪水的径流系数分别为0.18、0.41、0.50、0.71，4场洪水的径流系数呈现递增的趋势。第一场洪水由于前期降水偏少，土壤缺墒严重，河流基流小，降雨损失大，产流小，导致径流系数小。随后3场洪水，前期土壤逐渐饱和，河道蓄水充足，产流大，径流系数随之增大。

4.3 典型洪水对比分析

在4场独立的洪水中，洪峰流量排前的是8月2日和8月14日的两场洪水，其洪水过程线和平均雨量过程线分别见图4和图5。根据洪水特征值统计情况(见表2)对比分析两场洪水可知，虽然“8·2”洪水的平均雨量大于“8·14”洪水，但“8·2”洪水的降雨强度、前期影响雨量、洪峰流量、次洪洪量和径流系数均小于“8·14”洪水，原因是“8·2”洪水为汛期第一场洪水，前期影响雨量小，河道基流小，甚至部分河段断流，雨量虽大，受下渗、截留、水利工程拦蓄等影响，暴雨产生洪峰并不大。通过对两场洪水进行对比分析可知，降雨强度和前期影响雨量是这两场洪水的主要影响因素。

图4 2020年大汶河“8·2”洪水和平均雨量过程线

4.4 与历史典型洪水对比分析

为拦蓄雨洪资源，地方政府自2000年以后在大汶河干支流层层建设拦河闸坝，流域下垫面变化较大。为了便于比较，选取近20年的洪水过程进行对比分析。从洪水过程次数、最大流量、最大洪量等方面对“2020·8”洪水过程进行综合分析，并与2000年、2004年两个典型洪水进行对比分析。

a.洪水过程次数对比。2020年8月2—20日短短18天内，大汶河出现了4次洪水过程，高于2004年7月出现2次连续洪水过程和2000年的1次洪水过程。

b.洪水流量对比。2020年8月大汶口水文站最大洪峰流量1560m3/s，高于2000年的洪峰流量948m3/s，低于2004年的洪峰流量1660m3/s。

c.最大7d洪量对比。2020年最大洪量为3.14亿m3，2000年洪量为1.44亿m3，2004年洪量为3.00亿m3，2020年洪量高于2000年、2004年洪量。

综上所述，2020年8月洪水过程次数、洪量均大于2000年、2004年，洪峰流量大于2000年洪水。

5 结 语

本文根据实测水文资料，对大汶河流域连续性降雨及洪水多要素进行了细致分析，对比了4场洪水产流的差异，并与历史洪水进行了对比分析。通过计算分析，2020年8月大汶河流域降雨具有雨量大、降雨过程频繁[2]、降雨持续时间长、覆盖范围广的特点，4场洪水的径流系数依次增大，前期影响雨量和降雨强度是影响两场洪水的主要影响因素；明晰了暴雨洪水时空演变规律，对指导防汛抗洪减灾、提高雨洪资源的利用均有重要意义。

在气候变暖的背景下，局地降水特征发生显著变化，大汶河流域自2018年至2020年连续3年出现极端降雨。此次连续性降雨雨区高度重叠，土壤、山体已接近饱和状态，部分水库塘坝已经接近警戒水位，极易造成洪涝、山体滑坡、泥石流等次生灾害。因此，为做好大汶河流域的防汛减灾工作，确保群众生命财产的安全，提出以下建议：气象部门要密切监视天气，做好极端气象灾害预报预警工作；水文部门做好暴雨洪水监测预警预报工作；各级应急部门、自然资源部门和水利部门要充分运用现代高新技术，建立健全防灾减灾体系，加强会商研判，及时准确预报预警。在搞好大中型水库防汛减灾工作的同时，又要加强对河道、小型水库及塘坝的管理，坚决杜绝在河道内乱挖沙、乱围垦等违法活动，确保河道行洪畅通；在做好防洪抢险减灾的同时，科学调度，加大拦蓄，不断提高洪水资源的利用率。