沿江城市降雨特性及雨洪关系分析——以四川泸州市为例

刘媛媛 刘业森 刘方华 李梦阳

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心（水旱灾害防御中心），北京 100038；3.水利部数字孪生流域重点实验室，北京 100038；4.四川省泸州市住建局，泸州 646099）

1 研究背景

沿江城市是指有河流穿过或者濒临江河的城市[1]，同时受外洪、内涝的威胁，相互影响、相互制约，暴雨洪水关系复杂。外江洪水水位高，城区涝水难以排出；城市排涝能力强，加大了河道行洪压力和洪水泛滥的可能性。沿江城市还是我国人口集中、产业规模大、经济高速发展的地区。随着经济的发展，城市范围急剧扩张，外河成为内河，雨洪调蓄空间减少，不透水面积增大，洪涝灾害引起的损失也逐渐放大[2-4]。如何在抵御外江洪水的同时，及时有效地外排涝水，提高城市的防洪排涝能力，是目前亟待解决的主要问题。

暴雨时空分布的均匀性、暴雨中心的移动方向等特征，决定了流域洪水特性[5]。城市内涝积水与暴雨雨强和时空变化特征有直接关系，在汇流历时内平均雨强相同的条件下，雨峰在中部或后部的雨型比均匀雨型的洪峰大30%以上[6-7]。因此需要充分认识和掌握暴雨的时空变化规律及对应的洪水特征，这对于城市防洪排涝体系规划建设，城市洪涝风险管理水平提高，具有积极重要的意义[8-9]。传统的暴雨雨型分析，主要是以单站或者代表站为研究对象，然而真实的降雨过程中，雨带通常移动迅速，过程总雨量的空间分布或单点的雨强时程分布，都不足以准确刻画一场降雨的动态时空分布特征[10]。因此，需要对研究区域内所有雨量站的资料进行分析[11]，对暴雨的时空特征进行客观分析，提升短历时暴雨的应急管理能力。本文以四川泸州中心城区为例，区别传统的以单雨量站资料为对象的分析方法，以影响泸州地区降雨特征的各雨量站1998—2021年降雨洪水资料为对象，对地区降雨动态时空规律及相应的洪水特征进行分析和统计，提取特征，总结规律，以期为新形势下沿江城市防洪减灾体系建设提供参考。

2 研究区概况

泸州市位于四川省东南部，雨量充沛，地势北低南高，长江和沱江在此交汇，两江穿城而过，如图1 所示。泸州市的地理环境决定了其在汛期易受洪涝灾害侵袭[12]。由于长江、沱江上游为大暴雨区，集雨面积大，洪水峰高量大，持续时间长。在长江高水位时，泸州市区各河段受长江高水位顶托影响，水位普遍偏高，洪水对城市洪涝有直接影响。

图1 研究范围

3 降雨时空特征及对应洪水特征分析

本文以长江上游李庄站、沱江上游富顺站作为研究区域上边界，以长江泸州站为下边界，对范围内各测站1998—2021年逐小时降雨资料进行分析。首先对研究范围降雨场次进行划分。认为连续超过2 h且降雨量小于0.1 mm为无效降雨，按照这个规则划分降雨场次。再从中挑选出1 h降雨量达20 mm 以上或6 h 降雨量达30 mm 以上的降雨场次，1998—2021年筛选出强降雨过程134场，对这134场暴雨过程时空分布特征进行分析和统计。经分析，泸州市强降雨时空分布特征可以分为3种类型，每种类型的降雨时空分布特征各不相同，形成的长江、沱江洪水过程也各不相同。

（1）第1种类型，降雨自沱江上游开始，向下游移动。此类降雨主要发生在沱江流域，对沱江水位有影响，长江水位受其影响较小，对泸州市区危害较小，该类型降雨发生次数较少，在1998—2021 年共发生22 场，占总样本数的16.4%。历史上2006 年5 月9 日、2007 年6 月29 日、2008 年5 月1 日、2014 年6 月2 日降雨时空特征属于该类型。图2、图3分别为2014年6月2日实测降雨和洪水过程。

图2 2014年6月2日实测降雨过程

图3 2014年6月2日实测洪水过程

由图2、图3 可知，该类型降雨的暴雨中心在沱江流域，主要影响沱江洪水位，沱江水位平均变幅1～2 m，对长江洪水位影响不大。此类型降雨，长江对沱江顶托作用不明显，泸州市附近的降雨对长江洪水位的影响较小，长江洪水位稳定，水位变幅较小。

（2）第2种类型，降雨发生在长江流域，此类降雨相对比较集中，暴雨中心集中在李庄、泸州等站。此类型降雨在汛期出现的次数较多，1998—2021 年共发生55 场，占总样本数的41.0%。历史上2006 年9 月4 日、2012 年7 月16 日、2012 年7 月21 日、2013 年8 月1 日降雨时空特征属于该类型。图4、图5分别为2012年7月21日实测降雨和洪水过程。

图4 2012年7月21日实测降雨过程

图5 2012年7月21日实测洪水过程

由图4、图5 可知，该类型降雨的暴雨中心发生在长江流域，长江洪水位较高，高水位持续时间较长，对泸州市区排涝顶托明显。沱江洪水位受长江水位顶托明显，水位变化趋势和长江水位基本一致。长江洪水位影响沱江洪水位，沱江洪水位变化幅度较大，平均变化幅度在4～8 m。

（3）第3 种类型，此类型降雨有两个暴雨中心，分别在沱江上游和长江上游。降雨自沱江上游开始，过程中叠加了长江上游的降雨，一起向泸州市移动。暴雨中心移动方向和长江、沱江洪水演进方向一致，属于最不利的降雨。此类型降雨主要出现在长江流域主汛期（6—8 月），1998—2021 年共发生48 场，占总样本数的35.8%。历史上2007 年8月23日、2012年9月10日、2014年9月16日、2018年5月21 日降雨时空特征属于该类型。图6、图7 分别为2014 年9 月16日实测降雨和洪水过程。

图6 2014年9月16日实测降雨过程

图7 2014年9月16日实测洪水过程

由图6、图7 可知，该类型降雨过程中，沱江上游降雨过程中叠加了长江上游的降雨，一起向泸州市移动。暴雨中心移动方向和长江、沱江洪水演进方向一致，长江、沱江洪水涨峰历时较长，一般持续48 h 左右。沱江洪水位受长江洪水顶托影响较大，且叠加本流域暴雨，沱江洪水位持续在高水位。该类型暴雨洪水过程，长江、沱江持续高水位，属于最不利的洪水过程，洪涝风险极大。

4 结 论

沿江城市洪涝关系复杂，外江洪水特征直接影响城市防洪排涝。本文以四川泸州市为例，对沿江城市雨洪遭遇问题进行了分析，得到如下结论。

（1）影响泸州地区降雨的时空分布特征可以分为3 种类型。发生第1 类降雨时，降雨自沱江上游开始，向下游移动。此类型降雨主要发生在沱江流域，对沱江水位有影响，长江水位受其影响较小，对泸州市区危害较小；发生第2类降雨时，暴雨中心发生在长江流域，长江洪水位较高，对泸州市区排涝顶托明显，沱江洪水位变化幅度较大，平均变化幅度在4～8 m；发生第3 类降雨时，暴雨中心在长江、沱江上游，暴雨中心移动方向和长江、沱江洪水演进方向一致，长江、沱江都持续高水位，沱江受长江顶托作用明显。长江、沱江洪水涨峰历时较长，洪涝风险极大，属于最不利降雨洪水过程，需要重点防范。

（2）降雨中心分别在不同的位置，对河道洪水影响各不相同。城市洪涝统筹管理时，不能仅考虑城市局部的雨洪条件，还需要结合城市上游情况，从流域、区域层面合理统筹。

（3）长江上游各水电站投入运行后，对下游地区的洪水位影响较大。本文仅以泸州地区为例，日后可将研究范围扩展，进一步分析上游水电站的调度运行对下游地区洪水位的影响，以得到更为客观的结果。