太湖流域设计暴雨时空分布对太湖洪水位影响分析*

徐天奕

(太湖流域管理局水利发展研究中心，上海 200434)

太湖是我国五大淡水湖之一，位于太湖流域中上部区域，水面面积2338 km2，是太湖流域主要的水源地，也是流域洪水最大的调蓄水体，在太湖流域防洪治涝体系中具有不可替代的重要作用，治理和保护太湖是流域防洪治涝重要任务[1-3].如何合理确定太湖设计洪水位对于太湖大堤安全及太湖流域防洪十分关键.由于太湖流域人类活动影响显著[4-5]，太湖水位资料不能满足一致性，无法采用水位频率计算方法推求太湖设计洪水位，只能采用由流域设计暴雨推求太湖洪水位的间接途径.因此，科学合理地推求太湖流域设计暴雨，对于太湖设计洪水位确定非常重要.

太湖流域设计暴雨是否等价于太湖设计暴雨是一个值得讨论的议题.在《太湖流域防洪规划》中，100年一遇设计暴雨是针对整个太湖流域，考虑到包括太湖在内的七大水利分区的流域整体洪水水情[6]，由此推求的太湖水位的设计频率不够明确.近年来，随着频频出现的太湖高水位，一些专家学者对太湖大堤是否能抵御太湖100年一遇洪水位提出疑问，这对太湖流域防汛工作带来较大压力，也为流域防洪规划、建设与管理工作造成不少困惑.

太湖流域是我国水情特别复杂的平原河网地区，由于流域七大分区水系互通，水流顺逆不定，又受水利工程布局和调度影响，太湖入湖和出湖径流路径很复杂，太湖上游浙西山区洪水可从东苕溪分流进入下游杭嘉湖平原，上游湖西区则有部分区域径流直接流入下游武澄锡虞区，当武澄锡虞区和阳澄淀泖区水位较高时，区内洪水也可以排入太湖.因此，太湖上下游区域暴雨对太湖水位影响程度不像一般流域那样明确，必须根据暴雨时空分布状况模拟分析.目前太湖流域各类规划中主要以《太湖流域防洪规划》中提出的南部区域雨量与流域同频率的1999年型设计暴雨，以及北部区域雨量与流域同频率的1991年型设计暴雨为主[7-8].新的下垫面条件下所采用的设计暴雨时空分布对于太湖洪水位计算是否合理需要深入研究.

自太湖流域第一轮治理工程实施后，随着太湖流域经济社会快速发展，流域的土地利用、水利工程建设和水利调度模式有了很大的变化[9-11]，对太湖流域产汇流特性产生显著影响，流域暴雨洪水位响应时间缩短，水位上涨速率加快[12-15].近期有专家认为造成太湖流域高水位的暴雨响应时间已经低于30天.因此，上一轮流域防洪规划中设计暴雨计算中采用的30、60、90日设计暴雨控制时段是否合适需要加以论证.

根据太湖流域历史暴雨资料分析，自1949-2010年，造成太湖流域特大洪涝的历史暴雨有1954、1991、1999年暴雨，这些年份的暴雨时空分布有着明显差异，但均造成太湖持续高水位[16-17].近年来，随着全球气候变化和太湖流域快速城市化的影响，太湖暴雨洪水特性产生一定的变异[18-20]，尤其是近期2016、2020年的暴雨，其时程分配与1954、1991、1999年暴雨存在明显差异，同样造成太湖高水位，受到了广泛的关注[21-22].但在2015年前，特大暴雨雨型样本较少，有关太湖流域设计暴雨的时间分布研究受到制约，采用实测暴雨洪水资料的研究更少，且研究针对的对象多为河网区域，设计暴雨时间分布对太湖水体洪水位影响研究鲜有报道，与降雨空间分布相比影响程度是否更为显著，尚未做过系统分析.太湖流域与传统的山区闭合流域雨洪特点有很大差别，在其他地区研究规律未必适合太湖流域，因此，应该深入研究太湖流域暴雨的时程分配和空间分布对太湖洪水位的影响.

本研究针对设计暴雨计算中存在的问题，综合考虑太湖流域暴雨特性，选择合适的典型暴雨过程，系统分析设计暴雨控制时段、中心位置、时程分配特点，拟定设计暴雨各种时空分布场景，在太湖流域现状土地利用、水系分布、水利工程布局及调度模式基础上，通过水文水动力模型模拟各种设计暴雨场景下的太湖洪水位，分析设计暴雨的控制时段、时程分配和中心分布对太湖洪水位影响，以期为太湖流域治理和规划工作中推求设计暴雨提供合理依据.

1 研究方法

1.1 设计暴雨时空分布场景的设定方法

1.1.1 不同控制时段设计暴雨推求 对太湖流域长时期的暴雨洪涝灾情分析，太湖流域特大洪涝灾情大部分出现在每年5-7月的梅雨期，其特点是降雨范围广、降水量大、雨期持续时间长，极易造成太湖持久的高水位[23-25].长期研究表明，造成太湖较高洪水位的梅雨型暴雨，其主雨峰时间一般在30日左右，很少超过60日，30～60日的雨量对太湖洪水位的影响尤为显著.因此，《太湖流域防洪规划》设计暴雨计算中采用的控制时段为30、60、90日.

针对近年来太湖流域暴雨洪水响应时间缩短的趋势，为了分析设计暴雨最合适的控制时段，科学合理地制定太湖流域设计暴雨，更为准确地推求太湖设计洪水位，明确太湖大堤防洪安全标准，针对流域暴雨时程分配特点和太湖的调蓄能力，选取7、15、30、60、90日作为备选的控制时段，组成各类不同组合控制时段的设计暴雨场景，以论证在现状条件下不同控制时段设计暴雨对太湖洪水位的影响.

根据太湖流域防洪规划需求，设计暴雨频率统一取100年一遇.7、15、30、60、90日控制时段对应的设计雨量分别为313.4、424.8、560.6、786.3、975.1 mm(采用太湖流域防洪规划报告中的数据).

根据流域设计暴雨和典型暴雨的时段统计值，可由公式(1)推求对应于各场景的设计暴雨过程.

(1)

式中,Pp,j为流域第j日设计雨量(mm),PD,j为流域第j日典型雨量(mm),kti-ti-1为降雨控制时段ti-1至ti之间各日雨量缩放系数,XD,t为流域t时段典型雨量(mm),Xp,t为流域t时段设计雨量(mm).

1.1.2 不同暴雨中心设计暴雨推求 根据太湖流域下垫面特点，水利工程布局，水系的相对闭合性，产汇流特性及暴雨空间分布规律和尺度，地区传统分区习惯等因素，太湖流域被分为浙西区、湖西区、太湖区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区、杭嘉湖区、浦东浦西区七大水利分区[26]，见图1.其中浙西区、湖西区、太湖区汛期暴雨径流基本汇入太湖，称之为太湖上游区域；太湖洪水经武澄锡虞区、阳澄淀泖区、杭嘉湖区、浦东浦西区排入长江及杭州湾，这4个区合称之为下游区域.全流域面积为36895 km2，其中上游区面积为16672 km2，下游区面积为20223 km2.

图1 太湖流域水利分区示意图

根据太湖流域防洪规划设计暴雨计算成果，流域上游和下游区域100年一遇设计暴雨时段雨量见表1.

表1 太湖上游和下游区域100年一遇设计雨量

由于地形地貌和地理位置的降水效应，各水利分区的降雨特性存在差别，在流域(或区域)设计雨量已经确定的前提下，各分区逐日相应设计雨量可以按各时段多年平均雨量为权重加以分配，按公式(2)将流域(或区域)设计雨量分配到各水利分区.

(2)

与流域暴雨同频率区域控制时段设计雨量采用太湖流域防洪规划设计成果，流域其它区域相应雨量采用公式(3)计算.

(3)

式中,Xp，t为流域时段t设计雨量(mm),XA，t为与流域暴雨同频率区域时段t设计雨量(mm),XB，t为流域其它区域时段t相应雨量(mm),F为流域面积(km2),FA为同频率区域面积(km2),FB为相应区域面积(km2).

已知各时段设计雨量，与流域设计暴雨同频率区域或非同频率相应区域逐日雨量均可采用公式(4)计算.

(4)

式中,Pj为与流域暴雨同频率区域(或相应区域)第j日设计雨量(mm),PD，j为与流域暴雨同频率区域(或相应区域)第j日典型雨量(mm),kti-ti-1为同频率区域(或相应区域)控制时段ti-1至ti之间日雨量缩放系数,Xt为同频率区域(或相应区域)t时段设计雨量(mm),XD，t为同频率区域(或相应区域)t时段典型雨量(mm).

据此，可以拟定暴雨中心所在的区域与流域设计雨量同频率，其它区域雨量相应，组成相应的设计暴雨空间分布场景进行相关分析.

1.1.3 不同时程分配设计暴雨推求 根据太湖流域水文气象资料，造成太湖特高水位的暴雨均由梅雨所形成.自1950年以来，太湖最高水位的前5名按时间顺序分别为1954、1991、1999、2016、2020年，各年份最大30、60、90日雨量及太湖最高水位统计见表2.这些年份暴雨的时段雨量与时程分配不尽相同，可以作为分析不同时程分配的暴雨典型，据此推求出不同时程分配的设计暴雨场景，作为分析设计暴雨时程分配对太湖洪水位影响的基础.由典型暴雨推求设计暴雨按公式(1)采用同频率放大法.

表2 典型年时段雨量及太湖最高水位

1.2 太湖洪水位模拟方法

流域产流及河网汇流计算采用太湖流域水文水动力数学模型，该模型由河海大学和太湖流域管理局共同研制，1990年代迄今一直应用于太湖流域水利规划、设计与管理工作[27-29].近年来经过改进和完善，根据最新的下垫面、河道湖泊、水利工程资料进行细化，采用了流域历史及近期的多年降雨和相应水位资料进行率定，能够可靠地模拟流域产汇流和河网汇流规律，根据流域降水准确地推求太湖洪水位过程.

根据太湖流域现状土地利用、水系分布、水利工程布局及调度方式，采用太湖流域数学模型，由设计暴雨场景可推求得太湖洪水位过程.

水动力模块主要通过求解描述河道水流运动的圣维南方程组，得到全流域平原区河网节点水位、河道断面流量等结果.水动力模块的计算步长为300 s.

1.2.2 参数分析与率定 模型选取了2016年和2020年梅雨期作为典型洪水时段进行模型参数率定.结果表明，太湖水位过程与实测值拟合较好，太湖计算最高水位与实测水位误差在1 cm.太湖水位率定结果见图2.

图2 太湖水位率定结果

2 太湖设计暴雨时空分布对太湖水位影响分析

2.1 设计暴雨控制时段对太湖最高水位的影响分析

1999年汛期暴雨是太湖流域有雨量记录以来最大雨量，出现在梅雨期，造成太湖历史最高水位4.97 m，引发特大洪涝灾害.1999年暴雨中心主要位于流域南部区域，太湖区、杭嘉湖区、浙西区和浦东浦西区最大90日降水量均超过1000 mm，而流域北部湖西区、武澄锡虞区降水量相对较小.经考证，1999年流域最大30日和最大90日雨量重现期在200年左右，是太湖流域规划、建设和管理工作特别重视的暴雨洪水[30-32]，也是太湖流域防洪规划设计暴雨计算中采用的主要暴雨典型.因此，采用1999年最大90日雨量作为典型暴雨过程，根据控制时段100年一遇雨量设计值推求流域设计暴雨.

场景1-1：按照太湖流域防洪规划，设计暴雨计算的控制时段为30、60、90日，采用同频率缩放方法由典型暴雨推求设计暴雨.

场景1-2：考虑暴雨洪水响应时间的缩短，设计暴雨计算的控制时段为15、30、60日，采用同频率缩放方法由典型暴雨推求设计暴雨.

场景1-3：考虑更短历时暴雨对太湖洪水位的可能影响，设计暴雨计算的控制时段为7、15、30、60日，采用同频率缩放方法由典型暴雨推求设计暴雨.

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各场景计算的太湖最高水位及相应出现时间见表3.

表3 设计暴雨控制时段对太湖洪水位的影响

根据3个场景不同控制时段设计暴雨场景对太湖洪水位模拟结果可以看出，太湖最高洪水位差别小于0.5 cm，峰现时间基本一致，说明太湖调蓄能力较强，30日以内短历时雨量分配对太湖最高洪水位及峰现时间影响并不明显.因此，在现阶段推求太湖本体的设计洪水位，采用30、60、90日作为设计暴雨的控制时段仍然是合适的.

按1999典型暴雨过程，以30、60、90日作为控制时段得出的流域设计暴雨过程及模拟的相应太湖水位过程见图3和图4.

图3 以30、60、90日为控制时段的太湖流域设计暴雨过程

图4 对应于30、60、90日为控制时段的设计暴雨的太湖水位过程

对于太湖流域河网或水利分区河道，由于调蓄能力远低于太湖，河道洪水位的敏感暴雨时段可能会更短，但如果兼顾到流域河网或分区，增加30日以下的控制时段推求设计暴雨也是合理的，且对太湖最高水位推求结果没有影响，这需要另外列题作进一步研究.

2.2 暴雨空间分布对太湖最高水位的影响分析

基于图3以30、60、90日为控制时段的太湖流域设计暴雨过程，拟定了3种不同暴雨中心分布的设计暴雨场景，用以分析中心位于不同区域设计暴雨的空间分布对太湖洪水位的影响：

场景2-1：各水利分区设计雨量按多年平均雨量为权重分配.

场景2-2：太湖上游区域雨量与流域设计雨量同频率，下游区域取相应雨量，上游区域或下游区域内各水利分区按多年平均雨量为权重分配雨量.

场景2-3：太湖下游区域雨量与流域设计雨量同频率，上游区域取相应雨量，上游区域或下游区域内各水利分区按多年平均雨量为权重分配雨量.

表4列出了对应于以上3个考虑空间分布设计暴雨场景的流域水利分区最大90日设计雨量.

表4 设计条件下水利分区90日雨量统计

从表4可以看出，场景2-1考虑了流域各分区多年降雨均值，使得流域上游区域雨量相对于下游区域比重增加.上游区域雨量与流域设计雨量同频率的场景2-2在上游3个区的设计雨量均高于其它场景.下游区域雨量与流域设计雨量同频率的场景2-3在下游3个区的设计雨量均高于其它场景.

针对3个暴雨空间分布场景的设计暴雨过程，采用太湖流域水文水动力模型推求太湖洪水位过程，太湖最高水位结果见表5.

表5 不同设计暴雨空间分布对太湖洪水位影响

根据表5所列3个场景对太湖最高洪水位模拟结果，设计暴雨中心位于流域上游区域的场景2-2模拟出的太湖洪水位最高，与暴雨中心位于下游的场景2-3相比，高出4.1 cm，说明太湖上游区域降水对太湖洪水位影响更为明显.按各水利分区以多年平均雨量为权重分配的场景2-1模拟的太湖最高洪水位较场景2-2低2.5 cm，但较场景2-3高1.6 cm.

太湖洪水位对上游区域暴雨更为敏感主要是上游山丘区坡陡流急，汇水速度快，调蓄能力较小，加之太湖湖面的直接降雨径流，造成太湖水位迅速上涨.下游平原河网洪水对太湖水位顶托作用较上游区域直接汇入的作用相对较小，也使得下游区域暴雨径流对太湖洪水位影响程度降低.

从太湖设计洪水位安全角度考虑，采用暴雨中心位于流域上游区域的场景2-2比较可靠，如果需兼顾流域其它区域河网设计洪水位，可以采用各水利分区按多年平均雨量为权重分配的场景2-1.如果关心太湖下游平原河网区洪水位，可以采用设计暴雨中心位于流域下游区域的场景2-3.

太湖最高洪水位模拟值出现在7月4日，即设计暴雨过程的第27日，基本在最大30日雨量核心暴雨结束后1日就达到峰值，说明流域现状产汇流反应速度很快.每一场景的对应的太湖洪水位峰现时间相同，说明对于同一时空分布的暴雨典型，设计暴雨的空间分布对太湖最高洪水位的发生时间没有明显影响.

2.3 暴雨时程分配对太湖最高水位的影响分析

1950年迄今造成太湖最高水位的典型暴雨中，1954年最大90日雨量较大，降雨时程分配比较均匀，但30日雨量重现期仅5～6年，不太符合现状条件流域防洪雨型；1991年汛期主雨区在湖西区和武澄锡虞区，30日最大雨量由两段梅雨的降雨组成，两段主雨期之间约有10日未降雨，雨型不常见，使得以此为典型设计暴雨计算出的太湖设计洪水位偏低.1954年和1991年作为流域暴雨典型年均不太合适.

1999年是太湖流域有记录以来最大的梅雨，暴雨中心位于流域南部区域，造成的太湖洪水位处于历史最高，一直是太湖流域防洪规划和一些区域防洪规划中最核心的雨型.

2016年梅雨期的暴雨中心位于太湖上游的湖西区，上游区降水整体大于下游区.流域最大30日雨量频率接近20年一遇，60、90日雨量频率约为30年一遇.最大30日主雨峰雨量集中且位于最大90日雨量过程后部，属于对太湖流域防洪安全很不利的暴雨时程分配，见图5，本次暴雨造成太湖4.87 m的最高洪水位，仅次于1999年太湖最高水位.

图5 2016年最大90日暴雨过程

2020年梅雨期的降雨中心位于武澄锡虞区和太湖上游的浙西区，降水在流域上分布相对均衡，最大30、60日雨量均超过2016年.最大30日主雨峰位于最大90日雨量过程中后部，也属于对太湖流域防洪安全不利的暴雨时程分配，7月21日太湖最高水位4.79m，属于太湖流域第三最高水位，与1991年太湖最高水位齐平(图6).

图6 2020年最大90日暴雨过程

根据以上分析，选择1999、2016和2020年梅雨期最大90日暴雨过程作为典型暴雨，分析降雨时程分配对太湖洪水位的影响.

场景3-1：采用1999年最大90日典型暴雨过程，设计暴雨计算的控制时段为30、60、90日，采用同频率缩放法由典型暴雨推求流域设计暴雨过程，各水利分区按多年平均雨量为权重分配雨量.

场景3-2：采用2016年最大90日典型暴雨过程，设计暴雨计算的控制时段为30、60、90日，其它推求方法同场景3-1.

场景3-3：采用2020年最大90日典型暴雨过程，设计暴雨计算的控制时段为30、60、90日，其它推求方法同场景3-1.

为了更为直观认识不同典型暴雨过程得出的设计暴雨时程分配特征，绘制了30、60、90日设计暴雨时程分配概化图，明显可见场景3-1暴雨雨峰位于设计暴雨过程最前期，场景3-2暴雨雨峰位于后期，场景3-3暴雨雨峰位于中后期(图7).

图7 设计暴雨时程分配概化

针对3个场景的设计暴雨过程，采用太湖流域河网水文水动力模型推求太湖洪水位过程见图8，相应的太湖最高水位及出现时间与时序见表6.

图8 不同设计暴雨场景太湖洪水位过程对比

表6 设计暴雨时程分配对太湖洪水位影响

图8和表6所列3个场景对太湖最高洪水位模拟结果表明，设计暴雨的时程分配对太湖最高洪水位影响明显.在同等条件下，30日核心暴雨出现时间越是偏后的设计暴雨场景，模拟出的太湖洪水位最高.在3个场景中，雨峰位于设计暴雨后期的场景3-2对应的太湖最高水位较雨峰位于设计暴雨前期场景3-1高出16 cm，也较雨峰位于设计暴雨中后期场景3-3高6.5 cm.同样，场景3-3对应的太湖最高水位也比场景3-1高出9.5 cm.与之对比，1999年实测太湖最高水位为4.97 m，相当于本次研究中场景3-2的100年一遇暴雨推求得太湖最高水位，但因为1999年实况很多区域积水成涝，根据太湖流域管理局有关部门分析计算，按流域现状土地利用和工程条件计算，太湖最高洪水位远高于1999年实测值.

对应于场景3-2太湖最高洪水位出现在7月7日，即设计暴雨过程的第83日，场景3-3太湖最高洪水位出现在7月21日，即设计暴雨过程的的第69日，基本在设计暴雨核心降雨结束后一天内就达到水位峰值.这说明，由于流域汇流能力的增强，无论什么类型的暴雨时程分配，太湖洪水位响应都是比较迅速的.

根据太湖流域暴雨洪水关系的有关研究，时段为30日左右的雨量对太湖洪水位影响较为明显[33-34]，但主雨峰前期雨量影响初始水位.依据太湖流域防洪规划采用的1999年典型暴雨，最大30日暴雨时间位于设计暴雨过程初始阶段(图7)，从对应的太湖水位过程(图8)可见，30日主雨峰后的60日降雨对太湖最高水位没有贡献，只是影响太湖的退水过程，使得推求出的太湖最高水位相对雨峰偏后的场景偏低.根据《水利水电工程设计洪水计算规范》(SL44-2006)，以及有关水文专业文献对流域设计暴雨计算的论述[35-36]，以1999年作为典型暴雨不太符合设计暴雨计算关于雨峰偏后的安全原则.

根据以上分析，在太湖流域规划、设计、管理及研究工作中，增加2016年和2020年的暴雨典型，并结合流域综合需求作进一步研究，对于更为合理推求太湖流域设计暴雨，进而通过模拟计算推求太湖设计洪水位，保障全流域的防洪安全是非常必要的.

3 结论

1)根据不同控制时段的组合采用同频率缩放方法推求设计暴雨场景，通过太湖流域水文水动力数学模型模拟了对太湖洪水位过程的影响，结果表明7日、15日控制时段暴雨对太湖最高洪水位及出现时间基本没有影响，太湖设计暴雨采用30、60、90日作为控制时段是合适的.如果要综合考虑区域河网设计水位，增加7、15日控制时段也是可行的，但需要专题深入研究.

2)对设计暴雨中心位于流域不同区域对太湖最高水位的影响模拟结果表明，在相同暴雨频率条件下，降水中心位于上游的暴雨过程造成的太湖洪水位明显高于其它空间分布的设计暴雨，在100年一遇设计暴雨条件下，最大差值为4.1 cm，说明太湖洪水位对上游区域的暴雨响应较为敏捷.

3)对1999、2016、2020年典型推求的设计暴雨分析表明，设计暴雨时程分配对太湖洪水位影响非常显著.在同等条件下，核心雨量位于设计暴雨后期则会造成更高的太湖洪水位，在100年一遇设计暴雨条件下，不同时程分配的设计暴雨推求出的太湖最高洪水位相差16 cm.因此，建议考虑2016、2020年梅雨期降雨作为太湖设计暴雨分析计算的备选典型，并作进一步综合分析论证.

4)太湖流域防洪规划中太湖设计洪水位的重现期不明，影响太湖大堤安全，根据本文设计暴雨方法，通过进一步分析论证，可以更为合理推求出指定频率太湖设计水位，为相关防洪工程规划、设计和管理提供合理依据.