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2018.8.19寿光洪灾成因分析
加入时间:2018/9/3 20:34:03   点击:67

       背景:

    近日来,8月19日寿光洪灾成因的相关新闻在媒体、网络及微信中报道频频。是调度不当?是天灾?秉着职业的敏感和高度的社会责任心,宜水环境迅速组织本公司力量,聚集具有多年国内外大型流域洪水风险管理和数值模拟经验的团队智慧,开展研究工作。经过连续5天的调研、公共资源的收集分析、模型的构建和模拟分析,秉持着科学、独立、客观、公正的科研态度,形成了819寿光洪水灾情成因的技术结论。

    本报告是研究的主要依据和结论的技术汇总。报告对事件最关键的洪水成因、风险识别、调度方案评估,做出了团队专业的判断。权威的结论,有待相关管理部门发布。我们真正的期望是通过专业工作,理性分析成因,总结教训,提出由此事件引起的普遍适用于众多同类事件的启发和建议。我们希望尽微薄之力,帮助加强全社会洪水风险意识,转变年年频发的被动救灾局面。 

 

一、主要流域特征资料

 

流域地形

    弥河主流发源于沂山天齐湾,地势由西南向东北递减。寿光洪水涉及的三座水库,冶源水库位于弥河上游干流,黑虎山水库与嵩山水库位于支流上,汇入弥河。弥河左右沿线城市从上游至下游分布有临朐县、青州市、昌乐县、寿光市。其中弥河在下游穿过寿光市。库区地形见下图。

二、研究方法

    为了评估水情形势,分析灾情成因,研究团队组成了具有国内外丰富洪水模型经验的专家团队,获取了相关关键的基础资料,构建了寿光上游水库及中下游水文水动力1D&2D耦合洪水模型。其中,谭家坊上游采用水文水动力1D模型,总控制汇流面积约1850km2,包括黑虎山水库、嵩山水库与冶源水库以及弥河上游各支流汇水区域;谭家坊下游采用2D地表漫流模型模拟寿光市及其下游地区洪水淹没过程并进行洪水风险评估,整个2D地面模型面积约为1600km2。模型范围合计3450 km2。模型降雨数据采用美国NASA,Global Precipitation Measurement(GPM)雷达实测降雨数据,数据时间间隔为30min。模型地面高程采用美国NASA,Shuttle Radar Topography Mission雷达高程数据,数据精度为30m*30m。模型概化图如下。

三、主要成果汇总

3.1 模型模拟结果

(1)三座水库入库流量模拟。

    库区利用水文模型和全流域汇水区二维坡面汇流,对三座水库的入库流量过程进行了模拟,二种方法结果相近。得出819暴雨冶源水库、黑虎山水库和嵩山水库的入库最大流量分别为1700m3/s,650m3/s和425m3/s,峰值流量出现时间大约在2018.8.19晚9点~10点之间。 三座水库入库流量模拟过程见下图。

冶源、黑虎山、嵩山819暴雨入库流量模拟成果图

(2)谭家坊流量模拟结果

    谭家坊是弥河中上游区域重要节点,设有水文监测站点。本次模型模拟谭家坊最大流量约为2250m3/s,出现时间约为2018.8.20晚凌晨1点30分~2点30分之间。谭家坊模拟过程见下图。此过程是从流域主要特征模拟和水文经验分析得出,由于缺少可靠的河道断面、水库水位、谭家坊实测水位、流量等详细资料,模型未能检验,定有误差。

谭家坊流量过程线(模型结果)

    谭家坊流量2250m3/s,已经超出寿光市防洪预警II级橙色预警标准。说明防洪形势非常紧急(3)弥河中下游洪水情势

    模型总体成果动态分析和断面流量分析表明,下泄洪水流经寿光市中心发生向河道东西两侧漫流。流量峰值统计结果表明,其中弥河寿光市区下游段约40%向西漫流,约20%向东漫流,剩余约40%排向下游,见下图。由于缺少河道断面与沿岸堤防高程、决口位置资料,此结果有待核实。根据河道纵断面、平面地形和河道走势初步判断,漫溢主要发生于寿光主城区略下游坡度趋缓,河道弯曲渐多,甚至90度弯度处。估计由于多年少发大水,河道及滩地行洪能力衰减。

弥河中下游洪水漫流情势(模型结果)

3.2 洪水淹没范围模拟图

(1)风险分析

    根据实测出库流量,模型模拟得出下游区域洪水淹没图(见下图),弥河左右两岸存在洪水淹没风险,并在洛城街道附近淹没范围最大。

洪水能量大的区域代表受洪水影响大、洪水危险性高。而水深与流速决定洪水能量,因此根据模型得出的地面淹没最大水深及最大流速,对研究区域淹没范围的洪水风险性进行评估。风险评估因子F公式如下:F=Hmax*Vmax

寿光819洪水淹没范围模拟图(模型结果)

3.3 819降雨情势

    宜水环境科技根据从GPM获取实测雨量,绘制了3日雨量等值线图(8月17日8:00至21日8:00),以及最大24小时(19日8:00至20日8:00)雨量等值线图。从诸多新闻获取的事件描述回顾,GPM获取的雨量在总量、时程分布特征和空间特征方面极为相似,因此在缺乏官方实测雨量资料的情况下,GPM雨量极具可替代的研究价值。

从图可见,降雨中心均位于弥河下游寿光市上口镇附近,三日最大累计雨量达到401mm,最大24小时雨量发生在事件末,达300mm。

冶源水库上游面平均三日雨量240mm,最大2小时雨量发生在事件末,达80mm。

    进一步对寿光市上口镇三日和24小时降雨过程数据分析。自18日6:00 ~20日2:00,持续降雨45小时,累计降雨量401.5mm,雨峰在三日最后。其中最大24小时降雨发生在19日0时-19日24时,累计降雨量346.1mm;最大2小时降雨发生在8月19日15-16时,累计降雨量100.0mm。峰值雨量发生在降雨过程后期,前期土壤在小降雨下达到饱和状态,后期大暴雨来临产流系数高,属于极不利情形。

弥河中下游三日降雨时程分布图

    《寿光市防汛预警预案》定义红色I级预警为:“雨量已经达到100mm,降雨可能持续,且预报降雨区域在过去15天内累积降雨达到200mm以上…”。从三日、最大24小时雨量可以判断,应该是I级红色预警。形势异常紧急。

3.4  819洪水水库调度方式评估

3.4.1 冶源水库调蓄分析

    水库库区自2018年8月18日 06:00~2018年8月19日 21:00,持续降雨40小时,累计降雨量241mm,最大2小时降雨发生在降雨末期,累计降雨量82mm,雨峰在后,加剧了洪水风险。整场降雨过程中,冶源水库累计入库水量1.11亿m3,累计出库水量0.99亿m3,水库调蓄水量1240万m3。

冶源819暴雨实际水库调度流量过程

    据新闻资料,在暴雨到来前,水库水位实现预降至136.2m,相应库容8200万m3。宜水环境以此为初始水位,经调洪演算得出,汛中最高水位138.5m;,汛中最大蓄水量10800万m3,本次峰段洪水利用了调洪库容2600万m3。

冶源819暴雨调洪演算水库水位、库容变化过程

3.4.2 冶源水库防洪库容潜力估计

    为了利用更多调洪库容,假设当时调度时冶源水库下泄控制至300m3/s(实际700m3/s)。调洪演算表明冶源水库累计入库水量1.11亿m3,出库水量从现状0.99亿m3,降低到0.71亿m3;整场洪水水库调蓄4000万m3,比实际增加2600万m3。

汛中最高水位从现状138.5m升高到140.23m;汛中最大库容从现状10800万m3升高到13100万m3,实际峰段调洪容积从现状2600万m3升高到4900万m3。

    冶源水库校核洪水位为141.95 m,上游移民高程线在139.0 m(摘自2016.4 冶源水库提高汛限水位的可行性分析)。这个也是约束条件,若减少下泄量,水库水位将上升至140.23m,则库区将产生淹没损失。从中可见,冶源水库理论上可以继续利用调洪库容2000万m3左右,但会因此而加重上游的淹没损失。

    819入库流量峰值仅发生于雨峰之后2小时左右,峰值逼近2000m3/s,每小时入库700万m3水量。如果降雨继续,几小时后水库将超越校核洪水位,保坝泄流或溃坝风险大大增加。

    上述分析表明,819暴雨水库调度,冶源水库具备额外2600万m3相对安全可用的调洪容积。但前提是必须有准确的至少未来6-12小时气象预报和先进的基于实时模型的水库流域洪水预警预报系统。否则决策的风险极大。


冶源819暴雨水库下泄预案对比示意图(下泄700m3/s与300 m3/s对比)

 冶源819暴雨调洪演算水库水位变化(下泄700m3/s与300 m3/s对比)

3.4.3 冶源水库防洪库容潜力利用效果分析

    根据上述假设,即冶源水库最大下泄流量控制为300m3/s,利用模型模拟,得出淹没范围及风险等级。

    根据实际下泄和本方案模拟成果,对洪水风险进行对比分析。结果表明,本方案控制冶源水库下泄流量不超过300m3/s,高风险区域面积减少2.6km2,削减率3.5%;中风险区域面积减少0.21km2,削减率0.5%,低风险区域面积降低0.77km2,削减率0.8%;整体风险区域减少3.6km2,削减率1.7%。整体削减效果并不明显,说明对减轻下游洪水灾情作用甚微。

具体结果如下:

    上表对比分析说明,819暴雨条件下,利用冶源水库防洪库容潜力,即下泄流量控制在300m3/s,下游洪水风险并未有显著减小,对减轻下游洪水灾情作用甚微。说明,819暴雨灾区本地洪水影响占相当大作用。

3.4.4 库群调度分析

    19日暴雨前,水库水位估计在汛限水位附近(缺乏实测资料)。根据实际发布的819暴雨水库下泄流量(下图)冶源水库自19日中午开始从200-400m3/s 下泄,黑虎山水库19日中午开始从80-160m3/s 下泄,说明根据气象预报,调度管理部门采取了预泄措施。

    降雨和水库入流峰段黑虎山水库大约下泄900m3/s, 源水库控制了下泄,并实现了错峰。

    没有嵩山水库的水位和出库流量资料。

暴雨水库实际下泄流量过程

    新闻资料显示,黑虎山水库流域面积190km2,总库容5600万m3,历史最高水位165.38米,警戒水位168.19米。819暴雨黑虎山水库最高水位达到167.84米。8月24日上午8时黑虎山水库水位为164.22米,仍超过汛末水位1.22米。估计前期水位略有偏高,导致19日晚雨峰到来时迅速优先下泄,缓解大坝险情。

3.4.5 冶源水库汛限水位抬高影响评估

    根据2016年4月《山东水利》发表的林立廷等关于《冶源水库提供汛限水位可行性分析》,冶源水库原来的汛限水位是136.5m (相应库容 7935 万m3),拟提高到137.72 m (相 应库容 9678 万m3),增加约1700万m3兴利库容,或减少1700万m3防洪库容。

以上述对“冶源水库防洪库容潜力利用效果分析”类推,假如调度采用原定的136.5 m汛限水位,增加1700万m3防洪库容,下游洪水淹没影响面积可能可以减少1.7%左右。

    在缺乏对抬高汛限水位可研成果认真学习的前提下,简单的认可或否定此可研的结论是对复杂技术工作的不尊重或轻视。我们认为,水库特征水位的确定,需要长期水文气象资料,利益影响范围内社会经济和城市发展规划资料,并利用水资源、防洪、经济等技术分析,综合确定。由于社会发展水资源需求、用水结构特征变化、水文气象资料的不断丰富和计算技术、管理水平的提高,这些特征水位的修正并不少见。

    但是特征水位的修正需要考虑配套的防汛预案、保护范围防洪工程建设、预警预报和风险评估调度技术、洪水风险图的发布与应用等相应措施。 

 

3.4.6 水库调度评价

    综合上述分析,在19日的水库水情和紧迫雨情条件下,水库调度的技术决策基本合理        其改进的空间在于气象预报的准确性、实时流域洪水模型和降雨不确定性预报决策技术的应用、流域内水库群优化调度以及应急联合调度规则的研究与制定等。2018年8月19日8:00国家气象台发布了未来24小时降水量预报(见下图),其描述的总量、覆盖范围,与本研究团队获取的GPM雨量特征很相似。819暴雨防汛管理部门依据的气象预报和水情形势评估在技术上值得研究与回顾。

 

   国家气象局2018.8.19 未来24小时暴雨预报

3.5 寿光下游河道断面平面走势特征

    浏览Google 2018年影像资料,总体发现弥河寿光市下游开始河势逐渐呈流荡型,弯度增大。这是多年以来河流与自然动态平衡的结果。图中可见,弥河分段筑有橡胶坝,下游有分叉,河滩空间较大。这种河势,一旦发生大水,由于水流的动能和取直惯性,行洪滩地是否保护好非常重要。

2018年《寿光市弥河河道防汛应急预案》根据省防指《关于编制修订全省骨干河道防洪预案的通知》(鲁汛旱字[2004]第37号)要求,寿光市分流口控制断面现状水利工程情况下和弥河行洪能力,确定弥河干流洪水,从而划分出洪水等级,结合实测纵横断面资料成果,进行水面线推算。

洪水等级划分如下:

  • “一般洪水”分流口断面流量≤2722m3/s。

  • “现状标准洪水”分流口断面流量2722 m3/s~3943 m3/s。

  • “超标准洪水”分流口断面流量≥3943 m3/s。

    本研究估算得出弥河寿光以下流量不到上述“一般洪水”等级。

    弥河寿光市区下游断面形式复杂,且受分叉控制工程以及分叉河道的影响,弥河上下游防洪能力、相应流量估算的技术方法很重要。这在很大程度上将影响工程的合理布局、建设投资和保护区洪水安全。

4、结论

根据降雨量空间分布、时程特征和模型成果分析,819寿光洪水主要成因为:

  • 本地特大暴雨是导致寿光洪灾的主要原因。本地24小时大于300mm的极为不利的特大暴雨降雨条件;由于前二日近100mm左右降雨,导致819特大暴雨几乎100%产流;根据寿光市防汛预案,本地的暴雨量已超过I级红色预警,本身险情异常紧急;

  • 弥河下游河道排洪能力衰退或尚未配套,导致寿光市至下游段弥河道洪水漫溢。模型分析表明,弥河寿光下游排洪能力可能仅仅在1500m3/s左右,不足寿光市防洪预案II级橙色预警要求。

  • 黑虎山水库可能前期水位略有偏高,导致雨峰来临时迅速下泄。冶源水库实现了下泄错峰并拦截了近1000m3/s的入库洪峰,防洪效果显著。尽管仍有2000多万m3可用调洪库容,在综合考虑水库大坝重大设施安全风险和决策紧迫的条件下,认为调度得当。

  • 上游一大二中三座水库819洪水的优化调度略有潜力。但可能由于目前流域水文和洪水预报技术的局限,对水情和风险形势判断的准确性和自信心稍有不足。尽管这不是本次寿光洪水至灾主要因素,但为发挥水库综合效益,在水资源利用、防洪风险管理决策、支撑下游社会经济发展及城市安全方面,决策技术的提高已经非常必要,也很迫切。

    五、免责声明

        本研究未获取任何官方资料,也无任何一方委托、提供资助或商业行为,纯粹从专业角度,基于对社会的责任感而开展,寿光洪水成因权威的结论有待相关管理部门发布。因此形成如下免责声明:

        1、 本研究团队具有水文水资源、水力学、市政工程、环境工程等综合专业背景,多年来一直在承担国内外大型流域防洪、风险管理、特大城市排水防涝规划、洪涝预警预报系统等项目,是具有一流水信息技术和模型实力的专业团队。研究资料的分析取用、研究方法、体系与结论,出自于团队的专业分析和判断,均有据可查,无任何有意修改和导致结论根本性偏离的主观的工作。

        2、 本报告所有内容前后组成一个整体,读者的理解、引用或转载不可断章取义。报告交代了研究的方法和思路,对支撑文中涉及的研究结论是否合理读者可以自行判断。

        3、 由于缺乏官方数据,依据和结论必然存在不确定性。任何一方不得以此为据,用以对研究单位、团队成员、洪水事件的相关方追责、攻击,或用于工程规划、设计、咨询、建设等其他用途。报告编制单位和团队成员,对由此导致的后果,不承担任何法律责任。

        4、 本报告版权归“宜水环境科技(上海)有限公司”所有。未经本公司书面授权,任何单位及个人不得对本报告进行任何形式的翻版、复制、刊登、发表或者引用。

     

    宜水环境科技(上海)有限公司

     

    2018年9月1日


    鸣谢:本报告的形成得到了几位水利和城建业内资深专家的指点和反馈,并作了相应改进。在此一并深表感谢!

     

    本文作者:章卫军,赵麟,张丽,廖青桃,杨涛(河海大学),杨森,敖静 

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