威尼斯流域洪灾成因及防洪对策

(重庆交通大学　重庆　南岸　400074)

一、流域概况

(一)地理位置

威尼斯流域位于北纬50.65°到50.7°之间,西经4.70°到4.60°之间，它地处英格兰的西南半岛,濒临大西洋，是一个无实测资料的小流域。

(二)水文地貌特征

英格兰西南半岛由康沃尔郡，德文郡和萨默赛特郡组成。其中威尼斯流域位于康沃尔行政区，该行政区的面积大约3600平方公里，拥有海岸线长度700公里，海岸线长。图1西南半岛的数字高程显示了该地区复杂的地形特征。花岗岩地质的Bodmin荒原拥有整个康沃尔郡的最高高程(海拔420m)，其中威尼斯流域位于西北部Bodmin荒原的下游范围。

本研究选择威尼斯流域作为研究对象的主要原因是基于该流域的尺寸形状和退水特性，还有发生在该区域的历史上显著的风暴洪灾，该流域的洪水事件与英国其它洪水事件相比具有代表性和典型性。博斯卡斯尔地区的人口密度高(常住人口1224人/平方公里)，是一个热门的旅游景区。特别是在每年夏季的旅游旺季期和假期期间，人口密度急剧上升，对洪水预警的迫切需要也是本研究的原因之一。该流域最显著的水文学特征是汇流时间短，产流速度快。从气象学的角度分析，对流风暴和复杂的地形之间的相互影响增加了风暴模拟的困难和降雨预报的不确定性，因此模拟该流域的产流过程较为困难。需要具有高分辨率和对流参数化的中尺度非静力学数值天气预报模型来解析出详细的风暴结构特征和与风暴相关的降雨。对流和降雨和锋面降雨引发的洪水过程涉及了复杂的地形地貌因素和相关的陆面水文要素的交互，例如径流，截留，下渗，蒸散发，地下水和基流等。

(三)土壤和植被的空间分布

本研究利用全球土壤数据库的资料，对威尼斯流域的土壤分布进行分析，分析表明该流域的土壤类型分布较均匀，与该流域的形状基本一致。根据UK soil viewer 的数据库资料显示，威尼斯流域的主要土壤质地类型是Manod(透水性好覆盖于岩石表层的壤土)。对应的土壤的水文类型是覆盖于不透水基岩上的透水性良好且具有极大土壤含水量的黏土和壤土。在水平方向上，威尼斯流域的主要土壤带是黄土，红土和棕土等；在垂直方向上，威尼斯流域的土壤分层呈现出山地垂直地带结构特征。表层土(0-25cm)是深棕色的轻微石质的粘性壤土，中间层(25-60cm)属于深褐色的轻微石质的粘性壤土，中等粒度或次角块状结构。下层土(从60cm到岩石层)的土壤类型属于原生质的石板色的泥岩或者强石质的粘性壤或者土砂质粉砂壤土，详细的土壤剖面见图1。另外该流域人口密度大，由于人类活动的影响，分布有大量的耕作土和农业用地，并且土壤自然肥力低。河岸两边的典型的植被主要是橡树林，陡酸高地牧场干草和沼地，欧洲蕨等草本植物，具有有限的截流能力。

(四)流域地形特征和土壤的质地组线

威尼斯流域附近的典型的地形和土壤质地组线显示了该流域附近主要的土壤母质是古生代石板，泥石，粉砂岩，和下渗能力低的硬砂岩。岩石裸露地表，经过千年风化和风蚀作用，坡面碎石和沙砾聚集，抗性减弱，暴雨来袭，易发生崩塌，泥石流，滑坡等灾害，因此该区域的水系容易发生山洪及并发灾害。

(五)水文地貌的变化

在2004年8月24日，沿海渔村博斯卡斯尔遭受了猛烈的暴雨事件，该石质基岩的小流域上的四小时降雨量超过200mm。相比于该区域的8月份的80-120mm的降雨量，该降雨事件降雨强度非常大。该事件发生在白天，有很多目击者是英国历史上记录最完整的洪灾事件之一。Wallingford(2005)沿着主要干流的方向进行了现场调查，记录的河道的水力学特征的变化。威尼斯河受到的主要的影响是河岸的侵蚀，河床的切割，横向运动和撕裂(Wallingford 2005)。在支流与干流汇合的地方，溯源冲刷和冲积扇的沉积的现象较为典型，在河源上游较少发生。参考威尼斯流域的河网，显示了该事件后河道地形地貌的改变。在威尼斯流域，三条河：威尼斯河，Jordan河和Paradise河曲折交汇于主河道，最后汇集于博斯卡斯尔。这三条河均陡峭而狭长。沿着支流威尼斯河，垃圾堵塞导致了河槽切割和河道变宽是2004年博斯卡斯尔洪水的主要影响。从博斯卡斯尔停车场到Minster Stream,可以观察到几处河槽改道。改道的上游，当水流冲击右右侧的河漫滩的地方，一些地方发生了泥沙沉积。朔源侵蚀还发生在Minster Stream汇流处的上游河段，由于河道的侵蚀形成了几处河床的改变。在从Minster Stream 到Treworld Stream的河段，由于泥沙沉积和侵蚀引发了垃圾堵塞。从Lesnewth上游200米处，观察到了约200米长的河岸侵蚀。在Tresparrett Stream支流的上游还有一些垃圾堵塞的现象，主河道堵塞了。在Jordan河与威尼斯河汇合在博斯卡斯尔的地方，流量超过了地下涵洞的过水能力因此淹没了周围的设施。还观察到了上坡两岸坡面的饱和土壤引发的滑坡。另外，在B3263桥上游1500米处还观察到了由于坡面流引发的侵蚀现象。在支流Tresparrett Stream上，人行桥由于泥沙沉积受到堵塞，洪水的冲裂作用形成了新的河道。在支流Minster Stream的下游，观察到了更多的垃圾堵塞和侵蚀现象，两个二级河道形成了。

二、水文气象特征

(一)气象

1.天气特征

威尼斯流域全年平均气温为9.8-12度，年较差小。该流域和整个西南半岛都暴露在从西南方向的大西洋吹来的盛行风的范围内，是不列颠群岛西南半岛的康沃尔郡最为典型的温带海洋性气候。全年温和潮湿，特征明显：冬无严寒，夏无酷暑，总体上一年四季降水分布均匀，下雪次数也不频密，易发生洪水灾害是英国气候特点导致的现象。

2.降雨时空分布

在英国大约有4000个雨量站进行每小时，每日和每月的测雨工作，组成了世界上密度最大的雨量站网络。从1981年到2010年英国的年平均雨量，其中多雨的地区主要集中在山区例如斯诺登尼亚，湖区和苏格兰高地，年均降雨量都大于4000毫米。其次是英格兰西北部和西南部，北部和中部威尔士和北爱尔兰部分地区。这些区域有着共同的特点：高海拔和位于北部或西部地区。另一个特色是英国的西北部明显比东南部更潮湿，可以在地图上看到它们之间有一条清晰的分界线。这主要是由于高海拔地势使它们暴露在了热带气旋带来的大西洋的水汽中，盛行的暖湿西风诱发了锋面雨的形成。与此同时，伴随着天气系统从西向东跨过整个英国的移动过程，降雨量也随着减少。北部和西部的降雨主要是因为当潮湿的气团前进时，云层跨过高地，遇到高山阻挡，气流被迫缓慢上升，引起绝热降温，发生凝结，这样形成的降雨，称为地形雨，地形雨是英国典型的降雨类型之一。

在英格兰西南半岛，气旋频繁过境，同时因为近海，雨量也较充足，平均年降雨量1051-1290毫米,在地形有利地区多达2500mm以上。受到与半岛形状，日照和盛行风的方向有关的海风收敛线的影响，西南英格兰容易受到极端气象和洪灾(Leon et al.2016)。从降雨的空间分布来看，该半岛是整个国家中最为温润潮湿的区域，降雨的空间分布主要受到与海岸的距离和海拔高度的影响。康沃尔郡的降雨量的空间分布，可以发现靠近西部位置的地区要比东部的地区年降雨量更大，因此更湿润，主要是由于相对的高海拔和低温的影响。可以看到三个地势高的荒原：Dartmoor,Exmoor 和 Bodmin Moor 均受到1231-2584mm的年均降雨量。对于一些地势较低地区的降雨通常是高地势区域的一半，例如Somerset,年均降雨量仅为644mm。对于博斯卡斯尔地区，年均降雨量达到980毫米。在盛行西风影响下，西岸常有暖流影响，增温增湿，西风从暖洋面吹来，降水颇多

至于降雨的时间分布，冬季常有温带锋面气旋来袭，因而尽管全年有雨，秋冬降雨量通常略多于春夏，康沃尔郡的降雨主要集中在10月到1月份，相比之下，同纬度的内陆地区的降雨量在全年均匀分布。Hand et al(2004)选择了从1900年到2004年间发生在英国的最极端的50例降雨事件，发现其中一半是由于短期的对流风暴引起的。图1显示了极端降雨事件的月分布情况，在2月，3月和4月，极端降雨事件少发。端降雨事件发生在温季(6月到8月)，在6月份数量增长得很快，8月份后数量缓慢减少。而且对流降雨类型的事件比锋面降雨类型的事件的数量减少的更快，没有对流降雨事件发生在11月，12月和1月份，因为日照是一个影响对流的主要外因。不难发现寒季(12月-2月)极端降雨事件主要是由于锋面降雨。相反温季极端降雨事件主要是由于对流降雨事件(Balasubramanyam 2014)。对于发生在温季的锋面降雨事件，主要是由于包含在对流风暴中的锋面系统。温季的锋面系统本身相对较弱，无法引发洪水，但是它们通常是一系列的对流降雨的诱发因素，它们对温季洪水的产生有重要的作用。总体上这个气象学的特点与Barthold et al.(2015)的观点相似：寒季降雨事件与天气条件(例如温带气旋)有关，然而温季降雨通常与小范围的对流过程(例如雷暴)相关，数值天气预报模型也难以准确模拟温季降雨。

Wallingford(2005)解释这种高度偏态分布为极端降雨事件的发生主要是因为英国周边的高海面温度产生了高海面湿度。把2004年8月24日的风暴事件放在历史极端事件中并且绘制了它们的降雨量和降雨历时，可以看出2004年8月24日博斯卡斯尔风暴的强度相对于其他更南纬地区的强降雨事件是相对适中的。

3.暴雨特性

威尼斯流域地处于山脚与入海口的交界地带，地形变化快，缺乏冲积扇等缓冲地带，河道上宽下窄，流域小，地势变化快，一旦发生较大的暴雨事件，上游来水快，迅速向位于流域出口断面的博斯卡斯尔村汇集，加之河道两岸为山地，山洪夹带枯木残枝等形成泥石流迅向山脚河道来袭。表1部分总结了过去240年西南英格兰半岛的历史雨量资料和洪水资料，通过历史的雨量资料表明，该地区几乎每年都发生暴雨洪水事件，暴雨历史长。该地区的暴雨具有频率高，强度大，日暴雨量大，暴雨历时长，持续事件长的特点，有时持续数日或数周。暴雨种类有地形雨，锋面雨和对流雨。暴雨多集中于夏冬两季。根据历史的雨量资料可知，通常在数小时时间内，点雨量达到200毫升以上，多可划分为特大暴雨事件。威尼斯流域1957年6月8日2.5小时最大暴雨量达到138毫升，50所住宅被毁。1958年6月3日威尼斯流域20分钟内水位上涨了4.5米。

(二)洪水特性

西南英格兰半岛水系发达，河网密度大。以康沃尔行政区为例，在该区域内河流总长约有4000公里，支流长度平均约500米。图1显示了以康沃尔行政区的河网分布情况，其中主要干流红色标出。由于该地区内各支流流程短，汇流迅速，洪水在极短的时间内可流出流域出口断面，其洪水过程线具有峰尖且陡峭的特点，对于该区域内的生命财产安全造成巨大隐患。

1.洪峰流量高

发生2008年山洪灾害的博斯卡斯尔村庄位于威尼斯流域的出口断面，该流域面积约20平方公里(Catchment Data Explorer 2017)，该流域高程为300m,主要干流威尼斯河长度约8.04公里。威尼斯流域虽然流域面积小，但是流域内暴雨频繁而且强度大，导致该流域暴雨洪水时常发生，对居民的安全造成的威胁不容小觑。该流域地形地势陡峭，流域形状狭长。

2.汇流时间短

威尼斯流域属于狭长型流域，两岸支流不仅流程短，而且坡度大，支流洪水汇流迅速，导致洪峰陡峭。流域出口断面即入海口，整个流域的坡面向入海口倾斜，加上博斯卡斯尔渔村的不透水下垫面的影响，流域水文水力特性发生变化，在天然的条件下产汇流规律改变，洪水的传播速度极快。

(三)防洪措施

该洪水事件发生后，英国环境署和康沃尔郡市政部门采取施工了防洪设施以预防洪水再次发生。这些防洪措施包括加宽和挖深河道，修复毁坏的人行桥，使用现代人行桥代替老旧的石质拱桥，安装防洪涵洞来提高支流Jordan 河的过水能力，在河道两边开挖地下隧道，安装排水阀来提高下水道排水能力，改造博斯卡斯尔停车场，提高地基约1米左右，防止河水漫过两岸护坡，边坡防护。

三、结论与建议

本研究从水文地貌和气象学的角度分析了2004年博斯卡斯尔村庄发生山洪的原因及相应的防洪对策。结论是一系列的水文气象因素例如暴风雨，似稳定的辐合线，强对流雨，土壤缺水量的减小，下垫面因素，陡峭的山脊和小流域面积引发了该灾难。分析其影响因子与西南英格兰半岛的其它区域基本类似。主要影响因素有：

1.降雨是山洪灾害的主要外因。威尼斯流域夏季多发强对流降雨，降雨强度大，降雨历时短，产汇流迅速。

2.下垫面条件复杂多变，流域河网密度大，流域面积小，河道比降大，地形陡峭，流域的土壤透水性差，且岩石裸露地表，流域的植被多为草本植物，植被的截留能力低等因素。

3.人为因素。该区域有多年的洪灾历史，历次洪水量级都很强，洪灾影响都较大，但是从未采取过较为完善合理的防洪对策和防洪工程措施，人为的疏忽导致了该场灾难的发生。另外随着自然经济社会的发展，森林砍伐，水土流失等因素也会影响山洪的爆发。

为了避免灾难再次发生，英国环境署不久后针对该事件承担了一系列的防洪工程措施，本章节提出防洪措施有加宽加深河道，边坡加固，增加防洪涵洞数量，安装地下排水管道，增高路基等。