引言

利用水库地区的云水资源和日渐成熟的人工影响天气技术对水库流域实施人工增雨，是缓解水资源紧张、增加发电效益的重要手段，福建、北京、湖南等省市都开展了水库人工增雨试验与研究^[1-6]。福建省古田水库人工增雨试验研究是国内第一个有严格科学设计的研究和生产相结合的项目，该项研究历时12年, 采用随机试验方案, 获取244个试验单元, 分析结果表明每次作业在1500 km²影响区内平均相对增雨23.81%, 绝对增雨1.21 mm·(3 h)^-1(α=0.14%)^[7]。湖南是我国水库数量最多的省份，共有各类水库1.3万多座，约占全国水库总数的1/7，水库蓄水总量365.7×10⁸ m³。其中大型水库21座，总库容249.5×10⁸ m³，发电装机容量358.2×10⁴ kW。由电力部门管理的东江、柘溪、凤滩和五强溪是湖南最大的4个水库，总库容190.1×10⁸ m³，发电装机容量324.3×10⁴ kW，分别占76.2%、90.5%。因为蓄水发电的需求，省人工影响办公室与省电力公司联合于1994—2008年在4大水库流域进行了10次人工增雨蓄水发电外场工程性试验。其中柘溪水库开展了5次，经多部门联合进行效果评估，投入与产出比均在1:10以下，最高的2008年为1:8.01，最低的2003年为1:2.37^[8]。为进一步提高效益，依托柘溪水库开展大型水库人工增雨优化技术研究，希望找出柘溪水库人工增雨作业的最佳方案，从而更多开发库区空中云水资源，并推广到其他水库应用。

1 资料来源和方法

雨量资料使用资水流域上中游、柘溪水电站坝址以上区域，包括湖南省新宁县、武冈市、洞口县、隆回县、邵阳市、邵阳县、新邵县、新化县、冷水江市和安化县10县(市)的地面气象观测资料，其中多年平均值是指1971—2000年的30年资料整编值，近5年是指2004—2008年。典型降水过程的天气形势分析使用GrADS读取NCEP再分析高度场网格资料。水文水电资料由柘溪水电站提供。

2 资水流域的地形与降水分布特征 2.1 基本情况与地形特征

资水流域面积28142 km²，干流653 km，柘溪水电站位于资水中游安化县东坪以上12.5 km处，控制流域面积的80%，总库容35.7×10⁸ m³, 原装机容量50×10⁴ kW，2008年扩建后达100×10⁴ kW，年发电量27.31×10⁴ kW·h^-1，是湖南第一座大型水电站、集防洪抗灾发电于一体的重要大型水利水电工程^[9]。资水流域形状南北长、东西窄，地势西南高、东北低，干流自西南流向东北略成“S”形。电站装机扩容后耗水量增大和库区狭长地带的特殊地形造成有效积雨面积和积雨时间较小，这对人工增雨作业和优化技术提出了更大更高的要求。资水分水岭的山峰平均高度1600 m，向南延伸到广西的资源县境内，东部边缘与湘水的分水岭最低垭口约300 m的高程。流域内东南西部沿山脉一带多属丘陵区，邵阳盆地位居其中，流域地形如图 1所示。流域西南方向的山地也为布设碘化银地面燃烧炉开展人工增雨作业提供了可能。

2.2 降雨时空分布与防汛调度

资水流域年平均降雨量分布如图 2所示(1971—2000年)，从图中可以看出，柘溪水库大坝所在地安化县由于南北高山阻挡气流形成夹管效应，年平均降雨在1600 mm以上, 是湖南省的3个暴雨中心和最为严重的山洪地质灾害高发区之一；年平均降雨量第二高值区分两块，其中南部绥宁、洞口一带相对周边降雨量偏多，与该地区西南方向地形相对低洼平坦，有利西南暖湿气流输送有关。

湖南4—9月为汛期，5—7月中旬为主汛期，后期一般年份是少雨期，最大月雨量一般出现在5—7月。据统计，资水流域的暴雨多出现在5—7月，6月是一年中暴雨日最多的月份; 流域雨季结束的平均日期是7月5日，雨季结束最早的年份是6月10日(1985年)，结束最迟的年份是8月3日(1986年)，多集中于6月下旬至7月中旬，占74.2%^[10]。

资水暴雨洪水呈现出明显的时段特征，4—5月虽然已进入汛期，但历史上典型的大洪水均不是发生在此时段，而且该时段一般不与长江洪水遭遇，防汛形势相对缓和，从防洪和发电统一考虑，该时段可以适当抬高水库运行水位；6—7月份进入主汛期，洪水峰高量大，有时还与长沙、洞庭湖洪水遭遇，由于水库防洪能力有限，尾闾防洪应蓄泄结合，综合治理，但总体上说，因防洪形势严峻，水库需控制在汛限水位运行；8月开始进入后汛期，该时段也时有洪水发生，但大多洪水量级较小，且持续时间不长，应加强预报，及时蓄水，并抓住有利时机开展人工增雨作业。

柘溪水库于1958年动工、1962年开始发电，1969年6月、1975年5月分别发现1^#、2^#支墩劈头裂缝扩展并漏水严重，1983年再次发现多条水平裂缝并与原劈头缝形成不利组合，至此大坝被定为险坝而降低水位运行。1980—1986年间进行了空腔回填并使用环氧砂浆块压贴迎水面裂缝，摘除了“险坝”帽子。中南勘测设计研究院在分析了裂缝稳定性后指出：在高水位低水温作用下，裂缝容易发展，今后应避免在低水温季节水库水位蓄得过高，要求每年12月底库水位降至165 m以下，并一直维持到汛期来临^[11]。因此柘溪水库在冬季不适合开展人工增雨(雪)蓄水作业。

2.3 柘溪水库人工增雨作业的适宜时段

综上所述，资水流域冬季(12月至翌年2月)和3月份库区高水位低水温可能导致大坝裂缝发展，不适合开展人工增雨(雪)作业；汛期(4—7月上旬)降水充沛，考虑到防汛抗洪等因素，不需要也不宜开展人工增雨作业。根据流域的气候特征、防汛形势、发电需求，为争取人工增雨作业的最大投入产出比，同时确保水库和作业安全，柘溪水库人工增雨作业的适宜时段在常年可定为资水流域雨季结束(7月初)至11月份，其中7—8月主要是对流云适合开展地面高炮火箭人工增雨作业；秋季(9—11月)主要是层积混合云和层状云，云系相对稳定^[12-14]，适合开展火箭或飞机人工增雨作业。

2.4 资水流域典型降雨日天气形势与作业云系特征 2.4.1 典型降雨日与天气形势分析

将库区流域内出现大雨过程且其中任意两站以上出现暴雨的天气过程定为典型降雨日，典型降雨日产生的面雨量较大，可有效增加水库径流量，典型降雨日的降雨云系也是柘溪水库人工增雨作业的典型云系。统计近5年资水流域10县市的降雨情况共出现37次典型降雨日天气过程(略)。进一步分析典型降雨日的天气形势并归类(略)，则在资水流域37次典型降雨日天气过程中，受偏东气流影响3次，其他34次主要是西风带强降水天气系统影响，包括低槽、切变线和西南低涡，其中有4次是在强降雨天气形势并不明朗的情况下，安化或洞口县仍然出现了暴雨，应主要属地形影响产生强降水。典型的西风带强降水、台风外围强降水天气形势分别如图 3和图 4所示。

2.4.2 新邵县“2005·5·31”特大致洪暴雨

2005年5月31日夜间到6月1日白天，湖南自北向南出现一次对流性强降雨过程，湘中新邵县太芝庙乡是此次暴雨过程中的最大雨量点，5月31日20时至6月1日08时12小时降雨197.7 mm，其中21至23时10分130分钟内降雨163.3 mm，21—22时1小时降雨90 mm。暴雨引发山洪，全乡死亡82人、失踪5人、重伤480人，倒塌房屋上万间，直接经济损失10亿元，属于重大自然地质灾害。分析表明:大气层结的强烈不稳定，超强的风垂直切变, 是形成此次对流性暴雨的重要条件；在有利的大尺度环流背景下, 大暴雨同一条东北西南向的切变线上β中尺度气旋的演变和发展密切相关，暴雨区上空的经向次级环流的形成和维持是大暴雨形成的另一个条件^[15-16]。另外，太芝庙乡复杂的地形对大暴雨的产生及特大山洪的爆发起着十分重要的作用^[17]，太芝庙三面环山，整体山势东北高西南低，太芝庙位于山底盆地，与山脉最大落差高达800 m，中间一条河流贯通南北，一旦遇有大的降雨，特别是连续性强降雨，因地表红、黄壤土层较厚，土质疏松，极易发生山洪泥石流。

新邵县太芝庙乡位于柘溪电站上游东南方直线距离约140 km处，是柘溪库区内的暴雨中心之一，其特殊的地形地貌导致山洪泥石流灾害易发。新邵和坝址所在地安化是柘溪水库人工增雨作业需要规避的强降雨自然灾害高风险区域。

2.4.3 人工增雨典型作业云系特征

柘溪水库人工增雨作业的主体是西风带降水系统和台风外围云系，当降水天气系统开始影响湖南以后，利用卫星云图和多普勒天气雷达对天气系统进行实时跟踪，对进入库区流域内雷达回波强度≥25 dBz、回波顶高≥6 km，水平尺度≥10 km的云体就可运用高炮和火箭进行人工增雨催化，表 1是2008年柘溪水库人工增雨的典型作业云系特征。

2.5 柘溪水库人工增雨最佳作业布局与作业方式

根据资水流域三类主要降雨天气过程的形成特征，柘溪水库人工增雨作业炮(箭)点相应主要布设在流域内西风带、东风波和地形云降雨天气系统经过频数最多的路径上。西风带降雨云系人工增雨炮点应主要设置在流域西北部的安化县、西南部的洞口县，以高炮固定作业为主，其他区域适当补充火箭流动作业，考虑到近坝区产流系数高、同时下泄快，可在安化县适当多布炮点；东风系统降雨云系人工增雨作业点应主要设置在流域东南部的邵阳市、邵阳县一线，以火箭流动作业为主；在易产生地形云降水的安化县、洞口县的高山南坡可设置远程控制碘化银地面燃烧炉。

人工增雨作业要规避强降雨自然灾害风险，重点应关注影响区内出现过暴雨洪涝多灾、重灾的区域，柘溪水库人工增雨作业须密切注意7月上中旬安化县和新邵县的致洪暴雨。具体作业时，还需注意“台风外围影响型”增雨云系的过冷水含量丰富，而冰晶数浓度较少，非常适合开展人工增雨作业，但相对“高空低槽影响型”增雨云系来说，其生消比较突然和迅速^[18]，要密切关注云系的发生发展、抓住时机迅速作业，台风外围云系作业还要根据防汛形势服从全省统一调度；进行人工增雨效果检验与评估时，两种作业云系因引导气流的不同，相应的对比区选择也不同。

3 柘溪水库人工增雨试验

2001年以来，柘溪水库共开展过5年次人工增雨蓄水发电试验(表 2)，从表中可以看出，经过不断总结经验和优化改进人工增雨技术，投入与产出比呈逐年上升趋势。2008年人工增雨试验效益最好，主要是在三个方面进行了改进。(1) 作业时间比往年提前了近一个月，于7月中旬初开始作业，抓住了汛期结束前最后一场强降水或后汛期的局地对流云系作业机会；(2) 将近坝区的作业点调整充实到了全库区流域(如图 5)，作业区域更大，可产生更大面雨量和有效径流；(3) 更多使用火箭发射系统灵活机动作业，通过这三项措施抓住了更多人工增雨作业机会，在用弹量没有增加的情况下，库区增水总量、经济效益均明显提高。

4 结果与讨论

(1) 柘溪水库人工增雨作业的适宜时段在常年可定为资水流域雨季结束(7月初)至11月，其中7—8月主要是对流云适合开展地面高炮火箭人工增雨作业；秋季(9—11月)主要是层状云和层积混合云适合开展火箭或飞机人工增雨作业。

(2) 影响资水流域降水的天气系统主要是西风带降雨系统、东风带降雨系统和地形云。柘溪水库地面人工增雨作业的优化布局和作业方式为西风带降雨云系人工增雨炮点主要设置在库区西北部的安化县、西南部的洞口县，以高炮固定作业为主，其他区域适当补充火箭流动作业，近坝区的安化县适当多布炮点；东风系统降雨云系人工增雨作业点主要设置在库区东南部的邵阳市、邵阳县一线，以火箭流动作业为主；在易产生地形云降水的安化县、洞口县的高山南坡可设置远程控制碘化银地面燃烧炉。

(3) 柘溪水库人工增雨作业需要注意的问题包括规避7月上中旬安化县和新邵县的致洪暴雨风险；台风外围影响时，云系生消移动比较突然和迅速，需根据防汛形势密切关注迅速作业。