長江流域歷史典型洪水研究

張 濤,胡 挺,胡 瓊 方,許 銀 山,趙 國 龍,王 飛 龍

(1.長江水利委員會 水文局,湖北 武漢 430010; 2.中國長江三峽集團有限公司,湖北 宜昌 443100; 3.長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局,湖北 宜昌 443000)

0 引 言

長江流域歷史上曾發生過多次大洪水,洪災損失嚴重。經過幾十年的建設,長江流域已基本形成了防洪工程措施與非工程措施相結合的綜合防洪減災體系,整體防洪能力顯著提升,但流域大洪水伴隨的巨大洪水來量與河道安全泄量的矛盾依然突出[1-2]。隨著全球氣候變化的影響,長江流域極端暴雨事件頻發,亟需高度警惕流域大洪水“黑天鵝”事件的發生。

流域歷史洪水資料蘊含著大量洪水特征信息[3],對于水旱災害防御具有有效的參考借鑒意義。在設計層面,歷史典型洪水可以融合到實測系列,提高系列代表性及設計可靠性[4];張靜[5]嘗試通過歷史典型洪水分類研究制定水庫調度規則;張艷平[6]通過歷史典型洪水分類開展了水庫汛限水位動態控制域研究。在實時預報調度層面,陳鑫等[3]、姚超宇等[7]通過對歷史場次洪水與實際預報過程的誤差進行學習,來對未來預報進行校正,提高預報精度;林子珩等[8]基于歷史相似洪水動態識別與預報方法作為實時洪水預報的輔助手段,延長預報預見期;實際作業預報中經常直接利用場次洪水降雨徑流關系,輔助作業預報,李明等[9]利用歷史洪水擬定防洪預案,支撐調度決策。

新中國成立以來,中國逐步建立起完整的水文監測站網與完善的水文管理體系,具備了堅實的水文數據庫基礎,但部分歷史洪水仍然存在信息不完備或無實測信息等困難[10]。胡明思等[11]通過野外調查取得了全國5 544條河段2萬多個歷史大洪水數據,可以提供至規劃設計部門直接使用,但缺乏定量的洪水過程和近年發生的大洪水(2016年、2017年、2020年)資料,難以全面支撐防汛抗旱工作。

流域氣候環境、地理地貌決定了歷史暴雨洪水具備重現的概率,下墊面和人類活動影響,如土地利用變化、水利工程建設運行會改變產匯流規律,歷史典型洪水經現狀工程調節后,其發展過程也會相應發生顯著變化。因此,本文以現狀工程條件作為背景,對長江流域歷史典型洪水(1870,1931,1954,1966,1981,1982,1998,2010,2012,2016,2017,2020年)過程進行還原重構,通過分析歸納典型洪水組成與特征,識別洪水類型,最終形成長江流域歷史典型洪水基礎數據庫,供防汛預報調度決策參考。

1 研究范圍與數據資料

1.1 研究范圍

考慮長江流域水工程聯合調度實際需求,本次研究選取納入2022年長江流域聯合調度范圍的47座水庫[12]及重要控制節點,涵蓋金沙江中下游、雅礱江、岷江、沱江、嘉陵江、烏江、向家壩至寸灘區間、三峽水庫庫區、清江、洞庭湖“四水”、鄱陽湖“五河”、漢江及長江中下游干流區間流域(見圖1)。

圖1 長江流域洪水預報調度體系Fig.1 Flood forecast and dispatch system in the Changjiang River Basin

根據長江流域防洪規劃和三峽水庫、溪洛渡、向家壩等水庫設計洪水成果,選定1870,1931,1954,1966,1981,1982,1998年作為三峽水庫成庫前的典型洪水年,以2010,2012,2016,2017,2020年作為三峽水庫成庫后的典型洪水年,典型洪水基本涵蓋長江流域各種類型洪水。

1.2 數據資料及處理

本次研究所采用的水文數據主要有整編數據和報汛數據。整編數據為長江流域干支流主要控制水文站的典型年逐日日均整編數據和洪水摘錄數據,以洪水摘錄數據為基準,將洪水過程統一插值到4段次(每日02:00,08:00,14:00,20:00),以整編數據控制水量平衡。數據源主要來自長江水利委員會水文局和相關省市水文部門等。水庫節點數據為報汛數據,主要來自各發電公司,對于入出庫跳動較大的水庫,統計為日均值后再插值為4段次。

對于1870年、1931年等年代久遠的歷史洪水數據,借用相關研究成果,如《長江三峽水庫工程水文研究》《長江水文水情研究》《長江三峽水利樞紐初步設計報告(樞紐工程)》等,成果資料不完整的,采用降雨相似年匹配組合。

2 研究方法

2.1 洪水重構方法

根據洪水實測資料條件,結合研究需求,進行歷史典型洪水重構,方法流程見表1和圖2。

表1 歷史典型洪水重構方法Tab.1 Reconstruction methods of typical floods

圖2 歷史洪水重構技術路線Fig.2 Technical route of historical flood reconstruction

2.2 還原還現方法

2.2.1洪水還原

對于受水利工程影響較大的典型年洪水如2012年、2016年、2020年,需進行還原,得到天然洪水過程,還原公式如下:

L=Q下-MuskQ上

(1)

Q下還=MuskQ上還+L

(2)

式中:L表示區間來水,m3/s;Q上、Q下分別表示上下游站的實測來水,m3/s;MuskQ表示上游站經過馬斯京根河道演算至下游站的流量,m3/s;Q上還、Q下還表示還原后的上、下游站流量,m3/s。

2.2.2洪水還現

本文中的洪水還現并不考慮現狀水庫的調蓄作用,而是指通過區間洪水分割和河道流量演算等得到現狀水工程節點位置的天然洪水過程,目的是為后期相關研究提供基礎,還現方法可采用水文模擬方法、面積倍比方法、洪水組成規律法。

水文模擬法主要應用于2010,2012,2016,2017,2020年及其余年份上下游控制站間降雨資料完備時,通過降雨徑流模擬計算出現狀區間流量過程,由上下游控制站分割區間進行總量控制,由下游向上游逐級計算區間流量,計算過程見圖3。

圖3 洪水還現水文模擬法示意Fig.3 Hydrological simulation method of flood restoration

圖4 洪水還現面積倍比法示意Fig.4 Area multiplication method of flood restoration

洪水組成規律法主要應用于1870,1931年等實測資料匱乏的情況,根據典型年歷史暴雨洪水調查資料,匹配多個有實測資料的相似年,對其區間洪水組成規律進行分析,得出多年同期區間洪水組成比例,按照此比例對無實測資料年份的區間洪水進行分配。

2.2.3方案精度

洪水還原采用的河道演算方案參數和洪水還現中水文模擬方法方案參數均來自長江水利委員會水文局《長江流域預報方案》(2016),干流河道主要控制站方案精度均在乙級及以上。

2.3 洪水辨識方法

長江洪水類型可定性地劃分為流域性洪水和區域性洪水[13-14]。根據長江流域暴雨洪水特性,將全流域劃分為長江上游區域、中游區域、下游區域[15],依據水利部《全國流域性洪水劃分規定(試行)》,對洪水量級進行判定,分別為流域較大洪水、大洪水和特大洪水。具體量化指標為:以還原后漢口或大通站最大30 d洪量重現期的最大值為評價指標,當重現期達到10 a時,為流域性較大洪水;當重現期達到20 a時,為流域性大洪水;當重現期達到50 a時,為流域性特大洪水[16]。

3 結果與討論

3.1 歷史典型洪水還原還現

對選取的歷史典型洪水進行重構,得到天然洪水過程,并將其還現到現狀工程條件,各節點典型年最大洪峰流量統計見表2,三峽水庫入庫洪水還原過程見圖5。

表2 歷史典型年主要控制站最大洪峰流量Tab.2 Peak discharge of the historical typical floods at main stations

圖5 三峽水庫典型年入庫洪水過程Fig.5 Inflow processes of the Three Gorges Reservoir

3.2 歷史典型洪水定性分析

基于典型歷史洪水還原成果,對各代表站最大30 d洪量重現期,洪峰特征值及超警持續時間進行統計分析,根據前述洪水劃分標準,1870,1931,1954,1998,2020年定性為流域性洪水年,1966,1981,1982,2010,2012,2016,2017年定性為區域性洪水年。部分歷史典型洪水定性分析成果見表3。

表3 部分歷史典型洪水定性分析成果(最大30 d洪量)Tab.3 Identification of historical typical floods (maximum flood volume in 30 days)

3.2.1流域性洪水

整體上來看,1870,1931,1954,1998,2020年流域性洪水,具有以下特征:長江中下游分區代表站最大30 d洪量重現期均在10 a以上,上游代表站洪峰流量大,中下游代表站洪峰水位居歷史洪水前列;按現狀警戒水位來看,中下游代表站螺山,漢口,大通高水位歷時長,超警時間均在40 d以上。

3.2.2區域性洪水

1966,1981,1982,2010,2012,2016,2017年區域性洪水具有以下特征:中下游代表站最大30 d洪量重現期不超過10 a,水位超警時間均未超40 d。

3.3 歷史典型洪水組成分析

統計5～10月主要干支流控制站還原徑流量占三峽水庫、大通站比例,分析各典型年長江上游及中下游汛期來水組成情況,篇幅原因僅給出1954,1998,2020,2016年的分析成果。

3.3.1流域性洪水

(1) 1954年洪水。1954年,長江上游雨季提前,三峽水庫洪水呈多峰特點,向家壩以上及岷江來水起著較明顯的“底水”作用,6月以后占三峽水庫來水40%以上;烏江來水以5,6月占比較大,超23%,在7,8月則起著一定的“造峰”作用;嘉陵江7,8月來水較大,進一步推動了三峽水庫連續洪峰的形成。長江中下游主雨季延長,5,6月兩湖水系來水占大通比重均超30%,7月仍在15%以上,漢江來水亦在7,8月達到最大。上、中、下游洪水同時發生遭遇,中下游螺山、漢口、大通站水位超警時間均超50 d,形成流域性特大洪水(見圖6)。

圖6 1954年長江干支流控制站流量對比Fig.6 Comparative analysis of discharge at main stations of Changjiang River in 1954

(2) 1998年洪水。1998年,主汛期長江各大支流先后發生暴雨洪水,三峽水庫連續出現8次超50 000 m3/s的洪峰,嘉陵江、烏江在7,8月對于三峽水庫入庫洪水的“造峰”作用均較為明顯。長江中下游出現“枯季不枯”的異常水情,兩湖水系5,6月總徑流量均在700億m3左右,占大通來水均超30%。在上游持續性暴雨洪水作用下,中下游江湖水位在高底水上迅猛上漲,螺山、漢口、大通站水位超警時間均超50 d,形成流域性大洪水(見圖7)。

圖7 1998年長江干支流控制站流量對比Fig.7 Comparative analysis of discharge at main stations of Changjiang River in 1998

(3) 2020年洪水。2020年,長江上游來水早,洪水發生范圍廣,干流區間洪水突出,其中烏江在6月末7月上旬起著一定的“造峰”作用;7～8月,流域暴雨頻發、干支流洪水嚴重遭遇,長江干流先后發生5次編號洪水,8月,嘉陵江、岷江占三峽水庫來水比重均超25%,對于三峽水庫入庫洪峰的形成影響明顯。6～7月,中下游清江、兩湖水系均發生較大洪水,中下游江湖滿槽,在上游多次編號洪水作用下,中下游干流水位漲勢迅猛,螺山、漢口、大通站水位超警時間均超40 d,形成流域性大洪水(見圖8)。

圖8 2020年長江干支流控制站流量對比Fig.8 Comparative analysis of discharge at main stations of Changjiang River in 2020

3.3.2區域性洪水

2016年,主汛期前期來水豐,7月長江干流共發生3次大洪水。第一次在長江上游形成編號洪水,第二次中下游干流監利以下江段全線超警,第三次中下游監利至漢口江段水位再次超警,中下游螺山、漢口、大通站水位超警時間均超25 d,2016年洪水屬長江中下游區域性洪水(見圖9)。

圖9 2016年區域性洪水典型年長江干支流控制站流量對比Fig.9 Comparative analysis of flood discharge at main stations of Changjiang River in 2016,a typical regional flood

4 結論與展望

4.1 結 論

本文采用通用的還原還現方法,基于現狀工程條件,對長江流域歷史典型洪水進行重構,依據《全國流域性洪水劃分規定(試行)》對歷史典型洪水類型進行辨識,分析歸納了典型歷史洪水的時空分布組成與基本特征,主要結論如下:

(1) 實現了三峽水庫成庫前的1870,1931,1954,1966,1981,1982,1998年及成庫后的2010,2012,2016,2017,2020年歷史典型洪水重構,形成了現狀水工程條件下的長江流域歷史典型洪水庫。

(2) 對歷史典型年洪水類型的辨識表明:1870,1931,1954,1998及2020年為典型的流域性洪水年,其主要特征是上游代表站洪峰流量大,中下游代表站最大30 d洪量重現期均在10 a以上,高水位歷時長;其余典型歷史洪水年為區域性洪水年,其共同特征是中下游代表站最大30 d洪量重現期不超10 a,水位超警歷時短,一般不超40 d。

(3) 三峽水庫入庫洪水以金沙江干流、岷江為主,嘉陵江、烏江通常起到造峰作用,大通來水以長江上游來水為主。

4.2 展 望

長江流域歷史典型洪水庫研究是一項基礎性研究,本文對長江流域歷史典型洪水進行了全面梳理與重構,形成了規范化的典型年洪水樣本?；诒狙芯砍晒?圍繞長江流域水旱災害防御工作,可從以下幾個方面進一步深入研究:

洪水模擬預報方面,一方面可以結合長江流域水模擬平臺,實現歷史典型洪水的實時復盤推演,為汛前準備提供支撐;另一方面,結合歷史典型暴雨庫,開展相似暴雨洪水、機器學習洪水預報模型、水文模型模擬誤差規律等分析研究,輔助實時洪水預報,提升超標準洪水預測預報能力。

水工程聯合調度方面,基于長江流域水工程聯合調度運用計劃,通過模擬工程調度,構建歷史典型洪水規程調度知識庫;結合多目標優化算法,形成歷史典型洪水優化調度案例庫;挖掘實際洪水工程調度過程信息,提煉歷史典型洪水專家調度策略庫,共同輔助水工程聯合調度決策。