張冬冬 王立海 李妍清 汪青靜 李立平

摘要：三峽水庫汛期洪水分期是水庫汛期水位動態(tài)控制的前提條件。將宜昌站還原后的洪水系列作為三峽水庫洪水分期的計算依據(jù)，選取天氣成因以及多種數(shù)理統(tǒng)計分析方法，分析了宜昌站汛期洪水分期特征。結(jié)果表明：多種方法分期結(jié)果相差不大，考慮工程調(diào)度需求，將宜昌站汛期分為3期：5月1日至6月20日為前汛期;6月21日至9月10日為主汛期;9月11日至10月31日為后汛期。根據(jù)洪水分期特征，計算了三峽水庫前汛期和后汛期分期設(shè)計洪水。研究成果可為三峽水庫進一步合理利用洪水資源以及發(fā)揮綜合效益提供技術(shù)支撐。

關(guān) 鍵 詞：洪水分期; 分期設(shè)計洪水; 宜昌站; 三峽水庫

中圖法分類號： TV147 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.004

0 引 言

作為長江流域的控制性骨干工程，三峽水庫具有巨大的防洪、發(fā)電以及航運等綜合效益[1]。按照三峽工程初步設(shè)計階段的調(diào)度方式，原則上，水庫在6月中旬至9月下旬按照防洪限制水位運行。隨著水文氣象預(yù)測手段和方法的進步，洪水預(yù)報的預(yù)見期和預(yù)報精度均有一定的提升，同時長江上游梯級水庫群，尤其是溪洛渡、向家壩水庫建成后，長江流域整體防洪能力和水資源調(diào)控能力得以增強，長江流域水庫群聯(lián)合調(diào)度的新格局也使得進一步合理利用三峽水庫洪水資源以及發(fā)揮綜合效益成為可能[2]。水庫汛期分期調(diào)度是洪水資源化的重要途徑，而對汛期進行合理劃分是分期調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)問題[3]。因此，分析三峽水庫汛期洪水特性以及洪水分期特征，為三峽水庫調(diào)度方式優(yōu)化提供基礎(chǔ)支撐是十分必要的。

汛期洪水分期方法在中國有較多研究，20世紀80年代，多家單位對中國東部地區(qū)汛期設(shè)計洪水進行了總結(jié)，歸納了天氣成因分析法以及洪水特性分析法2種方法。馮尚友等[4]基于以上2種方法對丹江口水庫進行了洪水分期研究。隨著技術(shù)水平不斷提高，一些數(shù)理統(tǒng)計分析方法被引入到了洪水分期研究中，包括模糊理論分析法[5]、分形分析法[6]、變點分析法[7]、系統(tǒng)聚類法[8]、矢量統(tǒng)計法和圓形分布法[9-10]、相對頻率法[11]等。天氣成因法和數(shù)理統(tǒng)計方法均有一定的限制，前者對成災(zāi)天氣分析工作量大且有一定的主觀性，后者通過不同分期指標對汛期進行劃分，分割點選取上仍有一定的主觀性[12]。如何將多種分析方法進行有機結(jié)合，確定最優(yōu)的洪水分期劃分成果，是目前研究的重點。

針對三峽水庫洪水合理分期的問題，秦智偉等[13]通過研究三峽水庫以上流域汛期洪水的氣候成因、暴雨洪水的時空分布規(guī)律，對三峽水庫汛期洪水進行了分期。本次研究是在已有研究成果的基礎(chǔ)上，將延長并還原后的宜昌站洪水系列作為三峽水庫洪水分期的計算依據(jù)，并引入了多種洪水分期分析方法，進一步來分析三峽水庫汛期洪水分期特征，以期為三期水庫合理利用洪水資源以及發(fā)揮綜合效益提供理論基礎(chǔ)，也可為三峽水庫汛期水位動態(tài)控制提供重要的技術(shù)支撐。

1 宜昌站汛期洪水分布特征

根據(jù)1877～2018年宜昌站實測水文資料（將其中2003年以后的實測水文資料，采用水庫調(diào)度資料對宜昌站洪水進行了還原），統(tǒng)計分析了宜昌站汛期洪水年內(nèi)的分布特征。宜昌站年最大日均流量散點圖如圖1所示。由圖1可以看出，宜昌站年最大日均流量散點的概率和大小基本上呈現(xiàn)由弱至強、再由強至弱的規(guī)律。宜昌站年最大日均流量量級主要為30 000～70 000 m3/s，而小于30 000 m3/s的量級僅有3次;實測最大洪水發(fā)生在1896年9月上旬，日最大洪峰流量大于70 000 m3/s的特大洪水;從日均流量出現(xiàn)的量級和時間來看，日均流量較大的洪水主要出現(xiàn)在7月中旬至8月上旬。

從年最大7 d洪量的量級來看，8月中旬以后，洪水量級較7月明顯減少，且9月上旬以后年最大7 d洪量分布更是明顯減少。在8月20日左右，年最大7 d洪量外包線出現(xiàn)一個短暫的低谷，8月下旬至9月上旬，外包線逐漸上升至一個較高的峰位區(qū)，9月10日后迅速下降至另一個低谷，其后再無較大峰位。

通過對宜昌站年最大洪峰發(fā)生時間進行統(tǒng)計（見圖2），年最大洪峰出現(xiàn)在8月20日以前的共有105 a，約占總數(shù)的74%;其中洪峰量級大于50 000 m3/s的有65 a，洪峰量級大于60 000 m3/s的有21 a。年最大洪峰出現(xiàn)在8月20日以后的共有37 a，約占總數(shù)的26%，其中洪峰量級大于50 000 m3/s的有9 a，洪峰量級大于60 000 m3/s的有3 a。

宜昌河段洪水是上游干支流洪水共同作用的結(jié)果。從宜昌站多年候平均流量過程來看（見圖3），6月第2～4候的平均流量為15 000～18 000 m3/s，流量變幅相對平緩;6月第5候至7月第1候的平均流量為21 400～27 600 m3/s，為流量增幅最快的時段;7月第6候至8月第5候的平均流量在28 500～27 200 m3/s之間，8月第6候減小到26 200 m3/s，9月第1候升至27 400 m3/s，以后連續(xù)2候在26 800 m3/s以上，9月第4候開始迅速降至25 000 m3/s以下。從宜昌河段汛期多年候平均流量過程分析來看，8月下旬（第6候）雖有一個流量相對較小時段，但流量量級與相鄰時段比沒有明顯的變化，而9月第4候以后，候平均流量過程迅速衰減。

2 宜昌站汛期洪水分期

2.1 基于天氣成因法的洪水分期

受大氣環(huán)流不同位置的影響，長江上游雨季開始和持續(xù)時間有所不同，一般在4～6月由東南向西北先后開始，8～10月又從西北向東南先后結(jié)束，東南部雨季比西北部雨季長。西太平洋副熱帶高壓位置如圖4所示。由圖4可以看出：西太平洋副熱帶高壓脊線處于18°N～20°N區(qū)間時，烏江流域易發(fā)生暴雨;西太平洋副熱帶高壓脊線處于20°N～24°N時，烏江、嘉陵江東部和三峽水庫區(qū)間易發(fā)生暴雨;西太平洋副熱帶高壓脊線位于25°N～30°N以北時，金沙江下段、岷沱江和嘉陵江上游的川西地區(qū)易發(fā)生暴雨。長江上游汛期5～10月降水量占全年降水量的83%，各旬降水總量基本呈現(xiàn)由少至多，然后由多至少的季節(jié)變化規(guī)律（見圖5）;降水量以7月上旬最大，6月下旬次之，8月各旬降水量相差不大。6月下旬至8月下旬降雨量均在50 mm以上，9月下旬降雨量明顯減小。E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF

綜上所述，長江上游降水量主要集中在7～9月，以7月和8月降水量最多。從天氣成因分析來看，可將5～6月作為前汛期，7～8月為主汛期，9～10月為后汛期。

2.2 基于年最大洪水統(tǒng)計分析法的洪水分期

根據(jù)圖1長江宜昌站年最大洪峰分布外包線可以得出，洪峰流量散點呈現(xiàn)“雙峰”的分布特征。其中：6月中下旬洪峰流量的量級和頻率相對較小，7月中旬以后洪峰流量出現(xiàn)頻次和量級明顯增加，8月下旬洪峰量級和頻率略有下降，出現(xiàn)相對較小的空檔期，9月10日以后年最大洪水出現(xiàn)頻次較少，且量級明顯減小。同年最大洪量散點圖分布類似，7～8月中旬為年最大7 d洪量出現(xiàn)的集中時段，9月上旬之后年最大7 d洪量量級明顯減小。

6～9月的大氣環(huán)流變化特征與宜昌站年最大洪水時間分布特征是相匹配的。6月份，宜昌站年最大洪峰出現(xiàn)的幾率相對較低，主要原因是副熱帶高壓脊線位于北緯20°以南區(qū)域，其位置對長江上游區(qū)域影響相對較小;6月中下旬西太平洋副熱帶高壓開始向北移動，宜昌站開始出現(xiàn)量級不大的洪水;7月上旬雨帶維持在江南以及嘉陵江東部，對長江上游各支流暴雨影響強度有限，導致該時間段洪水的洪峰量級沒有顯著增加。7月中旬至8月中旬，副熱帶高壓出現(xiàn)在北緯30°附近，它與印度低壓共同作用為長江上游帶來強勁的暖濕氣流，進而導致這段時間宜昌站洪水峰高量大，根據(jù)統(tǒng)計，全年超過50 000 m3/s以上的年最大洪峰流量出現(xiàn)頻率約為70%。8月中旬到8月下旬，長江上游地區(qū)受到西太平洋副熱帶高壓控制，暴雨覆蓋面積較低，從而導致該時段洪峰出現(xiàn)頻率下降。9月西太平洋副高脊線位于25°N附近，與7月上中旬情況相似;但副高往往分裂為單體，印度低壓已大為減弱，西風帶向南移動，西風槽的平均位置從內(nèi)蒙經(jīng)過河套東部伸向漢江及嘉陵江東部地區(qū)，因此，9月宜昌站的年最大洪峰比6月的多。如果副高撤退時間較平均情況有所延遲，并且8月宜昌底水較大，就易形成秋季大洪水，比如1945年秋季大洪水、1966年秋季大洪水等。

根據(jù)宜昌站年最大洪峰以及洪量外包線的變化特征，對汛期進行了時段劃分，結(jié)果如下：5月上旬～6月中旬為前汛期，6月下旬～9月上旬為主汛期，而9月中旬～10月下旬為后汛期。

2.3 基于模糊分析法的洪水分期

2.5 基于投影尋蹤有序聚類法的洪水分期

把多特征指標數(shù)據(jù)通過某種組合投影到低維子空間上，采用投影指標函數(shù)來描述投影暴露分類排序結(jié)構(gòu)的可能性大小，尋找出使投影指標函數(shù)達到最優(yōu)的投影值，采用基于遺傳編碼的加速遺傳算法確定最優(yōu)投影方向，通過有序聚類對投影值進行分類，根據(jù)分類特征確定汛期洪水分期。

將宜昌站汛期按旬劃分為18個時段，選取多年平均旬降水量（mm）、旬來水量占汛期的比例（%）、旬內(nèi)洪水發(fā)生次數(shù)、旬內(nèi)年最大洪峰發(fā)生次數(shù)4個指標，來計算各旬相應(yīng)的投影值，以旬為時段繪制的投影值一維散點圖和依據(jù)有序聚類方法得到投影值的分類特征如圖8所示。根據(jù)投影尋蹤有序聚類法結(jié)果分析，5月上旬至6月中旬為前汛期，6月下旬至9月上旬為主汛期，9月中旬至10月下旬為后汛期。2.6 基于多方法集成的宜昌站洪水分期

采用多種方法分析了宜昌站洪水分期特征，分析成果如表1所列。由表1可以看出：天氣成因法分析的成果僅考慮了降水成因，后汛期結(jié)束時間明顯遭遇其他成果。多種數(shù)理統(tǒng)計分析方法中，各個成果的前汛期結(jié)束時間基本集中在6月中旬至7月上旬，后汛期開始時間主要集中在9月上中旬，矢量分析方法有一定提前。各個方法在成果上盡管有一定差異，但差異性不大?？紤]到三峽水庫防洪主要是考慮洪量控制，因此本次以年最大洪量統(tǒng)計分析成果為主，其他方法作為參考與驗證，經(jīng)綜合分析，將宜昌站的汛期劃分為3期：5月1日至6月20日為前汛期;6月21日至9月10日為主汛期;9月11日至10月31日為后汛期。

將本次研究成果與相關(guān)文獻[13]中的成果進行了比較分析。分析時發(fā)現(xiàn)，相關(guān)文獻中并沒有提出宜昌站前汛期分期成果，因此本次僅比較宜昌站后汛期成果。本次研究得到的宜昌站主汛期與后汛期的分界日期為9月10日，較文獻[13]成果提前了5 d。主要原因是：文獻[13]從防洪安全的角度采用了跨期選樣，使得設(shè)計成果相對偏安全。SL44-2006《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》中對汛期分期設(shè)計洪水選樣是否需要跨期沒有明確的規(guī)定，考慮到目前預(yù)報精度的提高、自動測報系統(tǒng)的完善以及長江流域整體防洪能力的提高，本次研究采用不跨期選樣的原則，可以滿足流域防洪的要求，因此推薦9月10日作為宜昌站主汛期和后汛期的分界日期。

3 宜昌站汛期分期設(shè)計洪水

根據(jù)宜昌站洪水分期成果，分別統(tǒng)計了1877～2018年歷年6月20日以前以及9月10日以后的最大洪峰流量及其時段洪量，分別選擇期內(nèi)最大洪峰流量組成連續(xù)系列，頻率曲線的線型采用P-Ⅲ型，采用適線法進行頻率曲線配線，得到了宜昌站前汛期和后汛期設(shè)計洪水成果，如表2所列。與主汛期洪水成果相比（直接采用三峽水庫初步設(shè)計成果），后汛期在量級上明顯偏小，洪峰流量均值偏小幅度為34.0%;1 000 a一遇洪峰流量偏小幅度為27.5%，相當于主汛期20 a一遇洪水。前汛期洪峰流量均值偏小54%;1000 a一遇洪峰流量偏小52.0%，小于主汛期2 a一遇洪水。可以看出：前汛期、后汛期洪水與主汛期洪水相比量級上差異明顯，在考慮上游梯級水庫聯(lián)合調(diào)度以及氣象水文預(yù)報配合的前提下，三峽水庫可以根據(jù)以上的汛期洪水分期成果按照不同時期進行水位動態(tài)控制，該成果可為三峽水庫汛期水位動態(tài)控制提供重要的技術(shù)支撐。

考慮到洪峰形態(tài)、洪水來源組成等因素，分別選取1964年和1952年作為洪水典型年，計算了宜昌站后汛期的洪水過程線（見圖9）;選取1963年作為洪水典型年，計算了宜昌站前汛期的洪水過程線（見圖10）。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)合長江上游洪水特性，以長江上游面雨量、宜昌站年最大日均流量以及年最大7 d洪量作為分析對象，采用氣候成因分析法、年最大值統(tǒng)計分析法、模糊分析法、矢量分析法以及投影尋蹤法等方法，對三峽水庫洪水進行了分期。多種方法分期的結(jié)果相差不大，因此，綜合考慮工程調(diào)度需求，將宜昌站的汛期分為3期：5月1日到6月20日為前汛期，6月21日至9月10日為主汛期，9月11日到10月31日為后汛期。前汛期、后汛期1 000 a一遇設(shè)計洪水設(shè)計值與主汛期1 000 a一遇設(shè)計洪水設(shè)計值分別相差27.5%和54.0%，在考慮上游梯級水庫聯(lián)合調(diào)度以及氣象水文預(yù)報配合的前提下，三峽水庫具備汛期水位動態(tài)控制的條件。E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF

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（編輯：趙秋云）E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF