張 濤,胡 挺,胡 瓊 方,許 銀 山,趙 國 龍,王 飛 龍

(1.長江水利委員會(huì) 水文局,湖北 武漢 430010; 2.中國長江三峽集團(tuán)有限公司,湖北 宜昌 443100; 3.長江水利委員會(huì)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(fā)生過多次大洪水,洪災(zāi)損失嚴(yán)重。經(jīng)過幾十年的建設(shè),長江流域已基本形成了防洪工程措施與非工程措施相結(jié)合的綜合防洪減災(zāi)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(fā),亟需高度警惕流域大洪水“黑天鵝”事件的發(fā)生。

流域歷史洪水資料蘊(yùn)含著大量洪水特征信息[3],對于水旱災(zāi)害防御具有有效的參考借鑒意義。在設(shè)計(jì)層面,歷史典型洪水可以融合到實(shí)測系列,提高系列代表性及設(shè)計(jì)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(diào)度規(guī)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(dòng)態(tài)控制域研究。在實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度層面,陳鑫等[3]、姚超宇等[7]通過對歷史場次洪水與實(shí)際預(yù)報(bào)過程的誤差進(jìn)行學(xué)習(xí),來對未來預(yù)報(bào)進(jìn)行校正,提高預(yù)報(bào)精度;林子珩等[8]基于歷史相似洪水動(dòng)態(tài)識(shí)別與預(yù)報(bào)方法作為實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)的輔助手段,延長預(yù)報(bào)預(yù)見期;實(shí)際作業(yè)預(yù)報(bào)中經(jīng)常直接利用場次洪水降雨徑流關(guān)系,輔助作業(yè)預(yù)報(bào),李明等[9]利用歷史洪水?dāng)M定防洪預(yù)案,支撐調(diào)度決策。

新中國成立以來,中國逐步建立起完整的水文監(jiān)測站網(wǎng)與完善的水文管理體系,具備了堅(jiān)實(shí)的水文數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ),但部分歷史洪水仍然存在信息不完備或無實(shí)測信息等困難[10]。胡明思等[11]通過野外調(diào)查取得了全國5 544條河段2萬多個(gè)歷史大洪水?dāng)?shù)據(jù),可以提供至規(guī)劃設(shè)計(jì)部門直接使用,但缺乏定量的洪水過程和近年發(fā)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(huán)境、地理地貌決定了歷史暴雨洪水具備重現(xiàn)的概率,下墊面和人類活動(dòng)影響,如土地利用變化、水利工程建設(shè)運(yùn)行會(huì)改變產(chǎn)匯流規(guī)律,歷史典型洪水經(jīng)現(xiàn)狀工程調(diào)節(jié)后,其發(fā)展過程也會(huì)相應(yīng)發(fā)生顯著變化。因此,本文以現(xiàn)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(jìn)行還原重構(gòu),通過分析歸納典型洪水組成與特征,識(shí)別洪水類型,最終形成長江流域歷史典型洪水基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,供防汛預(yù)報(bào)調(diào)度決策參考。

1 研究范圍與數(shù)據(jù)資料

1.1 研究范圍

考慮長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度實(shí)際需求,本次研究選取納入2022年長江流域聯(lián)合調(diào)度范圍的47座水庫[12]及重要控制節(jié)點(diǎn),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(qū)間、三峽水庫庫區(qū)、清江、洞庭湖“四水”、鄱陽湖“五河”、漢江及長江中下游干流區(qū)間流域(見圖1)。

圖1 長江流域洪水預(yù)報(bào)調(diào)度體系Fig.1 Flood forecast and dispatch system in the Changjiang River Basin

根據(jù)長江流域防洪規(guī)劃和三峽水庫、溪洛渡、向家壩等水庫設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)資料及處理

本次研究所采用的水文數(shù)據(jù)主要有整編數(shù)據(jù)和報(bào)汛數(shù)據(jù)。整編數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和洪水摘錄數(shù)據(jù),以洪水摘錄數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),將洪水過程統(tǒng)一插值到4段次(每日02:00,08:00,14:00,20:00),以整編數(shù)據(jù)控制水量平衡。數(shù)據(jù)源主要來自長江水利委員會(huì)水文局和相關(guān)省市水文部門等。水庫節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為報(bào)汛數(shù)據(jù),主要來自各發(fā)電公司,對于入出庫跳動(dòng)較大的水庫,統(tǒng)計(jì)為日均值后再插值為4段次。

對于1870年、1931年等年代久遠(yuǎn)的歷史洪水?dāng)?shù)據(jù),借用相關(guān)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(shè)計(jì)報(bào)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(gòu)方法

根據(jù)洪水實(shí)測資料條件,結(jié)合研究需求,進(jìn)行歷史典型洪水重構(gòu),方法流程見表1和圖2。

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

圖2 歷史洪水重構(gòu)技術(shù)路線Fig.2 Technical route of historical flood reconstruction

2.2 還原還現(xiàn)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(jìn)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(qū)間來水,m3/s;Q上、Q下分別表示上下游站的實(shí)測來水,m3/s;MuskQ表示上游站經(jīng)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(xiàn)

本文中的洪水還現(xiàn)并不考慮現(xiàn)狀水庫的調(diào)蓄作用,而是指通過區(qū)間洪水分割和河道流量演算等得到現(xiàn)狀水工程節(jié)點(diǎn)位置的天然洪水過程,目的是為后期相關(guān)研究提供基礎(chǔ),還現(xiàn)方法可采用水文模擬方法、面積倍比方法、洪水組成規(guī)律法。

水文模擬法主要應(yīng)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(shí),通過降雨徑流模擬計(jì)算出現(xiàn)狀區(qū)間流量過程,由上下游控制站分割區(qū)間進(jìn)行總量控制,由下游向上游逐級(jí)計(jì)算區(qū)間流量,計(jì)算過程見圖3。

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

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

洪水組成規(guī)律法主要應(yīng)用于1870,1931年等實(shí)測資料匱乏的情況,根據(jù)典型年歷史暴雨洪水調(diào)查資料,匹配多個(gè)有實(shí)測資料的相似年,對其區(qū)間洪水組成規(guī)律進(jìn)行分析,得出多年同期區(qū)間洪水組成比例,按照此比例對無實(shí)測資料年份的區(qū)間洪水進(jìn)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(shù)和洪水還現(xiàn)中水文模擬方法方案參數(shù)均來自長江水利委員會(huì)水文局《長江流域預(yù)報(bào)方案》(2016),干流河道主要控制站方案精度均在乙級(jí)及以上。

2.3 洪水辨識(shí)方法

長江洪水類型可定性地劃分為流域性洪水和區(qū)域性洪水[13-14]。根據(jù)長江流域暴雨洪水特性,將全流域劃分為長江上游區(qū)域、中游區(qū)域、下游區(qū)域[15],依據(jù)水利部《全國流域性洪水劃分規(guī)定(試行)》,對洪水量級(jí)進(jìn)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(biāo)為:以還原后漢口或大通站最大30 d洪量重現(xiàn)期的最大值為評價(jià)指標(biāo),當(dāng)重現(xiàn)期達(dá)到10 a時(shí),為流域性較大洪水;當(dāng)重現(xiàn)期達(dá)到20 a時(shí),為流域性大洪水;當(dāng)重現(xiàn)期達(dá)到50 a時(shí),為流域性特大洪水[16]。

3 結(jié)果與討論

3.1 歷史典型洪水還原還現(xiàn)

對選取的歷史典型洪水進(jìn)行重構(gòu),得到天然洪水過程,并將其還現(xiàn)到現(xiàn)狀工程條件,各節(jié)點(diǎn)典型年最大洪峰流量統(tǒng)計(jì)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(xiàn)期,洪峰特征值及超警持續(xù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)前述洪水劃分標(biāo)準(zhǔn),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(qū)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(qū)代表站最大30 d洪量重現(xiàn)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(xiàn)狀警戒水位來看,中下游代表站螺山,漢口,大通高水位歷時(shí)長,超警時(shí)間均在40 d以上。

3.2.2區(qū)域性洪水

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

3.3 歷史典型洪水組成分析

統(tǒng)計(jì)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(diǎn),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(jìn)一步推動(dòng)了三峽水庫連續(xù)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(dá)到最大。上、中、下游洪水同時(shí)發(fā)生遭遇,中下游螺山、漢口、大通站水位超警時(shí)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(fā)生暴雨洪水,三峽水庫連續(xù)出現(xiàn)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(xiàn)“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(xù)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(shí)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(fā)生范圍廣,干流區(qū)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(fā)、干支流洪水嚴(yán)重遭遇,長江干流先后發(fā)生5次編號(hào)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(fā)生較大洪水,中下游江湖滿槽,在上游多次編號(hào)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(shí)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(qū)域性洪水

2016年,主汛期前期來水豐,7月長江干流共發(fā)生3次大洪水。第一次在長江上游形成編號(hào)洪水,第二次中下游干流監(jiān)利以下江段全線超警,第三次中下游監(jiān)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(shí)間均超25 d,2016年洪水屬長江中下游區(qū)域性洪水(見圖9)。

圖9 2016年區(qū)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(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

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

(1) 實(shí)現(xiàn)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(gòu),形成了現(xiàn)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(shí)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(xiàn)期均在10 a以上,高水位歷時(shí)長;其余典型歷史洪水年為區(qū)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(xiàn)期不超10 a,水位超警歷時(shí)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(xiàng)基礎(chǔ)性研究,本文對長江流域歷史典型洪水進(jìn)行了全面梳理與重構(gòu),形成了規(guī)范化的典型年洪水樣本?；诒狙芯砍晒?圍繞長江流域水旱災(zāi)害防御工作,可從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步深入研究:

洪水模擬預(yù)報(bào)方面,一方面可以結(jié)合長江流域水模擬平臺(tái),實(shí)現(xiàn)歷史典型洪水的實(shí)時(shí)復(fù)盤推演,為汛前準(zhǔn)備提供支撐;另一方面,結(jié)合歷史典型暴雨庫,開展相似暴雨洪水、機(jī)器學(xué)習(xí)洪水預(yù)報(bào)模型、水文模型模擬誤差規(guī)律等分析研究,輔助實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào),提升超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)測預(yù)報(bào)能力。

水工程聯(lián)合調(diào)度方面,基于長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃,通過模擬工程調(diào)度,構(gòu)建歷史典型洪水規(guī)程調(diào)度知識(shí)庫;結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化算法,形成歷史典型洪水優(yōu)化調(diào)度案例庫;挖掘?qū)嶋H洪水工程調(diào)度過程信息,提煉歷史典型洪水專家調(diào)度策略庫,共同輔助水工程聯(lián)合調(diào)度決策。