關(guān)鍵詞：洪峰；面雨量；來源組成；三峽水庫

洪峰作為評價(jià)洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)行水庫調(diào)度的關(guān)鍵指標(biāo)之一，分析其組成變化規(guī)律對流域防洪策略的制定十分重要[1-2]。降雨是洪水形成的主要誘因，其量級大小、空間分布等是影響洪峰的關(guān)鍵因素[3]。同時(shí)，強(qiáng)人類活動(dòng)，尤其是水利工程的削峰作用，對洪峰的影響也很顯著。隨著全球變暖，極端降雨事件頻發(fā)[4]，水文循環(huán)受到影響，洪水風(fēng)險(xiǎn)增加[5]。通過研究洪峰的來源組成及變化規(guī)律，能更好地應(yīng)對洪水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，為水庫調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

三峽水庫作為長江流域的重要水利工程，其入庫洪峰的組成對于水庫調(diào)度、防洪安全至關(guān)重要。目前針對三峽入庫洪水組成規(guī)律已開展了大量的研究。郭率等[6]、趙汗青等[7]分別統(tǒng)計(jì)了三峽水庫入庫年均徑流量、5日洪量組成占比，發(fā)現(xiàn)金沙江占比最大，其次是岷江、嘉陵江、烏江；熊瑩[8]、劉冬英等[9]根據(jù)時(shí)段洪量占比分析提出了金沙江來水是三峽洪水的基礎(chǔ)，而嘉陵江和區(qū)間匯流對入庫洪水起到加帽、造峰的作用。已有的研究為認(rèn)識(shí)三峽入庫場次洪水的來水組成奠定了較好基礎(chǔ)，但大多基于徑流量、3/5/7d等時(shí)段洪量占比組成分析，對三峽入庫洪峰的來水組成研究較少。洪峰的形成和變化受到多種因素的影響，其中降雨和水庫調(diào)節(jié)是2個(gè)顯著的因素。長江是典型的雨洪型河流，降水量的變化直接影響各流域來水規(guī)模，進(jìn)而影響三峽入庫的洪峰組成[10-12]。李思璇等[13]、高宇等[14]分析了2013年前后寸灘站高洪水期洪水徑流的主要源區(qū)，認(rèn)為溪洛渡、向家壩水庫的運(yùn)行削減了向家壩出庫洪峰，金沙江作為主要洪水源區(qū)的頻率顯著減少，嘉陵江來水逐漸成為洪水的主要組成。近年來，受氣候、人類活動(dòng)等自然因素和社會(huì)因素的雙重影響，長江上游水文情勢發(fā)生改變[15]，進(jìn)而引起三峽入庫來水條件變化，針對不同時(shí)期三峽入庫洪峰來源組成變化規(guī)律也有待探究。

本文根據(jù)1976—2020年長江上游干支流主要控制水文站的實(shí)測日均流量資料和氣象站的實(shí)測降雨數(shù)據(jù)，分析三峽入庫洪水過程以及洪峰的來水組成，探究三峽水庫和溪洛渡、向家壩水庫蓄水前后入庫洪峰的來源組成調(diào)整規(guī)律，并從降雨角度解釋其來源組成變化的原因。研究成果以期為開展三峽水庫調(diào)度、保障水庫綜合效益發(fā)揮，以及最終制定防洪決策提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

三峽水庫控制流域面積約100萬km2，流域水系發(fā)達(dá)。本文選取寸灘站作為三峽入庫的代表站[9]，長江上游寸灘站以上主要流域有嘉陵江、沱江、岷江、金沙江，各流域的代表性水文站分別為北碚站、富順站、高場站、屏山站（向家壩站），研究區(qū)域見圖1。

1.2數(shù)據(jù)來源

本文收集了寸灘、北碚、高場、向家壩（屏山）站1976—2020年及富順站2003—2020年的實(shí)測日均流量資料，實(shí)測資料均來自長江水利委員會(huì)水文局。

降水?dāng)?shù)據(jù)來源于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）ERA5數(shù)據(jù)集（https：//cds.climate.copernicus.eu/）提供的1976—2020年逐日降水資料。共有50個(gè)氣象站的降雨資料可供使用，氣象站點(diǎn)位置見圖1。

1.3研究方法

1.3.1場次洪水及洪峰選取

由于本研究的重點(diǎn)既要關(guān)注洪峰的來水組成變化，又要關(guān)注洪水過程從基流到洪峰的來水組成變化，先采用超定量（簡稱POT）選樣法[16]選取寸灘站有明顯漲落的流量過程作為場次洪水過程。超定量選樣法是指按照一定規(guī)則選取閾值流量，針對寸灘站，本文選取其各年份汛期（5—10月）均值流量為對應(yīng)年份洪水的閾值流量，取流量過程中的最大流量大于閾值流量的過程作為洪水過程。2006年的閾值流量最小，為11837m3/s，1998年的閾值流量最大，為24942m3/s，其余年份閾值流量大多位于15000～22000m3/s范圍內(nèi)。根據(jù)以上洪水選取標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)得到寸灘共280場洪水，有單峰型、多峰型洪水。

多峰型洪水由上游來水疊加時(shí)間不同步引起[8]，除最大流量對應(yīng)的洪峰外，其他明顯波動(dòng)也視為洪峰，以寸灘1992年4月1日至6月10日期間的流量過程選取場次洪水過程和洪峰為例（圖2），統(tǒng)計(jì)的280場洪水共計(jì)有434個(gè)洪峰流量（Qct）。

據(jù)前人統(tǒng)計(jì)，洪水從北碚傳播到寸灘一般是0～1d，從富順、高場、向家壩傳播到寸灘一般是0～2d[8]。因此，北碚對應(yīng)寸灘洪峰的來水取寸灘峰現(xiàn)當(dāng)天及前1天內(nèi)對應(yīng)的最大流量（Qbb），富順、高場、向家壩對應(yīng)寸灘洪峰的來水取寸灘峰現(xiàn)當(dāng)天及前2天內(nèi)對應(yīng)的最大流量（Qfs、Qgc、Qxjb）。各站均以最大流量與寸灘洪峰出現(xiàn)的時(shí)間差作為洪水傳播時(shí)間，統(tǒng)計(jì)對應(yīng)寸灘場次洪水過程的流量過程。

2003年三峽水庫的蓄水運(yùn)行及2012年金沙江下游向家壩水庫的投產(chǎn)運(yùn)行，改變了長江上游來水條件，進(jìn)而影響寸灘洪水來源組成。故本文以2003年、2013年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，將研究時(shí)段劃分為1976—2002年（P1）、2003—2012年（P2）、2013—2020年（P3）3個(gè)時(shí)段，對應(yīng)寸灘場次洪水分別為172、56、52場，寸灘洪峰分別為274、80、80個(gè)。

1.3.2面雨量計(jì)算

基于氣象站的實(shí)測日均降雨資料，采用泰森多邊形法[17]插值，計(jì)算得到各流域的面降水量。同時(shí)，對氣象站的降雨時(shí)段均值進(jìn)行反距離插值，得到不同時(shí)段、不同流域降雨空間分布。

1.3.3雨洪關(guān)系

長江是典型的雨洪河流，各子流域降雨產(chǎn)流特性不一，因此產(chǎn)匯流時(shí)間不一[18]。本文分別采用2種方法統(tǒng)計(jì)各流域來水Qbb、Qfs、Qgc、Qxjb與單日面雨量的相關(guān)關(guān)系，一是統(tǒng)計(jì)各流域來水與來水前第n天單日面雨量的相關(guān)系數(shù)（R2），二是統(tǒng)計(jì)各流域來水與來水前n天內(nèi)（包括來水當(dāng)天）最大單日面雨量的相關(guān)系數(shù)。通過比較這2種方法得到的R2值，選取R2值最大的方法和對應(yīng)的n值，以確定最佳的降雨與來水關(guān)系。以嘉陵江流域?yàn)槔?，圖3展示了采用這2種方法得到的雨洪相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，嘉陵江來水前4天內(nèi)的最大單日面雨量與來水的相關(guān)關(guān)系較好。

2三峽入庫洪峰組成變化

洪峰是描述洪水過程的重要指標(biāo)之一，本節(jié)首先通過分析三峽入庫場次洪水過程從基流到洪峰的來水組成情況，明確洪水漲落過程中不同流域貢獻(xiàn)率變化；再聚焦于洪峰，探討不同時(shí)段洪峰的來水組成變化規(guī)律；同時(shí)考慮到洪峰流量本身量級差異，在流量分級基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確不同量級洪峰流量下不同流域貢獻(xiàn)差異，全面分析洪峰的來水組成。

2.1三峽入庫洪水過程來水組成

考慮到不同洪水過程流量變幅較大，為方便統(tǒng)計(jì)寸灘280場洪水過程從基流到洪峰的來水組成變化，對洪水過程進(jìn)行歸一化處理（洪峰流量設(shè)定為1，基流設(shè)定為0，以此標(biāo)準(zhǔn)化洪水過程）。將歸一化后的洪水過程劃分為4個(gè)部分（0～＜0.25、0.25～＜0.50、0.50～＜0.75、0.75～1.00），計(jì)算每部分各流域來水與寸灘洪水比值的均值，3個(gè)時(shí)段的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖4。

對寸灘整個(gè)洪水過程而言，向家壩來水貢獻(xiàn)最大，高場、北碚來水貢獻(xiàn)次之，富順來水貢獻(xiàn)最小，來水占比均值依次為38%、24%、23%和4%。從基流到洪峰的4個(gè)部分來看，各流域來水占比的變化規(guī)律在3個(gè)時(shí)段一樣。北碚來水占比從基流到洪峰逐漸增加，4個(gè)部分的占比均值分別為18%、21%、25%、28%，說明越接近洪峰流量，北碚來水貢獻(xiàn)越大；相比之下，富順、高場來水占比的均值變化很小，變幅分別不超過1%和2%，分別呈略微減小和略微增大的變化；向家壩來水在4個(gè)部分的占比均值分別為45%、41%、36%和32%，說明越接近基底流量，向家壩來水占比越大。

在0.75～1.00部分時(shí)，P1、P3時(shí)段向家壩來水占比最大，均在30%左右，北碚、高場來水占比相差不大，在23%～26%范圍內(nèi)；P2時(shí)段北碚來水占比最大為33%，依次為向家壩（32%）、高場（20%）。在0～0.25部分時(shí)，3個(gè)時(shí)段均以向家壩來水占主，占比均在40%以上；高場來水占比排第2，在23%～26%范圍內(nèi)；北碚來水占比均在20%以下。

在三峽入庫洪水過程組成中，3個(gè)時(shí)段的規(guī)律一致。越接近洪峰流量，嘉陵江來水貢獻(xiàn)越大，沱江、岷江來水貢獻(xiàn)基本不變，金沙江來水貢獻(xiàn)越小。

2.2不同時(shí)段下三峽入庫洪峰組成

對寸灘不同時(shí)期的洪峰特性統(tǒng)計(jì)分析（表1），可以看出：P1時(shí)段洪峰流量的均值、中位數(shù)分別為30195、29450m3/s；P2時(shí)段相較于P1時(shí)段，洪峰流量有所增加，均值、中位數(shù)分別上升至31210、29500m3/s；到了P3時(shí)段，洪峰流量較P2時(shí)段有所下降，均值、中位數(shù)分別為28622、26350m3/s?？傮w來看，三峽蓄水后，三峽入庫洪峰流量有所增加；溪洛渡、向家壩水庫蓄水后，三峽入庫洪峰流量有所降低。

各流域來水及其對寸灘洪峰組成的貢獻(xiàn)情況見圖5。由圖5（a）可知，北碚來水3個(gè)時(shí)段變化明顯，流量均值分別為9155、11724、8617m3/s，P2時(shí)段整體較P1時(shí)段增加，P3時(shí)段較P2時(shí)段大幅下降；富順來水P2、P3時(shí)段流量均值分別為1505、1932m3/s，雖然P3時(shí)段較P2時(shí)段有所增加，但其流量遠(yuǎn)小于北碚、高場、向家壩；高場來水3個(gè)時(shí)段均值分別為8421、6781、7668m3/s，P2時(shí)段較P1時(shí)段減小，P3時(shí)段略有增加；向家壩來水3個(gè)時(shí)段均值分別為9507、9929、8825m3/s，整體變化不大，其中P3時(shí)段向家壩四分位流量范圍為6380～11250m3/s，該時(shí)段流量的離散度較前2個(gè)時(shí)段小，其分布更加集中。

由圖5（b）可知，P1時(shí)段向家壩來水占比最大，為32%，北碚和高場來水占比次之，均為29%；P2時(shí)段北碚來水占比最大，為36%，其次是向家壩（32%）、高場（22%），富順來水占比最低（5%）；P3時(shí)段向家壩再次成為最大來水源區(qū)，占比為33%，其次是北碚（28%）、高場（26%），富順依舊最低（6%）。各流域不同時(shí)段來水占比變化情況不同，北碚來水占比的3個(gè)時(shí)段均值分別為29%、36%、28%，呈現(xiàn)“小—大—小”變化；富順來水占比的P2、P3時(shí)段均值分別為5%、6%，基本不變；高場來水占比的3個(gè)時(shí)段均值分別為29%、22%、26%，呈現(xiàn)“大—小—大”變化；向家壩來水占比的3個(gè)時(shí)段均值分別為32%、33%、33%，基本不變。不同時(shí)段流域來水占比均值的變化由大到小依次是北碚、高場、富順、向家壩。北碚來水的時(shí)段變化與寸灘洪峰一致，不同時(shí)段由于北碚流量變幅較大，故來水占比變化較大；高場來水的時(shí)段變化與寸灘洪峰相反，因此不同時(shí)段來水占比也有明顯變化；富順、向家壩來水的時(shí)段變化與寸灘洪峰一致，不同時(shí)段由于富順、向家壩流量變幅較小，故來水占比幾乎不變。

由上述分析可知，三峽入庫洪峰的主要組成為嘉陵江、岷江、金沙江來水，沱江來水貢獻(xiàn)較小。就整體而言，不同時(shí)段三峽入庫洪峰組成不同，1976—2002年、2013—2020年金沙江來水占比最大（32%、33%），2003—2012年嘉陵江來水占比最大（36%）。

2.3不同流量級下三峽入庫洪峰組成

寸灘洪峰流量位于10500～84300m3/s范圍內(nèi)，變化幅度大，不同流量級下洪峰的來水組成可能發(fā)生調(diào)整，因此進(jìn)一步分析不同量級洪峰的來水組成規(guī)律，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6。由圖6（a）可知，隨著寸灘洪峰流量的增加，北碚和富順的來水占比越來越大，向家壩和高場的來水占比越來越小。

為進(jìn)一步分析不同流量級下的來水組成調(diào)整規(guī)律，將寸灘洪峰流量分為10000～＜20000m3/s、20000～＜30000m3/s、30000～＜40000m3/s、40000～＜50000m3/s、≥50000m3/s5個(gè)量級，見圖6（b）。P1時(shí)段，當(dāng)寸灘洪峰流量小于40000m3/s時(shí)，向家壩來水占主，其次是高場、北碚來水，占比分別為32%、30%、27%；當(dāng)寸灘洪峰流量大于40000m3/s時(shí)，變?yōu)楸表諄硭贾?，北碚、向家壩、高場來水占比依次?0%、27%、20%；P2時(shí)段，當(dāng)寸灘洪峰流量小于30000m3/s時(shí)，向家壩來水占主，其次是北碚、高場來水，占比分別為35%、29%、26%；當(dāng)寸灘洪峰流量大于30000m3/s時(shí)，變?yōu)楸表諄硭贾?，北碚、向家壩、高場來水占比依次?4%、28%、20%。P3時(shí)段寸灘洪峰組成變化同P2時(shí)段，即寸灘洪峰流量大于30000m3/s時(shí)，其主要組成部分由向家壩來水變?yōu)楸表諄硭?/p>

由上述分析可知，三峽入庫洪峰組成隨著流量級變化發(fā)生調(diào)整，洪峰流量越大，嘉陵江來水貢獻(xiàn)越大，金沙江來水貢獻(xiàn)越小。在洪峰流量小于30000m3/s條件下，金沙江來水占比最大（34%）；在洪峰流量大于40000m3/s條件下，嘉陵江來水占比最大（42%）；洪峰流量介于30000～40000m3/s范圍內(nèi)時(shí)，1976—2002年金沙江來水占比最大（32%），2003年以后變?yōu)榧瘟杲瓉硭急茸畲螅?003—2012年為42%、2013—2020年為34%）。

3三峽入庫洪峰組成變化的影響因素

長江上游雨量充沛，降雨是引起長江上游地區(qū)徑流年際和趨勢變化的主要因子[19-20]，因此本文從降雨角度出發(fā)解釋寸灘洪峰組成變化規(guī)律。

3.1雨洪關(guān)系分析

由于集水面積大小、地質(zhì)地貌特性、降雨中心分布等多種因素存在差異，各流域匯流速度不一[18]。本文使用1.3.3小節(jié)中2種統(tǒng)計(jì)方法來分析各站來水與降水量的關(guān)系，結(jié)果表明第2種方法，即各站來水與來水前的最大單日面雨量得到的相關(guān)關(guān)系相對較好，結(jié)果見圖7。北碚來水與來水前4天內(nèi)的最大面雨量相關(guān)關(guān)系最好，3個(gè)時(shí)段的相關(guān)系數(shù)分別為0.48、0.54、0.37；富順來水與來水前2天內(nèi)的最大面雨量相關(guān)關(guān)系最好，P2、P3時(shí)段的相關(guān)系數(shù)分別為0.37、0.30；高場來水與來水前3天內(nèi)的最大面雨量相關(guān)關(guān)系最好，3個(gè)時(shí)段的相關(guān)系數(shù)分別為0.35、0.46、0.33；由于向家壩集水面積大，降雨時(shí)空分布不均，降雨產(chǎn)匯流時(shí)間變化波動(dòng)較大，在2種方法綜合對比之下，向家壩來水與來水前第6天的單日面雨量相關(guān)關(guān)系最好，3個(gè)時(shí)段的相關(guān)系數(shù)分別為0.21、0.29、0.07。各流域降雨產(chǎn)流滯時(shí)與前人統(tǒng)計(jì)結(jié)果吻合[18]。各流域相關(guān)系數(shù)（圖7）表明，各流域來水與面雨量存在一定的相關(guān)關(guān)系，但同時(shí)來水還受到其他因素的影響，如上游水利設(shè)施調(diào)蓄，尤其以向家壩P3時(shí)段較為明顯。

3.2流域降雨對洪峰流量的影響

降雨強(qiáng)度和降雨中心位置是影響洪水大小的重要因素，降雨強(qiáng)度越大，洪水規(guī)模越大；降雨中心越靠近流域出口，洪水規(guī)模越大[21]。圖8給出了各流域的降雨時(shí)空分布。

嘉陵江流域3個(gè)時(shí)段對應(yīng)的面雨量均值分別為16.20、18.72、16.68mm，P2時(shí)段較P1時(shí)段增大，P3時(shí)段較P2時(shí)段減小。P1時(shí)段降雨中心為閬中、萬源，降水量分別為25.40、22.73mm；P2時(shí)段降雨中心向流域出口邊界擴(kuò)展，且雨強(qiáng)變大，萬源、閬中、高坪、達(dá)縣的降水量分別為43.23、27.33、27.45、26.45mm；P3時(shí)段降雨中心縮小至綿陽、閬中、萬源，降水量分別減少至23.44、25.00、22.93mm。

沱江流域P2、P3時(shí)段對應(yīng)的面雨量均值分別為17.38、23.05mm，P3時(shí)段降雨較P2時(shí)段大幅增加。

岷江流域3個(gè)時(shí)段對應(yīng)的面雨量均值分別為15.10、14.42、15.90mm，P2時(shí)段較P1時(shí)段降雨減小，P3時(shí)段較P2時(shí)段降雨增大。3個(gè)時(shí)段降雨中心一直位于雅安、峨眉山。

金沙江流域3個(gè)時(shí)段對應(yīng)的面雨量均值分別為4.35、4.39、4.96mm，不同時(shí)段降水量變化較小。3個(gè)時(shí)段降雨中心均位于西昌、會(huì)理附近，P2時(shí)段較P1時(shí)段降雨中心向流域上游移動(dòng)，P3時(shí)段較P2時(shí)段降雨中心向流域出口方向移動(dòng)。

圖9給出了各流域后一個(gè)時(shí)段相較于前一個(gè)時(shí)段的流量變幅與降雨變幅的相關(guān)關(guān)系。由圖9可知，除向家壩P2至P3時(shí)段面雨量變幅和流量變幅的點(diǎn)位于第二象限，即金沙江流域P3時(shí)段較P2時(shí)段降雨增加但流量明顯減少，其余點(diǎn)都位于一、三象限，流域降雨變化與流量變化一致。P3時(shí)段，溪洛渡、向家壩水庫已配合三峽水庫開展多次防洪調(diào)度實(shí)踐，成功攔蓄洪水減輕三峽入庫洪水壓力[22-24]，可見P3時(shí)段金沙江來水減少是溪洛渡、向家壩水庫調(diào)蓄和降雨變化綜合影響的結(jié)果。

綜上所述，2003年以后，嘉陵江、岷江、金沙江流域降雨分別增加、減少、略微增加，對應(yīng)洪水流量變化一致；2013年以后，嘉陵江、沱江、岷江流域降雨分別減少、增加、增加，對應(yīng)洪水流量變化一致，金沙江流域降雨雖然略微增加，但受溪洛渡、向家壩水庫調(diào)蓄影響，金沙江洪水流量減少。

除金沙江流域的洪水流量受降雨和水庫調(diào)蓄共同影響外，其余各流域洪水流量變化與降雨量級變化呈正相關(guān)關(guān)系。三峽水庫和溪洛渡、向家壩水庫蓄水前后，嘉陵江流域降雨變化較其他流域比較顯著，導(dǎo)致流量變幅較大，是引起三峽入庫洪峰組成發(fā)生變化的主要因素。

4結(jié)論

本文基于1967—2020年長江上游干支流主要控制水文站的實(shí)測日均流量資料及氣象站的實(shí)測降雨數(shù)據(jù)，聚焦于洪水過程和洪峰，對三峽入庫洪水組成及不同時(shí)期的組成調(diào)整規(guī)律進(jìn)行了分析，并結(jié)合降雨解釋洪峰來源組成變化的原因。主要結(jié)論如下：

（1）在三峽入庫洪水過程組成中，3個(gè)時(shí)段的規(guī)律一致。越接近洪峰流量，嘉陵江來水貢獻(xiàn)越大，沱江、岷江來水貢獻(xiàn)基本不變，金沙江來水貢獻(xiàn)越小。

（2）三峽入庫洪峰的主要組成為嘉陵江、岷江、金沙江來水，沱江來水貢獻(xiàn)較小，不同時(shí)段和量級下三峽入庫洪峰組成存在差異。就整體而言，1976—2002年、2013—2020年金沙江來水占比最大（分別為32%、33%），2003—2012年嘉陵江來水占比最大（36%）；就不同量級而言，洪峰流量越大，嘉陵江來水貢獻(xiàn)越大，金沙江來水貢獻(xiàn)越小。洪峰流量小于30000m3/s時(shí)來源以金沙江為主（占比為34%），大于40000m3/s時(shí)來源以嘉陵江為主（占比為42%）；洪峰流量介于30000～40000萬m3/s范圍內(nèi)時(shí)，1976—2002年金沙江來水占比最大（32%），2003年以后變?yōu)榧瘟杲瓉硭急茸畲螅?003—2012年為42%、2013—2020年為34%）。

（3）除金沙江流域的來水受降雨和水庫調(diào)蓄共同影響外，其余各流域來水變化與降雨量級變化呈正相關(guān)關(guān)系。嘉陵江流域降雨變化較大，流量變幅較大，是引起三峽入庫洪峰組成發(fā)生變化的主要因素。