2020年7月长江洪水及水库群防洪效益分析

冯 宝 飞，许 银 山，陈 桂 亚

(1.长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010； 2.水利部长江水利委员会，湖北 武汉 430010)

1 2020年7月长江洪水概况

2020年1～7月，长江流域面雨量较多年同期均值偏多2成多，呈现多-少-多的时间分布，其中1～3月偏多4成多，4～5月偏少近2成，6～7月偏多4成多。6～7月，长江流域面雨量485 mm，中下游615 mm(较历史同期均值偏多6成)，均排名有完整连续降雨监测资料以来的第1位(1961年以来)，特别是中下游干流附近地区降水较同期偏多1倍以上；呈现暴雨过程频繁，雨区范围广，重叠度高，入梅早、出梅晚、梅雨量大，暴雨强度大、极端性强等特征。

1～7月，长江流域来水总体偏多1成多，其中7月，长江上游宜昌站来水偏多2成，中下游汉口、大通站来水偏多3～4成。7月长江干流发生3次编号洪水，莲花塘至大通江段洪峰水位列有实测记录以来的第2～5位，再叠加潮位顶托影响，马鞍山至镇江江段潮位超历史。按照暴雨洪水的发生时间及其发展过程，2020年7月长江流域暴雨洪水大约可分为3个阶段：第1阶段(7月1～13日)，长江干流附近及两湖水系中北部发生集中性强降雨，形成长江2020年第1号洪水，鄱阳湖发生流域性大洪水，中下游干流水位涨势加快，主要控制站陆续突破警戒水位，并接近保证水位，形成江湖满槽之势；第2阶段(7月14～21日)，长江流域自西向东发生1次强降雨过程，形成长江2020年第2号洪水，中下游干流附近多条支流再次发生较大涨水过程，汉口以上江段水位复涨，马鞍山至镇江江段最高潮位超历史；第3阶段(7月22～31日)，长江干流附近及以北地区发生强降雨，形成长江2020年第3号洪水，中下游干流附近多条支流再次发生较大涨水过程，城陵矶地区水位突破保证水位。呈现洪水发生范围广、遭遇严重，干流水位涨势猛、洪峰水位高、高水位持续时间长等特点。

洪水期间，长江流域上中游水库群配合三峡水库开展联合防洪调度，合计拦蓄约300亿m3，其中三峡水库拦蓄洪量约146亿m3，极大缓解了中下游防洪压力。为进一步探究流域水库群在本次洪水中所发挥的作用，量化防洪效益，本文将从洪水还原分析计算方法、总体计算框架及策略、还原成果及效益分析等方面开展探讨，并与典型大水年(1998年,2016年)洪水还原成果开展综合对比，以期为未来可能发生的大洪水防御相关工作提供思路和参考。

2 洪水还原分析方法

洪水还原分析是量化流域水库群防洪效益、准确评估联合调度效果的重要基础。首先针对不同控制节点和断面类型采用不同还原计算方法，然后针对不同江段阐述水量还原策略及具体步骤，最后给出洪水还原分析的总体计算框架。

2.1 还原计算方法

洪水过程还原计算是分析洪水特性、量化洪水大小的基础，是一类将受人类活动影响的洪水资料还原为天然状况下洪水过程的水文计算工作[1]。本文的还原是指水库群不拦蓄的情况，根据分析对象所属控制节点和断面类型的不同，结合长江流域洪水特性，通常可以采用马斯京根分段演算法、水动力学模型演算法、大湖模型演算法及相关图模型等。

(1) 马斯京根分段演算法。马斯京根分段演算法是将演算河段划分为N个单元，并基于马斯京根原理，针对各个单元采用马斯京根槽蓄方程和水量平衡原理进行出流推求的过程[2]。通过分段演算可以有效缩短单次计算河段，增强蓄泄关系代表性，在一定程度上提高节点间洪水演进模拟精度。

(2) 水动力学模型演算法。水动力学模型演算法是在已知边界条件的基础上，采用不同方法对河道进行离散建模，并基于圣维南原理进行河道演算的过程[3]。水动力学模型一般分为一维、二维模型，其中一维模型具有计算效率高、数据需求低等优点，被广泛应用于河网、河道的洪水演进计算。

(3) 大湖模型演算法。大湖模型演算法是广泛应用于长江中下游地区洪水演算的一类模型[4]。其基本原理是根据长江流域河道特性，将宜昌至螺山河段及洞庭湖区、汉口至大通河段及鄱阳湖区概化为两个大湖，利用水量平衡方程，分别以螺山、湖口、大通站为大湖出口站，基于水量平衡方程，并配合江湖容蓄曲线及水位流量关系，建立大湖演算模型，推算螺山、大通站水位流量过程。

(4) 时变多因子相关图模型。时变多因子相关图模型是基于随时间变化的多个因子，找出主影响因子建立非线性单相关曲线，对次要因子考虑影响程度大小，对单相关曲线进行拟合优化，基于实时资料，实现相关图模型的动态优化求解[5]。本文中相关图模型法即基于实测数据，以水位、流量为主因子建立单相关连时序曲线，综合考虑上游来水、下游顶托、落差及本站断面冲淤变化对曲线进行修正优化。

(5) 区间洪水降雨径流模型。区间洪水是下游控制站来水的重要组成部分。因其不可监测，通常按上下站的洪水传播时间，错时分割流量过程进行计算，但分割的区间流量过程一般存在雨洪过程不对应、流量跳动较大等问题。本文采用新安江模型[6]、NAM[7]、API[8]等降雨径流模型，以实测降雨作为输入计算区间流量过程，并通过区间分割流量过程的总水量，对模型计算结果进行校正。

单一模型的还原计算成果一般存在一定的不确定性。实际应用中，需要通过多模型同步计算[9]，以多模型演算成果为基础，充分考虑洪水来水组成和实际特性，结合专家经验形成相对可靠的洪水还原分析成果。

2.2 还原分析策略

洪水还原分析主要涉及水利工程拦蓄影响还原、抽排泵站等人类活动影响还原等，其中水利工程拦蓄影响又分为水库群拦蓄及洲滩民垸、蓄滞洪区分蓄等。本研究中主要考虑长江流域纳入联合调度的上中游41座水库群的拦蓄影响进行3次编号洪水的分析计算，其中，上中游控制性水库节点至干支流河道控制断面的流量演算采用马斯京根分段演算法，三峡区间流量计算则通过产流模型结合水动力学模型演算法进行计算，中下游干流主要控制断面则采用水动力学模型、大湖模型、相关图模型等多方法综合计算。具体还原策略如下：

(1) 对于上游水库群，按照还原计算方法的不同，分别对上游水库群(不含三峡水库)和三峡水库拦蓄洪量进行还原计算：① 还原上游水库群蓄量(不含三峡水库)，采用分段马斯京根法演算寸滩、武隆站的流量过程，作为三峡水库入库流量计算边界；② 三峡水库则采用水动力学模型演算法[10]，基于寸滩、武隆站流量及区间来水过程演算入库流量，从而实现上游来水的还原计算；③ 三峡水库按照入出库平衡调度策略，将其入库流量作为长江上游来水边界(即长江上游控制站宜昌站的还原流量)。

(2) 对于中游水库群，则统一采用分段马斯京根法演算各支流控制断面的流量过程，作为中下游干流演算的来水边界。

(3) 基于长江上游来水边界和中下游各支流来水边界，采用多模型演算实现中下游干流来水还原计算，获得主要控制站水位还原结果。

(4) 综合考虑干支流来水特性、洪水组成、涨落关系及多模型演算结果，确定最终还原计算成果。

2.3 总体计算框架

根据上述分析，2020年7月3次编号洪水的分析计算主要包括数据准备、方法选择、还原策略及成果分析等环节。具体地，首先采集联合调度水库群的运行数据和流域主要控制断面的实况信息，然后针对不同江段采用不同方法和策略进行水量还原计算，最后通过对比还原前后的水库入库流量和关键控制断面的水位过程，分析水库群的拦洪削峰效益。总体计算框架如图1所示。

图1 洪水还原总体计算框架Fig.1 Overall calculation framework of flood reduction analysis

3 洪水还原及防洪效益分析

3.1 长江上中游水库群概况

1949年以来，在长江总体防洪原则“蓄泄兼顾、以泄为主”的指导下，经过几十年的建设，长江流域已基本形成了以堤防为基础、三峡水库为骨干，其他干支流水库、蓄滞洪区、河道整治相配合，以及平垸行洪、退田还湖等工程措施与防洪非工程措施相结合的综合防洪减灾体系。截至2020年，长江流域已建成大型水库300余座，总调节库容1 800余亿m3，防洪库容约755

亿m3。其中，纳入2020年度长江流域水工程联合调度运用计划的控制性水库41座(总体分布见图2) ，总调节库容884余亿m3，总防洪库容约598亿m3；上游水库群以三峡水库为核心，总防洪库容约387亿m3；中游主要支流的重要水库除承担所在河流的防洪任务外，还与三峡水库错峰调度，总防洪库容约211亿m3[11]。

3.2 三峡水库入库洪水还原

为配合三峡水库减轻长江中下游防洪压力,2020年7月洪水期间长江上游水库群通过联合运用，拦蓄洪水，减少三峡水库入库洪量，分担三峡水库防洪压力。7月2～12日、12～21日、25～28日3个阶段，长江上游水库群(不含三峡水库)持续拦蓄洪水，合计拦蓄洪量约135亿m3。

基于分段马斯京根模型将上游水库群的拦蓄洪量还原至三峡水库入库控制站(寸滩站和武隆站)，叠加区间洪水计算三峡水库的还原入库洪水过程。还原后，长江干流3次编号洪水三峡水库入库洪峰流量分别为55 000 m3/s(实况53 000 m3/s)、70 000 m3/s(实况61 000 m3/s)、67 000 m3/s(实况60 000 m3/s)；截至7月31日，上游水库群联合调度累计减少三峡水库入库洪量约110亿m3，显著削减三峡水库入库洪峰及洪量，如图3所示。

3.3 中下游干流控制站洪水还原

以寸滩、武隆站还原洪水过程和三峡区间实况降雨过程作为三峡水库库区水力学模型的输入，将寸滩、武隆站及区间来水演算至三峡水库坝址，得到三峡水库还原后的坝址入库流量过程，作为宜昌站的还原洪水过程。同时，分析中游水库(主要为清江、洞庭湖水系、陆水、汉江、鄱阳湖水系)洪水拦蓄量，演算各支流控制站还原流量过程，以上游宜昌站及中游各支流还原流量过程及区间降雨过程为输入，基于水力学模型、大湖演算模型及相关图模型分别进行洪水还原计算，综合分析确定中下游干流及两湖出口控制站还原过程。

图2 纳入长江流域联合调度的41座控制性水库分布示意Fig.2 Distribution of 41 controlled reservoirs in the joint dispatching of Yangtze River Basin

图3 2020年7月三峡水库入库洪水还原Fig.3 Reduction for flood entering the Three Gorges Reservoir in July 2020

各时段还原洪峰水位见表1。对比各模型演算的效果来看，水力学模型计算的水库群影响中下游干流水位值总体偏高，大湖演算模型计算值总体偏低，相关图模型查算值则介于前述两者之间，综合洪水特性、调度过程、洪水组成等多方面因素，最终综合分析确定莲花塘、汉口站洪峰水位值。

7月1～13日期间，通过上中游水库群拦蓄洪水约73亿m3，分别降低莲花塘站、汉口站洪峰水位0.8，0.5 m左右；其中，三峡水库拦蓄洪水约25亿m3，削峰率约34%，分别降低上述两站洪峰水位0.2，0.1 m左右。

7月14～21日期间，通过上中游水库群拦蓄洪水约173亿m3，其中三峡水库拦蓄洪水约88亿m3。通过长江上中游水库群联合调度，分别降低莲花塘站、汉口站洪峰水位约1.7，1.0 m，其中，三峡水库发挥了50%以上的作用，削峰率约46%。

7月22～28日期间，通过上中游水库群拦蓄洪水约56亿m3，其中三峡水库拦蓄洪水约33亿m3。通过长江上中游水库群联合调度，分别降低城陵矶、汉口江段洪峰水位约0.6，0.4 m左右，其中，三峡水库发挥了60%以上的作用，削峰率约36%。

由此可见，2020年7月长江暴雨洪水期间，通过以三峡水库为核心的上中游水库群联合调度，显著降低了中下游干流洪峰水位，防洪调度效益显著。莲花塘、汉口水位还原过程见图4～5，3次编号洪水期间，两站还原后的水位涨落过程明显，而实测水位过程受水库群影响后，水位总体呈现高位波动的态势。

图4 莲花塘站实况与还原水位对比Fig.4 Comparison of measured and calculated water level of Lianhuatang Station

图5 汉口站实况与还原水位对比Fig.5 Comparison of measured and calculated water level of Hankou Station

3.4 与典型洪水年还原成果对比分析

选择最近一次流域性洪水的1998年[12]以及21世纪长江中下游发生的区域性大洪水的2016年[13]进行比较(还原仅考虑水库拦蓄)，见表2。综合分析来看，无论实况或还原水位，2020年莲花塘、汉口江段洪峰水位均低于1998年、高于2016年。与1998年比较，2020年莲花塘江段实况洪峰水位偏低1.21 m，还原后仅偏低0.31 m，汉口实况洪峰水位偏低0.66 m，还原后偏低0.47 m；与2016年实况和还原水位比较，2020年莲花塘实况洪峰水位偏高0.30 m，还原后偏高1.10 m，汉口实况洪峰水位偏高0.40 m，还原后偏高0.88 m。

表1 长江中游干流莲花塘、汉口洪峰水位还原计算成果Tab.1 Reduction calculation of flood peak water level in Lianhuatang and Hankou in the middle Yangtze River

从降低中下游干流控制站洪峰水位的幅度来看，2020年长江上中游水库群联合防洪调度作用更为显著，主要原因为工程规模的增加和防洪调度技术水平的提升，体现在：

(1) 从水库情况建设来看，据不完全统计[14-17]，1998年长江流域建有大型水库142座，总库容约1 185亿m3，与1998年相比，2020年水库群规模和控制能力都有较大程度提高。

(2) 不断开展水库群联合防洪调度研究，自2012年长江上游水库群联合调度方案首次获批以来，纳入联合调度的水库群范围和数目逐年增加，截至2020年纳入联合调度的长江上中游水库群共41座，并积累了大量科学调度研究成果作为支撑[18-21]。

(3) 通过理论与实践相结合，三峡水库建成以来，科学调度以三峡水库为核心的上中游水库群，成功应对了2010，2012年2次入库洪峰流量超70 000 m3/s的洪水过程，面对2016，2017年长江中下游区域性大洪水，有效控制下游沙市站水位未超警戒水位、城陵矶地区水位未超保证水位，减轻了下游地区的防洪压力，积累了丰富的调度案例及实践经验。

由此可见，随着水库群的逐步投入运行、联合调度的不断优化，水库拦蓄效果越来越为突出，效益也越来越为显著，大大减轻了水库下游的防洪压力。

表2 长江中游干流莲花塘、汉口洪峰水位还原成果Tab.2 Water level reduction results of Lianhuatang and Hankou in the middle Yangtze River m

4 结 论

2020年7月长江暴雨洪水期间，以三峡水库为骨干的长江上中游水库群，在拦洪削峰错峰等方面发挥了重要作用，期间通过上中游水库群联合调度，成功应对长江干流的3次编号洪水，过程合计拦蓄洪量约300亿m3，其中三峡水库拦蓄约146亿m3。本文基于长江洪水预报调度一体化方案体系，采用长江防洪预报调度系统，综合多方法还原计算分析，对2020年7月长江三峡入库流量及中下游主要控制站水位过程进行了还原，并就还原成果及防洪效益开展了系统性阐述。主要结论如下：

(1) 三峡水库上游的水库群联合调度显著削减了三峡水库入库洪峰及洪量。还原后，长江干流3次编号洪水三峡水库入库洪峰流量分别为55 000 m3/s(实况53 000 m3/s)、70 000 m3/s(实况61 000 m3/s)、67 000 m3/s(实况60 000 m3/s)；截至7月31日，累计减少三峡水库入库洪量约110亿m3，

(2) 以三峡水库为核心的长江中游水库群联合防洪调度显著降低了中下游干流洪峰水位。1号洪水期间，分别降低莲花塘、汉口站洪峰水位0.8，0.5 m；2号洪水期间，分别降低莲花塘、汉口站洪峰水位1.7，1.0 m；3号洪水期间，分别降低莲花塘、汉口站洪峰水位0.6，0.4 m。

(3) 通过与历史典型年洪水还原成果对比分析来看，2020年莲花塘、汉口江段洪峰水位较1998年偏低、较2016年偏高；从洪峰水位影响差值来看，随着长江流域防洪工程体系的不断完善及水库群联合调度事业的不断推进，流域水库群联合防洪调度效果日益突出。

说 明

本文2020年水文要素的统计分析源自报汛数据。