长江流域历史典型洪水研究

张 涛,胡 挺,胡 琼 方,许 银 山,赵 国 龙,王 飞 龙

(1.长江水利委员会 水文局,湖北 武汉 430010; 2.中国长江三峡集团有限公司,湖北 宜昌 443100; 3.长江水利委员会水文局 长江三峡水文水资源勘测局,湖北 宜昌 443000)

0 引 言

长江流域历史上曾发生过多次大洪水,洪灾损失严重。经过几十年的建设,长江流域已基本形成了防洪工程措施与非工程措施相结合的综合防洪减灾体系,整体防洪能力显著提升,但流域大洪水伴随的巨大洪水来量与河道安全泄量的矛盾依然突出[1-2]。随着全球气候变化的影响,长江流域极端暴雨事件频发,亟需高度警惕流域大洪水“黑天鹅”事件的发生。

流域历史洪水资料蕴含着大量洪水特征信息[3],对于水旱灾害防御具有有效的参考借鉴意义。在设计层面,历史典型洪水可以融合到实测系列,提高系列代表性及设计可靠性[4];张静[5]尝试通过历史典型洪水分类研究制定水库调度规则;张艳平[6]通过历史典型洪水分类开展了水库汛限水位动态控制域研究。在实时预报调度层面,陈鑫等[3]、姚超宇等[7]通过对历史场次洪水与实际预报过程的误差进行学习,来对未来预报进行校正,提高预报精度;林子珩等[8]基于历史相似洪水动态识别与预报方法作为实时洪水预报的辅助手段,延长预报预见期;实际作业预报中经常直接利用场次洪水降雨径流关系,辅助作业预报,李明等[9]利用历史洪水拟定防洪预案,支撑调度决策。

新中国成立以来,中国逐步建立起完整的水文监测站网与完善的水文管理体系,具备了坚实的水文数据库基础,但部分历史洪水仍然存在信息不完备或无实测信息等困难[10]。胡明思等[11]通过野外调查取得了全国5 544条河段2万多个历史大洪水数据,可以提供至规划设计部门直接使用,但缺乏定量的洪水过程和近年发生的大洪水(2016年、2017年、2020年)资料,难以全面支撑防汛抗旱工作。

流域气候环境、地理地貌决定了历史暴雨洪水具备重现的概率,下垫面和人类活动影响,如土地利用变化、水利工程建设运行会改变产汇流规律,历史典型洪水经现状工程调节后,其发展过程也会相应发生显著变化。因此,本文以现状工程条件作为背景,对长江流域历史典型洪水(1870,1931,1954,1966,1981,1982,1998,2010,2012,2016,2017,2020年)过程进行还原重构,通过分析归纳典型洪水组成与特征,识别洪水类型,最终形成长江流域历史典型洪水基础数据库,供防汛预报调度决策参考。

1 研究范围与数据资料

1.1 研究范围

考虑长江流域水工程联合调度实际需求,本次研究选取纳入2022年长江流域联合调度范围的47座水库[12]及重要控制节点,涵盖金沙江中下游、雅砻江、岷江、沱江、嘉陵江、乌江、向家坝至寸滩区间、三峡水库库区、清江、洞庭湖“四水”、鄱阳湖“五河”、汉江及长江中下游干流区间流域(见图1)。

图1 长江流域洪水预报调度体系Fig.1 Flood forecast and dispatch system in the Changjiang River Basin

根据长江流域防洪规划和三峡水库、溪洛渡、向家坝等水库设计洪水成果,选定1870,1931,1954,1966,1981,1982,1998年作为三峡水库成库前的典型洪水年,以2010,2012,2016,2017,2020年作为三峡水库成库后的典型洪水年,典型洪水基本涵盖长江流域各种类型洪水。

1.2 数据资料及处理

本次研究所采用的水文数据主要有整编数据和报汛数据。整编数据为长江流域干支流主要控制水文站的典型年逐日日均整编数据和洪水摘录数据,以洪水摘录数据为基准,将洪水过程统一插值到4段次(每日02:00,08:00,14:00,20:00),以整编数据控制水量平衡。数据源主要来自长江水利委员会水文局和相关省市水文部门等。水库节点数据为报汛数据,主要来自各发电公司,对于入出库跳动较大的水库,统计为日均值后再插值为4段次。

对于1870年、1931年等年代久远的历史洪水数据,借用相关研究成果,如《长江三峡水库工程水文研究》《长江水文水情研究》《长江三峡水利枢纽初步设计报告(枢纽工程)》等,成果资料不完整的,采用降雨相似年匹配组合。

2 研究方法

2.1 洪水重构方法

根据洪水实测资料条件,结合研究需求,进行历史典型洪水重构,方法流程见表1和图2。

表1 历史典型洪水重构方法Tab.1 Reconstruction methods of typical floods

图2 历史洪水重构技术路线Fig.2 Technical route of historical flood reconstruction

2.2 还原还现方法

2.2.1洪水还原

对于受水利工程影响较大的典型年洪水如2012年、2016年、2020年,需进行还原,得到天然洪水过程,还原公式如下:

L=Q下-MuskQ上

(1)

Q下还=MuskQ上还+L

(2)

式中:L表示区间来水,m3/s;Q上、Q下分别表示上下游站的实测来水,m3/s;MuskQ表示上游站经过马斯京根河道演算至下游站的流量,m3/s;Q上还、Q下还表示还原后的上、下游站流量,m3/s。

2.2.2洪水还现

本文中的洪水还现并不考虑现状水库的调蓄作用,而是指通过区间洪水分割和河道流量演算等得到现状水工程节点位置的天然洪水过程,目的是为后期相关研究提供基础,还现方法可采用水文模拟方法、面积倍比方法、洪水组成规律法。

水文模拟法主要应用于2010,2012,2016,2017,2020年及其余年份上下游控制站间降雨资料完备时,通过降雨径流模拟计算出现状区间流量过程,由上下游控制站分割区间进行总量控制,由下游向上游逐级计算区间流量,计算过程见图3。

图3 洪水还现水文模拟法示意Fig.3 Hydrological simulation method of flood restoration

图4 洪水还现面积倍比法示意Fig.4 Area multiplication method of flood restoration

洪水组成规律法主要应用于1870,1931年等实测资料匮乏的情况,根据典型年历史暴雨洪水调查资料,匹配多个有实测资料的相似年,对其区间洪水组成规律进行分析,得出多年同期区间洪水组成比例,按照此比例对无实测资料年份的区间洪水进行分配。

2.2.3方案精度

洪水还原采用的河道演算方案参数和洪水还现中水文模拟方法方案参数均来自长江水利委员会水文局《长江流域预报方案》(2016),干流河道主要控制站方案精度均在乙级及以上。

2.3 洪水辨识方法

长江洪水类型可定性地划分为流域性洪水和区域性洪水[13-14]。根据长江流域暴雨洪水特性,将全流域划分为长江上游区域、中游区域、下游区域[15],依据水利部《全国流域性洪水划分规定(试行)》,对洪水量级进行判定,分别为流域较大洪水、大洪水和特大洪水。具体量化指标为:以还原后汉口或大通站最大30 d洪量重现期的最大值为评价指标,当重现期达到10 a时,为流域性较大洪水;当重现期达到20 a时,为流域性大洪水;当重现期达到50 a时,为流域性特大洪水[16]。

3 结果与讨论

3.1 历史典型洪水还原还现

对选取的历史典型洪水进行重构,得到天然洪水过程,并将其还现到现状工程条件,各节点典型年最大洪峰流量统计见表2,三峡水库入库洪水还原过程见图5。

表2 历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

图5 三峡水库典型年入库洪水过程Fig.5 Inflow processes of the Three Gorges Reservoir

3.2 历史典型洪水定性分析

基于典型历史洪水还原成果,对各代表站最大30 d洪量重现期,洪峰特征值及超警持续时间进行统计分析,根据前述洪水划分标准,1870,1931,1954,1998,2020年定性为流域性洪水年,1966,1981,1982,2010,2012,2016,2017年定性为区域性洪水年。部分历史典型洪水定性分析成果见表3。

表3 部分历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

整体上来看,1870,1931,1954,1998,2020年流域性洪水,具有以下特征:长江中下游分区代表站最大30 d洪量重现期均在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历史洪水前列;按现状警戒水位来看,中下游代表站螺山,汉口,大通高水位历时长,超警时间均在40 d以上。

3.2.2区域性洪水

1966,1981,1982,2010,2012,2016,2017年区域性洪水具有以下特征:中下游代表站最大30 d洪量重现期不超过10 a,水位超警时间均未超40 d。

3.3 历史典型洪水组成分析

统计5～10月主要干支流控制站还原径流量占三峡水库、大通站比例,分析各典型年长江上游及中下游汛期来水组成情况,篇幅原因仅给出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,长江上游雨季提前,三峡水库洪水呈多峰特点,向家坝以上及岷江来水起着较明显的“底水”作用,6月以后占三峡水库来水40%以上;乌江来水以5,6月占比较大,超23%,在7,8月则起着一定的“造峰”作用;嘉陵江7,8月来水较大,进一步推动了三峡水库连续洪峰的形成。长江中下游主雨季延长,5,6月两湖水系来水占大通比重均超30%,7月仍在15%以上,汉江来水亦在7,8月达到最大。上、中、下游洪水同时发生遭遇,中下游螺山、汉口、大通站水位超警时间均超50 d,形成流域性特大洪水(见图6)。

图6 1954年长江干支流控制站流量对比Fig.6 Comparative analysis of discharge at main stations of Changjiang River in 1954

(2) 1998年洪水。1998年,主汛期长江各大支流先后发生暴雨洪水,三峡水库连续出现8次超50 000 m3/s的洪峰,嘉陵江、乌江在7,8月对于三峡水库入库洪水的“造峰”作用均较为明显。长江中下游出现“枯季不枯”的异常水情,两湖水系5,6月总径流量均在700亿m3左右,占大通来水均超30%。在上游持续性暴雨洪水作用下,中下游江湖水位在高底水上迅猛上涨,螺山、汉口、大通站水位超警时间均超50 d,形成流域性大洪水(见图7)。

图7 1998年长江干支流控制站流量对比Fig.7 Comparative analysis of discharge at main stations of Changjiang River in 1998

(3) 2020年洪水。2020年,长江上游来水早,洪水发生范围广,干流区间洪水突出,其中乌江在6月末7月上旬起着一定的“造峰”作用;7～8月,流域暴雨频发、干支流洪水严重遭遇,长江干流先后发生5次编号洪水,8月,嘉陵江、岷江占三峡水库来水比重均超25%,对于三峡水库入库洪峰的形成影响明显。6～7月,中下游清江、两湖水系均发生较大洪水,中下游江湖满槽,在上游多次编号洪水作用下,中下游干流水位涨势迅猛,螺山、汉口、大通站水位超警时间均超40 d,形成流域性大洪水(见图8)。

图8 2020年长江干支流控制站流量对比Fig.8 Comparative analysis of discharge at main stations of Changjiang River in 2020

3.3.2区域性洪水

2016年,主汛期前期来水丰,7月长江干流共发生3次大洪水。第一次在长江上游形成编号洪水,第二次中下游干流监利以下江段全线超警,第三次中下游监利至汉口江段水位再次超警,中下游螺山、汉口、大通站水位超警时间均超25 d,2016年洪水属长江中下游区域性洪水(见图9)。

图9 2016年区域性洪水典型年长江干支流控制站流量对比Fig.9 Comparative analysis of flood discharge at main stations of Changjiang River in 2016,a typical regional flood

4 结论与展望

4.1 结 论

本文采用通用的还原还现方法,基于现状工程条件,对长江流域历史典型洪水进行重构,依据《全国流域性洪水划分规定(试行)》对历史典型洪水类型进行辨识,分析归纳了典型历史洪水的时空分布组成与基本特征,主要结论如下:

(1) 实现了三峡水库成库前的1870,1931,1954,1966,1981,1982,1998年及成库后的2010,2012,2016,2017,2020年历史典型洪水重构,形成了现状水工程条件下的长江流域历史典型洪水库。

(2) 对历史典型年洪水类型的辨识表明:1870,1931,1954,1998及2020年为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洪量重现期均在10 a以上,高水位历时长;其余典型历史洪水年为区域性洪水年,其共同特征是中下游代表站最大30 d洪量重现期不超10 a,水位超警历时短,一般不超40 d。

(3) 三峡水库入库洪水以金沙江干流、岷江为主,嘉陵江、乌江通常起到造峰作用,大通来水以长江上游来水为主。

4.2 展 望

长江流域历史典型洪水库研究是一项基础性研究,本文对长江流域历史典型洪水进行了全面梳理与重构,形成了规范化的典型年洪水样本。基于本研究成果,围绕长江流域水旱灾害防御工作,可从以下几个方面进一步深入研究:

洪水模拟预报方面,一方面可以结合长江流域水模拟平台,实现历史典型洪水的实时复盘推演,为汛前准备提供支撑;另一方面,结合历史典型暴雨库,开展相似暴雨洪水、机器学习洪水预报模型、水文模型模拟误差规律等分析研究,辅助实时洪水预报,提升超标准洪水预测预报能力。

水工程联合调度方面,基于长江流域水工程联合调度运用计划,通过模拟工程调度,构建历史典型洪水规程调度知识库;结合多目标优化算法,形成历史典型洪水优化调度案例库;挖掘实际洪水工程调度过程信息,提炼历史典型洪水专家调度策略库,共同辅助水工程联合调度决策。