長(zhǎng)江流域洪水汛情分布與水位-流量特征關(guān)系分析

董 程，馮民權(quán)

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048)

洪水是對(duì)人類危害最大的自然災(zāi)害之一，暴雨、冰雪融化、潰堤潰壩、海嘯與風(fēng)暴潮等都是誘發(fā)洪水的重要自然因素[1]。暴雨是洪水的重要誘發(fā)因素，而降雨量分析也是目前分析、預(yù)測(cè)洪水汛情的重要方法[2-4]，但是否發(fā)生洪水汛情與人類活動(dòng)[5]、地勢(shì)或距水系距離[6,7]、土地利用方式[8]以及對(duì)水體的截流[9]有關(guān)，且降雨的空間分布難以準(zhǔn)確量化[4]。降雨主要通過地面徑流、地下水等形式最終匯集到河流，引起河流水位與流量的變化。Barbetta等[10]提出，根據(jù)水位-流量關(guān)系進(jìn)行汛情分析與洪水預(yù)報(bào)，而無需考慮降雨量等自然條件。

目前，關(guān)于汛情期間水位-流量關(guān)系的研究多針對(duì)一個(gè)水文站，如董章內(nèi)等[11]根據(jù)石鼓站的多年水位-流量關(guān)系，對(duì)洪水漲落率進(jìn)行了分析；或者結(jié)合歷史水文資料進(jìn)行分析，如范國(guó)慶等[12]根據(jù)黃河歷史水文資料，分析了黃河洪水的時(shí)空分布特點(diǎn)；Brázdil等[13]對(duì)Morava河近三百多年來的洪水變化頻率進(jìn)行了分析；還有學(xué)者對(duì)多條河流內(nèi)的水位-流量關(guān)系進(jìn)行分析，如Bormann等[14]對(duì)德國(guó)78條河流的水位-流量進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)查，分析了水位-流量關(guān)系的趨勢(shì)，提出氣候變化、土地利用變化與水利工程措施都會(huì)影響河流水位與流量的變化。但是從整體的角度，對(duì)汛情期間全流域內(nèi)水位-流量關(guān)系進(jìn)行分析的研究較少，考慮到自然界是一個(gè)統(tǒng)一的整體，這方面的研究更加不可忽視。

水文觀測(cè)站是提供河流水位-流量變化的重要數(shù)據(jù)源，本研究收集了長(zhǎng)江流域內(nèi)2020年6～8月多個(gè)水文站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)各水文站的警戒水位線對(duì)水位做標(biāo)準(zhǔn)化處理。從水位-流量關(guān)系入手，對(duì)水位-流量等水文數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，在此基礎(chǔ)上提取了每個(gè)水文站的水位-流量特征系數(shù)，并對(duì)部分典型水文站的歷史水文資料進(jìn)行對(duì)比分析。將特征系數(shù)與各水文站的水位變化、空間位置進(jìn)行耦合，探明特征系數(shù)與洪水汛情之間的潛在關(guān)系，以便更好地為防洪防汛提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與處理方法

本研究所用數(shù)據(jù)來源于長(zhǎng)江水文網(wǎng)(http://www.cjh.com.cn/index.html)和國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn)，收集了長(zhǎng)江流域內(nèi)2020年6～8月期間的所有水文站與2015—2017年6～8月期間部分水文站的水位-流量觀測(cè)數(shù)據(jù)，將該部分?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)入Excel與SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于部分水文站本身存在數(shù)據(jù)缺失等問題，本研究最終選擇28個(gè)水文站的水位-流量資料進(jìn)行長(zhǎng)江汛情分析，其具體位置及所在河流如圖1所示。

本研究在確定各水文站位置的基礎(chǔ)上，分別查詢獲取了各水文站的警戒水位線，并根據(jù)警戒水位線對(duì)各站每日水位線統(tǒng)一做標(biāo)準(zhǔn)化處理，將得到的水位變化結(jié)果與流量進(jìn)行耦合，將水文站水位超過警戒水位線視為發(fā)生洪水汛情。水位-流量關(guān)系一般可分為穩(wěn)定型與非穩(wěn)定型[15]，穩(wěn)定型水位-流量關(guān)系通常表現(xiàn)為一條單一直線，而非穩(wěn)定型水位-流量關(guān)系因受地貌起伏、洪水汛情、降雨、凌汛等多因素綜合影響，表現(xiàn)為復(fù)雜的曲線。對(duì)6～8月期間長(zhǎng)江中下游各水文站的水位結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，水位與流量變化存在相關(guān)性，水位或流量隨彼此的變化而變化，因此可將水位-流量關(guān)系視為一元線性回歸。采用最小二乘法將水位-流量之間的非線性關(guān)系進(jìn)行線性處理，建立水位-流量的線性回歸方程，將回歸方程斜率作為衡量水位-流量的特征系數(shù)。

本文使用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終得到不同水文站水位-流量關(guān)系的回歸結(jié)果，如表1所示。根據(jù)判定系數(shù)R2的結(jié)果，除向家壩、監(jiān)利、桃江、仙桃的判定系數(shù)R2在60%～80%之間，其余各水文站的判定系數(shù)R2均在90%左右，長(zhǎng)江上游各水文站的判定系數(shù)最高。根據(jù)顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各水文站計(jì)算值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，所有水文站的檢驗(yàn)值均小于顯著性水平下的統(tǒng)計(jì)量臨界值，這表明所有水文站水位-流量關(guān)系具有很好的合理性。

表1 2020年長(zhǎng)江流域各水文站水位-流量回歸方程參數(shù)表Tab.1 Parameter table of water level-discharge regression equation to each hydrological station in the Yangtze River Basin in 2020

2 結(jié)果分析與討論

2.1 長(zhǎng)江流域主要汛情分析

圖2為長(zhǎng)江上游各水文站的水位-流量擬合關(guān)系示意圖。由圖2可以看出，長(zhǎng)江上游各水文站均存在超警戒水位記錄，但是整體超警戒水位時(shí)間較短。對(duì)各水文站水位-流量的回歸方程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各站的水位-流量特征系數(shù)均較小，武隆站水位-流量特征系數(shù)最大，為0.001 85 (見表1)；但是結(jié)合圖2(b)發(fā)現(xiàn)，富順站僅有五次超警戒水位記錄，且主要集中在7月。該時(shí)期內(nèi)長(zhǎng)江上游超警戒水位最高且持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的為石鼓站，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)26天，最高水位超警戒水位1.52 m。超警戒水位最高且流量最大的為寸灘站，寸灘站在2020年8月14日至21日期間連續(xù)超警戒水位8天，在8月20日超警戒水位最高達(dá)到11 m，為該地罕見特大洪水。其次為朱沱、北碚、富順，三站的超警戒水位均在3～5天，最高超出警戒水位線5 m。

圖2 長(zhǎng)江上游水文站水位-流量擬合關(guān)系Fig.2 Water level-discharge fitting relationship of hydrological stations in the upper reaches of the Yangtze River

總體來看，長(zhǎng)江上游在6～7月期間汛情較輕，洪水汛情主要集中在8月，為突發(fā)性洪水，汛情期間干流地區(qū)受影響較大。

圖3為長(zhǎng)江中游各水文站水位-流量擬合關(guān)系示意圖。由圖3可以看出，該時(shí)期內(nèi)除長(zhǎng)江中游支流的桃江、余家湖、皇莊等站的水位無超警戒水位記錄，其他水文站均曾不同程度地超過當(dāng)?shù)氐木渌?。值得注意的是，未超警戒水位的水文站主要位于漢江中上游、沅江和湘江流域。

根據(jù)水位-流量回歸方程，仙桃站的特征系數(shù)最大，為0.002 42(見表1)；同時(shí)結(jié)合圖3(b)，發(fā)現(xiàn)該站超警戒水位較高，仙桃站超警戒水位13次，最高水位時(shí)超警戒線2.07 m，說明該地區(qū)洪水汛情更具突發(fā)性與持久性。仙桃位于漢江與長(zhǎng)江的交匯處，受河流匯合影響，上游水流大量匯入導(dǎo)致該地的水位與流量劇增，進(jìn)而引發(fā)了洪水。

長(zhǎng)江干流處的監(jiān)利、螺山、漢口與九江四地均存在明顯的洪水汛情(見圖3(a))，四站超警戒水位次數(shù)均大于20次，超過同期其他水文站的超警次數(shù)；與其他超警水位下的特征系數(shù)相比，四站的水位-流量特征系數(shù)較小，表明四地的汛情形勢(shì)呈逐漸增強(qiáng)趨勢(shì)，這有利于當(dāng)?shù)刈龊贸渥愕姆篮闇?zhǔn)備。四站超警戒水位由高到低分別為監(jiān)利、螺山、漢口、九江，在空間上存在上下游關(guān)系。除此以外，石門、沙市、宜昌三站僅有1～3天存在超警水位記錄，其所在區(qū)域的洪水汛情較輕。長(zhǎng)江中游汛情嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在漢江與長(zhǎng)江交匯處、長(zhǎng)江主河道，特別是長(zhǎng)江監(jiān)利至九江段汛情尤為嚴(yán)重，巨量洪水匯入長(zhǎng)江下游會(huì)給下游汛情防控帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

圖3 長(zhǎng)江中游水文站水位-流量擬合關(guān)系Fig.3 Water level-discharge fitting relationship of hydrological stations in the middle reaches of the Yangtze River

圖4為長(zhǎng)江下游各水文站水位-流量擬合關(guān)系示意圖。由圖4(b)可以看出，長(zhǎng)江下游支流流域內(nèi)只有李家渡水文站水位保持在警戒水位以下。在初期其水位呈緩慢上升趨勢(shì)，雖然在7月期間其水位曾迅速抬高，但是始終沒有超警戒水位記錄。

圖4 長(zhǎng)江下游水文站水位-流量擬合關(guān)系Fig.4 Water level-discharge fitting relationship of hydrological stations in the lower reaches of the Yangtze River

根據(jù)水位-流量回歸方程的分析結(jié)果(見表1)，長(zhǎng)江支流萬(wàn)家埠水文站的水位-流量特征系數(shù)最高，為0.002 47，但僅超警戒水位1次?；⑸健⒍煞蹇觾商幩恼镜乃?流量特征系數(shù)在0.001 4左右，超警戒水位天數(shù)較少(虎山與渡峰坑站均為3次)。長(zhǎng)江干流的大通站超警戒天數(shù)為25天，是長(zhǎng)江下游超警戒水位時(shí)間最長(zhǎng)的地區(qū)，但其水位-流量特征系數(shù)最小，結(jié)合大通站在長(zhǎng)江的位置可知，若不考慮降雨的影響，大通站水位-流量的變化主要是接納了長(zhǎng)江上游與支流的大量水流引起的。大通站最高水位超警戒水位線1.82 m，且超警戒水位線1 m以上的天數(shù)為18天，具有明顯的持續(xù)性洪水特征。從長(zhǎng)江下游各水文站的空間位置來看，除大通站外，其他四處水文站均位于贛江流域，而大通站位于長(zhǎng)江主河道位置。長(zhǎng)江中游與長(zhǎng)江各支流水體不斷向下游匯聚，江、湖流量分配變化導(dǎo)致長(zhǎng)江中游出現(xiàn)新的防洪形勢(shì)，加劇了長(zhǎng)江下游主河道的行洪壓力。

總體來看，長(zhǎng)江中下游地區(qū)是洪水汛情較為嚴(yán)重的區(qū)域，如圖5所示，特別是漢江與長(zhǎng)江交匯處至大通之間的區(qū)域是洪水最為嚴(yán)重的區(qū)域，此次長(zhǎng)江中下游洪水歷時(shí)長(zhǎng)、特征水位高、流量大、最高水位持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、干支流洪水并發(fā)，洪水汛情造成的損失十分慘重。雖然長(zhǎng)江經(jīng)過了大規(guī)模的治理，但是仍需要科學(xué)調(diào)度沿岸蓄滯洪區(qū)，才能更好地進(jìn)行流域洪水管理。

2.2 部分水文站洪水汛情對(duì)比分析

本研究對(duì)部分水文站2020年與2015—2017年的6～8月水位-流量關(guān)系進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖6所示。桃源站(見圖6(b))由于數(shù)據(jù)缺失只有2017年和2020年水位-流量數(shù)據(jù)，兩期數(shù)據(jù)顯示，桃源站水位均超過警戒水位，桃源站2017年汛情集中在7月初，而2020年汛情集中在6月中旬；2017年汛情持續(xù)時(shí)間約為4天，小于2020年的1天汛情；2017年最高水位為2.79 m，遠(yuǎn)超2020年最高水位；從超警戒水位的高度與頻率來看，2017年的洪水汛情比2020年嚴(yán)重；從這兩年的水位-流量關(guān)系來看，其特征系數(shù)均為0.000 6左右，但2017年略高于2020年?；是f站(見圖6(c))在四年里均處于警戒水位線以下，在2020年雖有短時(shí)間的水位驟增，但是并未超過警戒水位；通過對(duì)其特征系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，皇莊站在四年時(shí)間里水位-流量特征系數(shù)均為0.001左右。桃江站(見圖6(d))四期數(shù)據(jù)表明，該站在2015—2016年水位曾超警戒水位， 2020年的水位雖未超過，但其最高水位也接近于警戒水位線；2017年洪水汛情最為嚴(yán)重，其最高水位超警戒水位可達(dá)4.81 m，約持續(xù)5天；2015—2016年期間，僅超警戒水位1～2次，其洪水汛情較輕；對(duì)桃江站四年的水位-流量特征關(guān)系進(jìn)行分析，其特征系數(shù)均為0.001左右。

仙桃站(圖6(a))在2016年與2020年存在超警水位，且超警水位時(shí)間長(zhǎng)、頻次多、強(qiáng)度大，洪水汛情嚴(yán)重。對(duì)其四期內(nèi)的水位-流量進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，仙桃站的水位-流量特征系數(shù)在發(fā)生洪水汛情時(shí)均大于0.002，而在無汛情時(shí)小于0.02。2020年期間，仙桃站出現(xiàn)了兩次洪水汛情，第二次汛情的超警戒水位頻率與高度均高于第一次，兩次汛情相距4天；2020年汛情期間，仙桃站累計(jì)超警戒水位13次，超警戒水位最高可達(dá)2.07 m，洪水汛情嚴(yán)重。2016年，長(zhǎng)江流域發(fā)生了自1998年以來最大的洪水事件，仙桃站特征系數(shù)在2016年達(dá)到最大，為0.003 57，遠(yuǎn)高于2020年的特征系數(shù)。仙桃水文站位于漢江與長(zhǎng)江交匯處，匯集著兩條河流的徑流量，仙桃水文站的水位-流量特征系數(shù)可以反映出長(zhǎng)江中下游洪水汛情趨勢(shì)，其水位-流量特征系數(shù)越高，汛情越嚴(yán)重。

圖6 部分水文站近年水位-流量擬合關(guān)系Fig.6 Fitting relationship between water level-discharge of some hydrological stations in recent years

綜合長(zhǎng)江流域內(nèi)各水文站的水位-流量特征系數(shù)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江與漢江交界處仙桃站的特征系數(shù)最高，汛情嚴(yán)重。萬(wàn)家埠水文站的特征系數(shù)雖超過0.002，但是其水位在2020年汛期未超過警戒水位線，汛情較輕；大通站附近洪水汛情嚴(yán)重，但是其特征系數(shù)較低。這表明仙桃站的汛情與水位-流量之間存在典型關(guān)系，其洪水汛情與水位-流量特征系數(shù)為正相關(guān)關(guān)系，但是該關(guān)系的確立還需要更多歷史數(shù)據(jù)來進(jìn)一步補(bǔ)充完善。

3 結(jié) 論

本文收集了長(zhǎng)江流域內(nèi)6～7月期間共28個(gè)水文站的水文觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)水位-流量進(jìn)行回歸計(jì)算，分析了每個(gè)水文站的水位-流量特征系數(shù)，結(jié)合各水文站在長(zhǎng)江流域內(nèi)的位置，分析了長(zhǎng)江洪水的主要空間分布，并對(duì)部分水文站的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。

1) 2020年汛期，長(zhǎng)江上游洪水汛情主要集中在8月，寸灘站洪水汛情最為嚴(yán)重，其超警戒水位最高可達(dá)11 m；漢江與長(zhǎng)江干流交匯處及其下游區(qū)域?yàn)檠辞樽顕?yán)重的區(qū)域，長(zhǎng)江中下游各水文站都不同程度地超過了警戒水位線。此次長(zhǎng)江中下游洪水歷時(shí)長(zhǎng)、特征水位高、流量大、最高水位持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、干支流洪水并發(fā)，洪水汛情造成的損失十分慘重。

2) 通過對(duì)水位-流量特征系數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)，仙桃站的汛情與水位-流量之間存在典型關(guān)系：仙桃洪水汛情與該站的水位-流量特征系數(shù)為正相關(guān)關(guān)系，特征系數(shù)越高，汛情越嚴(yán)重。短期內(nèi)可通過仙桃站的水位-流量特征系數(shù)，更快、更高效地預(yù)測(cè)汛情，可以根據(jù)2016年(0.003 57)和2020年(0.002 55)的特征系數(shù)盡早采取不同等級(jí)的防汛措施。

本研究是根據(jù)有限的資料得出的結(jié)論，還需要更多歷史數(shù)據(jù)來進(jìn)一步驗(yàn)證完善，相關(guān)研究仍有待深入。