多方法集成的三峽水庫(kù)洪水分期研究

張冬冬 王立海 李妍清 汪青靜 李立平

摘要：三峽水庫(kù)汛期洪水分期是水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制的前提條件。將宜昌站還原后的洪水系列作為三峽水庫(kù)洪水分期的計(jì)算依據(jù)，選取天氣成因以及多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，分析了宜昌站汛期洪水分期特征。結(jié)果表明：多種方法分期結(jié)果相差不大，考慮工程調(diào)度需求，將宜昌站汛期分為3期：5月1日至6月20日為前汛期;6月21日至9月10日為主汛期;9月11日至10月31日為后汛期。根據(jù)洪水分期特征，計(jì)算了三峽水庫(kù)前汛期和后汛期分期設(shè)計(jì)洪水。研究成果可為三峽水庫(kù)進(jìn)一步合理利用洪水資源以及發(fā)揮綜合效益提供技術(shù)支撐。

關(guān) 鍵 詞：洪水分期; 分期設(shè)計(jì)洪水; 宜昌站; 三峽水庫(kù)

中圖法分類號(hào)： TV147 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.004

0 引 言

作為長(zhǎng)江流域的控制性骨干工程，三峽水庫(kù)具有巨大的防洪、發(fā)電以及航運(yùn)等綜合效益[1]。按照三峽工程初步設(shè)計(jì)階段的調(diào)度方式，原則上，水庫(kù)在6月中旬至9月下旬按照防洪限制水位運(yùn)行。隨著水文氣象預(yù)測(cè)手段和方法的進(jìn)步，洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期和預(yù)報(bào)精度均有一定的提升，同時(shí)長(zhǎng)江上游梯級(jí)水庫(kù)群，尤其是溪洛渡、向家壩水庫(kù)建成后，長(zhǎng)江流域整體防洪能力和水資源調(diào)控能力得以增強(qiáng)，長(zhǎng)江流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度的新格局也使得進(jìn)一步合理利用三峽水庫(kù)洪水資源以及發(fā)揮綜合效益成為可能[2]。水庫(kù)汛期分期調(diào)度是洪水資源化的重要途徑，而對(duì)汛期進(jìn)行合理劃分是分期調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[3]。因此，分析三峽水庫(kù)汛期洪水特性以及洪水分期特征，為三峽水庫(kù)調(diào)度方式優(yōu)化提供基礎(chǔ)支撐是十分必要的。

汛期洪水分期方法在中國(guó)有較多研究，20世紀(jì)80年代，多家單位對(duì)中國(guó)東部地區(qū)汛期設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了總結(jié)，歸納了天氣成因分析法以及洪水特性分析法2種方法。馮尚友等[4]基于以上2種方法對(duì)丹江口水庫(kù)進(jìn)行了洪水分期研究。隨著技術(shù)水平不斷提高，一些數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法被引入到了洪水分期研究中，包括模糊理論分析法[5]、分形分析法[6]、變點(diǎn)分析法[7]、系統(tǒng)聚類法[8]、矢量統(tǒng)計(jì)法和圓形分布法[9-10]、相對(duì)頻率法[11]等。天氣成因法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法均有一定的限制，前者對(duì)成災(zāi)天氣分析工作量大且有一定的主觀性，后者通過(guò)不同分期指標(biāo)對(duì)汛期進(jìn)行劃分，分割點(diǎn)選取上仍有一定的主觀性[12]。如何將多種分析方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，確定最優(yōu)的洪水分期劃分成果，是目前研究的重點(diǎn)。

針對(duì)三峽水庫(kù)洪水合理分期的問(wèn)題，秦智偉等[13]通過(guò)研究三峽水庫(kù)以上流域汛期洪水的氣候成因、暴雨洪水的時(shí)空分布規(guī)律，對(duì)三峽水庫(kù)汛期洪水進(jìn)行了分期。本次研究是在已有研究成果的基礎(chǔ)上，將延長(zhǎng)并還原后的宜昌站洪水系列作為三峽水庫(kù)洪水分期的計(jì)算依據(jù)，并引入了多種洪水分期分析方法，進(jìn)一步來(lái)分析三峽水庫(kù)汛期洪水分期特征，以期為三期水庫(kù)合理利用洪水資源以及發(fā)揮綜合效益提供理論基礎(chǔ)，也可為三峽水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制提供重要的技術(shù)支撐。

1 宜昌站汛期洪水分布特征

根據(jù)1877～2018年宜昌站實(shí)測(cè)水文資料（將其中2003年以后的實(shí)測(cè)水文資料，采用水庫(kù)調(diào)度資料對(duì)宜昌站洪水進(jìn)行了還原），統(tǒng)計(jì)分析了宜昌站汛期洪水年內(nèi)的分布特征。宜昌站年最大日均流量散點(diǎn)圖如圖1所示。由圖1可以看出，宜昌站年最大日均流量散點(diǎn)的概率和大小基本上呈現(xiàn)由弱至強(qiáng)、再由強(qiáng)至弱的規(guī)律。宜昌站年最大日均流量量級(jí)主要為30 000～70 000 m3/s，而小于30 000 m3/s的量級(jí)僅有3次;實(shí)測(cè)最大洪水發(fā)生在1896年9月上旬，日最大洪峰流量大于70 000 m3/s的特大洪水;從日均流量出現(xiàn)的量級(jí)和時(shí)間來(lái)看，日均流量較大的洪水主要出現(xiàn)在7月中旬至8月上旬。

從年最大7 d洪量的量級(jí)來(lái)看，8月中旬以后，洪水量級(jí)較7月明顯減少，且9月上旬以后年最大7 d洪量分布更是明顯減少。在8月20日左右，年最大7 d洪量外包線出現(xiàn)一個(gè)短暫的低谷，8月下旬至9月上旬，外包線逐漸上升至一個(gè)較高的峰位區(qū)，9月10日后迅速下降至另一個(gè)低谷，其后再無(wú)較大峰位。

通過(guò)對(duì)宜昌站年最大洪峰發(fā)生時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見圖2），年最大洪峰出現(xiàn)在8月20日以前的共有105 a，約占總數(shù)的74%;其中洪峰量級(jí)大于50 000 m3/s的有65 a，洪峰量級(jí)大于60 000 m3/s的有21 a。年最大洪峰出現(xiàn)在8月20日以后的共有37 a，約占總數(shù)的26%，其中洪峰量級(jí)大于50 000 m3/s的有9 a，洪峰量級(jí)大于60 000 m3/s的有3 a。

宜昌河段洪水是上游干支流洪水共同作用的結(jié)果。從宜昌站多年候平均流量過(guò)程來(lái)看（見圖3），6月第2～4候的平均流量為15 000～18 000 m3/s，流量變幅相對(duì)平緩;6月第5候至7月第1候的平均流量為21 400～27 600 m3/s，為流量增幅最快的時(shí)段;7月第6候至8月第5候的平均流量在28 500～27 200 m3/s之間，8月第6候減小到26 200 m3/s，9月第1候升至27 400 m3/s，以后連續(xù)2候在26 800 m3/s以上，9月第4候開始迅速降至25 000 m3/s以下。從宜昌河段汛期多年候平均流量過(guò)程分析來(lái)看，8月下旬（第6候）雖有一個(gè)流量相對(duì)較小時(shí)段，但流量量級(jí)與相鄰時(shí)段比沒(méi)有明顯的變化，而9月第4候以后，候平均流量過(guò)程迅速衰減。

2 宜昌站汛期洪水分期

2.1 基于天氣成因法的洪水分期

受大氣環(huán)流不同位置的影響，長(zhǎng)江上游雨季開始和持續(xù)時(shí)間有所不同，一般在4～6月由東南向西北先后開始，8～10月又從西北向東南先后結(jié)束，東南部雨季比西北部雨季長(zhǎng)。西太平洋副熱帶高壓位置如圖4所示。由圖4可以看出：西太平洋副熱帶高壓脊線處于18°N～20°N區(qū)間時(shí)，烏江流域易發(fā)生暴雨;西太平洋副熱帶高壓脊線處于20°N～24°N時(shí)，烏江、嘉陵江東部和三峽水庫(kù)區(qū)間易發(fā)生暴雨;西太平洋副熱帶高壓脊線位于25°N～30°N以北時(shí)，金沙江下段、岷沱江和嘉陵江上游的川西地區(qū)易發(fā)生暴雨。長(zhǎng)江上游汛期5～10月降水量占全年降水量的83%，各旬降水總量基本呈現(xiàn)由少至多，然后由多至少的季節(jié)變化規(guī)律（見圖5）;降水量以7月上旬最大，6月下旬次之，8月各旬降水量相差不大。6月下旬至8月下旬降雨量均在50 mm以上，9月下旬降雨量明顯減小。E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF

綜上所述，長(zhǎng)江上游降水量主要集中在7～9月，以7月和8月降水量最多。從天氣成因分析來(lái)看，可將5～6月作為前汛期，7～8月為主汛期，9～10月為后汛期。

2.2 基于年最大洪水統(tǒng)計(jì)分析法的洪水分期

根據(jù)圖1長(zhǎng)江宜昌站年最大洪峰分布外包線可以得出，洪峰流量散點(diǎn)呈現(xiàn)“雙峰”的分布特征。其中：6月中下旬洪峰流量的量級(jí)和頻率相對(duì)較小，7月中旬以后洪峰流量出現(xiàn)頻次和量級(jí)明顯增加，8月下旬洪峰量級(jí)和頻率略有下降，出現(xiàn)相對(duì)較小的空檔期，9月10日以后年最大洪水出現(xiàn)頻次較少，且量級(jí)明顯減小。同年最大洪量散點(diǎn)圖分布類似，7～8月中旬為年最大7 d洪量出現(xiàn)的集中時(shí)段，9月上旬之后年最大7 d洪量量級(jí)明顯減小。

6～9月的大氣環(huán)流變化特征與宜昌站年最大洪水時(shí)間分布特征是相匹配的。6月份，宜昌站年最大洪峰出現(xiàn)的幾率相對(duì)較低，主要原因是副熱帶高壓脊線位于北緯20°以南區(qū)域，其位置對(duì)長(zhǎng)江上游區(qū)域影響相對(duì)較小;6月中下旬西太平洋副熱帶高壓開始向北移動(dòng)，宜昌站開始出現(xiàn)量級(jí)不大的洪水;7月上旬雨帶維持在江南以及嘉陵江東部，對(duì)長(zhǎng)江上游各支流暴雨影響強(qiáng)度有限，導(dǎo)致該時(shí)間段洪水的洪峰量級(jí)沒(méi)有顯著增加。7月中旬至8月中旬，副熱帶高壓出現(xiàn)在北緯30°附近，它與印度低壓共同作用為長(zhǎng)江上游帶來(lái)強(qiáng)勁的暖濕氣流，進(jìn)而導(dǎo)致這段時(shí)間宜昌站洪水峰高量大，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，全年超過(guò)50 000 m3/s以上的年最大洪峰流量出現(xiàn)頻率約為70%。8月中旬到8月下旬，長(zhǎng)江上游地區(qū)受到西太平洋副熱帶高壓控制，暴雨覆蓋面積較低，從而導(dǎo)致該時(shí)段洪峰出現(xiàn)頻率下降。9月西太平洋副高脊線位于25°N附近，與7月上中旬情況相似;但副高往往分裂為單體，印度低壓已大為減弱，西風(fēng)帶向南移動(dòng)，西風(fēng)槽的平均位置從內(nèi)蒙經(jīng)過(guò)河套東部伸向漢江及嘉陵江東部地區(qū)，因此，9月宜昌站的年最大洪峰比6月的多。如果副高撤退時(shí)間較平均情況有所延遲，并且8月宜昌底水較大，就易形成秋季大洪水，比如1945年秋季大洪水、1966年秋季大洪水等。

根據(jù)宜昌站年最大洪峰以及洪量外包線的變化特征，對(duì)汛期進(jìn)行了時(shí)段劃分，結(jié)果如下：5月上旬～6月中旬為前汛期，6月下旬～9月上旬為主汛期，而9月中旬～10月下旬為后汛期。

2.3 基于模糊分析法的洪水分期

2.5 基于投影尋蹤有序聚類法的洪水分期

把多特征指標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)某種組合投影到低維子空間上，采用投影指標(biāo)函數(shù)來(lái)描述投影暴露分類排序結(jié)構(gòu)的可能性大小，尋找出使投影指標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)的投影值，采用基于遺傳編碼的加速遺傳算法確定最優(yōu)投影方向，通過(guò)有序聚類對(duì)投影值進(jìn)行分類，根據(jù)分類特征確定汛期洪水分期。

將宜昌站汛期按旬劃分為18個(gè)時(shí)段，選取多年平均旬降水量（mm）、旬來(lái)水量占汛期的比例（%）、旬內(nèi)洪水發(fā)生次數(shù)、旬內(nèi)年最大洪峰發(fā)生次數(shù)4個(gè)指標(biāo)，來(lái)計(jì)算各旬相應(yīng)的投影值，以旬為時(shí)段繪制的投影值一維散點(diǎn)圖和依據(jù)有序聚類方法得到投影值的分類特征如圖8所示。根據(jù)投影尋蹤有序聚類法結(jié)果分析，5月上旬至6月中旬為前汛期，6月下旬至9月上旬為主汛期，9月中旬至10月下旬為后汛期。2.6 基于多方法集成的宜昌站洪水分期

采用多種方法分析了宜昌站洪水分期特征，分析成果如表1所列。由表1可以看出：天氣成因法分析的成果僅考慮了降水成因，后汛期結(jié)束時(shí)間明顯遭遇其他成果。多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法中，各個(gè)成果的前汛期結(jié)束時(shí)間基本集中在6月中旬至7月上旬，后汛期開始時(shí)間主要集中在9月上中旬，矢量分析方法有一定提前。各個(gè)方法在成果上盡管有一定差異，但差異性不大。考慮到三峽水庫(kù)防洪主要是考慮洪量控制，因此本次以年最大洪量統(tǒng)計(jì)分析成果為主，其他方法作為參考與驗(yàn)證，經(jīng)綜合分析，將宜昌站的汛期劃分為3期：5月1日至6月20日為前汛期;6月21日至9月10日為主汛期;9月11日至10月31日為后汛期。

將本次研究成果與相關(guān)文獻(xiàn)[13]中的成果進(jìn)行了比較分析。分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，相關(guān)文獻(xiàn)中并沒(méi)有提出宜昌站前汛期分期成果，因此本次僅比較宜昌站后汛期成果。本次研究得到的宜昌站主汛期與后汛期的分界日期為9月10日，較文獻(xiàn)[13]成果提前了5 d。主要原因是：文獻(xiàn)[13]從防洪安全的角度采用了跨期選樣，使得設(shè)計(jì)成果相對(duì)偏安全。SL44-2006《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》中對(duì)汛期分期設(shè)計(jì)洪水選樣是否需要跨期沒(méi)有明確的規(guī)定，考慮到目前預(yù)報(bào)精度的提高、自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的完善以及長(zhǎng)江流域整體防洪能力的提高，本次研究采用不跨期選樣的原則，可以滿足流域防洪的要求，因此推薦9月10日作為宜昌站主汛期和后汛期的分界日期。

3 宜昌站汛期分期設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)宜昌站洪水分期成果，分別統(tǒng)計(jì)了1877～2018年歷年6月20日以前以及9月10日以后的最大洪峰流量及其時(shí)段洪量，分別選擇期內(nèi)最大洪峰流量組成連續(xù)系列，頻率曲線的線型采用P-Ⅲ型，采用適線法進(jìn)行頻率曲線配線，得到了宜昌站前汛期和后汛期設(shè)計(jì)洪水成果，如表2所列。與主汛期洪水成果相比（直接采用三峽水庫(kù)初步設(shè)計(jì)成果），后汛期在量級(jí)上明顯偏小，洪峰流量均值偏小幅度為34.0%;1 000 a一遇洪峰流量偏小幅度為27.5%，相當(dāng)于主汛期20 a一遇洪水。前汛期洪峰流量均值偏小54%;1000 a一遇洪峰流量偏小52.0%，小于主汛期2 a一遇洪水?？梢钥闯觯呵把雌凇⒑笱雌诤樗c主汛期洪水相比量級(jí)上差異明顯，在考慮上游梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度以及氣象水文預(yù)報(bào)配合的前提下，三峽水庫(kù)可以根據(jù)以上的汛期洪水分期成果按照不同時(shí)期進(jìn)行水位動(dòng)態(tài)控制，該成果可為三峽水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制提供重要的技術(shù)支撐。

考慮到洪峰形態(tài)、洪水來(lái)源組成等因素，分別選取1964年和1952年作為洪水典型年，計(jì)算了宜昌站后汛期的洪水過(guò)程線（見圖9）;選取1963年作為洪水典型年，計(jì)算了宜昌站前汛期的洪水過(guò)程線（見圖10）。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)合長(zhǎng)江上游洪水特性，以長(zhǎng)江上游面雨量、宜昌站年最大日均流量以及年最大7 d洪量作為分析對(duì)象，采用氣候成因分析法、年最大值統(tǒng)計(jì)分析法、模糊分析法、矢量分析法以及投影尋蹤法等方法，對(duì)三峽水庫(kù)洪水進(jìn)行了分期。多種方法分期的結(jié)果相差不大，因此，綜合考慮工程調(diào)度需求，將宜昌站的汛期分為3期：5月1日到6月20日為前汛期，6月21日至9月10日為主汛期，9月11日到10月31日為后汛期。前汛期、后汛期1 000 a一遇設(shè)計(jì)洪水設(shè)計(jì)值與主汛期1 000 a一遇設(shè)計(jì)洪水設(shè)計(jì)值分別相差27.5%和54.0%，在考慮上游梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度以及氣象水文預(yù)報(bào)配合的前提下，三峽水庫(kù)具備汛期水位動(dòng)態(tài)控制的條件。E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF

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（編輯：趙秋云）E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF