白鶴灘洪水在川江洪水組成中的特性分析

呂小帥，沈小勤

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

白鶴灘水電站是金沙江下游4個梯級水電站之一，控制金沙江流域面積91%，占長江宜昌以上流域面積42.8%，其庫容在金沙江下游4個梯級中最大，具有控制洪水比重大、庫容大的特點。該水電站防洪庫容75.0億m3，承擔(dān)兩方面的任務(wù)[1]：一是與金沙江下游烏東德、溪洛渡和向家壩梯級水庫聯(lián)合運用，使川江沿岸的宜賓、瀘州、重慶等城市的防洪標(biāo)準(zhǔn)進一步提高；二是減少三峽水庫入庫洪水，配合三峽水庫運用，承擔(dān)長江中下游的防洪任務(wù)，有效減少長江中下游地區(qū)的成災(zāi)洪水和分洪損失。其涉及的防洪對象眾多，地區(qū)洪水組成復(fù)雜。對于洪水組成的研究，多采用統(tǒng)計分析方法[2-4]。目前，對于金沙江、長江干支流的洪水組成規(guī)律，眾多學(xué)者開展過相關(guān)分析研究。肖天國[5]通過對金沙江屏山站、李莊站、岷江高場站的年最大洪峰、時段洪量統(tǒng)計計算，分析了兩江洪水遭遇、洪水組成。熊瑩[6]分析了金沙江與岷江、長江與岷江的洪水遭遇概率和遭遇洪水量級。鄭靜等[7]基于攀枝花站和長江中游螺山、城陵磯、宜昌站的洪量和洪水過程并考慮泄水傳播時間及區(qū)間來水過程，分析金沙江中游洪水與長江中下游洪水的遭遇規(guī)律。張新田等[8]采用小得石站、李莊站、寸灘站實測資料，分析雅礱江洪水與川江洪水地區(qū)組成遭遇規(guī)律。

本文主要圍繞白鶴灘水電站洪水進行分析，基于渡口、小得石、巧家(華彈)、屏山、李莊、朱沱、高場等控制性水文站的水文資料，詳細分析白鶴灘壩址洪水以及其在川江洪水組成中特性。這對合理運用白鶴灘水庫防洪庫容，配合對川江和長江中下游的防洪調(diào)度方式，有效發(fā)揮白鶴灘水庫防洪作用具有重要意義。

1 流域概況及測站

金沙江是長江的上游河段，石鼓水文站至攀枝花為金沙江中游段，攀枝花至宜賓為金沙江下游段。雅礱江是金沙江最大支流，在攀枝花自左岸匯入金沙江。

白鶴灘水電站為金沙江下游4個梯級中的第2個梯級，上接烏東德水電站，下鄰溪洛渡水電站，溪洛渡下游為向家壩水電站。白鶴灘水電站壩址集水面積43.03萬km2，占金沙江流域的91%，防洪庫容75.0億m3，調(diào)節(jié)庫容104.36億m3，是金沙江下游4座梯級中庫容最大的一個，具有年調(diào)節(jié)性能。白鶴灘水電站壩址上游約42 km(河道距離)有巧家(華彈)水文站(1939年～2014年開展測驗)，控制流域面積42.59萬km2，壩址下游約4 km有白鶴灘水文站(2015年～至今開展測驗)，流域面積與壩址相同，白鶴灘壩址洪水以巧家(華彈)站、白鶴灘站作為代表站。金沙江干流中游控制性水文站為渡口站(集水面積25.923萬km2)，雅礱江控制性水文站有小得石站(集水面積11.65萬km2)。金沙江下游控制性水文站為屏山站(集水面積45.86萬km2)，為溪洛渡、向家壩水電站壩址洪水的代表站。

岷江在宜賓匯入長江，控制性水文站為高場水文站，流域面積13.54萬km2。金沙江與岷江匯合以后始稱長江，長江上游川江河段自上而下有宜賓、瀘洲、重慶等重要城市。宜賓市位于金沙江與岷江匯合口，距離白鶴灘壩址(河道距離)約380 km，控制集水面積60.90萬km2，宜賓下游17 km處設(shè)有李莊水位(水文)站，控制集水面積61.24萬km2。瀘州市位于長江與沱江的交匯處、位于長江左岸，城區(qū)(含沱江)以上控制集水面積67.37萬km2。其中，沱江控制性水文站為李家灣水文站，流域面積2.35萬km2。瀘洲市下游約104 km處有朱沱水文站，集水面積69.47萬 km2。重慶市位于長江與嘉陵江的交匯處，下游有寸灘水文站，集水面積86.66萬 km2。長江上游流域水系、金沙江下游梯級水電站及有關(guān)水文測站示意見圖1。

圖1 金沙江、長江上游流域示意

2 白鶴灘壩址洪水特性

金沙江中、下游屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)，年內(nèi)干、濕季的交替變化極其明顯。冬半年晴朗干燥，降雨稀少；夏半年水汽相對豐沛，降水較為頻繁、集中，5月份降水較前期降水顯著加大，6月～9月的降水最多。金沙江干流中、下游各站洪水的形成是大范圍、長歷時降水的結(jié)果。白鶴灘壩址洪水以巧家(華彈)站為代表站，整個汛期洪水過程基本上表現(xiàn)為不斷疊加的復(fù)式峰型，前一次洪水過程尚未退盡，后一場洪水又接著開始起漲，一般7月份起漲，10月份退水；從年內(nèi)最大場次洪水過程來看，過程一般歷時30～60 d，下游較上游持續(xù)時間長[9]。

根據(jù)1939年～2018年洪水資料統(tǒng)計，白鶴灘年最大洪峰的發(fā)生時間主要集中在7月、8月、9月3個月，約占總數(shù)的95%以上；其余5%可發(fā)生在6月下旬和10月上、中旬，統(tǒng)計成果見表1。

表1 白鶴灘巧家(華彈)站年最大洪峰出現(xiàn)時間統(tǒng)計

白鶴灘實測年最大洪峰最早發(fā)生在1994年6月22日，最晚發(fā)生在1989年10月12日；歷年實測最大洪峰25 800 m3/s(1966年9月1日)，最小洪峰8 570m3/s(1967年7月28日)，最大與最小洪峰的比值約為3倍。

白鶴灘巧家(華彈)多年平均、歷年最大、歷年最小各時段洪量見表2。15 d以下各歷時最大洪量均發(fā)生在1966年8月(24 h在9月1日)、30 d最大洪量發(fā)生在1998年8月。

表2 白鶴灘巧家(華彈)站年最大洪量特性 108m3

白鶴灘洪水一方面受上游洪水推進影響；另一方面受區(qū)間大范圍降水造洪與上游洪水疊加作用。其洪水組成可表現(xiàn)為3種類型[10]：第一類，以金沙江中游來水為主，雅礱江為一般洪水。如1966年8月、1993年8月，分別為金沙江中游控制水文站渡口站實測系列之首、第2位；疊加雅礱江一般洪水，白鶴灘(巧家站)實測洪峰分別為25 800 m3/s(1966年9月1日)、23 600 m3/s(1993年8月31日)，列實測洪峰之首、第2位。第二類，以雅礱江來水為主，金沙江中游為一般洪水。如1965年8月洪水，雅礱江控制性水文站小得石站洪峰列實測系列之首；疊加金沙江中游洪水，致使白鶴灘巧家站洪峰達21 800m3/s，列實測系列的第5位。第三類，金沙江中游、雅礱江均為一般性洪水，兩江洪水疊加形成白鶴灘巧家站大洪水。如1974年9月洪水，白鶴灘巧家站洪峰22 300 m3/s，列實測系列的第4位。

根據(jù)實測洪水資料，統(tǒng)計白鶴灘巧家站多年平均年最大洪水中各歷時洪量組成，統(tǒng)計成果見表3。

表3 巧家站多年平均各時段年最大洪量地區(qū)組成

金沙江中游渡口站集水面積約占巧家站的60.8%，其洪量約占巧家站洪量的44%，洪量所占比例遠小于集水面積所占比例；雅礱江小得石集水面積僅占巧家站的27.5%，但其洪量約占巧家站洪量的43%，洪量占比大于其集水面積所占比例，這與雅礱江流域暴雨范圍廣、強度相對較大的暴雨特性相一致[11]。金沙江中游、雅礱江洪水合計，在白鶴灘洪水組成中占比超過85%。

3 長江上游李莊站、朱沱站洪水組成中的白鶴灘洪水

長江上游李莊站、朱沱站洪水是岷江洪水與金沙江洪水組合疊加的結(jié)果。白鶴灘巧家站集水面積分別占李莊站、朱沱站集水面積的69.5%、61.3%；巧家站與岷江高場站集水面積之和，分別占李莊站、朱沱站集水面積的91.7%、80.8%。

李莊站、朱沱站、岷江高場站年最大洪峰各月出現(xiàn)概率見表4。

表4 李莊、朱沱站年最大洪峰各月出現(xiàn)概率 %

從表4可以看到，3站年最大洪峰均集中出現(xiàn)在6月～9月，李莊站、朱沱站在7月、8月出現(xiàn)年最大洪峰的概率約80%，高場站在80%以上。對照金沙江白鶴灘年最大洪峰發(fā)生月份及概率，長江上游及岷江年最大洪峰發(fā)生的時段更為集中，長江上游與岷江洪峰的同時性更明顯。

長江上游金沙江區(qū)域、岷江區(qū)域，暴雨天氣系統(tǒng)有所不同，導(dǎo)致各流域暴雨發(fā)生時間、范圍、強度有所不同，加之各流域洪水匯流時間長、短不一，洪水特性差異明顯。金沙江干流下游洪水的形成是大范圍、長歷時降水的結(jié)果，洪水過程具有歷時較長的特點。岷江洪水由暴雨形成，流域內(nèi)有著名的青衣江暴雨區(qū)和麓頭山暴雨區(qū)，汛期暴雨頻繁、劇烈[12]，流域暴雨走向多為自西北向東南，與河流流向一致，常造成岷江洪水陡漲降落[13]，高場站洪水過程中峰頭部分的持續(xù)時間約在數(shù)小時，至多十幾個小時，相比金沙江下游洪水過程，岷江洪水過程持續(xù)時間相對較短。

1939年～1987年、2003年～2018年的65 a間，白鶴灘巧家站與岷江高場站年最大洪峰在3 d之內(nèi)先、后出現(xiàn)的年份僅有1950年、1952年、1953年、1959年、1966年、1971年等6 a，占總數(shù)的9.2%，兩江流域同時(相隔不足3 d)出現(xiàn)年最大洪峰的概率很?。豢紤]金沙江下游洪水過程歷時較長，倘若以兩站年最大洪峰在7 d內(nèi)先、后出現(xiàn)作為洪水遭遇的判別標(biāo)準(zhǔn)，則一共有11 a，占總數(shù)的16.9%，說明金沙江年最大洪水的漲水段或退水段與岷江高場站年最大洪水遭遇具有一定的概率。

分析白鶴灘巧家站年最大洪峰與李莊站年最大洪峰遭遇情況，兩站洪峰相隔不超過3 d的年份約占總數(shù)的25%，兩站洪峰相隔不超過7 d的年份約占總數(shù)的31%。按照李莊站年最大洪水3、7、15、30 d洪量對應(yīng)時段，統(tǒng)計白鶴灘巧家站相應(yīng)洪量，巧家站相應(yīng)洪量分別占李莊站的43.4%、50.7%、52.7%、52.9%?？梢姡Q灘巧家站與長江李莊站年最大洪峰遭遇的年份不足總數(shù)的1/3，李莊7 d以上各歷時年最大洪量中，一半以上的洪量來源于白鶴灘巧家站。

多年統(tǒng)計情況下，雖然白鶴灘與李莊站年最大洪水遭遇的概率不足1/3；但由于白鶴灘巧家站集水面積在李莊站集水面積中的占比達69.5%，李莊站7 d以上長歷時洪量1/2來源于白鶴灘巧家站，加之金沙江洪水過程歷時長、漲落相對緩慢，白鶴灘洪水在李莊站洪水組成中有著重要的“墊底”、“總體增大”作用。

分析岷江高場站與長江李莊站年最大洪峰遭遇情況，兩站峰現(xiàn)時間對應(yīng)的年份占總數(shù)的68.2%，李莊站年最大洪峰受岷江來水影響顯著，岷江來水對李莊站洪水有較大的“造峰”作用。

李莊—朱沱的長江上游，主要支流有沱江、赤水河，李莊—朱沱區(qū)間集水面積占朱沱的11.8%。約有75.0%的年份，李莊、朱沱兩站年最大洪峰在時間上相應(yīng)，約有80%的年份，兩站年最大洪量時段相應(yīng)。白鶴灘洪水在朱沱站洪水組成中的特性，與白鶴灘洪水在李莊站洪水組成中的特性具有類似特性；但是，隨著白鶴灘集水面積在朱沱站集水面積占比的減小，其來水在朱沱站占比也隨之減小。

4 長江上游典型年洪水組成

金沙江下游巧家站、屏山站、岷江高場站、長江李莊站、朱沱站年最大洪峰系列中排位前三位的洪峰及其發(fā)生時間如表5所示。

表5 巧家、屏山、李莊站前三位年最大洪峰排位及發(fā)生時間

長江上游李莊站、朱沱站實測洪水系列首大洪峰均為1966年洪水，與金沙江巧家站、屏山站實測首大洪峰相應(yīng)；而岷江高場站1966年實測洪峰未能列入前三，僅為一般性洪水。但是，岷江洪峰與金沙江洪峰遭遇疊加，就將形成長江上游李莊站、朱沱站大洪水。

李莊站1955年洪峰列實測第二位，與岷江高場站洪峰時間相應(yīng)，朱沱站1955年尚未開展洪水測驗，缺少洪水資料；而金沙江巧家站、屏山站1955年洪水未在前三之列。

1974年洪水，金沙江屏山站、巧家站洪峰分別位列各自實測系列的第三、第四，岷江高場為小洪水，兩者疊加形成李莊站、朱沱站洪水變化與金沙江洪水過程基本一致。

1961年洪水過程中，岷江高場站洪峰突出，為1939年實測以來的最大，與金沙江洪峰未發(fā)生遭遇，金沙江為一般性洪水，金沙江洪水的作用在于“總體抬升”、與岷江洪水疊加，形成李莊站、朱沱站洪水變化與岷江洪水過程基本一致。

1966年、1974年、1961年各站洪峰及相應(yīng)于朱沱站最大洪量統(tǒng)計時段的各站30 d洪量見表6，實測洪水過程見圖2～4。

表6 朱沱站以上測站典型年洪水特征

圖2 朱沱以上測站1966年8月24日～9月25日實測洪水過程

圖3 朱沱以上測站1974年8月17日～9月27日實測洪水過程

圖4 朱沱以上測站1961年6月25日～7月31日實測洪水過程

5 結(jié) 論

白鶴灘洪水是長江上游川江洪水重要的組成部分。本文采用渡口、小得石、巧家(華彈)、屏山、李莊、朱沱、高場等控制性水文站1939年～2018年水文資料，分析白鶴灘洪水以及其在川江洪水組成的特性，得到以下結(jié)論：

(1)多年統(tǒng)計情況下，白鶴灘最大洪峰一般出現(xiàn)在6月～10月，主要集中在7月、8月、9月，約占總數(shù)的95%以上。白鶴灘洪水組成中，金沙江中游渡口站洪水占比44%小于面積比60.8%，雅礱江小得石洪水占比43%大于面積比27.5%；從而說明雅礱江流域暴雨洪水強度大于金沙江中游地區(qū)。

(2)雖然白鶴灘與長江李莊站年最大洪水遭遇的概率不足總數(shù)的1/3，但由于白鶴灘巧家站集水面積在李莊站集水面積中的占比達69.5%，李莊站7 d以上長歷時洪量一半來源于白鶴灘，白鶴灘洪水在李莊站洪水組成中有著重要的“墊底”、“總體增大”作用。岷江高場站與長江李莊站年最大洪峰遭遇對應(yīng)的年份占總數(shù)的68.2%，李莊站年最大洪峰受岷江來水影響顯著，岷江來水對李莊站洪水有較大的“造峰”作用。

(3)選取1961年、1966年、1974年典型年洪水過程，說明李莊洪水組成的兩種類型。第一類，以金沙江來水為主，岷江為一般洪水，如1966年、1974年；第二類，以岷江來水為主，金沙江為一般洪水，如1961年。

白鶴灘水電站是金沙江下游庫容最大、調(diào)蓄能力最強的水電站。本文就白鶴灘洪水在川江洪水組成中的分析研究，對于合理運用金沙江下游梯級水庫群的防洪庫容，充分發(fā)揮白鶴灘水庫在聯(lián)合防洪調(diào)度中的骨干作用具有重要意義?，F(xiàn)在隨著白鶴灘水電站的投產(chǎn)運行，長江防洪體系的調(diào)蓄能力得到了進一步的提高。