華西秋雨與梅雨對三峽水庫蓄水調(diào)度影響分析

郭生練 李娜 王俊 梁志明

特邀作者簡介

郭生練，武漢大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、挪威工程院外籍院士。1982年畢業(yè)于武漢水利電力學(xué)院，1986年和1990年先后獲愛爾蘭國立大學(xué)碩士和博士學(xué)位，1991～1993年任武漢水利電力大學(xué)博士后，1993年晉升為教授，1995年增選為博士生指導(dǎo)教師、享受國務(wù)院政府特殊津貼專家，2019年當(dāng)選挪威工程院外籍院士?，F(xiàn)任武漢大學(xué)水問題研究中心主任，湖北省科學(xué)技術(shù)協(xié)會、國際水文科學(xué)協(xié)會中國國家委員會名譽(yù)主席，擔(dān)任《水資源研究》主編，《水利學(xué)報》《水科學(xué)進(jìn)展》《水文》等刊物編委。

主持完成國家級課題30余項和70多項橫向課題；指導(dǎo)培養(yǎng)博士后10人、博士和碩士研究生100多人次；發(fā)表學(xué)術(shù)論文700多篇，其中SCI/EI論文300多篇（H-index=69，2020～2023年中國高被引學(xué)者），入選全球前2%頂尖科學(xué)家“終身科學(xué)影響力排行榜（1960-2022）”和“2022年度科學(xué)影響力排行榜”兩個榜單。授權(quán)發(fā)明專利36項，編著《設(shè)計洪水研究進(jìn)展與評價》《三峽水庫汛限水位動態(tài)控制關(guān)鍵技術(shù)研究》《長江巨型水庫群防洪興利綜合調(diào)度研究》《水庫運(yùn)行期設(shè)計洪水及汛期水位動態(tài)控制理論方法與應(yīng)用》等20本著作，有18項成果獲省部級和國家科技進(jìn)步獎。

摘要：

長江中下游梅雨和上游華西秋雨分別發(fā)生于三峽水庫主汛期前、后兩個時期，是判斷洪水遭遇與蓄水時機(jī)的重要依據(jù)。分析了梅雨和秋雨的時空分布特征、三峽水庫7 d和15 d洪量系列的汛期分期及其對汛末蓄水的影響。結(jié)果表明：長江中下游梅雨發(fā)生在三峽水庫主汛期前，長江上游華西秋雨最早8月21日開始；梅雨最晚8月8日結(jié)束，出梅后，長江中下游防洪壓力減輕，三峽水庫可提前釋放城陵磯防洪庫容；三峽水庫8月29日進(jìn)入后汛期，洪水量級適中，可考慮提前蓄水以充分利用秋汛洪水資源。綜合梅雨、秋雨和三峽汛期分期的關(guān)鍵時間節(jié)點，在確保防洪安全的前提下，建議三峽水庫自8月8日起實行汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制和提前蓄水調(diào)度。

關(guān) 鍵 詞：

華西秋雨； 梅雨； 洪水分期； 蓄水調(diào)度； 三峽水庫

中圖法分類號： TV122.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.010

0 引 言

長江流域?qū)俚湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)型氣候，流域內(nèi)降雨呈現(xiàn)較強(qiáng)的季節(jié)性變化規(guī)律［1］。每年春末夏初之時，西太平洋副高脊線向北躍進(jìn)，在20°N～25°N間停留，湖北宜昌往東長江中下游地區(qū)經(jīng)常會出現(xiàn)陰雨連綿的天氣，即梅雨［2］，期間降雨量大，暴雨頻發(fā)，日照時間短，空氣濕度大。梅雨是東亞夏季風(fēng)季節(jié)性向北推移的產(chǎn)物，是中國夏季雨澇災(zāi)害的基本特征之一。梅雨持續(xù)時間及其與上游暴雨期的銜接，決定了“七下八上”（7月下旬至8月上旬）長江上中游是否出現(xiàn)洪水［3］，其豐枯特點往往能夠反映中國夏季旱澇的大體情況［4］。

華西秋雨是東亞夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換為冬季風(fēng)時出現(xiàn)的最后一個雨季［5］，是華西地區(qū)的一種特殊天氣現(xiàn)象。華西地區(qū)處于青藏高原東側(cè)，秋季，隨著西太副高南撤，高原頻繁南下的冷空氣被云貴高原和秦嶺等阻滯，與停留在該區(qū)域的太平洋和孟加拉灣暖濕空氣相遇，二者相互作用，使低層鋒面活動加劇，產(chǎn)生了僅次于夏季降水的第二個峰值，即華西秋雨［6］。華西秋雨是中國秋季的主要氣候特征之一，也是華西地區(qū)的氣象災(zāi)害之一，對水庫蓄水、生產(chǎn)生活和生態(tài)用水有重要影響。

三峽水庫自建成以來，發(fā)揮了巨大的防洪興利效益，顯著減輕了川渝河段的防洪壓力，有效保障了長江中下游的防洪安全［7］。當(dāng)前長江上游梯級水庫防洪、興利庫容占河道徑流比例不斷增大，固定單一的汛期運(yùn)行水位不利于實現(xiàn)洪水資源化，汛末蓄水必然加深對天然徑流的調(diào)節(jié)影響，造成上下游蓄水與需水的沖突［8］。長江中下游梅雨和華西秋雨分別發(fā)生于主汛期前、后兩個時期，對水庫動態(tài)運(yùn)行而言，是確定上中游洪水遭遇、汛期洪水分期以及工程提前蓄水時機(jī)的重要階段［9-10］。研究三峽水庫汛期分期洪水與長江上游華西秋雨、中下游梅雨的關(guān)系，并以此為視角探討三峽水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)調(diào)整和提前蓄水的科學(xué)方案，對洪水資源高效利用意義重大。

本文分析長江上游華西秋雨和長江中下游梅雨的時空分布特征，探討二者與三峽水庫汛期分期的關(guān)系，以三峽水庫汛末提前蓄水提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 華西秋雨和長江中下游梅雨的時空分布特征

1.1 區(qū)域概況

長江上游華西秋雨區(qū)示意如圖1（a）所示，主要處在100°E～110°E，26°N～35°N之間，又可分為華西秋雨北區(qū)和南區(qū)，共有380個測站，站點大體分布在四川中東部、貴州北部、湖南湖北西側(cè)、重慶全境、陜西中南部和甘肅南部等區(qū)域［11］。長江中下游梅雨區(qū)示意如圖1（b）所示，包含長江中游區(qū)和長江下游區(qū)，共157個站點，大致涵蓋了湖南東北部、湖北中東部、江西北端、安徽南部、浙江北部、江蘇南部及上海等區(qū)域［12］。

1.2 基本氣候特征

利用中國氣象局提供的1961～2022年共62 a的華西秋雨特征量資料（起止時間、雨期長度、降雨量），以及1951～2022年共72 a的長江中下游梅雨特征量資料，分析兩種降雨的基本氣候特征。結(jié)果顯示：1961～2022年，華西秋雨最早開始時間為8月21日，最晚結(jié)束時間為11月30日，平均雨期為65 d，平均雨量為218.3 mm。1951～2022年，長江中下游梅雨最早開始時間為5月25日，最晚結(jié)束時間為8月8日，平均雨期為31 d，平均雨量為292.7 mm。

由圖2可知，華西秋雨開始時間主要出現(xiàn)在8月下旬至9月上旬，以8月下旬居多，結(jié)束時間主要出現(xiàn)在10月下旬至11月中旬；秋雨量主要分布在100～300 mm的范圍內(nèi)，以200～300 mm雨量最多。長江中下游梅雨開始時間主要在6月份，以6月中旬居多，結(jié)束時間主要在7月份，以7月下旬居多，梅雨量主要集中在100～400 mm。與長江中下游梅雨相比，華西秋雨雨量整體偏小，但歷時更長。

1.3 變化特征分析

華西秋雨和長江中下游梅雨具有明顯的年代際變化特征，采用Mann-Kendall檢驗法［13-14］、Pettitt檢測法［15］以及Morelet連續(xù)小波變換［16-17］，詳細(xì)分析華西秋雨歷時和秋雨量序列（1961～2022年）、長江中下游梅雨歷時和梅雨量序列（1951～2022年）的變化趨勢、突變情況和周期性規(guī)律。

Mann-Kendall趨勢檢驗結(jié)果如圖3所示。秋雨歷時和秋雨量自20世紀(jì)90年代起都呈現(xiàn)下降的趨勢，但近4 a又出現(xiàn)上升的趨勢；而梅雨歷時和梅雨量除在20世紀(jì)60年代后期有略微下降的趨勢外，整體保持上升的趨勢。上述趨勢變化在0.05顯著性水平下不顯著。

圖4為Pettitt突變檢驗結(jié)果，給定0.05顯著性水平，華西秋雨多年平均歷時在1986年以前為68 d，之后為62 d；多年平均秋雨量在1985年以前為241 mm，之后為204 mm。長江中下游梅雨多年平均歷時在1988年以前為29 d，之后為32 d；多年平均梅雨量在1957年以前為385 mm，之后減小為284 mm。

圖5為Morelet小波變換周期性分析結(jié)果，秋雨歷時在1969年、1975年和1997年前后分別存在1～3 a、7～9 a和1～4 a的顯著周期性；秋雨量在1978年和2012年前后分別存在7～8 a和2～3 a的顯著周期性。梅雨歷時在1980年、1984年和2012年前后分別存在2～4 a、18～20 a和3～5 a的顯著周期性；梅雨量在1982年、1995年前后分別存在2～3 a和1～3 a的顯著周期性。

2 華西秋雨和長江中下游梅雨與三峽水庫洪水關(guān)系分析

1954年、1998年和2020年，長江發(fā)生了流域性大洪水?，F(xiàn)利用華西秋雨區(qū)和長江中下游梅雨區(qū)的日降水?dāng)?shù)據(jù)，以及三峽水庫入庫（宜昌站）的日流量資料，分析3個典型年長江中下游梅雨、華西秋雨的雨情特征，以及三峽水庫洪水過程，深入探究華西秋雨、長江中下游梅雨與三峽水庫洪水的關(guān)系。

2.1 1954年雨洪過程

1954年，長江中下游梅雨期包括5月16～25日和6月12日至7月31日兩段，歷時60 d，累計雨量為811.5 mm。受副高活動影響，梅雨期較往年偏長近30 d，中下游多地發(fā)生多場長歷時的強(qiáng)降雨過程。上游華西地區(qū)9～10月，累計雨量為178.3 mm，10月3日雨量最大為10.5 mm。由1954年三峽宜昌站日流量過程（見圖6）可以看出：6月下旬宜昌站流量開始迅速上漲，主汛期流量整體較大，發(fā)生了多場大洪水，形成了多個洪峰，8月7日出現(xiàn)年最大洪峰，流量達(dá)到66 800 m3/s。7月7日、7月23日和8月29日的洪峰流量分別為48 800 m3/s、55 000 m3/s和53 000 m3/s。9月初流量快速減退，9月上旬至10月中旬，華西片區(qū)有一定降雨，宜昌流量整體在25 000～30 000 m3/s之間波動，變化不大，10月中旬后流量逐步減小。

2.2 1998年雨洪過程

1998年，長江中下游梅雨期包括兩段，分別為6月12日至7月3日和7月20～30日，歷時54 d，累計雨量為572.4 mm。副高南北擺動大，兩段梅雨期中下游地區(qū)常有中到大雨發(fā)生，降雨面積廣。華西秋雨從9月19日開始，至10月18日結(jié)束，共持續(xù)29 d，累計秋雨量為78.6 mm，秋雨歷時較往年偏短了30 d左右，雨量偏少64%，降水強(qiáng)度整體偏弱。由1998年宜昌站流量過程（見圖7）可以看出：主汛期7、8兩個月，三峽發(fā)生長歷時大洪水過程，7月中旬出現(xiàn)平頭洪峰，8月接連形成5個洪峰，流量均超過50 000 m3/s，導(dǎo)致長江上游來水與中下游地區(qū)梅雨洪水遭遇，形成流域性大洪水。9月初，宜昌站流量快速減退，下旬流量出現(xiàn)小幅上漲，23日流量為28 600 m3/s，后逐漸緩?fù)??？傮w而言，9月以后華西片區(qū)降雨少，上游來水不大，宜昌站流量與主汛期相比偏小較多。

2.3 2020年雨洪過程

2020年，長江中下游梅雨從6月9日開始，到7月31日結(jié)束，歷時52 d，累計雨量達(dá)到753.9 mm，僅次于1954年的梅雨量，中下游連續(xù)發(fā)生多次大范圍暴雨過程。華西地區(qū)秋雨從9月9日開始，到11月26日結(jié)束，共持續(xù)78 d，累計秋雨量為222.2 mm。其中，降雨主要集中在9月至10月上旬，累計雨量為158.7 mm，10月下旬至11月降雨相對偏少。由2020年三峽入庫流量過程（見圖8）可以看出：6月下旬至8月下旬主汛期間，三峽地區(qū)形成多場洪水過程，且洪峰流量較大，相繼出現(xiàn)1～5號洪水，8月20日第5號洪水洪峰流量達(dá)到75 000 m3/s，長江上游來水與中下游洪水遭遇，導(dǎo)致全流域大洪水。8月下旬后流量明顯減小，9月中旬受華西秋雨影響，上游來水增加，三峽入庫有所上漲，9月19日流量為38 500 m3/s，其后流量進(jìn)入逐步緩?fù)穗A段。

綜上可以看出，在3個典型年里，受西太副高異常影響，長江中下游梅雨偏多，上游來水與中下游洪水遭遇形成流域性大洪水。反觀一般年份，三峽雖處在主汛期，洪水峰高量大，由于中下游出梅正常，與下游洪水遭遇后多形成區(qū)域性或局部性洪水。秋雨期間，受上游華西降雨影響，三峽也出現(xiàn)一定的小洪水過程，但流量較主汛期明顯偏小。

3 三峽水庫洪水分期與汛末蓄水

3.1 汛期洪水分期

選用宜昌站1951～2022年汛期（5月1日至9月30日）的日流量資料，構(gòu)建7 d和15 d洪量序列，在各年洪量序列中選出最大洪峰值構(gòu)成新的時間序列，即得到7 d和15 d最大洪量序列。利用均值變點分期方法［17］對構(gòu)造的洪量序列進(jìn)行分析，將汛期分為前汛期、主汛期和后汛期。結(jié)果顯示：7 d洪量的分期節(jié)點為6月28日和9月10日，15 d洪量的分期節(jié)點為6月30日和8月29日。據(jù)此可綜合設(shè)定三峽水庫前汛期、主汛期和后汛期的分期節(jié)點為6月30日和8月29日。

根據(jù)三峽水庫汛期均值變點結(jié)果，探討三峽水庫分期洪水與長江中下游梅雨、華西秋雨的關(guān)系。圖9為長江中下游梅雨、華西秋雨與三峽水庫汛期分期洪水的關(guān)系。從7 d和15 d洪量過程來看，主汛期洪量明顯高于前汛期和后汛期。主汛期，長江上游暴雨頻現(xiàn)，形成的洪水峰高量大，導(dǎo)致三峽入庫洪量較大。長江中下游梅雨大致出現(xiàn)在前汛期和主汛期前期，最晚在8月8日結(jié)束；主汛期后期上游來水大，但中下游地區(qū)已出梅，降雨強(qiáng)度和廣度明顯減小，上中下游基本不會出現(xiàn)洪水遭遇，對三峽水庫調(diào)度有利。華西秋雨最早在8月21日開始，華西地區(qū)逐漸出現(xiàn)秋雨，雨期較長，降水頻繁，但雨量整體較夏季偏小。受此影響，三峽入庫洪量減小，8月29日隨之進(jìn)入后汛期，可見華西秋雨對三峽水庫后汛期洪水有影響，秋雨期和后汛期基本同步，可考慮利用秋汛洪水資源。

3.2 汛末蓄水時機(jī)選擇

作為長江流域防洪體系的重要組成部分，長江上游形成了以三峽等梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度為關(guān)鍵抓手的防洪體系。長江中下游梅雨和華西秋雨給三峽防洪帶來一定挑戰(zhàn)，也在不同程度上左右著水庫汛末蓄水時機(jī)的選擇。

① 參考長江中下游梅雨最晚結(jié)束時間8月8日，發(fā)現(xiàn)8月中旬以后，三峽雖處于主汛期后一階段，但中下游已出梅，上中下游洪水遭遇概率小，防洪壓力相對減輕。因此，在8月8日至8月28日的主汛期內(nèi)，可考慮釋放城陵磯防洪庫容，實行水位動態(tài)運(yùn)行。

② 參考華西秋雨最早開始時間8月21日，以及三峽主后汛期分期節(jié)點8月29日，發(fā)現(xiàn)8月末華西地區(qū)進(jìn)入秋雨季，雨量減小，三峽入庫流量減小，應(yīng)提高秋汛洪水資源利用率。因此，在8月29日至9月10日的后汛期內(nèi)，可視秋汛中期預(yù)報趨勢，利用中短期預(yù)報預(yù)泄手段，繼續(xù)實現(xiàn)汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制并逐步抬高蓄水位。

③ 9月10日以后，銜接現(xiàn)有蓄水方案，實現(xiàn)提前蓄水，并逐步蓄至正常蓄水位。

4 結(jié) 論

（1） 秋雨和梅雨的趨勢性檢驗顯示：秋雨歷時和秋雨量自20世紀(jì)90年代起呈現(xiàn)下降的趨勢，近4 a又出現(xiàn)上升趨勢，梅雨歷時和梅雨量基本保持上升的趨勢，但在0.05的顯著性水平下不顯著；秋雨歷時、秋雨量、梅雨歷時和梅雨量在個別年份發(fā)生了突變，在某些時段存在一定的顯著性周期。

（2） 受西太副高異常影響，1954，1998，2020年的長江中下游梅雨較為顯著，上游來水與中下游梅雨洪水遭遇形成長江流域大洪水。同年秋雨季節(jié)，華西降雨歷時雖長，但雨量不大，期間三峽來水流量整體較主汛期明顯偏小。

（3） 長江中下游梅雨8月8日結(jié)束，中下游防洪壓力減輕，三峽水庫可適當(dāng)釋放防洪庫容；上游華西秋雨8月21日開始，三峽水庫洪水量級適中，可開展汛中提前蓄水；結(jié)合主汛期一前一后兩個關(guān)鍵雨期，建議三峽水庫把握蓄水時機(jī)，在確保防洪安全的前提下，自8月8日起實現(xiàn)汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制和提前蓄水調(diào)度。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 俞亞勛，王式功，錢正安，等.夏半年西太副高位置與東亞季風(fēng)雨帶（區(qū)）的氣候聯(lián)系［J］.高原氣象，2013，32（5）：1510-1525.

［2］ 徐群.近八十年長江中、下游的梅雨［J］.氣象學(xué)報，1965，35（4）：507-518.

［3］ 王俊，郭生練.三峽水庫汛期控制水位及運(yùn)用條件［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2020，31（4）：473-480.

［4］ 陶詩言，張慶云，張順利.1998年長江流域洪澇災(zāi)害的氣候背景和大尺度環(huán)流條件［J］.氣候與環(huán)境研究，1998，3（4）：3-12.

［5］ 高由禧，郭其蘊(yùn).我國的秋雨現(xiàn)象［J］.氣象學(xué)報，1958（4）：264-273.

［6］ 陳剴，鐘霖浩，華麗娟，等.華西秋雨趨勢變化的年代際轉(zhuǎn)折及其成因分析［J］.氣候與環(huán)境研究，2020，25（1）：90-102.

［7］ 郭生練，熊豐，王俊，等.三峽水庫運(yùn)行期設(shè)計洪水及汛控水位初探［J］.水利學(xué)報，2019，50（11）：1311-1325.

［8］ 何紹坤，郭生練，劉攀，等.金沙江梯級與三峽水庫群聯(lián)合蓄水優(yōu)化調(diào)度［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2019，38（8）：27-36.

［9］ 陳桂亞.三峽水庫對城陵磯防洪補(bǔ)償庫容釋放條件分析［J］.人民長江，2020，51（3）：1-5.

［10］ 李娜，郭生練，王俊，等.長江中下游梅雨與三峽水庫入庫洪水遭遇規(guī)律分析［J］.人民長江，2022，53（3）：44-49.

［11］ 梁萍，周兵，馬悅，等.2017年秋季華西秋雨的多時間尺度變化特征及成因分析［J］.氣象，2019，45（8）：1104-1112.

［12］ 秦智偉，戴明龍，陳煉鋼，等.三峽水庫汛期分期洪水特征及成因研究［J］.人民長江，2018，49（22）：1-6.

［13］ MANN H B.Nonparametric test against trend［J］.Econometrica，1945，13（3）：245-259.

［14］ KENDALL M.Rank correlation methods［M］.London：Charles Griffin，1975.

［15］ PETTITT A N.A non-parametric approach to the change-point problem［J］.Applied Statistics，1979，28（2）：126.

［16］ 王文圣，丁晶，向紅蓮.小波分析在水文學(xué)中的應(yīng)用研究及展望［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2002，13（4）：515-520.

［17］ 劉攀，郭生練，王才君，等.三峽水庫汛期分期的變點分析方法研究［J］.水文，2005，25（1）：18-23.

（編輯：高小雲(yún)）

Influence of autumn rain of West China and Meiyu on impoundment operation of Three Gorges Reservoir

GUO Shenglian1，LI Na2，WANG Jun1，LIANG Zhiming2

（1.State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，Wuhan University，Wuhan 430072，China； 2.China Yangtze Power Co.，Ltd.，Yichang 443000，China）

Abstract：

Meiyu in the middle-lower Changjiang River and the autumn rain of west China usually happen before and after the main flood season of the Three Gorges Reservoir（TGR），which are important bases for judging the flood coincidence and impoundment time.This study analyzes the spatiotemporal distribution of autumn rain and Meiyu，flood season division in TGR based on 7d and 15d flood volume series and its corresponding influence on impoundment operation at the end of flood season.It is shown that Meiyu occurs in the early main flood season of the TGR，while the autumn rain begins on August 21.In the end of Meiyu on August 8，the flood control pressure in the middle-lower Changjiang River is relieved，and the TGR can release the flood prevention storage capacity allocated for Chenglingji area in advance.When the TGR enters the post-flood season on August 29 with moderate flood magnitude，it can start refill operation in advance to use autumn flood resources.Considering the key time nodes of Meiyu，autumn rain and TGR flood season division，it is suggested that the TGR can implement dynamic control of water level and early refill operation after August 8 on the premise of ensuring flood control safety.

Key words：

autumn rain in west China；Meiyu；flood season division；reservoir impoundment；Three Gorges Reservoir