江漢平原湖區(qū)汛期劃分及控制水位研究

萬 偉，呂燦翔，閆少鋒

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430070）

江漢平原湖區(qū)地處長江、 漢江兩江夾角和沿江平原地帶，河網(wǎng)密布、溝渠縱橫，大大小小700 余個(gè)湖泊星羅棋布點(diǎn)綴其中，是湖北省的“水袋子”——洪澇災(zāi)害最為嚴(yán)重的區(qū)域， 同時(shí)也是湖北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展最核心區(qū)域，2018 年區(qū)域內(nèi)GDP 近3 萬億元，達(dá)湖北省經(jīng)濟(jì)總量的70%左右， 水資源開發(fā)利用程度較高，水資源需求量也是湖北省最大的區(qū)域。

江漢平原湖區(qū)雨量充沛，但是受季風(fēng)氣候影響，時(shí)間分布十分不均，據(jù)統(tǒng)計(jì)，5—10 月份降雨量占全年降雨量的70%～80%，汛期降雨集中，而枯期降雨徑流偏少，同時(shí)又是作物生長的春灌期，灌溉需水量大。 以往防汛調(diào)度要求湖泊在整個(gè)汛期以較低的汛限水位迎汛，往往導(dǎo)致了眾多湖泊汛期不敢蓄水，而汛期過后又無水可蓄，洪水資源不能有效利用，往往形成旱災(zāi)，湖北省2010 年、2011 年發(fā)生的旱澇急轉(zhuǎn)就是明顯的例子。因此，合理確定江漢平原湖區(qū)的汛期劃分，合理制定湖泊分期汛限水位，適當(dāng)抬高后汛期汛限水位，充分利用后汛期雨洪資源，具有重要的意義和緊迫性。

1 汛期劃分方法

現(xiàn)有的汛期劃分方法有數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、 變點(diǎn)分析法、矢量統(tǒng)計(jì)法、有序聚類法和系統(tǒng)聚類法等［1］。馮尚友等［2］針對(duì)丹江口水庫調(diào)度的需要對(duì)汛期劃分進(jìn)行了研究，主要包括2 個(gè)方面的分析：①水文統(tǒng)計(jì)分析，具體分析了單站多年旬平均雨量、多年旬平均流量、7 d 最大降水量的時(shí)間分布、 歷年最大洪峰流量出現(xiàn)過程；②氣候成因分析，具體分析了各種天氣系統(tǒng)的變化過程?；谝陨蟽蓚€(gè)方面的綜合分析，提出了丹江口水庫汛期的分期劃分方案。郭榮文［3］針對(duì)龍溪河水庫的分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算進(jìn)行研究， 在分期洪水時(shí)界的劃分上， 主要是依據(jù)對(duì)暴雨天氣成因分析、地面氣候特征分析、水文歷史演變趨勢分析做出的； 在分期設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算上采用了跨期選樣方法進(jìn)行分期洪水樣本的選擇。昆明勘測設(shè)計(jì)院［4］針對(duì)瀾滄江漫灣電站后期設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了分析研究，在分期時(shí)段的劃分上，主要考慮汛期各月大氣環(huán)流形勢的變化、汛期各月雨量的變化、汛期各旬洪水流量的變化。河海大學(xué)張磊等［5］以洪家渡水庫的汛期來水為基礎(chǔ)，并在考慮汛期劃分時(shí)序性的基礎(chǔ)上，用改進(jìn)的圖論聚類法為生成模糊相似矩陣、 求解最大樹、利用閥值進(jìn)行聚類3 個(gè)步驟，確定初汛、主汛和后汛并對(duì)劃分結(jié)果進(jìn)行分析。 長江水利委員會(huì)水文局秦智偉等［1］結(jié)合暴雨洪水的氣候、天氣成因、暴雨天氣形勢,將三峽水庫以上洪水汛期劃分為主汛期、汛末期,研究汛期洪水的年內(nèi)、年際變化規(guī)律及分期變化特性,提出了三峽壩址分期設(shè)計(jì)洪水, 為三峽水庫優(yōu)化調(diào)度提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。 這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，究竟何種方法最優(yōu)，國內(nèi)尚沒有定論。不過，國內(nèi)學(xué)者研究較多的是水庫的汛期劃分， 以緩解水庫防洪與興利的矛盾， 而對(duì)平原湖區(qū)的汛期劃分研究較少，尚未有成熟的湖泊汛期劃分方法可以借用。且目前的水庫汛期劃分方法多為理論研究， 對(duì)基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)要求較高， 對(duì)于平原湖區(qū)資料缺乏區(qū)域缺乏借鑒意義。

本文基于湖區(qū)氣候特征和湖泊蓄洪特性， 利用降雨資料統(tǒng)計(jì)分析湖區(qū)不同時(shí)長的長歷時(shí)降雨量，制作降雨散布圖， 同時(shí)根據(jù)外江水位分布特點(diǎn)分析統(tǒng)計(jì)汛期湖區(qū)自排幾率， 并結(jié)合平原湖區(qū)水文氣象特征，綜合劃分湖區(qū)汛期。

2 應(yīng)用實(shí)例

為充分研究江漢平原湖區(qū)汛期劃分特點(diǎn)， 以江漢平原5 大湖泊（長湖、洪湖、梁子湖、斧頭湖、汈汊湖）所在區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行汛期劃分。

2.1 流域概況

2.1.1 四湖流域（長湖、洪湖）

四湖流域地處江漢平原腹地，南濱長江、北臨漢江及東荊河，西北部與宜漳山區(qū)接壤。屬長江中游一級(jí)支流內(nèi)荊河流域， 因境內(nèi)原有4 個(gè)大型湖泊 （長湖、三湖、白鷺湖和洪湖）而得名。目前僅保留長湖、洪湖2 個(gè)湖泊。全流域總面積11547.5 km2，其中內(nèi)垸面積10375 km2，洲灘民垸面積1172.5 km2。

2.1.2 梁子湖流域（梁子湖）

梁子湖地處長江中游南岸，位于湖北省東南部，東與黃石市交界， 南與咸寧市為鄰， 西與武漢市接壤，處于武漢、黃石、鄂州、咸寧四市之間。梁子湖湖泊承雨面積2085 km2。 根據(jù)2012 年12 月公布的第一批湖泊保護(hù)名錄的相關(guān)數(shù)據(jù)， 梁子湖水面面積271 km2（不含牛山湖），牛山湖水面面積為57.2 km2。

2.1.3 金水流域（斧頭湖）

金水流域地處湖北省江漢平原東部， 流域跨江夏、嘉魚、咸安、赤壁四縣（市、區(qū)），西北臨長江，東、南接幕埠山余脈。金水流域主要由魯湖、斧頭湖、西涼湖3 大湖泊組成， 流域面積2615.9 km2。3 大湖泊在水位21.5 m（吳淞，下同）時(shí)，湖面面積244.72 km2，容積55439 萬m3。

2.1.4 汈汊湖流域（汈汊湖）

汈汊湖位于漢川市境內(nèi)。解放前，該湖是由汈汊湖、東西汊湖、龍賽湖、老觀湖、白湖等大小湖泊組成的湖泊群。西北部有府河、天門河、溾水(皂市河)、大富水等河流的山丘區(qū)來水匯集入湖， 流域面積為16976 km2，當(dāng)水位為25.0 m 時(shí)，湖泊面積為257.6 km2（包括鄂家澥、 鳥家澥面積， 但不包括東西汊湖面積），湖底高程22.7 m。

2.2 散布圖分析最大降雨期

根據(jù)各湖區(qū)降雨資料，統(tǒng)計(jì)各湖泊15 d、20 d、30 d降雨量，并點(diǎn)匯成圖，同時(shí)取歷年最大15 d、20 d、30 d暴雨分別進(jìn)行頻率分析， 得到最大15 d、20 d、30 d 暴雨的均值、5 年一遇、10 年一遇值， 一并繪制到散布圖上。各湖區(qū)降雨散布圖如圖1～圖8。

圖1 四湖上區(qū)（長湖）15d 降雨散布圖

圖2 四湖上區(qū)（長湖）20d 降雨散布圖

圖3 四湖中下區(qū)（洪湖）15d 降雨散布圖

圖4 四湖中下區(qū)（洪湖）20d 降雨散布圖

圖5 梁子湖15d 降雨散布圖

圖6 梁子湖30d 降雨散布圖

圖7 斧頭湖20 日降雨散布圖

圖8 汈汊湖20 日降雨散布圖

從圖1～圖8 總體上可看出，5 大湖泊所在區(qū)域15 d、20 d、30 d 等長歷時(shí)降雨量，超過5 年一遇最大15 d、20 d、30 d 設(shè)計(jì)暴雨的點(diǎn)絕大部分均集中在6月1 日至9 月1 日之間；超過最大15 d、20 d、30 d 均值但小于5 年一遇設(shè)計(jì)暴雨值的點(diǎn)絕大部分集中在5 月1 日至6 月1 日之間，9 月1 日至11 月1 日絕大部分點(diǎn)值均位于均值以下， 少量點(diǎn)值位于均值至5 年一遇設(shè)計(jì)暴雨值之間。因此，強(qiáng)降雨集中發(fā)生時(shí)間來看， 江漢平原湖區(qū)從5 月1 日開始整體上進(jìn)入強(qiáng)降雨多發(fā)期，即主汛期；9 月1 日強(qiáng)降雨多發(fā)期基本結(jié)束， 但直到10 月末仍有發(fā)生強(qiáng)降雨的可能，即從9 月1 日起整體進(jìn)入后汛期。當(dāng)然，由于不同湖區(qū)受副高脊線影響時(shí)間不同， 進(jìn)入和退出強(qiáng)降雨多發(fā)期的時(shí)間會(huì)稍有不同，如梁子湖、斧頭湖4 月下旬即開始出現(xiàn)強(qiáng)降雨，8 月上旬以后強(qiáng)降雨基本結(jié)束，而四湖上區(qū)整個(gè)汛期5 至10 月份均有出現(xiàn)強(qiáng)降雨的大概率，直到11 月上旬強(qiáng)降雨才基本結(jié)束；四湖下區(qū)整個(gè)汛期5 月上旬即開始出現(xiàn)強(qiáng)降雨，8 月下旬以后強(qiáng)降雨基本結(jié)束。

2.3 歷時(shí)保證曲線分析自排幾率

分旬統(tǒng)計(jì)各湖區(qū)出口處的外江水位， 統(tǒng)計(jì)逐日水位歷時(shí)保證率， 制成逐日外江水位歷時(shí)保證率曲線圖，如圖9～圖20。

圖9 金水閘外4 月上旬水位歷時(shí)保證曲線

圖10 金水閘外4 月中旬水位歷時(shí)保證曲線

圖11 金水閘外4 月下旬水位歷時(shí)保證曲線

圖12 金水閘外5 月上旬水位歷時(shí)保證曲線

圖13 漢川站4 月下旬水位歷時(shí)保證曲線

圖14 漢川站5 月上旬水位歷時(shí)保證曲線

圖15 漢川站5 月中旬水位歷時(shí)保證曲線

圖16 漢川站5 月下旬水位歷時(shí)保證曲線

圖17 樊口閘下4 月上旬水位歷時(shí)保證曲線

圖18 樊口閘下4 月中旬水位歷時(shí)保證曲線

圖19 樊口閘下4 月下旬水位歷時(shí)保證曲線

圖20 樊口閘下5 月上旬水位歷時(shí)保證曲線

從金水閘外4、5 月份的分旬水位保證率曲線來看 （如圖9～圖12），4 月上中旬閘外水位低于泵站起排水位20.5 m 的機(jī)會(huì)較大，在90%左右，4 月下旬亦有接近80%的機(jī)會(huì)可自排， 而到了5 月上旬，長江水位上漲較快，閘的自排幾率已降至60%以下。

從漢川站外江水位分析，4、5 月份（尤其是4 月份）外江水位較低，4 月上、中旬閘外水位基本都低于泵站起排水位23.5 m，自排幾率達(dá)99%左右，4 月下旬也93%的機(jī)會(huì)可以自排。5 月上、中、下旬，漢江水位上漲， 閘的自排幾率分別為80%、76%、70%左右，自排幾率仍較高。又根據(jù)漢川泵站和分水泵站實(shí)際運(yùn)用情況看，5 月份開機(jī)排水的幾率較低，多年來僅2002 年5 月10 日開機(jī)， 其他大水年份開機(jī)均在6 月份。

根據(jù)樊口大閘外長江水位4、5 月逐日平均水位統(tǒng)計(jì)，4 月上旬逐日水位低于16.5 m 自排幾率達(dá)90%， 自排幾率較大，4 月中旬水位開始上漲， 低于16.5 m 自排幾率僅66.4%， 到4 月下旬自排幾率僅45.5%，進(jìn)入5 月自排幾率很小。

從上述分旬逐日水位歷時(shí)保證率曲線可以看出，江漢平原湖區(qū)4 月下旬開始外江水位陸續(xù)上漲，湖區(qū)受外江水位頂托影響，自排幾率逐旬降低，湖區(qū)泵站陸續(xù)開機(jī)，平原湖區(qū)逐步進(jìn)入主汛期。從上述分析看，不同平原湖區(qū)進(jìn)入主汛期時(shí)間略有不同，但從總體上看，5 月上旬各湖泊受外江高水位頂托影響幾率明顯加大，各排湖泵站陸續(xù)開機(jī)，5 月整體進(jìn)入汛期。

2.4 汛期劃分結(jié)論

結(jié)合江漢平原湖區(qū)的降雨分布、 外江水位及氣候特點(diǎn)，江漢平原湖區(qū)5—8 月可劃分為主汛期，9—10 月可劃分為后汛期。4 月開始局部區(qū)域已有較大暴雨， 平原湖區(qū)水位開始上漲， 部分排湖泵站已開機(jī)， 但由于4 月份整體而言仍有50%以上幾率可自排，4 月成災(zāi)的記錄也幾乎沒有， 因此4 月份不作為主汛期劃分，可作為主汛期前的過渡期對(duì)待。

3 結(jié)語

（1）湖區(qū)的汛期劃分歷來缺乏研究，學(xué)界研究較多的是水庫的汛期劃分方法， 但無論哪種方法對(duì)基礎(chǔ)資料的要求較多，且需要復(fù)雜的理論計(jì)算，在實(shí)際的湖區(qū)、澇區(qū)治理時(shí)并不實(shí)用。利用降雨散布圖、水位歷時(shí)保證率曲線，結(jié)合氣象特征，用圖形劃分汛期更加直觀且易操作，對(duì)湖區(qū)、澇區(qū)治理類項(xiàng)目具有較好的指導(dǎo)作用。

（2）采用圖形法對(duì)湖區(qū)汛期劃分后，可以根據(jù)實(shí)際情況，在不影響防洪安全的前提下，可將斧頭湖、西涼湖、梁子湖等湖泊后汛期汛限水位抬高0.5 m，每個(gè)湖泊增加蓄水容積0.5 億～1.6 億m3，可大大提高汛后枯期湖泊保證率，提高雨洪資源利用效率。