長江2017年第1號洪水蓮花塘站洪水預(yù)報分析

，，

(水利部長江水利委員會水文局 a.水文情報預(yù)報中心，武漢 430010；b.漢江水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441000)

1 研究背景

近兩年，長江中下游均發(fā)生了區(qū)域性大洪水[1]，長江上中游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度成為減輕中下游防洪壓力、減少洪災(zāi)損失的有效途徑。其中，蓮花塘站水位超警或超保是水庫群防洪調(diào)度、長江流域防汛決策的重要指標(biāo)之一?！伴L江2017年第1號洪水”過程中，長江水利委員會水文局提前2～3 d預(yù)報蓮花塘站水位將突破保證水位，為防汛決策贏得了寶貴的時間。同時，分析編制了為城陵磯實施補(bǔ)償調(diào)度[2]的聯(lián)合調(diào)度建議方案，調(diào)控后的蓮花塘洪峰水位為34.13 m(7月4日15時30分)，為長江上游溪洛渡、向家壩、三峽水庫聯(lián)合防汛調(diào)度提供了科學(xué)的調(diào)度依據(jù)。實際情況表明，在現(xiàn)有水文預(yù)報方法及技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合實時雨水情及發(fā)展趨勢，靈活使用螺山站、蓮花塘站水文預(yù)報模型，同時進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶＜医换ナ沁M(jìn)一步提高蓮花塘等站水文預(yù)報精度的關(guān)鍵。

2 雨水情概述

2.1 雨 情

隨著西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)北抬，2017年6月9日長江中下游入梅，梅雨期降雨主要位于兩湖水系等中下游干流偏南地區(qū)，其中以6月22—7月2日降雨過程最為突出。6月22—28日、6月29日—7月2日連續(xù)2次強(qiáng)降雨，累計雨量>250 mm，籠罩面積分別約2.7萬km2和1.4萬km2，100～250 mm籠罩面積分別約33.4萬km2和22.8萬km2。

圖12017年6月22日—7月2日長江中下游累計雨量分布
Fig.1DistributionofcumulativerainfallinlowerandmiddleChangjiangRiverfromJune22toJuly2,2017

2.2 水 情

受強(qiáng)降雨影響，長江中游發(fā)生區(qū)域性大洪水，洞庭湖、鄱陽湖水系部分支流發(fā)生特大洪水[3]。洞庭湖湘江、資水及沅江3條河流遭遇嚴(yán)重洪水[4]，入湖洪水峰高量大，洪水重現(xiàn)期為50～70 a，與1996年洪水相當(dāng)。

7月1日8時長江中游干流蓮花塘站水位超警，“長江2017年第1號洪水”形成，3日中下游干流蓮花塘站以下主要站全線超警，4—8日先后現(xiàn)峰轉(zhuǎn)退，16日全線退出警戒水位，最長超警歷時16 d。城陵磯—螺山江段及洞庭湖湖區(qū)洪峰水位在歷年最高水位中排序第5—第6位，漢口—大通江段位于第9—第11位。

3 洪水預(yù)報方法

蓮花塘站與螺山站相距近30 km，水位相應(yīng)關(guān)系較好，因此，在日常預(yù)報中依據(jù)螺山站水位預(yù)報過程，采用水位落差[5]即可得到蓮花塘站水位預(yù)報過程。蓮花塘站洪水預(yù)報體系見圖2。

圖2蓮花塘站洪水預(yù)報體系
Fig.2SystemoffloodforecastforLianhuatangstation

3.1 螺山站

長江螺山水文站控制著長江干流宜昌以上、支流清江、洞庭湖湘、資、沅、澧四水和松滋、太平、藕池三口及洞庭湖區(qū)間等來水量。將宜昌—螺山河段和整個洞庭湖視為一個大湖泊，采用湖泊水文預(yù)報的方法[6]，推算螺山站的水位過程。

3.1.1 基本原理

根據(jù)水量平衡原理，當(dāng)入流大于出流時，蓄水量增加，水位上升，當(dāng)入流小于出流時，蓄水量減少，水位下降，建立水量平衡方程式為

(1)

式中：I1，I2分別為時段始末入流量(m3/s)；Q1，Q2分別為時段始末出流量(m3/s)；V1，V2分別為時段始末江湖蓄水量(m3)；Δt為時段長(s)，Δt=t2-t1。

假定蓄水量與出流為線性關(guān)系，即蓄水量和出流都是水位的單一函數(shù)，則改寫式(1)為

(2)

3.1.2 入流量計算

It=Q宜昌，t-2+Q長陽，t-2+Q湘潭，t-2+Q桃江，t-2+
Q桃源，t-2+Q石門，t-2+Q區(qū)間，t-1

。

(3)

在進(jìn)行調(diào)洪演算和入流計算之前，首先要解決區(qū)間徑流計算、江湖容蓄曲線及水位-流量關(guān)系曲線。洞庭湖大湖區(qū)間采用降雨徑流經(jīng)驗相關(guān)圖和納什單位線法計算，江湖容蓄曲線見圖3(a)。螺山站的水位-流量關(guān)系非常復(fù)雜，受洪水的漲落率、變動回水和斷面沖淤等綜合影響，洪繩套現(xiàn)象明顯[7]。為簡化模型，將螺山站水位-流量關(guān)系建立一組簇線，即7條水位-流量關(guān)系線，見圖3(b)，配合江湖容蓄曲線，組成7套演算曲線。預(yù)報時，根據(jù)實測流量點據(jù)，選用不同的演算曲線。

圖3螺山站江湖容蓄曲線、簡化水位-流量關(guān)系
Fig.3Curvesofriverchannelandlakestoragecapacityandsimplifiedstage-dischargerelationsatLuoshanstation

3.2 蓮花塘站

采用水位落差得到蓮花塘站水位預(yù)報過程時，蓮花塘—螺山站水位落差在枯期與汛期有所不同。在枯期，一般來水較平穩(wěn)，兩站之間的落差一般維持在1.0～1.2 m；在汛期，當(dāng)長江上游或洞庭湖“四水”合成來水顯著增加或減少時，兩站之間的落差下降至0.8～1.0 m，且在漲水段落差逐步變小，退水段落差逐步變大。

4 預(yù)報調(diào)度分析

4.1 水庫調(diào)度

7月1日8時，長江中游干流蓮花塘站水位超警，“長江2017年第1號洪水”形成。同時，長江水利委員會水文局根據(jù)當(dāng)前雨水情實況及預(yù)見期降雨，并考慮三峽水庫維持當(dāng)前出庫流量27 300 m3/s，預(yù)計：長江干流監(jiān)利—大通河段將全線超警戒水位，7月5日前后蓮花塘站水位超保0.5 m左右，6日漢口站超警1.0 m左右。

為應(yīng)對“長江2017年第1號洪水”，確保中游干流蓮花塘站水位不達(dá)到分洪水位[8]34.4 m，7月1—2日，長江防汛抗旱總指揮部連續(xù)召開4次會商會議，明確為城陵磯實施補(bǔ)償調(diào)度的條件已成立，并確定了上中游水庫群聯(lián)合攔洪調(diào)度方案。7月1日12時起，長江防汛抗旱總指揮部在34 h內(nèi)連續(xù)下發(fā)5道調(diào)度令，將三峽水庫出庫流量由27 300 m3/s減至8 000 m3/s(詳見表1)，同時為避免三峽庫水位過快上漲，調(diào)度金沙江中游梯級和下游溪洛渡、向家壩水庫同步攔蓄，減少進(jìn)入三峽水庫水量。最終，蓮花塘站于7月4日15時30分出現(xiàn)洪峰水位34.13 m，達(dá)到了蓮花塘站不超34.4 m的水庫群調(diào)度目標(biāo)，成功減輕了長江中下游干流及兩湖地區(qū)防洪壓力。對城陵磯實施補(bǔ)償調(diào)度期間，三峽水庫入出庫流量及庫水位過程見圖4。

表1 2017年7月1—2日長江防汛抗旱總指揮部調(diào)度令Table 1 Reservoir scheduling commands from theChangjiang River headquarter of flood prevention anddrought relief in July 1-2, 2017

4.2 預(yù)報分析及思考

7月2日8時，依據(jù)當(dāng)前雨水情實況及預(yù)見期降雨，并考慮三峽水庫2日14時出庫流量將減至10 000 m3/s后維持，預(yù)報螺山站5日8時將現(xiàn)洪峰水位33.55 m，蓮花塘站4日8時洪峰水位34.4 m。實況螺山站洪峰水位33.23 m(7月日18時)，蓮花塘站洪峰水位34.13 m(7月4日15時30分)，在保證水位以下0.27 m。較實況值，螺山站、蓮花塘站水位分別偏高0.32 m和0.27 m。2017年7月2日螺山站、蓮花塘站洪水預(yù)報與實況對比詳見圖5。

圖4 三峽水庫入出庫流量及庫水位過程Fig.4 Process lines of inbound and outbound flowsand reservoir water level in Three Gorges Reservoir

圖5螺山站、蓮花塘站洪水預(yù)報與實況對比
(預(yù)報依據(jù)時間：7月2日8時)
Fig.5ComparisonbetweenfloodforecastresultandactualfloodsituationatLuoshanstationandLianhuatangstation(8：00amonJuly2)

“長江2017年第1號洪水”期間，蓮花塘站水位預(yù)報成功地為水庫群聯(lián)合調(diào)度提供了科學(xué)的調(diào)度依據(jù)，保證了蓮花塘站水位不超34.4 m。但對于蓮花塘站洪峰水位0.27 m的預(yù)報誤差，仍有許多反思之處。

(1)螺山站簡化的水位-流量關(guān)系線總共有7條，在掌握長江上游及洞庭湖來水較清晰的情況下，選擇哪一條關(guān)系線進(jìn)行模型計算是預(yù)報的關(guān)鍵。在2日8時實際預(yù)報過程中，考慮到1日螺山站實測點據(jù)落在6#水位-流量關(guān)系線上，同時依據(jù)其水位-流量關(guān)系線的趨勢，預(yù)報時選擇6#水位-流量關(guān)系線進(jìn)行模型計算并校正。而實際上，1日以后螺山站實測點均逐步右偏，洪峰點據(jù)右偏至90年代大水年綜合線上，接近5#水位-流量關(guān)系線。顯然，采用6#水位-流量關(guān)系曲線計算螺山站的洪峰水位明顯偏高。螺山站簡化的水位-流量關(guān)系及其2017年連時序線詳見圖6。

圖6螺山站2017年水位-流量連時序線
Fig.6Time-seriescurvesofstage-dischargerelationsatLuoshanstation

(2)三峽水庫在主汛期7月份將出庫流量在較短時間內(nèi)由27 300 m3/s快速減至8 000 m3/s，是史無前例的，這使得長江中下游干流洪水傳播特性發(fā)生了顯著變化。當(dāng)遇三峽水庫出庫流量陡增陡減時，該大湖演算模型計算效果較差[9]。同時，三峽水庫減至8 000 m3/s后，城陵磯江段出現(xiàn)洪峰時洞庭湖來水占螺山來水比例達(dá)85%，干支流來水占比倒置，為歷史罕見。此外，7月4—6日，荊江“三口”入流控制站均出現(xiàn)歷史同期最小流量，除松滋口、新江口站外，其余各站均出現(xiàn)逆流，顯著減少入湖水量。以上3種變化，大大降低了大湖演算模型的適應(yīng)性。

(3)蓮花塘—螺山站水位落差的動態(tài)變化是日常水文預(yù)報作業(yè)中導(dǎo)致蓮花塘站水位誤差較大的因素之一。在2日8時預(yù)報時，城陵磯與蓮花塘、蓮花塘與螺山站實況水位落差分別為0.41 m和0.99 m，根據(jù)兩站之間水位落差特性，預(yù)報蓮花塘站洪峰水位時，判斷前者受干流來水減小、四水來水增加影響落差逐步加大，后者受河道槽蓄作用[1]減小影響落差逐步減小，采用其與城陵磯、螺山站的水位落差絕對值分別為0.55 m和0.85 m 。實際上蓮花塘站達(dá)到洪峰水位時兩站之間的水位落差分別為0.9 m和0.5 m左右，其中城陵磯—蓮花塘落差遠(yuǎn)大于20世紀(jì)90年代大水年及2016年水位落差，創(chuàng)歷史之最。顯然，2日8時的預(yù)報在考慮兩站水位落差變化對蓮花塘站水位的影響方面是較為成功的，減小了蓮花塘站水位預(yù)報誤差。

5 結(jié)論及建議

(1)水庫調(diào)度影響后的水文預(yù)報是初步檢驗水庫調(diào)度是否成功的關(guān)鍵?！伴L江2017年第1號洪水”過程中蓮花塘站預(yù)報洪峰水位較實況值雖偏高0.27 m，但加大了長江上中游水庫群為城陵磯實施聯(lián)合防洪調(diào)度的保障空間，同時成功避免了蓮花塘站超保證水位。由此說明長江水利委員會水文局蓮花塘站洪水預(yù)報為此次水庫群調(diào)度及防汛決策提供了重要的技術(shù)支撐。

(2)螺山站水位預(yù)報是計算蓮花塘站水位預(yù)報過程的基礎(chǔ)。預(yù)報期間，及時準(zhǔn)確地分析螺山站水位-流量關(guān)系的變化是大湖演算模型計算時正確選擇某一條水位-流量關(guān)系線的重要依據(jù)，從而進(jìn)一步提高蓮花塘站水位預(yù)報精度。建議在高洪期間增加螺山站流量的測量頻次，從而提高螺山站水位-流量關(guān)系變化的可靠性，更好地服務(wù)于水文預(yù)報。

(3)上中游水庫群調(diào)蓄對中下游干流水位的水力因素影響較明顯，面對中下游區(qū)域性大洪水，當(dāng)三峽水庫出庫流量驟然增大或減小時，大湖演算模型存在一定的不適應(yīng)性。建議在預(yù)報實踐中引入水力學(xué)模型，彌補(bǔ)大湖演算模型不足之處，進(jìn)一步提高長江中下游水文預(yù)報精度，更好地服務(wù)于防汛抗旱工作。