湘江湘潭站洪水變異規(guī)律及預(yù)報(bào)方案研究

王 珊 陳術(shù)兵 李海年

湖南省湘潭水文水資源勘測(cè)局，湖南湘潭 411100

1 研究區(qū)概況

湘江流域發(fā)源于湖南省永州市藍(lán)山縣紫良瑤族鄉(xiāng)野狗嶺南麓，流經(jīng)湖南省的永州、衡陽(yáng)、株洲、湘潭、長(zhǎng)沙，至湘陰縣濠河口注入洞庭湖。湘江濠河口以上干流長(zhǎng)948km，流域面積94714km2。湘潭水文站系湘江注入洞庭湖的一類精度總控制站，干流長(zhǎng)754km，距河口102km，集水面積81638km2。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，受湘江流域非法挖沙和干流水利工程修建等人類活動(dòng)影響，湘江湘潭站的洪水規(guī)律發(fā)生很大改變，原有的人工預(yù)報(bào)方案已不再適用，不利于水文工作的開(kāi)展。為進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)精度，為地方政府和防汛部門提供可靠的決策依據(jù)，減少損失，本文結(jié)合單一要素系列和多要素系列進(jìn)行變異分析，并根據(jù)分析成果重新編制洪水預(yù)報(bào)方案。

2 洪水變異規(guī)律分析

2.1 單一水文序列變異診斷

前期研究中已利用簡(jiǎn)化的水文變異診斷系統(tǒng)[1]分析了湘江湘潭站1970～2015年的年、月均值流量和水位系列的變化趨勢(shì)和變異點(diǎn)。診斷結(jié)果表明：湘江湘潭站的各均值流量系列不存在明顯的變異趨勢(shì)，水位序列存在顯著性減小趨勢(shì)，其最顯著變異點(diǎn)集中在2003、1997年左右，受水利工程影響明顯。因此，湘江湘潭站的水位流量關(guān)系發(fā)生了變異，最可能變異點(diǎn)為2003年和1997年左右。

2.2 多要素系列變異分析

為了更好地研究湘江湘潭站的洪水變異規(guī)律，基于單一水文序列變異診斷結(jié)果，對(duì)水位流量關(guān)系的多要素系列進(jìn)行變異分析。本文選用湘潭站1959～2017年有代表性地中高洪水的洪峰點(diǎn)進(jìn)行分析，共計(jì)230個(gè)，其中加入有高水發(fā)生的2017年，保證正確的高水趨勢(shì)。

經(jīng)分析湘潭站洪峰水位流量關(guān)系隨時(shí)間變化可劃分為6個(gè)系列，即1959～1995年、1996～2002年、2003～2005、2006～2007年、2008～2014年和2015～2017年，對(duì)各系列數(shù)據(jù)建立關(guān)系線，見(jiàn)圖1?？芍合嫣墩驹?959～2017年，當(dāng)洪水的洪峰水位達(dá)到41m及以上時(shí)，所有系列的水位流量關(guān)系合并成一條線，說(shuō)明其關(guān)系未發(fā)生改變。而在低于41m的中高水中：系列1～5在同級(jí)洪峰流量下，相應(yīng)的洪峰水位逐漸變低，降低幅度基本呈逐漸增大趨勢(shì)；系列6的關(guān)系線與其他系列呈反曲，即5000m3/s左右洪峰流量的相應(yīng)洪峰水位高于系列5，10000m3/s洪峰流量的相應(yīng)洪峰水位低于系列5。

因上述分析只是反映水位流量關(guān)系的變化現(xiàn)象，如需將其規(guī)律數(shù)值化需使用泛函分析，但此方法較復(fù)雜，即使在高校數(shù)學(xué)系也很少有人使用，故只能從側(cè)面分析說(shuō)明。

圖1 湘潭站1959～2016年洪峰水位流量關(guān)系分布圖

2.3 物理成因分析

水位流量關(guān)系變化的成因分析主要從下墊面進(jìn)行分析，由于資料收集困難，無(wú)法收集到歷年河道縱斷面及其他斷面數(shù)據(jù)，故選用湘潭站本斷面及水利工程資料從側(cè)面分析。

2.3.1 斷面變化分析

根據(jù)收集到的湘潭站斷面數(shù)據(jù)系列，采用長(zhǎng)期（系列1：1965～2015年逢0逢5年份）和近期（2000、2003～2016年）兩個(gè)系列進(jìn)行分析。對(duì)系列1和系列2分別采用湘潭站低水（28.73m）、中水（30.95m）、高水（36.28m）、警戒水位（38.00m）和保證水位（39.50m）統(tǒng)計(jì)相應(yīng)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e、水面寬及斷面平均水深（統(tǒng)計(jì)表因篇幅限制不列入），并繪制各系列的斷面水位面積關(guān)系圖（以系列1為例，見(jiàn)圖2），分析斷面的變化規(guī)律。

圖2 湘潭站大斷面系列1水位面積關(guān)系線

對(duì)系列1分析可知：（1）各級(jí)水位的平均水深從1980年以后逐漸增大，且增長(zhǎng)幅度從2010變?。凰患?jí)越高，平均水深的變幅越小。2015年相較1956年增幅最大、最小分別為2.0m和1.4m。（2）水位面積關(guān)系線從1980年開(kāi)始改變，同級(jí)水位下斷面面積不斷增大，增幅最大的為1995、2000和2010年。

同理對(duì)系列2分析可知：（1）2010年以來(lái)湘潭站斷面變化分為5個(gè)數(shù)據(jù)系列，即2000、2003～2007、2008、2009～2013和2014～2016年。各個(gè)數(shù)據(jù)系列內(nèi)的斷面基本無(wú)變化，斷面穩(wěn)定。（2）各數(shù)據(jù)系列之間的變化規(guī)律同系列1，其中，2016年相較于2000年的斷面平均水深均增大0.7～0.8m，2008年的水位面積關(guān)系線為過(guò)渡線，中低水與2009～2013系列一致，高水及以上部分與2003～2007系列一致。

2.3.2 水利工程及挖沙影響

湘江流域從19世紀(jì)80年代開(kāi)始河道挖沙，90年代之后在干流修建大量的水利工程，其中對(duì)湘江湘潭站影響最大的是上游的大源渡航電樞紐、株洲航電樞紐和下游的湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐。根據(jù)分析可知，非法挖沙和三座航電樞紐修建運(yùn)行的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與湘江湘潭站的洪水變異規(guī)律基本吻合，為突變節(jié)點(diǎn)的確定提供了有力的證據(jù)支撐。

2.4 綜合分析

綜合單一水文序列、多要素序列和物理成因分析可知：湘江湘潭站的洪水規(guī)律變異點(diǎn)為2003、1997和2014年左右。受非法挖沙與水利工程影響，同級(jí)流量下相應(yīng)水位隨時(shí)間不斷降低，而2014年的中高水部分同級(jí)流量下相應(yīng)水位有所提升，改變。

3 洪水預(yù)報(bào)方案

湘潭站目前使用的預(yù)報(bào)方案[2]主要有兩種方式：一是采用國(guó)家水文局基于新安江模型等開(kāi)發(fā)的中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行降水徑流預(yù)報(bào)；另一種是采用合成流量法的人工預(yù)報(bào)方案。由于原有人工預(yù)報(bào)方案已無(wú)法使用，故結(jié)合分析洪水變異規(guī)律，對(duì)人工預(yù)報(bào)方案進(jìn)行重新編制。

新的人工預(yù)報(bào)方案利用上游大源渡和株洲航電樞紐在7000m3/s及以上洪水不進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)，結(jié)合洪水變異規(guī)律，采用衡陽(yáng)及甘溪合成流量（大于7000m3/s的洪水場(chǎng)次）與湘潭站洪峰水位相關(guān)，并以湘潭同時(shí)水位為參數(shù)，預(yù)報(bào)湘潭站洪峰水位的方法進(jìn)行預(yù)報(bào)方案的制定。人工預(yù)報(bào)方案采用2003～2014年共19場(chǎng)中高水資料編制中高水洪水預(yù)報(bào)方案，采用實(shí)測(cè)水位變幅的0.2倍作為許可誤差，當(dāng)許可誤差小于0.1m時(shí)，取0.1m；采用2015～2016年共8場(chǎng)中高水資料進(jìn)行驗(yàn)證。

經(jīng)評(píng)定，新編制的人工預(yù)報(bào)方案精度評(píng)定19場(chǎng)洪水有14場(chǎng)合格，合格率73.7%，達(dá)到乙等方案要求；方案檢驗(yàn)8場(chǎng)洪水有5場(chǎng)合格，合格率62.5%，達(dá)到丙級(jí)方案要求。因此，需降級(jí)為丙等方案使用，僅作參考依據(jù)，但較原方案精度大大提高。由于湘江樞紐工程蓄水運(yùn)行后，水位流量關(guān)系發(fā)生突變后的資料年限不長(zhǎng)，可采用的洪水資料有限，有待收集更多洪水資料的進(jìn)一步檢驗(yàn)，并針對(duì)預(yù)報(bào)方案進(jìn)行更深入的研究分析。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）湘江湘潭站的水位流量關(guān)系發(fā)生改變，隨著時(shí)間推移，同一流量級(jí)的相應(yīng)水位不斷降低。其中2014年以后的關(guān)系線與以往年份呈現(xiàn)反曲趨勢(shì)。

（2）通過(guò)分析可知，湘潭站的洪水變異點(diǎn)為1997、2003和2014年左右。洪水變異的主要原因初步推測(cè)為河道下切、各航電樞紐工程影響，但其影響大小有待進(jìn)一步收集資料分析。

（3）結(jié)合洪水變異規(guī)律對(duì)湘潭站人工預(yù)報(bào)方案進(jìn)行重新編制和檢驗(yàn)，精度評(píng)定為乙等，方案檢驗(yàn)為丙等，故降級(jí)為丙等方案，僅做參考依據(jù)，但原有方案精度已大大提高。湘江樞紐工程蓄水運(yùn)行后，水位流量關(guān)系發(fā)生突變后的資料年限不長(zhǎng)，可采用的洪水資料有限，有待于收集更多洪水資料的進(jìn)一步檢驗(yàn)和預(yù)報(bào)方案的深入研究。