遇特大型洪水荆江河段洪水演进特性实体模型试验研究

朱勇辉，卢金友，李发政，姚仕明，范北林

遇特大型洪水荆江河段洪水演进特性实体模型试验研究

朱勇辉，卢金友，李发政，姚仕明，范北林

（长江科学院水利部江湖治理与防洪重点试验室，武汉 430010）

利用长江防洪实体模型进行了2002年10月地形条件下长江荆江河段遭遇“54年型”和“98年型”特大型洪水时的洪水演进特性实体模型试验研究。研究表明：试验条件下洪峰从枝城传播至监利需14～21 h，平均传播速度3．2～4．8 m／s。当遭遇“54年型”洪水且不考虑三峡水库调蓄时，各站试验洪峰水位与1954年实际洪水相比普遍升高，荆江面临极其严峻的防洪形势，沙市站洪峰水位超过堤防设计水位约1．60 m，石首、监利和城陵矶等站超过设计堤顶高程达0．4～1．23 m；考虑三峡水库调蓄后，各站试验洪峰水位较不考虑调蓄情况明显降低，防洪形势有明显缓解，但依然不容乐观，其中沙市站洪峰水位超过堤防设计水位0．30 m，莲花塘站超过设计堤顶高程0．28 m。当遭遇“98年型”洪水且不考虑三峡水库调蓄时，各站试验洪峰水位与1998年实际洪水相比普遍升高，荆江防洪形势严峻，其中沙市、石首、监利和莲花塘站分别超出堤防设计水位达1．20，1．25，1．73，1．68 m。

荆江；洪水演进；防洪形势；54年型洪水；98年型洪水；实体模型试验

1 概 述

荆江河段上起湖北枝城、下至湖南城陵矶，长约347 km。河段内河道蜿蜒曲折，洪水宣泄不畅，汛期洪水往往高于地面10余m，自古以来就有“万里长江，险在荆江”之说，近百年来已发生多次特大洪水。经过几十年的防洪建设，特别是1998年长江大洪水后的大规模堤防与护岸工程建设，荆江河段防洪能力大为提高。但是，洞庭湖因围垦及泥沙淤积调蓄容积大大减少；荆南四口分流能力不断下降（调弦口于1959年建闸控制）；荆江河段洪水来量远远超过安全泄量；蓄滞洪区计划分洪困难、分洪代价大；湖区及支流堤防工程仍存在薄弱环节和隐患等。总体而言，在遭遇特大洪水条件下，荆江防洪形势仍然严峻。

对于荆江河段的洪水特性及防洪形势，长期以来已有学者进行了众多研究，取得了大量成果，为各个时期的防洪减灾以及保障社会经济的可持续发展做出了重要贡献［1－4］。总体而言，这类研究成果大多是基于数学模型计算，或是通过对历史洪水和现状资料进行分析得到，但利用实体模型试验开展相关研究的成果还非常少见。

实体模型可以在不同边界条件下对不同量级的洪水进行演进，并对沿程洪水位和洪峰流量等进行预报，可以直观、便捷地观察和认识洪水演进规律，分析防洪形势。本研究利用长江防洪实体模型研究荆江河段在2002年10月地形条件下遭遇“54年型”和“98年型”特大洪水时的洪水演进特性及防洪形势，其成果对进一步认识洪水规律、合理进行洪水调度和指导防洪决策等具有重要意义。

除特别注明外，本文中水位和地形高程均采用1985年国家高程基准。

2 模型概况与试验条件

本试验是在已有的长江防洪实体模型（含长江干流枝城至螺山河段及洞庭湖区和四水尾闾）上进行的，模型基本情况简单介绍如下［5］。

2．1 模型比尺

本次试验是研究荆江河段的洪水演进等水力学问题，因此以下仅介绍模型几何相似和水流运动相似条件。模型的各项比尺详见表1。

表1 模型主要比尺值Table 1 Summary of themodel scales

2．2 模型范围及模型制作

本试验仅模拟长江干流，模拟范围上起枝城水文站上游10 km的梅子溪，下至螺山水文站下游10 km，全长约400 km。河床地形依据2002年10月实测1∶10 000地形图，采用断面法制作，模型表面采用水泥砂浆刮制而成。

2．3 模型控制及量测

模型进、出口边界条件均采用计算机自动控制。其中模型进口和城陵矶汇流采用流量控制，模型出口采用水位控制，三口分流依据三口控制断面的水位流量关系控制自动分流。经检验，模型进口流量控制、尾门水位控制、城陵矶汇流流量控制和三口分流流量控制跟踪性好、精度高，满足模型试验要求。

2．4 试验条件

本试验主要研究在2002年10月河道地形条件下，不考虑沿程分洪溃口，若发生“54年型”和“98年型”洪水时的荆江河段洪水演进规律。试验共分3组，各试验组次及特征统计见表2。

表2 试验组次及试验特征统计Table 2 Features and Series of the experiment

3 试验结果分析

3．1 洪峰水位

表3为“54年型”洪水在试验1、试验2条件下荆江河段各主要测站洪峰水位模型试验值与1954年实测值的比较。表4为“98年型”洪水在试验3条件下各站洪峰水位模型试验值与1998年实测值的比较。

由表3可见，在试验1条件下，洪峰水位试验值与1954年实测值相比普遍升高，升高幅度为0．62～3．68 m。就不同位置而言，下荆江各站升高幅度大于上荆江，且越往上游升高幅度越小，其中枝城站仅升高0．62 m，而石首及以下各站水位升高都在2．4 m以上。分析认为上述现象的出现主要受分洪溃口、洞庭湖萎缩、四口分流变化和河道冲淤等因素影响所致［6］。由表3还可看出，考虑三峡水库调蓄后，荆江各主要站洪峰水位试验值明显降低，降低幅度为0．69～1．70 m。

表3 “54年型”洪水荆江河段洪峰水位模型试验值与实测值对比Table 3 Comparisons between experimental results and prototype data of the flood peak stage for the“1954 floods”

表4 荆江河段“98年型”洪水演进试验洪峰水位成果Table 4 Experimental results of the flood peak stage for the“1998 floods”at Jingjiang Reach

由表4可见，与1998年实测洪峰水位相比，在2002年10月地形条件下，不考虑沿程分洪溃口和三峡水库调蓄，试验所得洪峰水位普遍升高，其中沙市站升高幅度最大，为0．98 m。城陵矶及以下各站受模型尾门控制影响，洪峰水位模型试验值与原型实测值相比升高幅度较小。

3．2 洪峰传播

洪峰在平原河流中的传播时间不仅与河道的形状、槽蓄能力及糙率有关，还与洪水流量的大小、洪水起涨时刻的河槽蓄水量（河槽底水）等有关。现分别以试验1和试验3结果为例说明荆江河段遇“54年型”和“98年型”特大洪水时的洪峰传播特征，见图1及图2。

图1 荆江沿程洪峰水位及峰现时间（试验1，“54年型”洪水）Fig．1 The experimental flood peak stage and its occurrence time（Test 1，the“1954 floods”）

图2 荆江沿程洪峰水位及峰现时间（试验3，“98年型”洪水）Fig．2 The experimental flood peak stage and its occurrence time（Test 3，the“1998 floods”）

由图1可见，试验1条件下洪峰从枝城（8月7日04：00）传播至监利（8月7日20：00）仅用时16 h，平均传播速度4．2 m／s，其中上荆江平均传播速度约5．4 m／s，下荆江石首至监利平均传播速度约2．6 m／s。下荆江盐船套、莲花塘及下游螺山等站洪峰水位出现时间均早于上游监利站，究其原因应当为受洞庭湖出流影响所致。1954年洞庭湖出口控制站七里山流量从7月21日开始一直上涨，至8月2日达到峰值43 300 m3／s，此后逐渐减小，8月6日及7日间略有回升，7日后又迅速减小。受此影响，干流盐船套、莲花塘及螺山等站洪峰水位出现时间均有所提前。以莲花塘站为例，受七里山站持续大流量入汇的影响，莲花塘站提前于8月7日4：00达到洪峰水位35．63 m，此后因七里山入汇流量又快速减小，莲花塘站水位也随之下降。此外，下荆江由于受洞庭湖出流顶托影响，河段平均洪峰传播速度有所减小。

由图2可见，试验3条件下洪峰从枝城（8月17日04：00）传播至监利（8月18日01：00）用21 h，平均传播速度3．2 m／s，其中上荆江平均传播速度约4．1 m／s，下荆江石首至监利平均传播速度约2．6 m／s。下荆江盐船套、城陵矶及下游螺山等站洪峰水位出现时间均大大晚于上游监利站，究其原因也为受洞庭湖出流影响所致。1998年8月13－17日洞庭湖出口控制站七里山流量相对平稳，介于24 000～25 000 m3／s，但从8月18日起七里山流量突然迅速增大，受此顶托影响，干流盐船套、莲花塘及螺山等站水位也迅速升高，洪峰水位出现时间因此延后。此外，下荆江由于受洞庭湖出流顶托影响，河段平均洪峰传播速度有所减小。

此外，分析试验2的结果可知，经三峡水库调节后，下游各站洪峰流量变小，加之受洞庭湖汇流顶托，至下荆江下段洪峰特征已不明显。如仅统计至监利站，则洪峰在荆江河段（枝城－监利）的传播时间约需14 h，平均传播速度4．8 m／s。

3．3 沿程水面比降

图3显示“54年型”洪水演进试验荆江河段洪峰水位沿程变化情况。图中各站距枝城距离均为下荆江裁弯实施以后的数值。由图可见，除试验2中陈家湾以上河段外，洪峰水位试验值与1954年原型实测值相比普遍升高，而沿程水面纵比降变化趋势大体类似，其中枝江－陈家湾河段比降最大，陈家湾－沙市河段比降最小，沙市－郝穴一段比降又转大。总体上看下荆江水面纵比降小于上荆江，其原因可能为上荆江三口分流增大水面比降，而下荆江受洞庭湖来水顶托影响水面纵比降减小。

图3 “54年型”洪水演进试验荆江河段洪峰水面线对比图Fig．3 Com parisons between the experimental results and the prototype data of the flood peak water surface profile along the Jingjiang Reach for the“1954 floods”

洪水涨落过程中伴随沿程水面比降的变化。表5为试验3中“98年型”洪水在荆江河段不同涨、落时刻的水面比降变化情况。由表可见，上荆江陈家湾－沙市河段水面比降最小，仅为0．008‰～0．020‰；郝穴－石首河段水面比降也比较小，为0．023‰～0．031‰；除此之外上荆江河段水面比降均较大，其中枝城－枝江0．050‰～0．063‰，枝江－陈家湾0．051‰～0．071‰，沙市－郝穴0．042‰～0．064‰。与上荆江相比，下荆江水面比降明显减小，其中石首－调关0．030‰～0．043‰，调关－监利0．020‰～0．037‰，监利－城陵矶0．022‰～0．039‰。江湖水流汇合后城陵矶以下河段水面比降稍有增大，城陵矶－螺山为0．032‰～0．040‰。由表还可看出，试验中涨水过程各河段水面比降普遍大于落水过程，如枝江－陈家湾河段，涨水过程中水面比降最小值为0．059‰，最大值为0．071‰，而落水过程中水面比降最小值为0．051‰，最大值为0．062‰。下荆江调关以下河段及城陵矶－螺山河段水面比降受洞庭湖汇流变化影响明显，水面比降随涨水与落水变化规律不明显。

3．4 防洪形势分析

表6为洪峰水位试验结果与《长江流域防洪规划》中所批准的荆江河段堤防设计水位的比较。图4和图5为各试验条件下主要控制站沙市和莲花塘试验洪水位与防汛特征水位间的比较。

由图4可见，在“54年型”洪水演进试验中，对沙市站，试验 1洪水几乎全程超设防水位（42．00 m）；其中超警戒水位（43．00 m）33 d（7月10日至7月12日、7月20日至8月14日和8月17日至8月20日），比1954年实际洪水多4 d；超堤防设计水位（45．00 m）14 d（7月29日至8月11日），其中 8月7日洪峰水位时超过堤防设计水位1．63 m。试验2洪水几乎全时段超设防水位（42．00 m）；除7月14日至7月20日7 d外，其余时段均超警戒水位（43．00 m）；其中7月25日、26日，8月6日至8月21日期间试验洪水过程超堤防设计水位（45．00 m），最大超过值0．30 m。1954年实际洪水中没有超45．00 m堤防设计水位情况发生。对莲花塘站，试验1洪水在试验时段内全程超警戒水位（32．00 m），其中7月10日至8月15日共36 d内几乎全部超堤防设计水位（34．40 m），其间7月28日至8月11日共15 d内更是超设计堤顶高程（36．40 m）；8月7日洪峰水位时超堤防设计水位3．27 m，超设计堤顶高程1．23 m。试验2全过程均在堤防设计水位以上，最大超过值为2．28 m，其中洪峰水位甚至超过设计堤顶高程0．28 m。1954年实际洪水中8月3日洪峰水位34．37 m，没有超过34．40 m的堤防设计水位。

由图5可见，在“98年型”洪水演进试验中，对沙市站，试验洪水几乎全程超设防水位（42．00 m），其中超警戒水位（43．00 m）36 d（7月12日至7月27日和8月4日至8月23日）；超堤防设计水位（45．00 m）8 d（8月12日至8月14日及8月16日至8月20日），其中8月17日洪峰水位时超过堤防设计水位约1．20 m。对莲花塘站，试验洪水全程超警戒水位（32．00 m），其中在7月24日至8月23日期间共31 d内超堤防设计水位（34．40 m）；8月20日洪峰水位时超过堤防设计水位1．68 m，距设计堤顶高程（设计水位＋超高）仅差0．32 m。

表5 不考虑三峡水库调节“98年型”洪水演进试验荆江河段瞬时水面比降Table 5 Water surface slope along the Jingjiang Reach during Test 3（“1998”floods without TGP storage operation）

表6 荆江河段洪峰水位试验值与干流堤防设计水位比较（冻结吴淞基面）Table 6 Comparisons between experimental flood peak stage and characteristic stages for themain stream dike of the Jingjiang Reach（W oosung stationery datum） m

图4 “54年型”洪水演进试验洪水位与防汛特征水位比较（冻结吴淞基面）Fig．4 Com parisons between experimental floods and characteristic stages of the dike along the Jingjiang Reach for the“1954 floods”（W oosung stationery datum）

图5 “98年型”洪水演进试验洪水位与防汛特征水位比较（冻结吴淞基面）Fig．5 Comparisons between experimental floods and characteristic stages of the dike along the Jingjiang Reach for the“1998 floods”（W oosung stationery datum）

综上，在2002年10月地形条件下，不考虑三峡水库调蓄和沿程分洪溃口，如荆江河段遇“54年型”洪水，石首－莲花塘河段防洪形势险恶。荆江几乎全河段洪水位都长时间超堤防设计水位，其中沙市站洪峰水位超过防洪规划堤防设计水位约1．60 m，石首、监利和莲花塘等站洪峰水位超过设计堤顶高程达0．4～1．27 m。可以预见，如此巨大的超额洪水如不主动寻求分洪，则必将在荆江沿岸造成大量的圩垸溃决和严重的人员财产损失。

经过三峡水库运行调节后，遇“54年型”洪水荆江河段各站洪峰水位与不考虑三峡水库调节情况相比显著降低，防洪形势明显缓解，但依然不容乐观。河段各主要控制站的洪峰水位都较大幅度地超警戒水位，其中沙市、石首、监利、莲花塘和螺山的洪峰水位都较大幅度地超过堤防设计水位；沙市水位一度达到45．30 m，超过堤防设计水位0．30 m；莲花塘站洪峰水位试验值更是超出设计堤顶高程0．28 m。大堤在高洪水位下长时间浸泡，出险的概率大幅度增加，将进一步加剧防洪形势。

在2002年10月地形条件下，不考虑三峡水库调蓄和沿程分洪溃口，如荆江河段遭遇“98年型”洪水时防洪形势依然严峻，其中尤以石首－莲花塘河段为甚。试验条件下河段各主要控制站的洪峰水位都较大幅度地超警戒水位，其中沙市、石首、监利、莲花塘和螺山站的洪峰水位都超过堤防设计水位，沙市站洪峰水位超过堤防设计水位约1．20 m；石首、监利和莲花塘三站的洪峰水位试验值分别超出堤防设计水位达1．25，1．73，1．68 m，距设计堤顶高程（设计水位＋超高）分别仅差0．25，0．27，0．32 m。

4 结 语

不考虑沿程分洪溃口，并依据三峡水库调蓄考虑与否，利用长江防洪实体模型在2002年10月地形条件下对荆江河段遭遇“54年型”和“98年型”洪水时的洪水演进特性进行了3个组次的实体模型试验研究，主要结论如下。

（1）遇“54年型”洪水时，与1954年实际洪水过程相比，试验1洪峰水位普遍升高，升高幅度0．62～3．68 m；试验2各站洪峰水位较试验1显著降低，其中枝城、沙市、监利和莲花塘站分别降低1．70，1．33，1．03，0．95 m。

（2）遇“98年型”洪水时，与1998年实际洪水过程相比，试验所得洪峰水位普遍升高，升高幅度最大为0．98 m（沙市）。

（3）试验中洪峰从枝城传播至监利用时14～21 h，平均传播速度3．2～4．8 m／s；上荆江洪峰传播速度大于下荆江。

（4）试验中沿程水面纵比降以枝江－陈家湾河段最大，陈家湾－沙市河段最小，且总体上看下荆江水面纵比降小于上荆江。此外，涨水过程各河段水面比降普遍大于落水过程。

（5）当不考虑三峡水库调蓄时，荆江遭遇“54年型”洪水时（试验1）整个河段面临极其严峻的防洪形势，其中石首－莲花塘河段防洪形势尤其险恶。沙市站洪峰水位超过堤防设计水位约1．60 m，石首、监利和莲花塘等站洪峰水位超过设计堤顶高程达0．4～1．23 m。

（6）考虑三峡水库调蓄后，荆江遭遇“54年型”洪水时（试验2）防洪形势明显缓解，但依然不容乐观。沙市、石首、监利和莲花塘的洪峰水位都较大幅度地超过堤防设计水位；沙市水位一度达到45．30 m，超过堤防设计水位0．30 m；莲花塘站洪峰水位更是超出设计堤顶高程0．28 m。

（7）当不考虑三峡水库调蓄时，荆江遭遇“98年型”洪水时荆江河段防洪形势依然严峻，其中尤以石首－莲花塘河段为甚。各主要控制站的洪水过程都较长时间地超警戒水位，其中沙市、石首、监利和莲花塘的洪峰水位都超过堤防设计水位：沙市洪峰水位超过堤防设计水位约1．20 m，而石首、监利和莲花塘三站更是分别超出堤防设计水位达1．25，1．73，1．68 m。

［1］ 韩其为．江湖流量分配变化导致长江中游新的洪水形势［J］．泥沙研究，1999，（5）：1－12．（HAN Qi-wei．Changes of Flood Situation along the Middle Reaches of Yangtze River［J］．Journal of Sediment Research，1999，（5）：1－12．（in Chinese））

［2］ 卢金友，罗恒凯．长江与洞庭湖关系变化初步分析［J］．人民长江，1999，30（4）：24－26，48．（LU Jin-you，LUO Heng-kai．Preliminary Analysis on Variation of the Relation Between Yangtze River and Dongting Lake［J］．Yangtze River，1999，30（4）：24－26，48．（in Chi-nese））

［3］ 胡四一，施 勇，戚 晨，等．1998年长江中游洪水系统反演及高洪水位形成原因探讨［J］．水科学进展，1999，10（3）：242－250．（HU Si-yi，SHI Yong，QI Chen，et al．Systematic Analyses on Abnormally High Flood Stages of Middle Reaches of Yangtze River in 1998［J］．Advances in Water Science，1999，10（3）：242－250．（in Chinese））

［4］ 余文畴，卢金友．长江河道演变与整治［M］．北京：中国水利水电出版社，2005．（YUWen-chou，LU Jin-you．Evolution and Regulation of the River Channel of Yangtze River［M］．Beijing：Water Resources＆Hydropower Press，China．2005．（in Chinese））

［5］ 长江科学院．长江防洪模型利用世界银行贷款项目初步设计报告［R］．武汉：长江科学院，2002．（CRSRI．Preliminary Design of the World Bank Loan Project of the Changjiang River Flood Protection Physical Model［R］．Wuhan：The Changjiang River Scientific Research Institu-te，2002．（in Chinese））

［6］ 长江科学院．荆江河段洪水演进特性试验研究［R］．武汉：长江科学院，2008．（CRSRI．Experimental Study on Flood Routing in the Jingjiang Reach of the Yangtze River［R］．Wuhan：The Changjiang River Scientific Research Institute，2008．（in Chinese） ）

（编辑：周晓雁）

Physical M odeling of Propagation Features of Extreme Floods in Jingjiang Reach of Yangtze River

ZHU Yong-hui，LU Jin-you，LIFa-zheng，YAO Shi-ming，FAN Bei-lin
（Laboratory of River Regulation and Flood Control of MWR，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Adopting the Yangtze River Flood Protection Physical Model，experimental study on the propagation fea-tures of the 1954 and 1998 floods in the Jingjiang Reach of the Yangtze River have been conducted under the topo-graphical condition of Oct．2002．The experimental results reveal that it takes 14～21 hours for the flood peak to transport from Zhicheng to Jianliwith an averaged speed of 3．2～4．8 m／s．When experiencing the 1954 floods，the experimental flood peak stages（FPS）are generally higher comparingwith the prototype floods in 1954 when operation of the Three Gorges Project（TGP）is not considered．The flood situation of the reach is extremely severe：the FPSat Shashi exceeds the design stage of the dike by 1．60 m，and the FPS at Shishou，Jianli and Lianhuatang exceed the design crest level of the dike by 0．40～1．23 m．After consideration of the TGP the experimental FPSdrop considera-bly．The flood protection situation of the reach is relaxed substantially，however，not enough to be optimistic．The FPS at Shashi exceeds the design stage of the dike by 0．3 m，and that at Lianhuatang exceeds the design crest level of the dike by 0．28 m．When experiencing the1998 floods，the experimental FPSare generally higher comparingwith the prototype floods in 1998 when operation of the TGP is not considered．The flood protection situation of the reach is still severe：the FPS at Shashi，Shishou，Jianli and Lianhuatang exceed the design stage of the dike by 1．20 m，1．25 m，1．73 m and 1．68 m respectively．

the Jingjiang Reach；flood propagation；flood situation；1954 floods；1998 floods；physicalmodel tests

TV149．2

A

1001－5485（2011）03－0081－06

2011-01-06

水利前期研究项目“三峡工程运用初期荆江河道演变与治理研究”（QQ0871／HL15）；水利部公益性行业科研专项经费项目资助（200901004）；中央级公益性科研院所基本科研业务费资助项目（CKSF2010002）

朱勇辉（1975-），男，湖南道县人，博士，高级工程师，主要从事防洪减灾、水流泥沙运动基本规律、江湖演变与治理等方面的研究工作，（电话）027-84237931（电子信箱）yhzhu75＠yahoo．com。