湘江湘潭站洪水变异规律及预报方案研究

2018-11-20陈术兵李海年

智能城市 2018年20期

王珊陈术兵李海年

湖南省湘潭水文水资源勘测局，湖南湘潭 411100

1 研究区概况

湘江流域发源于湖南省永州市蓝山县紫良瑶族乡野狗岭南麓，流经湖南省的永州、衡阳、株洲、湘潭、长沙，至湘阴县濠河口注入洞庭湖。湘江濠河口以上干流长948km，流域面积94714km2。湘潭水文站系湘江注入洞庭湖的一类精度总控制站，干流长754km，距河口102km，集水面积81638km2。

20世纪80年代以来，受湘江流域非法挖沙和干流水利工程修建等人类活动影响，湘江湘潭站的洪水规律发生很大改变，原有的人工预报方案已不再适用，不利于水文工作的开展。为进一步提高预报精度，为地方政府和防汛部门提供可靠的决策依据，减少损失，本文结合单一要素系列和多要素系列进行变异分析，并根据分析成果重新编制洪水预报方案。

2 洪水变异规律分析

2.1 单一水文序列变异诊断

前期研究中已利用简化的水文变异诊断系统[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变化趋势和变异点。诊断结果表明：湘江湘潭站的各均值流量系列不存在明显的变异趋势，水位序列存在显著性减小趋势，其最显著变异点集中在2003、1997年左右，受水利工程影响明显。因此，湘江湘潭站的水位流量关系发生了变异，最可能变异点为2003年和1997年左右。

2.2 多要素系列变异分析

为了更好地研究湘江湘潭站的洪水变异规律，基于单一水文序列变异诊断结果，对水位流量关系的多要素系列进行变异分析。本文选用湘潭站1959～2017年有代表性地中高洪水的洪峰点进行分析，共计230个，其中加入有高水发生的2017年，保证正确的高水趋势。

经分析湘潭站洪峰水位流量关系随时间变化可划分为6个系列，即1959～1995年、1996～2002年、2003～2005、2006～2007年、2008～2014年和2015～2017年，对各系列数据建立关系线，见图1。可知：湘潭站在1959～2017年，当洪水的洪峰水位达到41m及以上时，所有系列的水位流量关系合并成一条线，说明其关系未发生改变。而在低于41m的中高水中：系列1～5在同级洪峰流量下，相应的洪峰水位逐渐变低，降低幅度基本呈逐渐增大趋势；系列6的关系线与其他系列呈反曲，即5000m3/s左右洪峰流量的相应洪峰水位高于系列5，10000m3/s洪峰流量的相应洪峰水位低于系列5。

因上述分析只是反映水位流量关系的变化现象，如需将其规律数值化需使用泛函分析，但此方法较复杂，即使在高校数学系也很少有人使用，故只能从侧面分析说明。

图1 湘潭站1959～2016年洪峰水位流量关系分布图

2.3 物理成因分析

水位流量关系变化的成因分析主要从下垫面进行分析，由于资料收集困难，无法收集到历年河道纵断面及其他断面数据，故选用湘潭站本断面及水利工程资料从侧面分析。

2.3.1 断面变化分析

根据收集到的湘潭站断面数据系列，采用长期（系列1：1965～2015年逢0逢5年份）和近期（2000、2003～2016年）两个系列进行分析。对系列1和系列2分别采用湘潭站低水（28.73m）、中水（30.95m）、高水（36.28m）、警戒水位（38.00m）和保证水位（39.50m）统计相应过水断面面积、水面宽及断面平均水深（统计表因篇幅限制不列入），并绘制各系列的断面水位面积关系图（以系列1为例，见图2），分析断面的变化规律。

图2 湘潭站大断面系列1水位面积关系线

对系列1分析可知：（1）各级水位的平均水深从1980年以后逐渐增大，且增长幅度从2010变小；水位级越高，平均水深的变幅越小。2015年相较1956年增幅最大、最小分别为2.0m和1.4m。（2）水位面积关系线从1980年开始改变，同级水位下断面面积不断增大，增幅最大的为1995、2000和2010年。

同理对系列2分析可知：（1）2010年以来湘潭站断面变化分为5个数据系列，即2000、2003～2007、2008、2009～2013和2014～2016年。各个数据系列内的断面基本无变化，断面稳定。（2）各数据系列之间的变化规律同系列1，其中，2016年相较于2000年的断面平均水深均增大0.7～0.8m，2008年的水位面积关系线为过渡线，中低水与2009～2013系列一致，高水及以上部分与2003～2007系列一致。

2.3.2 水利工程及挖沙影响

湘江流域从19世纪80年代开始河道挖沙，90年代之后在干流修建大量的水利工程，其中对湘江湘潭站影响最大的是上游的大源渡航电枢纽、株洲航电枢纽和下游的湘江长沙综合枢纽。根据分析可知，非法挖沙和三座航电枢纽修建运行的时间节点与湘江湘潭站的洪水变异规律基本吻合，为突变节点的确定提供了有力的证据支撑。

2.4 综合分析

综合单一水文序列、多要素序列和物理成因分析可知：湘江湘潭站的洪水规律变异点为2003、1997和2014年左右。受非法挖沙与水利工程影响，同级流量下相应水位随时间不断降低，而2014年的中高水部分同级流量下相应水位有所提升，改变。

3 洪水预报方案

湘潭站目前使用的预报方案[2]主要有两种方式：一是采用国家水文局基于新安江模型等开发的中国洪水预报系统进行降水径流预报；另一种是采用合成流量法的人工预报方案。由于原有人工预报方案已无法使用，故结合分析洪水变异规律，对人工预报方案进行重新编制。

新的人工预报方案利用上游大源渡和株洲航电枢纽在7000m3/s及以上洪水不进行洪水调节，结合洪水变异规律，采用衡阳及甘溪合成流量（大于7000m3/s的洪水场次）与湘潭站洪峰水位相关，并以湘潭同时水位为参数，预报湘潭站洪峰水位的方法进行预报方案的制定。人工预报方案采用2003～2014年共19场中高水资料编制中高水洪水预报方案，采用实测水位变幅的0.2倍作为许可误差，当许可误差小于0.1m时，取0.1m；采用2015～2016年共8场中高水资料进行验证。

经评定，新编制的人工预报方案精度评定19场洪水有14场合格，合格率73.7%，达到乙等方案要求；方案检验8场洪水有5场合格，合格率62.5%，达到丙级方案要求。因此，需降级为丙等方案使用，仅作参考依据，但较原方案精度大大提高。由于湘江枢纽工程蓄水运行后，水位流量关系发生突变后的资料年限不长，可采用的洪水资料有限，有待收集更多洪水资料的进一步检验，并针对预报方案进行更深入的研究分析。