嘉陵江流域整体设计洪水研究

2021-03-05李立平，高玉磊，李妍清

人民长江 2021年2期

李立平，高玉磊，李妍清

(1.长江水利委员会水文局，湖北武汉 430010； 2.中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心，湖北宜昌 443133)

设计洪水是流域开发治理方案与工程规模的基础，也是水利工程设计与制定安全运用策略的重要依据[1]。国内外学者对受到梯级水库影响的设计洪水开展了众多的研究[2]。张文胜[3]综述了国内外设计洪水计算方法并展望了设计洪水计算未来的研究重点和方向。李天元[4]提出了基于Copula函数的改进离散求和法，研究了清江梯级水库下游设计洪水。闫宝伟[5]应用Copula函数构造了上游断面与区间洪水的联合分布，推导了设计洪水的地区组成。然而，以往的水库、堤防等防洪工程的设计洪水研究多侧重于坝址、控制点的局部河段，对于流域整体防洪层面总体考虑相对不足。根据最新批复的《2019年度长江流域水工程联合调度运用计划》[6]，联合调度的水工程由2018年度的40座控制性水库，进一步扩展至100座水工程，调度范围也由上中游扩展至全流域[7]。因此，开展流域层面的整体设计洪水研究十分必要，且具有重要的现实意义。

本文以干支流较为复杂的嘉陵江流域为例，系统开展流域整体设计洪水研究。在分析骨干控制点洪水过程特性的基础上，合理选择多个不同类型的典型年洪水过程[8]，根据骨干控制点的典型洪水特性和具体防洪形势，合理选择不同控制时段，推求各控制节点不同组成和遭遇类型的典型年设计洪水过程，为梯级水库群防洪调度决策和流域洪水资源化利用提供技术支撑。

1 研究区域及数据

嘉陵江是长江上游左岸的一级支流，位于东经102°30′～109°00′、北纬29°20′～34°33′之间，流经陕西、甘肃、四川、重庆4省(直辖市)，干流全长1 120 km，落差2 300 m，平均比降2.05‰。全流域面积15.98万km2，占长江流域面积的9%。按流域地形及河道特征，将干流分为上、中、下游。广元以上为上游，广元至合川为中游，合川至河口为下游。嘉陵江水系发育，自上而下的主要支流有西汉水、白龙江、东河、西河、渠江、涪江等。流域内多年平均降雨量约960 mm，由于地形复杂，各地气候条件的差异，降雨在地域分布上很不均匀，一般是盆地边缘的降水大于盆地中部。流域内蒸发量因风力微弱，气候湿润，相对湿度大，年蒸发量为800～1 000 mm。

考虑嘉陵江的防洪需求，本次研究以嘉陵江干流北碚站作为骨干控制点，涪江小河坝站、渠江罗渡溪站、嘉陵江武胜站作为枝杈控制节点，碧口、宝珠寺、亭子口、草街等作为主要水库节点，本次收集了各水文站点1954～2016年流量资料。嘉陵江流域主要水系及控制节点如图1所示。

图1 嘉陵江流域水系及控制站点示意Fig.1 River network and hydrological stations in the Jialing River Basin

2 嘉陵江流域暴雨洪水特性

因地形条件的差异，暴雨在嘉陵江干流区域的分布很不均匀。流域上游，地势较高，多年平均暴雨日数不足1 d，中下游位于盆地腹部地区，暴雨也较盆地边缘少，平均每年可发生2～3 d暴雨。

嘉陵江支流渠江上游地处著名的大巴山暴雨区，日雨量≥50 mm的暴雨日数平均每年达5 d以上。涪江上游位于盆地边缘，为著名的川西暴雨区，年平均暴雨日数达6～7 d。

流域暴雨大多发生在4～10月，尤其以7～9月发生的概率最大，约占75%，上游武都、成县以北地区甚至90%以上的暴雨发生在7～8月。渠江8月暴雨较少，表现出伏旱和秋季暴雨的特点。两大暴雨区持续时间相差不大，单站暴雨可持续4 d之久。

暴雨走向大多自西向东或自西北向东南，但是也有少数暴雨自西南向东北方向移动。1 d暴雨笼罩面积可达4万～5万km2，最大时可笼罩整个流域中下游地区。

嘉陵江流域洪水主要由暴雨形成。洪水特性受流域下垫面和支流洪水加入影响。嘉陵江干流的大洪水主要由秦岭南坡、四川盆地边缘地区和丘陵接壤一带的大暴雨造成，主雨区在阳平关、碧口以下至南部县以上的广大地区。每次大洪水时，阳平关、碧口至昭化一带都发生大的暴雨，并且形成嘉陵江干流的大洪水。洪水在向下游演进时，若昭化以下继续发生大暴雨，两岸支流洪水的汇入洪峰向下游增大显著；若昭化以下雨量不大，则洪峰向下游加大不多，甚至洪峰向下游有减少现象(如“81·7”洪水，上游金银台站“81·7”洪峰流量为31 000 m3/s，下游武胜站为28 900 m3/s；“81·8”洪水金银台站洪峰流量为23 000 m3/s，下游武胜站为18 400 m3/s；“98·8”洪水金银台站洪峰流量为22 700 m3/s，而下游武胜站为19 200 m3/s)。嘉陵江下游合川段渠江和涪江分别从左右岸汇入后，形成巨大的扇形水系，由于渠江和涪江均位于四川的暴雨区，因此极易形成大洪水。不同的暴雨时程分配和走向，使得干支流洪水的组成及遭遇情况各异。嘉陵江洪水过程多呈双峰或多峰形，北碚站单峰3～5 d，复峰可达7～12 d，峰现持续时间约4 h左右。

3 嘉陵江洪水特性

3.1 洪水发生时间分布特征

根据1940～2016年北碚站流量资料分析北碚站的洪水发生时间分布特征。从年最大洪峰流量散点图(见图2)可见：北碚站年最大洪峰流量出现在5月中旬至10月上旬，7～9月为年最大洪峰出现的集中时段(87.0%)，最早为5月19日(1967年)，最晚为10月3日(1975年)。7月中旬出现的次数最多，占总数的18.2%，7月上旬次之。受秋汛影响，年最大洪水9月比8月出现的次数多。8月上中旬出现洪峰相对较少的空档期，以后洪峰又增多。当西太平洋副高提前西移时，嘉陵江流域汛期即会提前，这种情况下嘉陵江6月底至7月上旬即可出现较大洪水，至8月份长江锋面移入华北时，嘉陵江流域降雨减少，往往出现洪峰的低潮，至9月上中旬，极锋南旋，常发生秋季洪水，甚至年最大洪水也会发生在该期内。

图2 嘉陵江北碚站年最大洪峰散点图Fig.2 Annual maximum instantaneous floods of Beibei Staiton

北碚站年最大洪峰流量量级一般为10 000～40 000 m3/s；小于10 000 m3/s有3次；大于40 000 m3/s仅有1次，出现在1981年7月；年最大洪峰流量在20 000 m3/s以上的占61.0%，在30 000 m3/s以上的占16.8%。

北碚站年最大3 d洪量最大为97.1亿m3(1981年)，最小为11.8亿m3，多年均值为49.0亿m3；年最大7 d洪量最大为146.8亿m3(1956年)，最小为22.2亿m3，多年均值为81.9亿m3；年最大15 d洪量最大为233.8亿m3(1956年)，最小为44.4亿m3，多年均值为125.4亿m3。北碚站年最大3，7 d和15 d洪量时间分布特征与年最大洪峰散点图类似。

3.2 洪水地区分布特征

根据北碚站1940～2016年流量资料，分析年最大洪峰流量Qm、3 d洪量W3d、7 d洪量W7d、15 d洪量W15d和30 d洪量W30d排序前3的年份可知，北碚站年最大洪水过程一般历时5～10 d，因此北碚站洪水控制时段选择为15 d。

根据干流武胜、渠江罗渡溪、涪江小河坝水文站1954～2016年同步洪水资料，分析了嘉陵江洪水地区分布特征(见表1)。

表1 嘉陵江北碚站以上洪水地区组成Tab.1 Flood region composition of Beibei Station

由表1可以看出：短时段3，7 d洪量3站中以处于大巴山暴雨区的罗渡溪站最大，均占北碚的40%以上，均大于其面积占比；武胜次之，3，7 d洪量占北碚的32%左右，小于面积占比；小河坝以上集水面积最小，洪量占比也小于其面积占比。15 d洪量组成中，武胜与小河坝占比有所增加，武胜与罗渡溪占北碚洪量的比重相当。

3.3 洪水遭遇分布规律

洪水遭遇主要考虑洪峰遭遇和洪水过程遭遇两种情况[9-10]。若洪峰(日平均流量)同日出现，即为洪峰遭遇。洪水过程遭遇指时段洪量有超过一半时间重叠[11-13]。

嘉陵江流域位于川东的大巴山、秦岭及龙门山之南，受地形及气候因素影响，流域内暴雨区分东西两处。东部位于大巴山南麓，渠江流域的南江、万源一带；西部位于龙门山南麓的涪江上游安县、江油，嘉陵江的剑阁、广元一带。由于暴雨中心位置不同，洪水的组成遭遇也不同，涪江与嘉陵江干流常为同一雨区，洪水有明显的同步性，洪水的遭遇机会也较多；涪江与渠江两流域，东西相隔，暴雨发生的时间各不相同，洪水遭遇机会较少；嘉陵江干流与渠江虽属相邻，但雨区往往不一致。

涪江小河坝站、嘉陵江武胜站和渠江罗渡溪站距离北碚站较近，本次在分析其洪水遭遇特征规律时不考虑各站洪水传播至北碚的时间差异。嘉陵江干支流年最大洪峰、最大3 d洪水过程、最大7 d洪水过程和最大15 d洪水过程遭遇情况如表2所列。

表2 1954～2016年北碚站干支流遭遇频次、概率统计Tab.2 Frequency and probability of the flood process coincidence of Beibei Station from 1954～2016

北碚站1954～2016年系列中，上游干支流年最大洪峰共遭遇4次，其中干流与渠江遭遇(简称干渠遭遇)3次，三江遭遇1次；年最大3 d洪水过程有24 a发生遭遇，其中干流与涪江遭遇(简称干涪遭遇)概率与干渠遭遇概率相当，分别为17.5%和19.0%，三江遭遇概率较低，仅有1 a发生遭遇，概率为1.59%；年最大7 d洪水过程有38 a发生遭遇，其中干涪遭遇概率较高，为36.5%，干渠遭遇概率为15.9%，渠江与涪江遭遇(简称涪渠遭遇)概率较低，三江遭遇概率为6.35%；年最大15 d洪水过程有49 a发生遭遇，其中干涪遭遇概率较高，为33.3%，干渠遭遇概率为17.5%，三江遭遇概率为14.3%。

4 典型年分类选取

根据1954～2016年63 a北碚站洪水地区分布特征及小河坝站、罗渡溪站及武胜站洪水遭遇情况，以及4站实测年最大3，7 d和15 d洪量排位统计及各年洪水组成情况，综合分析北碚站的大洪水特征。根据北碚站不同历时洪量分布情形，重点分析年最大3 d和7 d洪量排序前6、年最大15 d洪量排序前5的大水年份，主要有1981，1975，1989，1956，2011，1984，2012，1958年和2010年等9个年份，各年最大3，7 d和15 d洪量及洪水地区组成情况如表3所列。

表3 北碚站大水年份洪量洪水地区组成汇总Tab.3 Flood region composition of Beibei Station in typical flood year

从北碚站洪水地区组成中可以看出，1981年7月北碚洪水洪峰排位第1，1981年8月北碚洪水年最大15 d洪量排位第2，因此，将1981年北碚站的两场洪水分别进行分析。

根据北碚站的洪水成因，将各大水年份分为了干涪遭遇典型、干渠遭遇典型、三江遭遇典型和渠江来水较大典型。其中干涪遭遇典型仅有1958年洪水，渠江来水较大典型仅有1989年洪水，因此，分别选择这两个大水年份作为该类洪水的典型。

干渠遭遇导致北碚大水年份有1975，2011年和1984年。1975，2011年和1984年均是干渠遭遇后形成的“尖瘦型”洪水过程，区别在于1975年和2011年渠江来水较大，1984年渠江来水不大，1975年北碚站年最大3 d洪量排位第2，1984年北碚站最大3 d洪量排位第6，2011年北碚站年最大3 d洪量排位第5。因此，选择1975年作为干渠遭遇后形成的“尖瘦型”洪水典型。

三江遭遇导致北碚大水的有1981年8月、2010年、1981年7月、1956年和2012年洪水。1981年7月，北碚是由三江遭遇形成的“尖瘦型”洪水，1981年三江洪峰同日出现且发生遭遇，形成的北碚洪峰排历史第1位。因此，选择1981年7月洪水作为三江遭遇后形成的“尖瘦型”洪水典型。1956年、1981年7月、1981年8月、2010年和2012年均是由三江遭遇形成的主峰在前的“肥胖型”洪水，1956年干流来水较大，三江遭遇后形成北碚最大15 d洪量排位第1。因此，选择1956年作为三江遭遇后形成的主峰在前“肥胖型”洪水典型。北碚站各典型年洪水特性如表4所列。

5 嘉陵江整体设计洪水

根据长江流域防洪规划等相关已有研究成果，北碚站采用的设计洪水成果如表5～6所示。

表4 北碚站典型年洪水特性一览Tab.4 Flood features in typical years of Beibei Station

表5 嘉陵江北碚水文站设计洪水成果(Qm)Tab.5 Design flood results of Beibei Station(Qm)

表6 嘉陵江北碚水文站设计洪水成果(W24 h，W72 h，W168 h)Tab.6 Design flood results of Beibei Station(W24 h，W72 h，W168 h)

北碚站选取了1958，1975，1956，1989年及1981年7月等5次典型洪水。北碚以上整体设计洪水采用典型年法。整体设计洪水放大采用同倍比法，以保持典型样本的原过程。根据北碚站各典型年洪水过程分别统计出Qm、W24 h、W72 h和W168 h，计算不同时段各典型年放大倍比系数，在选用放大倍比时，充分考虑控制站洪水过程的峰型、上游主要站放大后洪水量级的合理性等因素合理选定[14-15]。限于篇幅，以1981年7月洪水为例，北碚站该典型年放大倍比及采用情形见表7。以北碚站为控制点的“81·7”型嘉陵江整体设计洪水过程线(P=2%)如图3所示。