多方法集成的三峡水库洪水分期研究

2022-04-01张冬冬王立海李妍清汪青静李立平

人民长江 2022年1期

张冬冬王立海李妍清汪青静李立平

摘要：三峡水库汛期洪水分期是水库汛期水位动态控制的前提条件。将宜昌站还原后的洪水系列作为三峡水库洪水分期的计算依据，选取天气成因以及多种数理统计分析方法，分析了宜昌站汛期洪水分期特征。结果表明：多种方法分期结果相差不大，考虑工程调度需求，将宜昌站汛期分为3期：5月1日至6月20日为前汛期;6月21日至9月10日为主汛期;9月11日至10月31日为后汛期。根据洪水分期特征，计算了三峡水库前汛期和后汛期分期设计洪水。研究成果可为三峡水库进一步合理利用洪水资源以及发挥综合效益提供技术支撑。

关键词：洪水分期; 分期设计洪水; 宜昌站; 三峡水库

中图法分类号： TV147 文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.004

0 引言

作为长江流域的控制性骨干工程，三峡水库具有巨大的防洪、发电以及航运等综合效益[1]。按照三峡工程初步设计阶段的调度方式，原则上，水库在6月中旬至9月下旬按照防洪限制水位运行。随着水文气象预测手段和方法的进步，洪水预报的预见期和预报精度均有一定的提升，同时长江上游梯级水库群，尤其是溪洛渡、向家坝水库建成后，长江流域整体防洪能力和水资源调控能力得以增强，长江流域水库群联合调度的新格局也使得进一步合理利用三峡水库洪水资源以及发挥综合效益成为可能[2]。水库汛期分期调度是洪水资源化的重要途径，而对汛期进行合理划分是分期调度的关键技术问题[3]。因此，分析三峡水库汛期洪水特性以及洪水分期特征，为三峡水库调度方式优化提供基础支撑是十分必要的。

汛期洪水分期方法在中国有较多研究，20世纪80年代，多家单位对中国东部地区汛期设计洪水进行了总结，归纳了天气成因分析法以及洪水特性分析法2种方法。冯尚友等[4]基于以上2种方法对丹江口水库进行了洪水分期研究。随着技术水平不断提高，一些数理统计分析方法被引入到了洪水分期研究中，包括模糊理论分析法[5]、分形分析法[6]、变点分析法[7]、系统聚类法[8]、矢量统计法和圆形分布法[9-10]、相对频率法[11]等。天气成因法和数理统计方法均有一定的限制，前者对成灾天气分析工作量大且有一定的主观性，后者通过不同分期指标对汛期进行划分，分割点选取上仍有一定的主观性[12]。如何将多种分析方法进行有机结合，确定最优的洪水分期划分成果，是目前研究的重点。

针对三峡水库洪水合理分期的问题，秦智伟等[13]通过研究三峡水库以上流域汛期洪水的气候成因、暴雨洪水的時空分布规律，对三峡水库汛期洪水进行了分期。本次研究是在已有研究成果的基础上，将延长并还原后的宜昌站洪水系列作为三峡水库洪水分期的计算依据，并引入了多种洪水分期分析方法，进一步来分析三峡水库汛期洪水分期特征，以期为三期水库合理利用洪水资源以及发挥综合效益提供理论基础，也可为三峡水库汛期水位动态控制提供重要的技术支撑。

1 宜昌站汛期洪水分布特征

根据1877～2018年宜昌站实测水文资料（将其中2003年以后的实测水文资料，采用水库调度资料对宜昌站洪水进行了还原），统计分析了宜昌站汛期洪水年内的分布特征。宜昌站年最大日均流量散点图如图1所示。由图1可以看出，宜昌站年最大日均流量散点的概率和大小基本上呈现由弱至强、再由强至弱的规律。宜昌站年最大日均流量量级主要为30 000～70 000 m3/s，而小于30 000 m3/s的量级仅有3次;实测最大洪水发生在1896年9月上旬，日最大洪峰流量大于70 000 m3/s的特大洪水;从日均流量出现的量级和时间来看，日均流量较大的洪水主要出现在7月中旬至8月上旬。

从年最大7 d洪量的量级来看，8月中旬以后，洪水量级较7月明显减少，且9月上旬以后年最大7 d洪量分布更是明显减少。在8月20日左右，年最大7 d洪量外包线出现一个短暂的低谷，8月下旬至9月上旬，外包线逐渐上升至一个较高的峰位区，9月10日后迅速下降至另一个低谷，其后再无较大峰位。

通过对宜昌站年最大洪峰发生时间进行统计（见图2），年最大洪峰出现在8月20日以前的共有105 a，约占总数的74%;其中洪峰量级大于50 000 m3/s的有65 a，洪峰量级大于60 000 m3/s的有21 a。年最大洪峰出现在8月20日以后的共有37 a，约占总数的26%，其中洪峰量级大于50 000 m3/s的有9 a，洪峰量级大于60 000 m3/s的有3 a。

宜昌河段洪水是上游干支流洪水共同作用的结果。从宜昌站多年候平均流量过程来看（见图3），6月第2～4候的平均流量为15 000～18 000 m3/s，流量变幅相对平缓;6月第5候至7月第1候的平均流量为21 400～27 600 m3/s，为流量增幅最快的时段;7月第6候至8月第5候的平均流量在28 500～27 200 m3/s之间，8月第6候减小到26 200 m3/s，9月第1候升至27 400 m3/s，以后连续2候在26 800 m3/s以上，9月第4候开始迅速降至25 000 m3/s以下。从宜昌河段汛期多年候平均流量过程分析来看，8月下旬（第6候）虽有一个流量相对较小时段，但流量量级与相邻时段比没有明显的变化，而9月第4候以后，候平均流量过程迅速衰减。

2 宜昌站汛期洪水分期

2.1 基于天气成因法的洪水分期

受大气环流不同位置的影响，长江上游雨季开始和持续时间有所不同，一般在4～6月由东南向西北先后开始，8～10月又从西北向东南先后结束，东南部雨季比西北部雨季长。西太平洋副热带高压位置如图4所示。由图4可以看出：西太平洋副热带高压脊线处于18°N～20°N区间时，乌江流域易发生暴雨;西太平洋副热带高压脊线处于20°N～24°N时，乌江、嘉陵江东部和三峡水库区间易发生暴雨;西太平洋副热带高压脊线位于25°N～30°N以北时，金沙江下段、岷沱江和嘉陵江上游的川西地区易发生暴雨。长江上游汛期5～10月降水量占全年降水量的83%，各旬降水总量基本呈现由少至多，然后由多至少的季节变化规律（见图5）;降水量以7月上旬最大，6月下旬次之，8月各旬降水量相差不大。6月下旬至8月下旬降雨量均在50 mm以上，9月下旬降雨量明显减小。E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF

综上所述，长江上游降水量主要集中在7～9月，以7月和8月降水量最多。从天气成因分析来看，可将5～6月作为前汛期，7～8月为主汛期，9～10月为后汛期。

2.2 基于年最大洪水统计分析法的洪水分期

根据图1长江宜昌站年最大洪峰分布外包线可以得出，洪峰流量散点呈现“双峰”的分布特征。其中：6月中下旬洪峰流量的量级和频率相对较小，7月中旬以后洪峰流量出现频次和量级明显增加，8月下旬洪峰量级和频率略有下降，出现相对较小的空档期，9月10日以后年最大洪水出现频次较少，且量级明显减小。同年最大洪量散点图分布类似，7～8月中旬为年最大7 d洪量出现的集中时段，9月上旬之后年最大7 d洪量量级明显减小。

6～9月的大气环流变化特征与宜昌站年最大洪水时间分布特征是相匹配的。6月份，宜昌站年最大洪峰出現的几率相对较低，主要原因是副热带高压脊线位于北纬20°以南区域，其位置对长江上游区域影响相对较小;6月中下旬西太平洋副热带高压开始向北移动，宜昌站开始出现量级不大的洪水;7月上旬雨带维持在江南以及嘉陵江东部，对长江上游各支流暴雨影响强度有限，导致该时间段洪水的洪峰量级没有显著增加。7月中旬至8月中旬，副热带高压出现在北纬30°附近，它与印度低压共同作用为长江上游带来强劲的暖湿气流，进而导致这段时间宜昌站洪水峰高量大，根据统计，全年超过50 000 m3/s以上的年最大洪峰流量出现频率约为70%。8月中旬到8月下旬，长江上游地区受到西太平洋副热带高压控制，暴雨覆盖面积较低，从而导致该时段洪峰出现频率下降。9月西太平洋副高脊线位于25°N附近，与7月上中旬情况相似;但副高往往分裂为单体，印度低压已大为减弱，西风带向南移动，西风槽的平均位置从内蒙经过河套东部伸向汉江及嘉陵江东部地区，因此，9月宜昌站的年最大洪峰比6月的多。如果副高撤退时间较平均情况有所延迟，并且8月宜昌底水较大，就易形成秋季大洪水，比如1945年秋季大洪水、1966年秋季大洪水等。

根据宜昌站年最大洪峰以及洪量外包线的变化特征，对汛期进行了时段划分，结果如下：5月上旬～6月中旬为前汛期，6月下旬～9月上旬为主汛期，而9月中旬～10月下旬为后汛期。

2.3 基于模糊分析法的洪水分期

2.5 基于投影寻踪有序聚类法的洪水分期

把多特征指标数据通过某种组合投影到低维子空间上，采用投影指标函数来描述投影暴露分类排序结构的可能性大小，寻找出使投影指标函数达到最优的投影值，采用基于遗传编码的加速遗传算法确定最优投影方向，通过有序聚类对投影值进行分类，根据分类特征确定汛期洪水分期。

将宜昌站汛期按旬划分为18个时段，选取多年平均旬降水量（mm）、旬来水量占汛期的比例（%）、旬内洪水发生次数、旬内年最大洪峰发生次数4个指标，来计算各旬相应的投影值，以旬为时段绘制的投影值一维散点图和依据有序聚类方法得到投影值的分类特征如图8所示。根据投影寻踪有序聚类法结果分析，5月上旬至6月中旬为前汛期，6月下旬至9月上旬为主汛期，9月中旬至10月下旬为后汛期。2.6 基于多方法集成的宜昌站洪水分期

采用多种方法分析了宜昌站洪水分期特征，分析成果如表1所列。由表1可以看出：天气成因法分析的成果仅考虑了降水成因，后汛期结束时间明显遭遇其他成果。多种数理统计分析方法中，各个成果的前汛期结束时间基本集中在6月中旬至7月上旬，后汛期开始时间主要集中在9月上中旬，矢量分析方法有一定提前。各个方法在成果上尽管有一定差异，但差异性不大。考虑到三峡水库防洪主要是考虑洪量控制，因此本次以年最大洪量统计分析成果为主，其他方法作为参考与验证，经综合分析，将宜昌站的汛期划分为3期：5月1日至6月20日为前汛期;6月21日至9月10日为主汛期;9月11日至10月31日为后汛期。

将本次研究成果与相关文献[13]中的成果进行了比较分析。分析时发现，相关文献中并没有提出宜昌站前汛期分期成果，因此本次仅比较宜昌站后汛期成果。本次研究得到的宜昌站主汛期与后汛期的分界日期为9月10日，较文献[13]成果提前了5 d。主要原因是：文献[13]从防洪安全的角度采用了跨期选样，使得设计成果相对偏安全。SL44-2006《水利水电工程设计洪水计算规范》中对汛期分期设计洪水选样是否需要跨期没有明确的规定，考虑到目前预报精度的提高、自动测报系统的完善以及长江流域整体防洪能力的提高，本次研究采用不跨期选样的原则，可以满足流域防洪的要求，因此推荐9月10日作为宜昌站主汛期和后汛期的分界日期。

3 宜昌站汛期分期设计洪水

根据宜昌站洪水分期成果，分别统计了1877～2018年历年6月20日以前以及9月10日以后的最大洪峰流量及其时段洪量，分别选择期内最大洪峰流量组成连续系列，频率曲线的线型采用P-Ⅲ型，采用适线法进行频率曲线配线，得到了宜昌站前汛期和后汛期设计洪水成果，如表2所列。与主汛期洪水成果相比（直接采用三峡水库初步设计成果），后汛期在量级上明显偏小，洪峰流量均值偏小幅度为34.0%;1 000 a一遇洪峰流量偏小幅度为27.5%，相当于主汛期20 a一遇洪水。前汛期洪峰流量均值偏小54%;1000 a一遇洪峰流量偏小52.0%，小于主汛期2 a一遇洪水。可以看出：前汛期、后汛期洪水与主汛期洪水相比量级上差异明显，在考虑上游梯级水库联合调度以及气象水文预报配合的前提下，三峡水库可以根据以上的汛期洪水分期成果按照不同时期进行水位动态控制，该成果可为三峡水库汛期水位动态控制提供重要的技术支撑。

考虑到洪峰形态、洪水来源组成等因素，分别选取1964年和1952年作为洪水典型年，计算了宜昌站后汛期的洪水过程线（见图9）;选取1963年作为洪水典型年，计算了宜昌站前汛期的洪水过程线（见图10）。

4 结论

本研究结合长江上游洪水特性，以长江上游面雨量、宜昌站年最大日均流量以及年最大7 d洪量作为分析对象，采用气候成因分析法、年最大值统计分析法、模糊分析法、矢量分析法以及投影寻踪法等方法，对三峡水库洪水进行了分期。多种方法分期的结果相差不大，因此，综合考虑工程调度需求，将宜昌站的汛期分为3期：5月1日到6月20日为前汛期，6月21日至9月10日为主汛期，9月11日到10月31日为后汛期。前汛期、后汛期1 000 a一遇设计洪水设计值与主汛期1 000 a一遇设计洪水设计值分别相差27.5%和54.0%，在考虑上游梯级水库联合调度以及气象水文预报配合的前提下，三峡水库具备汛期水位动态控制的条件。E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF

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