华西秋雨与梅雨对三峡水库蓄水调度影响分析

郭生练 李娜 王俊 梁志明

特邀作者简介

郭生练，武汉大学教授、博士生导师、挪威工程院外籍院士。1982年毕业于武汉水利电力学院，1986年和1990年先后获爱尔兰国立大学硕士和博士学位，1991～1993年任武汉水利电力大学博士后，1993年晋升为教授，1995年增选为博士生指导教师、享受国务院政府特殊津贴专家，2019年当选挪威工程院外籍院士。现任武汉大学水问题研究中心主任，湖北省科学技术协会、国际水文科学协会中国国家委员会名誉主席，担任《水资源研究》主编，《水利学报》《水科学进展》《水文》等刊物编委。

主持完成国家级课题30余项和70多项横向课题；指导培养博士后10人、博士和硕士研究生100多人次；发表学术论文700多篇，其中SCI/EI论文300多篇（H-index=69，2020～2023年中国高被引学者），入选全球前2%顶尖科学家“终身科学影响力排行榜（1960-2022）”和“2022年度科学影响力排行榜”两个榜单。授权发明专利36项，编著《设计洪水研究进展与评价》《三峡水库汛限水位动态控制关键技术研究》《长江巨型水库群防洪兴利综合调度研究》《水库运行期设计洪水及汛期水位动态控制理论方法与应用》等20本著作，有18项成果获省部级和国家科技进步奖。

摘要：

长江中下游梅雨和上游华西秋雨分别发生于三峡水库主汛期前、后两个时期，是判断洪水遭遇与蓄水时机的重要依据。分析了梅雨和秋雨的时空分布特征、三峡水库7 d和15 d洪量系列的汛期分期及其对汛末蓄水的影响。结果表明：长江中下游梅雨发生在三峡水库主汛期前，长江上游华西秋雨最早8月21日开始；梅雨最晚8月8日结束，出梅后，长江中下游防洪压力减轻，三峡水库可提前释放城陵矶防洪库容；三峡水库8月29日进入后汛期，洪水量级适中，可考虑提前蓄水以充分利用秋汛洪水资源。综合梅雨、秋雨和三峡汛期分期的关键时间节点，在确保防洪安全的前提下，建议三峡水库自8月8日起实行汛期运行水位动态控制和提前蓄水调度。

关 键 词：

华西秋雨； 梅雨； 洪水分期； 蓄水调度； 三峡水库

中图法分类号： TV122.1

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.010

0 引 言

长江流域属典型的亚热带季风型气候，流域内降雨呈现较强的季节性变化规律［1］。每年春末夏初之时，西太平洋副高脊线向北跃进，在20°N～25°N间停留，湖北宜昌往东长江中下游地区经常会出现阴雨连绵的天气，即梅雨［2］，期间降雨量大，暴雨频发，日照时间短，空气湿度大。梅雨是东亚夏季风季节性向北推移的产物，是中国夏季雨涝灾害的基本特征之一。梅雨持续时间及其与上游暴雨期的衔接，决定了“七下八上”（7月下旬至8月上旬）长江上中游是否出现洪水［3］，其丰枯特点往往能够反映中国夏季旱涝的大体情况［4］。

华西秋雨是东亚夏季风转换为冬季风时出现的最后一个雨季［5］，是华西地区的一种特殊天气现象。华西地区处于青藏高原东侧，秋季，随着西太副高南撤，高原频繁南下的冷空气被云贵高原和秦岭等阻滞，与停留在该区域的太平洋和孟加拉湾暖湿空气相遇，二者相互作用，使低层锋面活动加剧，产生了仅次于夏季降水的第二个峰值，即华西秋雨［6］。华西秋雨是中国秋季的主要气候特征之一，也是华西地区的气象灾害之一，对水库蓄水、生产生活和生态用水有重要影响。

三峡水库自建成以来，发挥了巨大的防洪兴利效益，显著减轻了川渝河段的防洪压力，有效保障了长江中下游的防洪安全［7］。当前长江上游梯级水库防洪、兴利库容占河道径流比例不断增大，固定单一的汛期运行水位不利于实现洪水资源化，汛末蓄水必然加深对天然径流的调节影响，造成上下游蓄水与需水的沖突［8］。长江中下游梅雨和华西秋雨分别发生于主汛期前、后两个时期，对水库动态运行而言，是确定上中游洪水遭遇、汛期洪水分期以及工程提前蓄水时机的重要阶段［9-10］。研究三峡水库汛期分期洪水与长江上游华西秋雨、中下游梅雨的关系，并以此为视角探讨三峡水库汛期运行水位动态调整和提前蓄水的科学方案，对洪水资源高效利用意义重大。

本文分析长江上游华西秋雨和长江中下游梅雨的时空分布特征，探讨二者与三峡水库汛期分期的关系，以三峡水库汛末提前蓄水提供科学依据和技术支撑。

1 华西秋雨和长江中下游梅雨的时空分布特征

1.1 区域概况

长江上游华西秋雨区示意如图1（a）所示，主要处在100°E～110°E，26°N～35°N之间，又可分为华西秋雨北区和南区，共有380个测站，站点大体分布在四川中东部、贵州北部、湖南湖北西侧、重庆全境、陕西中南部和甘肃南部等区域［11］。长江中下游梅雨区示意如图1（b）所示，包含长江中游区和长江下游区，共157个站点，大致涵盖了湖南东北部、湖北中东部、江西北端、安徽南部、浙江北部、江苏南部及上海等区域［12］。

1.2 基本气候特征

利用中国气象局提供的1961～2022年共62 a的华西秋雨特征量资料（起止时间、雨期长度、降雨量），以及1951～2022年共72 a的长江中下游梅雨特征量资料，分析两种降雨的基本气候特征。结果显示：1961～2022年，华西秋雨最早开始时间为8月21日，最晚结束时间为11月30日，平均雨期为65 d，平均雨量为218.3 mm。1951～2022年，长江中下游梅雨最早开始时间为5月25日，最晚结束时间为8月8日，平均雨期为31 d，平均雨量为292.7 mm。

由图2可知，华西秋雨开始时间主要出现在8月下旬至9月上旬，以8月下旬居多，结束时间主要出现在10月下旬至11月中旬；秋雨量主要分布在100～300 mm的范围内，以200～300 mm雨量最多。长江中下游梅雨开始时间主要在6月份，以6月中旬居多，结束时间主要在7月份，以7月下旬居多，梅雨量主要集中在100～400 mm。与长江中下游梅雨相比，华西秋雨雨量整体偏小，但历时更长。

1.3 变化特征分析

华西秋雨和长江中下游梅雨具有明显的年代际变化特征，采用Mann-Kendall检验法［13-14］、Pettitt检测法［15］以及Morelet连续小波变换［16-17］，详细分析华西秋雨历时和秋雨量序列（1961～2022年）、长江中下游梅雨历时和梅雨量序列（1951～2022年）的变化趋势、突变情况和周期性规律。

Mann-Kendall趋势检验结果如图3所示。秋雨历时和秋雨量自20世纪90年代起都呈现下降的趋势，但近4 a又出现上升的趋势；而梅雨历时和梅雨量除在20世纪60年代后期有略微下降的趋势外，整体保持上升的趋势。上述趋势变化在0.05显著性水平下不显著。

图4为Pettitt突变检验结果，给定0.05显著性水平，华西秋雨多年平均历时在1986年以前为68 d，之后为62 d；多年平均秋雨量在1985年以前为241 mm，之后为204 mm。长江中下游梅雨多年平均历时在1988年以前为29 d，之后为32 d；多年平均梅雨量在1957年以前为385 mm，之后减小为284 mm。

图5为Morelet小波变换周期性分析结果，秋雨历时在1969年、1975年和1997年前后分别存在1～3 a、7～9 a和1～4 a的显著周期性；秋雨量在1978年和2012年前后分别存在7～8 a和2～3 a的显著周期性。梅雨历时在1980年、1984年和2012年前后分别存在2～4 a、18～20 a和3～5 a的显著周期性；梅雨量在1982年、1995年前后分别存在2～3 a和1～3 a的显著周期性。

2 华西秋雨和长江中下游梅雨与三峡水库洪水关系分析

1954年、1998年和2020年，长江发生了流域性大洪水。现利用华西秋雨区和长江中下游梅雨区的日降水数据，以及三峡水库入库（宜昌站）的日流量资料，分析3个典型年长江中下游梅雨、华西秋雨的雨情特征，以及三峡水库洪水过程，深入探究华西秋雨、长江中下游梅雨与三峡水库洪水的关系。

2.1 1954年雨洪过程

1954年，长江中下游梅雨期包括5月16～25日和6月12日至7月31日两段，历时60 d，累计雨量为811.5 mm。受副高活动影响，梅雨期较往年偏长近30 d，中下游多地发生多场长历时的强降雨过程。上游华西地区9～10月，累计雨量为178.3 mm，10月3日雨量最大为10.5 mm。由1954年三峡宜昌站日流量过程（见图6）可以看出：6月下旬宜昌站流量开始迅速上涨，主汛期流量整体较大，发生了多场大洪水，形成了多个洪峰，8月7日出现年最大洪峰，流量达到66 800 m3/s。7月7日、7月23日和8月29日的洪峰流量分别为48 800 m3/s、55 000 m3/s和53 000 m3/s。9月初流量快速减退，9月上旬至10月中旬，华西片区有一定降雨，宜昌流量整体在25 000～30 000 m3/s之间波动，变化不大，10月中旬后流量逐步减小。

2.2 1998年雨洪过程

1998年，长江中下游梅雨期包括两段，分别为6月12日至7月3日和7月20～30日，历时54 d，累计雨量为572.4 mm。副高南北摆动大，两段梅雨期中下游地区常有中到大雨发生，降雨面积广。华西秋雨从9月19日开始，至10月18日结束，共持续29 d，累计秋雨量为78.6 mm，秋雨历时较往年偏短了30 d左右，雨量偏少64%，降水强度整体偏弱。由1998年宜昌站流量过程（见图7）可以看出：主汛期7、8两个月，三峡发生长历时大洪水过程，7月中旬出现平头洪峰，8月接连形成5个洪峰，流量均超过50 000 m3/s，导致长江上游来水与中下游地区梅雨洪水遭遇，形成流域性大洪水。9月初，宜昌站流量快速减退，下旬流量出现小幅上涨，23日流量为28 600 m3/s，后逐渐缓退。总体而言，9月以后华西片区降雨少，上游来水不大，宜昌站流量与主汛期相比偏小较多。

2.3 2020年雨洪过程

2020年，长江中下游梅雨从6月9日开始，到7月31日结束，历时52 d，累计雨量达到753.9 mm，仅次于1954年的梅雨量，中下游连续发生多次大范围暴雨过程。华西地区秋雨从9月9日开始，到11月26日结束，共持续78 d，累计秋雨量为222.2 mm。其中，降雨主要集中在9月至10月上旬，累计雨量为158.7 mm，10月下旬至11月降雨相对偏少。由2020年三峡入库流量过程（见图8）可以看出：6月下旬至8月下旬主汛期间，三峡地区形成多场洪水过程，且洪峰流量较大，相继出现1～5号洪水，8月20日第5号洪水洪峰流量达到75 000 m3/s，长江上游来水与中下游洪水遭遇，导致全流域大洪水。8月下旬后流量明显减小，9月中旬受华西秋雨影响，上游来水增加，三峡入库有所上涨，9月19日流量为38 500 m3/s，其后流量进入逐步缓退阶段。

综上可以看出，在3个典型年里，受西太副高异常影响，长江中下游梅雨偏多，上游来水与中下游洪水遭遇形成流域性大洪水。反观一般年份，三峡虽处在主汛期，洪水峰高量大，由于中下游出梅正常，与下游洪水遭遇后多形成区域性或局部性洪水。秋雨期间，受上游华西降雨影响，三峡也出现一定的小洪水过程，但流量较主汛期明显偏小。

3 三峡水库洪水分期与汛末蓄水

3.1 汛期洪水分期

选用宜昌站1951～2022年汛期（5月1日至9月30日）的日流量资料，构建7 d和15 d洪量序列，在各年洪量序列中选出最大洪峰值构成新的时间序列，即得到7 d和15 d最大洪量序列。利用均值变点分期方法［17］对构造的洪量序列进行分析，将汛期分为前汛期、主汛期和后汛期。结果显示：7 d洪量的分期节点为6月28日和9月10日，15 d洪量的分期节点为6月30日和8月29日。据此可综合设定三峡水库前汛期、主汛期和后汛期的分期節点为6月30日和8月29日。

根据三峡水库汛期均值变点结果，探讨三峡水库分期洪水与长江中下游梅雨、华西秋雨的关系。图9为长江中下游梅雨、华西秋雨与三峡水库汛期分期洪水的关系。从7 d和15 d洪量过程来看，主汛期洪量明显高于前汛期和后汛期。主汛期，长江上游暴雨频现，形成的洪水峰高量大，导致三峡入库洪量较大。长江中下游梅雨大致出现在前汛期和主汛期前期，最晚在8月8日结束；主汛期后期上游来水大，但中下游地区已出梅，降雨强度和广度明显减小，上中下游基本不会出现洪水遭遇，对三峡水库调度有利。华西秋雨最早在8月21日开始，华西地区逐渐出现秋雨，雨期较长，降水频繁，但雨量整体较夏季偏小。受此影响，三峡入库洪量减小，8月29日随之进入后汛期，可见华西秋雨对三峡水库后汛期洪水有影响，秋雨期和后汛期基本同步，可考虑利用秋汛洪水资源。

3.2 汛末蓄水时机选择

作为长江流域防洪体系的重要组成部分，长江上游形成了以三峡等梯级水库群联合调度为关键抓手的防洪体系。长江中下游梅雨和华西秋雨给三峡防洪带来一定挑战，也在不同程度上左右着水库汛末蓄水时机的选择。

① 参考长江中下游梅雨最晚结束时间8月8日，发现8月中旬以后，三峡虽处于主汛期后一阶段，但中下游已出梅，上中下游洪水遭遇概率小，防洪压力相对减轻。因此，在8月8日至8月28日的主汛期内，可考虑释放城陵矶防洪库容，实行水位动态运行。

② 参考华西秋雨最早开始时间8月21日，以及三峡主后汛期分期节点8月29日，发现8月末华西地区进入秋雨季，雨量减小，三峡入库流量减小，应提高秋汛洪水资源利用率。因此，在8月29日至9月10日的后汛期内，可视秋汛中期预报趋势，利用中短期预报预泄手段，继续实现汛期运行水位动态控制并逐步抬高蓄水位。

③ 9月10日以后，衔接现有蓄水方案，实现提前蓄水，并逐步蓄至正常蓄水位。

4 结 论

（1） 秋雨和梅雨的趋势性检验显示：秋雨历时和秋雨量自20世纪90年代起呈现下降的趋势，近4 a又出现上升趋势，梅雨历时和梅雨量基本保持上升的趋势，但在0.05的显著性水平下不显著；秋雨历时、秋雨量、梅雨历时和梅雨量在个别年份发生了突变，在某些时段存在一定的显著性周期。

（2） 受西太副高异常影响，1954，1998，2020年的长江中下游梅雨较为显著，上游来水与中下游梅雨洪水遭遇形成长江流域大洪水。同年秋雨季节，华西降雨历时虽长，但雨量不大，期间三峡来水流量整体较主汛期明显偏小。

（3） 长江中下游梅雨8月8日结束，中下游防洪压力减轻，三峡水库可适当释放防洪库容；上游华西秋雨8月21日开始，三峡水库洪水量级适中，可开展汛中提前蓄水；结合主汛期一前一后两个关键雨期，建议三峡水库把握蓄水时机，在确保防洪安全的前提下，自8月8日起实现汛期运行水位动态控制和提前蓄水调度。

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（編辑：高小雲）

Influence of autumn rain of West China and Meiyu on impoundment operation of Three Gorges Reservoir

GUO Shenglian1，LI Na2，WANG Jun1，LIANG Zhiming2

（1.State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，Wuhan University，Wuhan 430072，China； 2.China Yangtze Power Co.，Ltd.，Yichang 443000，China）

Abstract：

Meiyu in the middle-lower Changjiang River and the autumn rain of west China usually happen before and after the main flood season of the Three Gorges Reservoir（TGR），which are important bases for judging the flood coincidence and impoundment time.This study analyzes the spatiotemporal distribution of autumn rain and Meiyu，flood season division in TGR based on 7d and 15d flood volume series and its corresponding influence on impoundment operation at the end of flood season.It is shown that Meiyu occurs in the early main flood season of the TGR，while the autumn rain begins on August 21.In the end of Meiyu on August 8，the flood control pressure in the middle-lower Changjiang River is relieved，and the TGR can release the flood prevention storage capacity allocated for Chenglingji area in advance.When the TGR enters the post-flood season on August 29 with moderate flood magnitude，it can start refill operation in advance to use autumn flood resources.Considering the key time nodes of Meiyu，autumn rain and TGR flood season division，it is suggested that the TGR can implement dynamic control of water level and early refill operation after August 8 on the premise of ensuring flood control safety.

Key words：

autumn rain in west China；Meiyu；flood season division；reservoir impoundment；Three Gorges Reservoir