江汉平原湖区汛期划分及控制水位研究

2024-03-07吕灿翔闫少锋

水科学与工程技术 2024年1期

万伟，吕灿翔，闫少锋

（湖北省水利水电规划勘测设计院有限公司，武汉 430070）

江汉平原湖区地处长江、汉江两江夹角和沿江平原地带，河网密布、沟渠纵横，大大小小700 余个湖泊星罗棋布点缀其中，是湖北省的“水袋子”——洪涝灾害最为严重的区域，同时也是湖北省经济发展最核心区域，2018 年区域内GDP 近3 万亿元，达湖北省经济总量的70%左右，水资源开发利用程度较高，水资源需求量也是湖北省最大的区域。

江汉平原湖区雨量充沛，但是受季风气候影响，时间分布十分不均，据统计，5—10 月份降雨量占全年降雨量的70%～80%，汛期降雨集中，而枯期降雨径流偏少，同时又是作物生长的春灌期，灌溉需水量大。以往防汛调度要求湖泊在整个汛期以较低的汛限水位迎汛，往往导致了众多湖泊汛期不敢蓄水，而汛期过后又无水可蓄，洪水资源不能有效利用，往往形成旱灾，湖北省2010 年、2011 年发生的旱涝急转就是明显的例子。因此，合理确定江汉平原湖区的汛期划分，合理制定湖泊分期汛限水位，适当抬高后汛期汛限水位，充分利用后汛期雨洪资源，具有重要的意义和紧迫性。

1 汛期划分方法

现有的汛期划分方法有数理统计法、变点分析法、矢量统计法、有序聚类法和系统聚类法等［1］。冯尚友等［2］针对丹江口水库调度的需要对汛期划分进行了研究，主要包括2 个方面的分析：①水文统计分析，具体分析了单站多年旬平均雨量、多年旬平均流量、7 d 最大降水量的时间分布、历年最大洪峰流量出现过程；②气候成因分析，具体分析了各种天气系统的变化过程。基于以上两个方面的综合分析，提出了丹江口水库汛期的分期划分方案。郭荣文［3］针对龙溪河水库的分期设计洪水计算进行研究，在分期洪水时界的划分上，主要是依据对暴雨天气成因分析、地面气候特征分析、水文历史演变趋势分析做出的；在分期设计洪水的计算上采用了跨期选样方法进行分期洪水样本的选择。昆明勘测设计院［4］针对澜沧江漫湾电站后期设计洪水进行了分析研究，在分期时段的划分上，主要考虑汛期各月大气环流形势的变化、汛期各月雨量的变化、汛期各旬洪水流量的变化。河海大学张磊等［5］以洪家渡水库的汛期来水为基础，并在考虑汛期划分时序性的基础上，用改进的图论聚类法为生成模糊相似矩阵、求解最大树、利用阀值进行聚类3 个步骤，确定初汛、主汛和后汛并对划分结果进行分析。长江水利委员会水文局秦智伟等［1］结合暴雨洪水的气候、天气成因、暴雨天气形势,将三峡水库以上洪水汛期划分为主汛期、汛末期,研究汛期洪水的年内、年际变化规律及分期变化特性,提出了三峡坝址分期设计洪水, 为三峡水库优化调度提供关键技术支撑。这些方法各有其优缺点，究竟何种方法最优，国内尚没有定论。不过，国内学者研究较多的是水库的汛期划分，以缓解水库防洪与兴利的矛盾，而对平原湖区的汛期划分研究较少，尚未有成熟的湖泊汛期划分方法可以借用。且目前的水库汛期划分方法多为理论研究，对基础资料数据要求较高，对于平原湖区资料缺乏区域缺乏借鉴意义。

本文基于湖区气候特征和湖泊蓄洪特性，利用降雨资料统计分析湖区不同时长的长历时降雨量，制作降雨散布图，同时根据外江水位分布特点分析统计汛期湖区自排几率，并结合平原湖区水文气象特征，综合划分湖区汛期。

2 应用实例

为充分研究江汉平原湖区汛期划分特点，以江汉平原5 大湖泊（长湖、洪湖、梁子湖、斧头湖、汈汊湖）所在区域为例进行汛期划分。

2.1 流域概况

2.1.1 四湖流域（长湖、洪湖）

四湖流域地处江汉平原腹地，南滨长江、北临汉江及东荆河，西北部与宜漳山区接壤。属长江中游一级支流内荆河流域，因境内原有4 个大型湖泊（长湖、三湖、白鹭湖和洪湖）而得名。目前仅保留长湖、洪湖2 个湖泊。全流域总面积11547.5 km2，其中内垸面积10375 km2，洲滩民垸面积1172.5 km2。

2.1.2 梁子湖流域（梁子湖）

梁子湖地处长江中游南岸，位于湖北省东南部，东与黄石市交界，南与咸宁市为邻，西与武汉市接壤，处于武汉、黄石、鄂州、咸宁四市之间。梁子湖湖泊承雨面积2085 km2。根据2012 年12 月公布的第一批湖泊保护名录的相关数据，梁子湖水面面积271 km2（不含牛山湖），牛山湖水面面积为57.2 km2。

2.1.3 金水流域（斧头湖）

金水流域地处湖北省江汉平原东部，流域跨江夏、嘉鱼、咸安、赤壁四县（市、区），西北临长江，东、南接幕埠山余脉。金水流域主要由鲁湖、斧头湖、西凉湖3 大湖泊组成，流域面积2615.9 km2。3 大湖泊在水位21.5 m（吴淞，下同）时，湖面面积244.72 km2，容积55439 万m3。

2.1.4 汈汊湖流域（汈汊湖）

汈汊湖位于汉川市境内。解放前，该湖是由汈汊湖、东西汊湖、龙赛湖、老观湖、白湖等大小湖泊组成的湖泊群。西北部有府河、天门河、溾水(皂市河)、大富水等河流的山丘区来水汇集入湖，流域面积为16976 km2，当水位为25.0 m 时，湖泊面积为257.6 km2（包括鄂家澥、鸟家澥面积，但不包括东西汊湖面积），湖底高程22.7 m。

2.2 散布图分析最大降雨期

根据各湖区降雨资料，统计各湖泊15 d、20 d、30 d降雨量，并点汇成图，同时取历年最大15 d、20 d、30 d暴雨分别进行频率分析，得到最大15 d、20 d、30 d 暴雨的均值、5 年一遇、10 年一遇值，一并绘制到散布图上。各湖区降雨散布图如图1～图8。

图1 四湖上区（长湖）15d 降雨散布图

图2 四湖上区（长湖）20d 降雨散布图

图3 四湖中下区（洪湖）15d 降雨散布图

图4 四湖中下区（洪湖）20d 降雨散布图

图5 梁子湖15d 降雨散布图

图6 梁子湖30d 降雨散布图

图7 斧头湖20 日降雨散布图

图8 汈汊湖20 日降雨散布图

从图1～图8 总体上可看出，5 大湖泊所在区域15 d、20 d、30 d 等长历时降雨量，超过5 年一遇最大15 d、20 d、30 d 设计暴雨的点绝大部分均集中在6月1 日至9 月1 日之间；超过最大15 d、20 d、30 d 均值但小于5 年一遇设计暴雨值的点绝大部分集中在5 月1 日至6 月1 日之间，9 月1 日至11 月1 日绝大部分点值均位于均值以下，少量点值位于均值至5 年一遇设计暴雨值之间。因此，强降雨集中发生时间来看，江汉平原湖区从5 月1 日开始整体上进入强降雨多发期，即主汛期；9 月1 日强降雨多发期基本结束，但直到10 月末仍有发生强降雨的可能，即从9 月1 日起整体进入后汛期。当然，由于不同湖区受副高脊线影响时间不同，进入和退出强降雨多发期的时间会稍有不同，如梁子湖、斧头湖4 月下旬即开始出现强降雨，8 月上旬以后强降雨基本结束，而四湖上区整个汛期5 至10 月份均有出现强降雨的大概率，直到11 月上旬强降雨才基本结束；四湖下区整个汛期5 月上旬即开始出现强降雨，8 月下旬以后强降雨基本结束。

2.3 历时保证曲线分析自排几率

分旬统计各湖区出口处的外江水位，统计逐日水位历时保证率，制成逐日外江水位历时保证率曲线图，如图9～图20。

图9 金水闸外4 月上旬水位历时保证曲线

图10 金水闸外4 月中旬水位历时保证曲线

图11 金水闸外4 月下旬水位历时保证曲线

图12 金水闸外5 月上旬水位历时保证曲线

图13 汉川站4 月下旬水位历时保证曲线

图14 汉川站5 月上旬水位历时保证曲线

图15 汉川站5 月中旬水位历时保证曲线

图16 汉川站5 月下旬水位历时保证曲线

图17 樊口闸下4 月上旬水位历时保证曲线

图18 樊口闸下4 月中旬水位历时保证曲线

图19 樊口闸下4 月下旬水位历时保证曲线

图20 樊口闸下5 月上旬水位历时保证曲线

从金水闸外4、5 月份的分旬水位保证率曲线来看（如图9～图12），4 月上中旬闸外水位低于泵站起排水位20.5 m 的机会较大，在90%左右，4 月下旬亦有接近80%的机会可自排，而到了5 月上旬，长江水位上涨较快，闸的自排几率已降至60%以下。

从汉川站外江水位分析，4、5 月份（尤其是4 月份）外江水位较低，4 月上、中旬闸外水位基本都低于泵站起排水位23.5 m，自排几率达99%左右，4 月下旬也93%的机会可以自排。5 月上、中、下旬，汉江水位上涨，闸的自排几率分别为80%、76%、70%左右，自排几率仍较高。又根据汉川泵站和分水泵站实际运用情况看，5 月份开机排水的几率较低，多年来仅2002 年5 月10 日开机，其他大水年份开机均在6 月份。

根据樊口大闸外长江水位4、5 月逐日平均水位统计，4 月上旬逐日水位低于16.5 m 自排几率达90%，自排几率较大，4 月中旬水位开始上涨，低于16.5 m 自排几率仅66.4%，到4 月下旬自排几率仅45.5%，进入5 月自排几率很小。

从上述分旬逐日水位历时保证率曲线可以看出，江汉平原湖区4 月下旬开始外江水位陆续上涨，湖区受外江水位顶托影响，自排几率逐旬降低，湖区泵站陆续开机，平原湖区逐步进入主汛期。从上述分析看，不同平原湖区进入主汛期时间略有不同，但从总体上看，5 月上旬各湖泊受外江高水位顶托影响几率明显加大，各排湖泵站陆续开机，5 月整体进入汛期。

2.4 汛期划分结论

结合江汉平原湖区的降雨分布、外江水位及气候特点，江汉平原湖区5—8 月可划分为主汛期，9—10 月可划分为后汛期。4 月开始局部区域已有较大暴雨，平原湖区水位开始上涨，部分排湖泵站已开机，但由于4 月份整体而言仍有50%以上几率可自排，4 月成灾的记录也几乎没有，因此4 月份不作为主汛期划分，可作为主汛期前的过渡期对待。