魏林云,李 強,魏 軒,吳 瓊

(1.長江水利委員會水文局 荊江水文水資源勘測局,湖北 荊州 434000; 2.長江水利委員會 水文局,湖北 武漢 430010; 3.長江水利委員會 智慧長江創(chuàng)新團隊,湖北 武漢 430010)

0 引 言

2020年,長江發(fā)生了新中國成立以來僅次于1954年和1998年的流域性大洪水,長江干流先后發(fā)生了5次編號洪水,三峽水庫出現(xiàn)建庫以來最大入庫流量[1-3]。三峽水庫蓄水運用后,通過多次攔蓄洪峰,有效緩解了長江中下游河段的防洪形勢。許多學者從流域降水特征、前期來水情況、洪水地區(qū)組成、干支流洪水遭遇及下游頂托等方面,探討了長江中下游干流高洪水位成因[4-6],并取得了大量的研究成果,但這些成果基本都是對長江流域或長江中下游河段進行分析研究,對三峽水庫蓄水前后的荊江河段大洪水對比分析的研究成果較少。因此,本文采用長江中游荊江河段2020年和1998年的實測洪水資料,對荊江河段干支流的主要控制站洪水特性進行研究,重點探討了2020年荊江河段洪水成因[7-8],以期更好地為荊江河段防洪減災工作提供參考。

1 研究河段概況

荊江河段上起湖北省宜昌枝城,下迄湖南省城陵磯,全長約347.2 km。荊江以藕池口為界,分為上、下荊江,上荊江長約171.7 km,為微彎分汊河型,下荊江長約175.5 km,為典型彎曲蜿蜒型河道。河段內枝城以上約9 km處有支流清江入匯。枝江以上約13 km處有瑪瑙河入匯。沙市以上約14.5 km 處有沮漳河入匯;沙市以上約11.5 km處荊江北岸有引江濟漢水利樞紐,通過江漢運河引長江水入漢江。荊江南岸有松滋河、虎渡河、藕池河、華容河分別自松滋口、太平口、藕池口和調弦口(1959年建閘控制)分流至洞庭湖,與湘、資、沅、澧四水匯合后,于城陵磯又匯入長江[9]。荊江河段示意見圖1。

圖1 長江中游荊江河段Fig.1 Jingjiang reach of the Yangtze River

2 2020年荊江河段暴雨洪水特點

2.1 水雨情概況

荊江河段位于長江中游干流上段,包括荊江四口水系,地跨湖北宜昌、荊州及湖南華容、岳陽等縣市[10]。2020年18個雨量站降水量為1 194.0～1 798.7 mm,年平均降水天數達145 d,年平均降水量為1 563.4 mm(多年平均降水量1 100 mm),比多年平均值偏多42.1%。暴雨中心分別出現(xiàn)在湖北省宜都市及公安縣藕池鎮(zhèn),年最大降水量為1 798.7 mm(藕池(管)站),最大日降水量為155.0 mm(調弦口站)。

2020年降水主要特點:① 雨水早,1月降水量較往年偏多,平均月降水量達到116.4 mm,占年平均降水量的7.4%;② 降水時段集中,主汛期6～9月平均降水量達919.3 mm,占年平均降水量的58.8%。

2.2 洪水概況

2020年長江上游出現(xiàn)5次洪峰流量大于50 000 m3/s 洪水過程。特別是8月11～17日,長江上游岷江流域、沱江流域、嘉陵江流域發(fā)生持續(xù)強降雨,金沙江和雅礱江來水也持續(xù)增加,長江第4,5號洪水間隔80 h相繼在上游生成,8月20日08∶00,三峽水庫出現(xiàn)75 000 m3/s的入庫洪峰,為三峽水庫建成以來最大入庫洪峰。

受三峽水庫、清江各梯級水庫調節(jié)影響,2020年荊江河段出現(xiàn)3次較明顯的洪水過程,荊江上段洪峰出現(xiàn)在7月24日,荊江下段洪峰水位均出現(xiàn)在8月21日前后。7月24日,沙市(二郎磯)站出現(xiàn)2020年最高洪水位(43.38 m),為近15 a來最高水位。沙市(二郎磯)站水位超警戒水位9 d,監(jiān)利(二)站水位超警戒水位51 d,超保證水位2 d。荊江河段水文情勢已非天然河道水文情勢,另兼受洞庭湖及城陵磯以下長江干流水情影響,下荊江的洪水過程比上荊江更復雜,上下荊江的洪水要素相關性、過程相應性均發(fā)生了較大變化。

3 2000年與1998年洪水比較

3.1 洪峰水位、流量

荊江河段干流3個主要控制站2020年與1998年實測最高水位和最大流量見表1。對比可見,1998年枝城、沙市、監(jiān)利等3站最高水位、最大流量[2]均大于2020年,各站超警戒水位天數均比2020年長。

表1 荊江干流控制站2020年與1998年最高水位和最大流量Tab.1 Comparison of the maximum water level and discharge at control stations of Jingjiang main stream in 2020 and 1998

清江及荊江三口主要控制站2020年與1998年最大流量對照見圖2。高壩洲站1999年8月建站,2020年6月29日最大泄洪流量超過2016年7月20日最大泄洪流量(7 360 m3/s),為建壩以來最大泄洪流量。其余5站最大流量均小于1998年。

圖2 清江及荊江三口主要控制站最大流量對照Fig.2 Comparison of the maximum flow of main control stations in Qingjiang River and three outlets of Jingjiang River

3.2 主要控制站徑流量

從荊江河段干支流9個主要控制站汛期(5～10月)徑流總量來比較(圖3),除高壩洲站于1999年8月建站外,其余各站5～10月徑流總量均小于1998年。

圖3 主要控制站5～10月徑流總量對照Fig.3 Comparison of total runoff at main control stations from May to October

根據2020年與1998年枝城站及荊江三口資料統(tǒng)計分析分流比(見表2),可以看出:2020年枝城站年徑流量5 614億m3,較1998年枝城站年徑流量(5 365億m3)略大,松滋口、太平口、藕池口分流比分別由9.9%,3.4%,6.2%減小到9.0%,1.7%,3.9%,即三口分流量減少。

表2 荊江三口各控制站2020年與1998年分流比統(tǒng)計Tab.2 Diversion ratios of control stations of three outlets of Jingjiang River in 2020 and 1998 %

3.3 洪水時段洪量

2020年洪水、1998年洪水均為全流域性洪水,但受多種因素影響,兩年洪水又各具特點[11]。荊江干流枝城、沙市、監(jiān)利總入流時段洪量對比如表3所示。

表3 2020年和1998年洪水洪量對比Tab.3 Comparison of flood volume in 2020 and 1998 億m3

由表3中最大30 d,60 d洪量比較可知:2020年枝城站實測30 d,60 d洪量分別為1 073.0億m3、2 012.0億m3。2020年比1998年30 d洪量減少24.4%,60 d洪量減少22.4%。30 d洪量占60 d洪量比重2020年為53.3%,與1998年的54.8%相當。

沙市站實測30 d,60 d洪量2020年分別為901.0億m3、1 695.0億m3,分別比1998年減少22.2%,21.0%;總入流30 d,60 d洪量2020年分別為891.0億m3、1 675.8億m3,分別比1998年減少23.0%,21.2%;沙市站實測和總入流30 d洪量占60 d洪量比重2020年均為53.2%,均小于1998年的比例(54.0%,54.4%)。表明沙市站1998年洪水洪量比2020年集中。

監(jiān)利站實測30 d,60 d洪量2020年分別為824.3億m3、1 553.0億m3,比1998年的1 017.0億m3、1 880.0億m3減少18.9%,17.4%;總入流30 d,60 d洪量2020年分別為828.5億m3、1 559.0億m3,比1998年的1 018.3億m3、1 901.1億m3減少18.6%,18.0%。

從總體情況看,荊江河段1998年時段洪量均大于2020年,長江上游水庫群聯(lián)合調度發(fā)揮了巨大的作用,有效削減洪峰、洪量、縮短高水位時間。2020年7～8月洪水期間,長江流域聯(lián)合調度上中游30余座水庫群累計攔蓄洪水約490億m3,其中三峽水庫攔蓄洪水約254億m3,避免洞庭湖附近蓄滯洪區(qū)和荊江分洪區(qū)啟用,有效減輕了嘉陵江、岷江等河流和長江中下游防洪壓力[5]。

4 主汛期水面線分析

本文選擇中高流量級(枝城-沙市河段流量分別為20 000,40 000 m3/s)下的水面線進行分析。

4.1 枝城-沙市河段

當枝城-沙市河段流量為20 000 m3/s左右時,選取2020年6月19日與1998年6月26日的水面線資料進行比較。枝城流量均為23 700 m3/s,沙市站流量分別為20 800,20 600 m3/s。枝城-沙市段流量為20 000 m3/s 左右時,該河段沿程相應水位變化成果見圖4。

圖4 流量20 000 m3/s時枝城-沙市段水面線比較Fig.4 Comparison of water surface line at a flow rate of 20 000 m3/s from Zhicheng to Shashi

由圖4可以看出,枝城-沙市河段流量為20 000 m3/s時,2020年枝城、馬家店、陳家灣、沙市站水位較1998年水位變化分別為-1.18,-1.72,-1.70,-1.42 m。就整個河段來看,枝城-沙市段水面線沿程變化為下降,幅度為1.18～1.72 m。觀測2020年、1998年枝城-沙市河段的比降分別為0.056 6‰,0.054 0‰,行洪能力增強。

當枝城-沙市河段流量為40 000 m3/s左右時,選取2020年7月24日(枝城、沙市站流量分別為45 000,40 200 m3/s)與1998年8月4日(枝城、沙市站流量分別為45 000,40 210 m3/s)沿程水面線進行比較。枝城-沙市段流量為40 000 m3/s左右時,沿程相應水位變化成果見圖5。

圖5 流量40 000 m3/s時枝城-沙市段水面線比較Fig.5 Comparison of water surface line at a flow rate of 40 000 m3/s from Zhicheng to Shashi

由圖5可以看出,枝城-沙市河段流量為40 000 m3/s 時,2020年枝城、馬家店、陳家灣、沙市站水位較1998年水位變化分別為-0.72,-0.94,-0.79,-0.77 m。從整個河段來看,枝城-沙市段水面線沿程變化為下降,幅度為0.72～0.94 m。觀測2020年、1998年河段枝城-沙市的比降分別為0.053 5‰,0.053 0‰,行洪能力增強。

在不同流量級條件下,2020年主汛期枝城-沙市河段水面線與1998年相比,水面線降低,隨著流量級的增大,比降變化趨勢變緩。

4.2 沙市-監(jiān)利河段

當沙市-監(jiān)利河段流量為20 000 m3/s左右時,選取2020年9月11日與1998年9月16日的水位資料進行比較。沙市流量均為22 200 m3/s,監(jiān)利站流量均為20 700 m3/s。沙市-監(jiān)利段流量為20 000 m3/s左右時,該河段沿程相應水位變化成果見圖6。

圖6 流量20 000 m3/s時沙市-監(jiān)利段水面線比較Fig.6 Comparison of water surface line at a flow rate of 20 000 m3/s from Shashi to Jianli

從圖6可以看出,沙市-監(jiān)利河段流量為20 000 m3/s左右時,2020年沙市、郝穴、新廠、石首、調弦口、監(jiān)利站水位相比1998年水位變化分別為-1.72,-1.31,-1.17,-1.24,-1.07,-1.10 m。從整個河段來看,沿程水面線變化整體下降較為明顯。觀測2020年、1998年沙市-監(jiān)利河段的比降分別為0.030 8‰,0.034 7‰,行洪能力減弱。

當沙市-監(jiān)利河段流量為40 000 m3/s左右時,選取2020年8月21日與1998年8月21日的水位資料進行沿程水面線比較。兩站不同年份流量基本相近,沙市站流量均為43 000 m3/s,監(jiān)利站流量分別為39 500,39 700 m3/s。沙市-監(jiān)利段流量為 40 000 m3/s 左右時,沿程相應水位變化成果見圖7。

圖7 流量40 000 m3/s時沙市-監(jiān)利段水面線比較Fig.7 Comparison of water surface line at a flow rate of 40 000 m3/s from Shashi to Jianli

從圖7可以看出,沙市-監(jiān)利段流量為40 000 m3/s時,2020年沙市、郝穴、新廠、石首、調弦口、監(jiān)利站水位較1998年水位分別下降-1.07,-1.13,-1.16,-1.38,-1.64,-1.62 m。從整個河段來看,沿程水面線變化整體下降較為明顯,幅度為1.07～1.62 m。觀測河段沙市-監(jiān)利的比降2020年、1998年分別為0.042 8‰,0.039 3‰,行洪能力增強。

5 2020年荊江河段高洪水位成因分析

2020年荊江河段洪水的顯著特點是持續(xù)時間長、發(fā)生頻繁、間隔短。造成2020年荊江河段洪水的主要原因有以下幾個方面:

(1) 上游來水量大。荊江河段洪水主要為上游來水,2020年長江上游出現(xiàn)5次洪峰流量大于50 000 m3/s 的洪水過程。特別是8月11～17日,長江上游岷江流域、沱江流域、嘉陵江流域發(fā)生持續(xù)強降雨,金沙江和雅礱江來水也持續(xù)增加,長江第4,5號洪水間隔80 h相繼在上游生成,8月20日08∶00,三峽水庫出現(xiàn)75 000 m3/s的入庫洪峰,成為三峽水庫建成以來最大入庫洪峰。

(2) 分流比減小。20世紀50年代以來,由于荊江裁彎、葛洲壩水利樞紐和三峽水庫的興建等導致荊江河床沖刷下切、同流量下水位下降以及三口口門段河勢調整,荊江三口分流分沙能力一直處于衰減之中,見表4。三峽水庫蓄水運用以來,2003～2020年與1999～2002年相比,枝城來水較1999～2002年均值偏少3.8%,荊江三口年均分流量減少近127.5億m3,減幅為20%。根據2020年與1998年枝城站及荊江三口資料統(tǒng)計分析,2020年枝城徑流量5 614億m3,較蓄水前1998年枝城徑流量5 365億m3略大,松滋口、太平口、藕池口分流比分別由9.9%,3.4%,6.2%減小到9.0%,1.7%,3.9%。三口分流量減少,導致荊江河段水位持續(xù)偏高。

表4 不同時段荊江三口分流統(tǒng)計Tab.4 Statistics on the diversion in three outlets of Jingjiang River at different time periods

(3) 洞庭湖頂托影響。監(jiān)利站下游約80 km處為長江與洞庭湖的匯流處。城陵磯(七里山)是監(jiān)測洞庭湖出湖水情沙情的基本水文站,洪峰水位出現(xiàn)在2020年7月28日,水位達34.74 m,在歷史水位系列中位列第五。洪峰流量出現(xiàn)在2020年7月12日,約為33 200 m3/s,在歷史流量系列中位列18。洞庭湖來水主要來自長江,洞庭湖出口荊江河段受長江中下游洪水頂托影響,行洪能力減弱,水位較高,進而影響洞庭湖出流能力,導致2020年城陵磯(七里山)與歷年數據相比,水位排位較高,但流量排位較低。

以監(jiān)利站2020年6月28日至7月15日、8月11日至9月5日兩次洪水過程為例(圖8～9),水位流量關系圖見圖8～9,可以看出:監(jiān)利站在流量基本不變甚至減小的情況下,水位迅速抬高,說明此時監(jiān)利站受洞庭湖頂托影響嚴重。

圖8 監(jiān)利站水位流量關系線(2020年6月28日至7月15日)Fig.8 Water level-flow relationship diagram of Jianli Station from June 28 to July 15,2020

圖9 監(jiān)利站水位流量關系線(2020年8月11日至9月5日)Fig.9 Water level-flow relationship diagram of Jianli Station from August 11 to September 5,2020

6 結 論

本文基于2020年、1998年荊江河段洪水比較,重點分析了2020年荊江河段高洪水位成因,主要結論如下:

(1) 荊江河段2020年時段洪量均小于1998年。2020年長江上游水庫群發(fā)揮巨大的作用,長江流域水庫群聯(lián)合調度有效削減洪峰(洪量)量級、縮短高水位時間。

(2) 荊江河段2020年主汛期水面線較1998年低。受長江上游水庫群聯(lián)合調度及清水下泄沖刷影響,2020年荊江河段主汛期水位下降約0.72～1.72 m。

(3) 2020年荊江河段洪水的顯著特點為持續(xù)時間長、發(fā)生頻繁、間隔短。2020年高洪水位成因主要有上游來水量大、分流比減小、洞庭湖頂托影響等。