1. 引言
2016年7月长江流域发生中下游型区域性大洪水,为1999年以来最大洪水,具有中下游干流水位高、高水持续时间长,河流湖泊超警多、范围广、时间长,支流洪水严重、多条河流超历史,内涝渍水严重、洪水影响范围广等特征。莲花塘站洪峰水位达34.29 m,接近保证水位34.40 m,螺山、汉口洪峰水位排历史最高水位第5位,湖口、大通站洪峰水位排历史最高水位第6位,九江站洪峰水位排历史最高水位第7位。鄱阳湖7月出现明显的长江洪水倒灌现象,最大倒灌流量9100 m3/s,居历年最大倒灌流量排序(由大到小)中第4位。长江中下游干流主要控制站超警时间在8~29 d之间,其中莲花塘江段、中下游码头镇以下江段水位超警时间均在 20 d以上。超警范围、超警持续时间均为1999年以来首位。根据长江水利委员会水文局对本次洪水还原计算的成果,莲花塘至螺山江段洪峰水位接近1996年,汉口及其以下江段较1996年偏高0.1~0.35 m,但还原后的螺山、汉口及大通30天洪量仅为5年一遇,比1996年偏小10%左右,出现洪峰水位偏高洪量偏小的情况。为了探索2016年洪水位偏高的原因,从流域前期来水偏丰、来水集中且干支流遭遇严重、下游顶托宣泄不畅、江湖关系改变以及河道冲淤造成的水位流量关系变化等因素分析了2016年长江干流高水位的原因。
2. 流域前期来水偏丰,底水高
2016年3~6月,长江流域先后发生了26次较强降雨过程,除金沙江、岷沱江、洞庭湖基本正常外,流域降雨量较常年偏多10%,其中汉江、长下干偏多40%~50%,乌江偏多30%,嘉陵江、长上干偏多20%,长中干、鄱阳湖偏多10%左右。其次,3月下旬至6月上旬,长江上游梯级水库群合计消落库容226亿m3,其中三月下旬消落17.9亿m3,4月份消落74.5亿m3,5月份消落106.3亿m3,6月上旬消落27.3亿m3。受两者共同作用,长江中下游干流及“两湖”水系3~6月来水较历史同期(近30年均值)总体偏多,底水偏高。其中,宜昌、汉口、大通站来水偏多30%~40%,城陵矶、湖口站偏多40%~50%;4月份城陵矶、汉口、湖口、大通站月均水位创历史同期新高,6月份分别较历史同期偏高2 m左右。
3. 中下游干流附近来水集中,遭遇严重
6月30日~7月6日强雨带维持在长江中下游干流附近、洞庭湖水系及鄱阳湖水系北部,暴雨区多位于中下游干流附近及两湖水系北部,雨区窄而强度大,其中,6月30日,长江上游干流东部附近的暴雨促成长江2016年第1号洪水在长江上游形成,长时间的暴雨和大暴雨促成长江2016年第2号洪水在长江中游形成。
受强降雨影响,洞庭湖水系资水、沅江、澧水,长江中游干流附近地区、清江、鄂东北诸支流,鄱阳湖水系修水及长江下游水阳江、滁河等支流均发生较大洪水,导致中下游干流区间来水快速增加,干流各站水位逐步上涨并维持在较高值。各支流来水集中,多条支流超过保证和历史最高,其强度和持续时间罕见,在长江中下游干流形成严重遭遇。两湖及鄂东北各支流的流量过程见图1。
由图1可以看出,2016年7月鄂东北诸支流出现大洪水过程,2016年以来鄂东北诸支流合成流量达到10,000 m3/s及以上的洪水共有3次,分别发生于7月2日、7月6日及7月21日。其中7月2日洪水对汉口水位形成顶托,加之汉口以下江段壅水影响,导致汉口站的水位壅高。洞庭湖水系资水柘溪水库4日出现1962年建库以来最大入库洪峰流量20,400 m3/s,沅江五强溪水库发生2次较大涨水过程,最大入库流量分别为22,300 m3/s (5日9时)、13,900 m3/s (20日15时),洞庭“四水”合成流量也有2次较大过程,最大流量分别为27,000 m3/s (5日20时)、22,800 m3/s (19日2时);鄱阳湖水系修水柘林水库7月4日最大入库流量7000 m3/s。
Figure 1. Discharge process of Dongting Lake, Poyang Lake and the tributary in southeast of Hubei province
图1. 两湖及鄂东北各支流流量过程
4. 下游顶托重、洪水宣泄不畅
受连续强降雨影响,长江中游鄂东北诸河的滠水长轩岭、倒水李家集、举水柳子港站发生超历史记录洪水,7月2日8时,鄂东北诸支流合成流量25,000 m3/s,超历史记录,主要受其顶托影响,汉口站日涨幅1.31 m,创历史记录。汉口站出现洪峰水位时,螺山与汉口站水位落差4.94 m (比降0.0236‰),较96年(落差5.51 m,比降0.0264‰)偏小0.57 m,水面比降明显偏小,流速趋缓、水位雍高。
长江下游主要支流(青弋江、水阳江、滁河、巢湖水系等)来水自6月底起逐步上涨,各支流主要控制站水位相继超警,并在7月上旬出现洪峰,其中部分站点发生超保或超历史洪水。上述支流来水量级较大、历时长、洪水发生时间集中,受其顶托及干流来水双重影响,长江下游干流南京、大通站分别于7月2日6时、3日3时超警,在长江中下游干流(南京以上江段)及两湖出口控制站超警起始时间中分别列第1位和第2位。九江站出现洪峰水位时,汉口与九江站水位落差6.47 m (比降0.0241‰),较96年(落差6.81 m,比降0.0254‰)偏小0.34 m;大通站出现洪峰水位时,汉口与大通站水位落差12.58 m (比降0.0246‰),较96年(落差13.11 m,比降0.0256‰)偏小0.53 m,水面比降均明显偏小,河道宣泄不畅,水位被迫抬升。此外,据长江口徐六泾站实测资料分析,7月初为涨潮期,潮流对长江下游干流水位的顶托作用增强。
5. 河道冲淤变化影响
长江中下游干流的冲淤变化影响到河道的过流能力,河道淤积对于抬高洪水位有一定的影响。选取长江干流的螺山、汉口以及大通站1996年和2016年断面资料,分析河道形态的变化。各个站点断面形态变化如图2,由图可以看出,螺山站2016年断面形态较1996年发生了较为明显的变化,表现为左岸冲刷较为严重,而河道中间偏右岸有一定的淤积,而汉口站和大通站断面形态变化较为相似,均出现了左岸淤积,而右岸冲刷的变化趋势。为了进一步分析断面形态变化对于河道过流能力的影响,统计各个水位下的过流面积,如表1。由表1可以看出,各个站点在同一水位条件下,2016年的过流面积均比1996年的减少,其中螺山站在水位为30~33 m时,断面过流面积相应减少3.9%~4.4%;汉口站在水位为26~29 m时,断面过流面积减少了2.2%~3.5%;大通站在水位为13~16 m时,过流面积减少了1.8%~2.2%。过流面积的减少一定程度上影响了洪水的下泄,使得同等流量条件下水位抬高。
Table 1. Comparison of the cross section area between 1996 and 2016 for each station
表1. 各控制站点1996年与2016年断面过流面积对比
6. 水位流量关系的变化
长江中下游各控制站水位流量关系受洪水波附加比降影响较大,同一水位涨水流量大、落水流量小,形成绳套形的水位流量关系,其中心轴线也随年内和年际间不同洪水而变化,且变幅较大。绘制了螺山、汉口和大通站2016年与1954、1996、1998年等水位流量连时序线如图3。
(a) 螺山 (b) 汉口站(c) 大通站
Figure 2. Comparison of section configuration between 1996 and 2016 in the hydrological stations
图2. 长江干流水文站1996年和2016年断面形态变化对比图
(a) 螺山站 (b) 汉口站(c) 大通站
Figure 3. Comparison of the stage-discharge relation curve among 2016, 1954, 1996 and 1998
图3. 水文站2016年与1954、1996、1998年等水位流量连时序线比较图
Table 2. Change of area and volume of Dongting Lake [3] [4] [5]
表2. 洞庭湖历年面积、容积变化表 [3] [4] [5]
由图可以看出,螺山站2016年同水位的流量变幅达5000 m3/s左右,同流量的水位变幅达1 m左右;水位28 m以下水位流量关系右偏;水位30 m以上水位流量关系,2016年、2010年、1996年较1998、1999年左偏,以2016年左偏最为明显,在流量级40,000~50,000 m3/s时,螺山站水位2016年7月比1996年同流量级下平均水位高1.0 m左右。汉口站水位流量点据分布带宽较宽,水位流量关系呈绳套关系,同水位下流量最大变幅达10,000 m3/s左右,同流量下水位最大变幅达2.7 m左右。汉口站水位23 m以下,2016年水位流量关系靠右侧;水位23m以上水位流量关系左偏明显。同流量条件下,2016年水位较与1996年相比偏高0.2~0.9 m。大通站各年水位流量关系点据比较集中,绳套带宽不大,1954年水位流量关系基本上在最左侧。2016年水位流量关系在水位14 m以下时接近各年中轴线,14 m以上左偏明显,65,000 m3/s左右流量下水位偏高约1.0 m [1] [2] 。综上,2016年三个典型站点在高水部分水位流量关系较常年偏左,因此导致了在同一流量条件下水位偏高。
7. 江湖关系变化
长江中下游洪水一般是由上游来水导致,多年平均情况下,宜昌以上60 d来水占汉口来水量的70%以上,1998年达到72.1%,因此,洞庭湖、鄱阳湖以及通江湖泊对于洪水的调蓄能力是影响洪水水位的重要因素。以洞庭湖为例,本次统计了洞庭湖历年的面积、容积的变化见表2。由表可以看出,洞庭湖的面积和容积呈现了先减少后增加的趋势,湖区“平垸行洪,退田还湖工程”实施后,湖区的面积和容积均有一定的增加,也使得洞庭湖对于长江湖区调蓄能力增加。因此,与1996年洪水相比,由于两湖对于长江洪水的调蓄能力增加,本次干流各站的洪峰和洪量均比1996年偏小。
8. 其他因素的影响
随着社会经济的发展,沿江排涝能力(特别是城市)增强,通过加大抽排流量,雨洪渍水快速排入长江,导致干流水位壅高、行洪不畅。以武汉市为例,6月30日8时至7月7日8时,武汉市累计面雨量537 mm,其中7月5日20时至6日20时累计面雨量191.21 m,导致中心城区发生较为严重的内涝,以6日上午最为严重。根据《武汉市中心城区排水防涝专项规划(2012~2030)》中相关成果,中心城区集水面积2095 km2,规划抽排能力由2012年的903 m3/s提升至2030年的2258 m3/s。依据降雨量和集水面积估算,5日20时至6日20时强降雨落在武汉市中心城区的水量约4亿m3,大部分以直排方式进入长江,日均排水流量在2000 m3/s左右。此外,部分中小河流的河道治理工程,导致河道渠化,削弱了洪水波在河道传播中的坦化作用,加快了洪水传播速度,支流洪水在短时间内集中汇入长江,也是高水持续原因之一。
9. 结论
2016年7月长江流域发生中下游型区域性大洪水,中下游干流莲花塘站、汉口站、大通站洪峰水位分别排历史第五位、第五位、第六位。长江中下游干流水位高、高水持续时间长的成因主要有:① 流域前期来水丰,河湖底水高;② 中游洪水与下游洪水,支流洪水与干流洪水恶劣遭遇;③ 下游顶托重、洪水宣泄不畅;④ 河道断面过流能力略微减弱,导致同一流量下水位抬高;⑤ 洪水发生期间,各站水位流量关系呈现出明显的左偏现象;⑥ 洞庭湖、鄱阳湖的调蓄能力的提高一定程度上削减了干流的洪峰和洪量;⑦ 其他影响因素,如沿江排涝能力增强、洲滩民垸分蓄滞洪量少等影响因素。
基金项目
水利部公益性行业科研专项经费项目(201501002)。